CN101000357A - 一种小型自动化机器嗅觉仪器与气味分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种精密恒温、自动采样的小型机器嗅觉仪器及其气味精密分析方法，特点之一是，机器嗅觉仪器由精密恒温的测试箱及其小型气敏传感器阵列工作室、精密恒温的小型顶空气体发生装置、气体顶空自动采样装置、计算机、精密电源、精密控制与测试电路所组成，传感器阵列工作室的恒温温度为55±0.1℃。本发明特点之二是，小型顶空气体发生装置的顶空挥发气容积达140毫升，与液态、膏状或固态呈香物质的体积比固定为14∶1，被测样品与顶空挥发气的恒温温度为55±0.1℃，恒温过程只加热，不制冷。本发明特点之三是，小型顶空气体自动采样装置由步进电机、同步齿形带传动机构、螺杆升降机构、进样针、微型真空泵、电磁阀、节流阀、流量计所组成。本发明的气味精密分析方法，特点是，被测样品精密恒温、顶空采样、过程控制、气敏传感器阵列响应与被测气味类别和整体强度及浓度的结果分析、传感器快速恢复均由仪器自动完成。本发明的一种机器嗅觉仪器与气味分析方法具有体积小、恒温精度与自动化程度高、重复性与稳定性好、环境与人为因素影响小、分析速度快、操作简便、测试成本低的优点。若一台机器嗅觉仪器配置4个恒温杯，则可实现连续测量。

Description

一种小型自动化机器嗅觉仪器与气味分析方法

技术领域

本发明—一种小型自动化机器嗅觉仪器与气味分析方法，涉及计算机、精密测量与精密控制、精密机械、应用数学、分析化学、香料香精、食品领域。本发明主要解决气敏传感器阵列工作室小型化、机器嗅觉仪器测试箱内部关键部件精密恒温、样品精密恒温与大容量顶空挥发气产生、顶空挥发气自动采样、仪器小型化问题。

背景技术

机器嗅觉仪器由性能彼此重叠的多个气敏传感器和适当的模式识别方法所组成，具有识别简单和复杂气味的能力，在香料香精、食品、化妆品等呈香物质的香气质量定性分析、环境空气质量快速检测、有毒有害气体监测等领域具有广阔的应用前景。与色谱、质谱等成分分析仪器相比，机器嗅觉仪器的最大优点是香气类别的快速确定、气味强弱和质量好坏的实时定性分析与量化表示。

目前，除有机聚合物膜(Conducting polymer，CP)型气敏传感器体积较小外，金属氧化物半导体(Metal oxide semiconductor，MOS)、声表面波(Surface acoustic wave，SAW)、石英晶振微平衡(Quartz crystal microbalance，QCM)、绝缘金属半导体场效应管(Metalinsulator-semiconductor field-effect transistor，MISFET)等类型的气敏传感器体积都比较大。比较而言，以SnO₂为代表的MOS型气敏传感器不仅制造技术最为成熟，灵敏度最高，而且商品化程度最高，因而应用最为广泛。

本发明采用MOS型气敏传感器。MOS型气敏传感器存在以下两个主要缺点。

1)自身体积大。例如，日本Figaro公司生产的MOS型气敏传感器的最小尺寸目前为φ9.2×7.8mm(直径×高)。单个传感器体积大，机器嗅觉仪器的核心部分—气敏传感器阵列工作室的体积也就相应地很大。这样一来，每次测量所用的气体体积就大，气体顶空采样装置的容积也就比较大。

2)自身形成热源。气敏传感器敏感膜的最佳工作温度在250-400℃之间，并靠传感器内部的加热电阻丝来维持，因此，一个MOS型气敏传感器工作时的耗电量在670-850毫瓦之间，形成一个热源。当多个气敏传感器组成阵列时，由此产生的热量十分可观。

机器嗅觉仪器对气味进行定性分析的前提条件之一是，对某种被测物质，只要其组成成分与浓度保持不变，在任何环境下，其顶空挥发气的组成与浓度也应保持不变。我们知道，温度对气味强弱的影响很大。一个生活常识是，一种呈香物质在低温下可能没有气味，当温度升高到一定程度时就有气味。因此，要使液态、固态或膏状的呈香物质，在任何环境下产生的顶空挥发气浓度保持不变，前提条件之一是顶空挥发气发生装置内部温度的精确恒定。

