一種電子鼻時(shí)空氣味信息的仿生檢測裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電子鼻時(shí)空氣味信息的仿生檢測裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電子鼻是模擬生物嗅覺原理構(gòu)建的智能儀器，如申請?zhí)枮?01410502332.X的中國專利。電子鼻通常由交叉敏感的氣敏傳感陣列和合適的模式識(shí)別算法組成，自動(dòng)完成對氣味的定性或定量辨識(shí)。它在食品加工、醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測和公共安全等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。電子鼻發(fā)展40多年一直不能從實(shí)驗(yàn)室真正走向生產(chǎn)生活實(shí)際場合，或者只能在既定場合簡單識(shí)別少數(shù)幾種特定氣味，遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于人類鼻子上千種氣味的辨識(shí)能力。
[0003]通用電子鼻為了達(dá)到分辨不同復(fù)雜氣味細(xì)微差別的目標(biāo)，希望像生物嗅覺中嗅神經(jīng)元那樣，有大量且不同類型的氣敏傳感器構(gòu)成混合陣列，以獲取豐富的氣味信息。但目前技術(shù)成熟的氣敏傳感器類型單一、種類不多，而且不是針對電子鼻專門生產(chǎn)，這樣導(dǎo)致不能為模式識(shí)別階段提供足夠的原始?xì)馕缎畔?，只能?shí)現(xiàn)少量模式種類的粗略辨識(shí)。
[0004]目前在電子鼻中使用的氣敏傳感器包括金屬氧化物半導(dǎo)體MOS型、石英晶體微天平QCM型、聲表面波SAW型和導(dǎo)電聚合物CP型等多種，但在使用壽命、穩(wěn)定性和一致性上除了MOS型外其他類型很難滿足電子鼻實(shí)際應(yīng)用的要求。MOS型傳感器通常需要300-500°C的工作溫度，一些報(bào)道研究了溫度調(diào)制方法來提高傳感器敏感性和選擇性，但是在電子鼻中沒有直接利用所獲取的整個(gè)時(shí)間序列信息，也沒有有效的模型算法作相應(yīng)處理，通常做法是將所獲取的時(shí)間序列信息進(jìn)行特征提取，將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行大幅度降維以適應(yīng)普通模式識(shí)別算法，從而丟失了大量的氣味細(xì)節(jié)信息，不利于對大量和相近氣味的精細(xì)分類。
[0005]另一方面，在生物鼻中，嗅神經(jīng)元并不是直接暴露在氣味環(huán)境中，而是位于具有獨(dú)特解剖結(jié)構(gòu)和表面覆蓋黏液的鼻腔內(nèi)，通過吸氣以對流和擴(kuò)散的方式將氣味分子傳入，該過程取決于鼻腔結(jié)構(gòu)、氣流速度場、氣味分子在空氣和粘膜層中的擴(kuò)散性和吸附性以及組織厚度等，相關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)從不同角度提出多種理論模型。同樣，電子鼻中各傳感器所處位置的氣體反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性也取決于采樣裝置中氣味分子傳遞過程，受電子鼻氣室結(jié)構(gòu)、氣流速度、傳遞形式等的影響。但是將這些影響因素用于構(gòu)建電子鼻系統(tǒng)氣室和傳感陣列，以更貼近生物嗅覺實(shí)際，獲取更豐富的氣味信息，在目前文獻(xiàn)中鮮有報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，而提供一種設(shè)計(jì)合理、結(jié)合溫度調(diào)制技術(shù)和膜延遲技術(shù)的電子鼻時(shí)空氣味信息的仿生檢測裝置及方法。
[0007]本發(fā)明解決上述問題所采用的技術(shù)方案是:一種電子鼻時(shí)空氣味信息的仿生檢測裝置，其特征在于:包括仿生氣室、氣敏傳感器和控制模塊；
仿生氣室包括進(jìn)氣接頭、出氣接頭、管體和透氣膜/半透膜;管體兩端封住;進(jìn)氣接頭和出氣接頭分別安裝在管體的兩端，并與管體的管腔連通;管體包括S形管道和反S形管道;S形管道的管口與反S形管道的管口固定并連通，使S形管道的管腔與反S形管道的管腔連通構(gòu)成氣路;所述的S形管道和反S形管道為多個(gè)，間隔連接，多個(gè)S形管道和反S形管道依次連接以構(gòu)成更長的氣路;相連的S形管道和反S形管道，在連接處的管口上覆蓋有透氣膜/半透膜，透氣膜/半透膜將該S形管道的管腔和反S形管道的管腔隔開;在S形管道和反S形管道的管壁上開有安裝孔，氣敏傳感器安裝在安裝孔中，氣敏傳感器的傳感部位伸入S形管道和反S形管道的管腔中；安裝在S形管道和反S形管道上的氣敏傳感器構(gòu)成傳感陣列；
控制模塊包括處理模塊、工作溫度調(diào)制模塊和傳感陣列信號(hào)采集模塊;處理模塊與工作溫度調(diào)制模塊和傳感陣列信號(hào)采集模塊連接;工作溫度調(diào)制模塊和傳感陣列信號(hào)采集模塊與氣敏傳感器連接;控制模塊包括處理模塊、工作溫度調(diào)制模塊和傳感陣列信號(hào)采集模塊;處理模塊與工作溫度調(diào)制模塊和傳感陣列信號(hào)采集模塊連接;傳感陣列信號(hào)采集模塊與氣敏傳感器連接;工作溫度調(diào)制模塊與MOS型氣敏傳感器匹配，所述的氣敏傳感器為MOS型氣敏傳感器時(shí)，工作溫度調(diào)制模塊與MOS型氣敏傳感器連接，可對MOS型氣敏傳感器進(jìn)行工作溫度調(diào)制。
[0008]本發(fā)明所述的工作溫度調(diào)制模塊包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器、電壓跟隨器和功率放大模塊；傳感陣列信號(hào)采集模塊包括四號(hào)電阻、五號(hào)電阻、六號(hào)電阻、儀表放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器;處理模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、電壓跟隨器、功率放大模塊依次連接;MOS型氣敏傳感器的加熱電阻與功率放大模塊連接;MOS型氣敏傳感器的敏感電阻與四號(hào)電阻、五號(hào)電阻、六號(hào)電阻構(gòu)成惠斯通電橋，惠斯通電橋、儀表放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、處理模塊依次連接；
處理模塊的嵌入式程序預(yù)設(shè)多種溫度調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)，溫度調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再通過電壓跟隨器，由功率放大模塊功率放大后輸給加熱電阻，可實(shí)現(xiàn)工作溫度調(diào)制；惠斯通電橋輸出電壓通過儀表放大器放大，并轉(zhuǎn)換成單極信號(hào)，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)給處理模塊。
[0009]本發(fā)明所述的管體包括封頭;管體兩端用封頭封住。
[0010]本發(fā)明還包括氣體采樣栗和排廢栗，采樣栗和排廢栗與控制模塊連接;進(jìn)氣接頭與氣體采樣栗連接，出氣接頭與排廢栗連接。
[0011]本發(fā)明所述的氣敏傳感陣列包含多種原理和類型構(gòu)建的混合傳感陣列。
[0012]本發(fā)明所述的處理模塊可采用單片機(jī)或者微處理器。
[0013]本發(fā)明所述的功率放大模塊由達(dá)林頓管構(gòu)成，或者采用集成芯片。
[0014]本發(fā)明所述的電壓跟隨器由運(yùn)算放大器構(gòu)成。
[0015]本發(fā)明如果某些安裝孔無需安裝氣敏傳感器，可以用的塞頭堵住這些安裝孔。
[0016]采用權(quán)利要求1?9任一權(quán)利要求所述的仿生檢測裝置;氣味通過進(jìn)氣接頭進(jìn)入仿生氣室，然后依次流過各管道，最后從出氣接頭排出；混合氣味中的不同氣體分子在流過透氣膜/半透膜時(shí)在透氣膜/半透膜中進(jìn)行擴(kuò)散，不同氣體分子在氣相和透氣膜/半透膜中擴(kuò)散傳輸率不同，導(dǎo)致它們在氣路中不同位置存在組分和濃度差異，通過不同位置的氣敏傳感器獲取其對應(yīng)的差異性信號(hào)，即反映氣味在仿生氣室中傳播的空間信息；工作溫度調(diào)制模塊不斷改變MOS型氣敏傳感器加熱電壓幅值與頻率來調(diào)制其工作溫度，從而改變MOS型氣敏傳感器對不同氣味成分的敏感度和選擇性，形成一種對復(fù)雜氣味內(nèi)不同成分的掃描式響應(yīng)過程，即可獲取陣列中不同傳感器豐富的時(shí)間序列信號(hào)；空間信息和時(shí)間序列信號(hào)構(gòu)成氣味時(shí)空信息；傳感陣列信號(hào)采集模塊獲取傳感陣列中不同傳感器的氣味時(shí)空信息;控制模塊將傳感陣列中的氣味時(shí)空信息上傳并保存至上位機(jī)。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果:本發(fā)明結(jié)合溫度調(diào)制技術(shù)和膜延遲技術(shù)構(gòu)建仿生氣敏傳感陣列和氣室，以獲取復(fù)雜氣味成分的時(shí)空信息。與傳統(tǒng)的單一工作溫度氣敏傳感陣列和不考慮氣味反應(yīng)動(dòng)力學(xué)影響的氣室相比，能在有限數(shù)量和類型的氣敏傳感器條件下獲取更豐富的氣味指紋信息，從而奠定復(fù)雜氣味精細(xì)辨識(shí)的信號(hào)基礎(chǔ)。
[0018]本發(fā)明以生物嗅覺機(jī)理為理論基礎(chǔ)，以工程實(shí)際為技術(shù)基礎(chǔ)，改變了傳統(tǒng)電子鼻系統(tǒng)氣味信息檢測方法和手段，不僅能改進(jìn)電子鼻的氣味識(shí)別能力，而且突破了傳統(tǒng)電子鼻有限仿生結(jié)構(gòu)，期望催生突破電子鼻技術(shù)瓶頸的新思維，促進(jìn)人工嗅覺的理論發(fā)展。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的工作示意圖。
[0020]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的仿生氣室、傳感陣列及控制模塊示意圖。
[0021]圖3為本發(fā)明實(shí)施例MOS型氣敏傳感器工作溫度調(diào)制模塊和傳感陣列信號(hào)采集模塊電路圖。
【具體實(shí)施方式