气敏传感器的灵敏度与环境温度成近似反比例关系。环境温度升高，传感器灵敏度下降，反之提高。不仅如此，若传感器工作室和管道的温度比环境温度低，气味流动时会出现冷凝现象，反之，气味将进一步挥发与膨胀。这些现象对精密测量都是十分不利的，最终影响机器嗅觉仪器的稳定性与重复性。因此，传感器阵列工作室内部温度需要精密恒定。

本发明要解决的关键问题之一是如何以仪器内部的“不变”应对外部环境的“万变”。顶空挥发气发生装置和传感器阵列工作室内部恒温温度的设定以环境温度最高时不制冷为宜。本发明就是要解决这些装置仅靠升温过程实现精确恒温的问题。

我们知道，气相色谱仪的主要测试对象为液体样品，目前主要靠人工注射进样。因此，气相色谱仪的测试结果与操作人员的熟练程度关系很大。若欲用气相色谱仪器分析气体样品，方法之一是采用顶空气体采样装置，方法之二是采用样品收集—富集—冷凝(液态化)—注射器采样这样复杂的预处理过程。商品化的顶空气体采样装置，如7694E、HS40X1等，是专为气相色谱仪配套的，其样品瓶最大容量仅为20毫升，不能满足机器嗅觉仪器的要求。即使是英国Aromascan公司的顶空采样器，样品瓶容积也仅为22毫升。样品瓶容积小，可被吸入到气敏传感器工作室内的有效气体量就小，其结果是气体在工作室内被大大稀释，相当于降低了气敏传感器的检测下限和灵敏度。商品化顶空采样装置存在的其他主要问题是价格高、结构复杂、体积大、操作繁琐，例如，7694E型顶空采样装置的单台售价10万人民币以上。因此，发明气体顶空自动进样装置对提高机器嗅觉仪器的稳定性与重复性具有重要的意义。

在采用MOS型气敏传感器的情况下，传感器工作室体积大带来的直接后果是导致气味经过时进一步被稀释，相当于降低了传感器的灵敏度。我们知道，一个传感器自身形成一个热源，多个传感器同时集中工作时热量会进一步累积。在专利《一种机器嗅觉装置及其嗅觉模拟测试方法》(参见专利申请号：02111046.8)里，我们已经指出，采用环形工作室的优点是使得多个气敏传感器同时工作时热量分散，但是，该专利采用传感器底座尔致使环形工作室容积不能减小。单个传感器体积较大，但我们要求传感器阵列工作室不仅容积应尽可能小，而且散热性能尽可能好。如何解决这些矛盾，是本发明要解决的重要问题之一。此外，本发明还要提出通过环境空气的大流量冲洗，从而带走传感器热量的方法。

如前所述，一次采样的顶空气体量为50毫升，这就要求顶空挥发气总量，即样品瓶容积足够大。样品瓶容积过小，产生的顶空挥发气总量就有限，将导致气体在流经工作室时被大大稀释。不仅如此，顶空采样时会在样品瓶内产生较大的负压。样品瓶容积过大，不仅操作不便，而且为了使顶空挥发气达到足够的浓度，每次测量所需要的液态、固态或膏状呈香物质的量增加，结果使得测量成本上升。综合各种因素，样品瓶容积为150毫升较为合适。

比较而言，随着液态、固态或膏状呈香物质绝对量的增加，顶空挥发气中微量成分的相对浓度会随之上升。呈香物质绝对量小，顶空挥发气浓度就低。经过大量实验，每次测量所需呈香物质绝对量为10毫升较为合适。气液比过小的不良后果，一是呈香物质绝对量消耗大，二是会使得顶空挥发气的浓度超过气敏传感器的最敏感范围。气液比过大的不良后果是，顶空挥发气的浓度过低。大量实验表明，合适的气液比为140∶10＝14∶1。

恒温水浴常常被用来保持被测物质的温度恒定。水浴恒温方法的缺点之一是体积很大；缺点之二是需要反反复复地将样品瓶放入水中和从水中取出，操作非常不方便。因此，发明大容量自动恒温顶空挥发气发生装置对机器嗅觉仪器的实际应用具有重要意义。

发明内容

本发明是在现有的《一种机器嗅觉装置及其嗅觉模拟测试方法》(参见专利申请号：02111046.8)、《一种基于模块化组合神经网络的机器嗅觉气味识别方法》(参见专利申请号：03141537.7)和《机器嗅觉气味类别与强度同时确定方法》(参见专利申请号：200610023183.4)的基础上，为了使机器嗅觉仪器具有良好的灵敏度、重复性与稳定性而提出的一种小型自动化机器嗅觉仪器与气味分析方法。本发明具有传感器阵列工作室体积小、顶空挥发气体积大、恒温精度高、自动化程度高、重复性与稳定性好、分析速度快、使用简便的优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案之一是：小型气敏传感器阵列工作室为环形，放置8-16个气敏传感器。环形工作室平均直径为140毫米，断面尺寸为20×10毫米。一个个气敏传感器直接胶结在环形工作室底座上，不使用传统的传感器座，从而使得环形工作室有效容积成倍缩小。气敏传感器通过专用接插件和导线与电源和高精度数据采集卡相联结。

气敏传感器阵列环形工作室、顶空挥发气流动管道、进样控制电磁阀、流量节流阀均置于温度为55±0.1℃的恒温箱内，恒温过程只加热，不制冷。环形结构使得热源分散，大流量环境空气冲洗也将带走气敏传感器产生的大量热量，从而维持环形工作室内部温度的恒定。加热元件为电阻丝型加热棒，工作电压为220V交流，最大致热功率80瓦。置于工作室内的Pt精密电阻丝温度传感器检测温度的变化。若工作室内温度高于给定值，则通过计算机和控制元件使加热元件断电；若温度低于给定值，则通过控制元件给加热元件供电。

本发明采用的技术方案之二是：一种大容量自动恒温顶空挥发气发生装置，其特征在于，由玻璃样品瓶、加热元件、导热层、隔热层、温度检测元件、控制软件所组成。加热元件产生的热量通过铝质导热圆盘和导热套将玻璃试瓶内的样品加热，玻璃棉隔热层防止热量散发。在样品恒温过程中，硅橡胶密封盖防止样品瓶内顶空挥发气外泄。

容量为150毫升的玻璃样品瓶和硅橡胶密封盖均从市场上购得。每个样品瓶和密封盖只使用一次，从而避免交叉感染。这样一来，每测量一次的材料费仅为3.5元左右(目前价格)。样品恒温温度为55±0.1℃，置于样品瓶底部的Pt精密电阻丝温度传感器检测瓶内温度的变化。若瓶内温度高于给定值，则通过计算机和控制元件使加热元件断电；若瓶内温度低于给定值，则通过控制元件给加热元件供电。即使环境温度达到45℃时，该装置仍只制热，不制冷。

本发明采用的技术方案之三是：小型自动气体顶空采样装置，其特征在于，由步进电机、同步齿形带传动机构、螺杆升降机构、导向杆、进样针、微型真空泵、电磁阀、节流阀、流量计所组成。步进电机通过同步齿形带带动螺母旋转，螺杆因而产生相应的升降运动，从而使得恒温杯上升与下降。螺杆升降机构最大垂直位移为20毫米。本发明的自动气体顶空采样装置特点之一是采样针不动，样品瓶上下运动，与商品化顶空采样装置“针动瓶不动”的工作方式完全不同，结果，本发明的自动气体顶空采样装置结构大大简化，体积大大缩小。

在计算机控制下，恒温杯上升，固定在测试箱上的进样针因而穿过硅橡胶密封盖，接触到样品瓶内的顶空挥发气。在微型真空泵的作用下，顶空挥发气通过进样针和不锈钢管道，以600毫升/分钟的流量，即50毫米/秒的速度，流经环形气敏传感器阵列工作室，然后从排气口排入大气。顶空挥发气累积采样体积为50毫升，由流量传感器精确计量。

微型真空泵以连续方式工作，克服了反复通电—断电导致的瞬间流量不稳定、对泵本身寿命影响大的缺陷。两个二位三通电磁阀和两个二位二通电磁阀的开与关分别控制传感器阵列工作室与顶空挥发气、氧气和环境空气的通与断。

通过流量节流阀的转换与控制，本发明使得顶空挥发气采样流量为600毫升/分钟，氧气流量为600毫升/分钟，环境空气小流量为600毫升/分钟，大流量为6000毫升/分钟。顶空挥发气采样和氧气精确恢复时采用小流量，环境空气初步恢复时采用大流量。氧气的作用是精确标定气敏传感器，使得仪器每次测量的基点相同。采用大流量环境空气使气敏传感器初步恢复这一方法不仅使得测试成本大大降低，而且将加快了传感器的恢复速度，有效地带走气敏传感器工作时产生的大量热量，并冲走吸附在环形工作室和管道内壁上的气味分子。

本发明—一种小型自动化机器嗅觉仪器使用步骤和气味分析方法如下：

(A)开机，仪器预热30分钟，计算机将气敏传感器对此时环境空气的响应记为初始状态。

(B)操作人员将10毫升液态、膏状或固态样品放入容积为150毫升的玻璃试瓶内，盖上硅橡胶瓶盖。

(C)操作人员将玻璃试瓶放入恒温杯内，按下计时键，样品开始加热，计算机开始计时。被测样品在加热元件的作用下，准确恒温30分钟。

(D)在恒温30分钟后，计算机发出指令，同步齿形带传动机构和螺杆升降机构使恒温杯上升，固定在测试箱上的进样针因此穿过硅橡胶瓶盖，接触到顶空挥发气。

(E)在计算机和电磁阀的作用下，顶空挥发气进气管道打开，氧气和环境空气进气管道断开，流量计开始计量。微型真空泵将顶空挥发气经由进样针吸入环形气敏传感器阵列工作室，使之迅速掠过传感器敏感膜表面后从排气口排出。当顶空挥发气累积采样量达到50毫升时，采样过程结束，采样进气管道断开。

(F)在顶空挥发气流经环形工作室过程中，各个气敏传感器对被测气味因此产生敏感响应，这些敏感响应通过高精度数据采集卡得到一个量化的多维响应向量；该向量经计算机分析处理后，10秒之内即可得到被测气味的类别、整体强度或气体关键成分浓度估计值，并通过显示器显示出来。

(G)气体顶空采样过程结束后，环境空气以600毫升/分钟的小流量从环境空气入口进入，传感器进入初步恢复阶段。气味分析结果显示后，恒温杯在自动进样升降装置的作用下下降，操作人员在1分钟之内取走恒温杯。然后，环境空气通过进样针大流量进入环形气敏传感器阵列工作室。操作人员为下一次测量做准备。

(H)重复(B)～(G)，进行多次采样，一个完整的采样过程持续290秒。

除步骤B、C和G外，整个操作过程由仪器自动完成，从而有效避免了人为操作误差的影响。

一个完整的采样流程为：①初步恢复。环境空气以6000毫升/分钟的大流量从进样针进入环形气敏传感器阵列工作室，持续120秒钟。②氧气精确标定。氧气以600毫升/分钟的小流量进入工作室，持续40秒钟。③平衡。所有3个进气管道均处于关闭状态，持续5秒钟。④

表1.小型自动化机器嗅觉仪器和气味分析方法—电磁阀开关顺序和气体流量变化情况

工作状态	电磁阀3	电磁阀4	电磁阀5	电磁阀6	流量(ml/min)	持续时间(sec)
							初步恢复精确恢复平衡顶空采样小流量冲洗大流量冲洗	OnOnOffOnOffOn	OffOnOffOffOffOff	OffOnOffOffOffOff	OffOnOffOnOnOff	600060006006006000	12040556060

采样。顶空挥发气以600毫升/分钟的小流量进入工作室，持续5秒钟。⑤初步恢复。环境空气以600毫升/分钟的小流量从环境空气入口进入工作室(不通过进样针)，持续60秒钟，操作人员在这段时间内取走恒温杯。⑥初步恢复。环境空气以6000毫升/分钟的大流量从进样针进入环形气敏传感器阵列工作室，持续60秒钟。

表1是本发明一种小型自动化机器嗅觉仪器与气味分析方法—2个二位三通电磁阀和2个二位二通电磁阀工作状态与气体流量的关系表。表中电磁阀的编号请参见附图1。

本发明—小型自动化机器嗅觉仪器与气味分析方法具有体积小、恒温精度与自动化程度高、重复性与稳定性好、环境与人为因素影响小、分析速度快、操作简便、测试成本低的优点。若一个机器嗅觉仪器配置4个恒温杯，可实现连续测量。

附图说明

图1是本发明—一种小型自动化机器嗅觉仪器与气味分析方法结构示意图。该仪器6大组成单元为，测试箱，恒温杯，自动进样升降装置，计算机，显示器，氧气瓶。其中，测试箱组成单元为，气敏传感器阵列1，气敏传感器环形工作室2，二位三通电磁阀3，二位三通电磁阀4，二位二通电磁阀5，二位二通电磁阀6，进样针7，流量节流阀8，流量计9，真空泵10，隔板11，电阻加热丝12，Pt电阻温度传感器13，风扇14，玻璃棉保温层15，三路高精度稳压电源16。计算机17、显示器18和氧气瓶19为商用标准部件。

图2是本发明小型自动化机器嗅觉仪器—恒温杯结构图，其组成单元为，容积为150毫升的玻璃试瓶20，被测样品21，硅橡胶瓶塞22，半导体加热片(棒)23，铝合金导热圆盘24，铝合金导热套25，玻璃棉隔热层26，杯盖27，Pt电阻温度传感器28，电源插座29。

图3是本发明小型自动化机器嗅觉仪器—自动进样升降装置结构图，其组成单元为，螺杆升降机构30，同步齿形带传动机构31，步进电机32，升降圆盘33，导向杆34，轴承35，座36。该升降机构最大垂直位移为20毫米。

图4是本发明小型自动化机器嗅觉仪器—环形气敏传感器阵列工作室A-A断面结构图，其组成单元为传感器座2-1，传感器盖2-2，螺钉2-3，O型密封圈2-4，胶粘合剂2-5。

图5是本发明一种小型自动化机器嗅觉仪器与气味分析方法工作流程图，包括环境空气大流量冲洗(传感器初步恢复)，氧气小流量冲洗(传感器精密标定)，平衡，顶空采样(传感器响应)，环境空气小流量冲洗(传感器初步恢复)并给出被测气味类别、强度及关键成分含量的分析结果，环境空气大流量冲洗(传感器初步恢复)。

图6是本发明—一种小型自动化机器嗅觉仪器的恒温杯与自动进样升降装置的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本发明—一种小型自动化机器嗅觉仪器的结构如附图1所示，其特点是，由测试箱、恒温杯、自动进样升降机构、计算机、显示器、氧气瓶6大部份所组成。其中，气敏传感器阵列1及环形工作室2，二位三通电磁阀3、流量节流阀8、隔板11、电阻加热丝12、Pt电阻温度传感器13、风扇14和部分进样针7位于由玻璃棉保温层恒温的测试箱内。

考虑到环境温度最高时不需要制冷和电磁阀与胶粘合剂工作温度不宜太高这两个因素，仪器内部恒温温度设定为55℃。Pt温度传感器13的灵敏度为0-100±0.1℃。当测试箱内部温度超过55℃时，根据计算机17发出的指令，电阻加热丝12断电，温度因而下降；反之，电阻加热丝12通电，温度因而上升。因此，不论外部环境如何变化，仪器内部工作温度始终恒定为55℃±0.1℃。风扇14的作用是使得测试箱内温度均匀，防止产生温度梯度。

气敏传感器工作室2为环形，平均直径为φ140毫米，断面尺寸为20×10毫米，请参见附图4。气敏传感器1通过胶粘合剂直接粘结在不锈钢传感器工作室底座2-1上。内六角螺钉2-3将底座2-1、不锈钢传感器工作室盖2-2、O形密封圈2-4连接在一起，形成环形工作室。环形工作室内部抛光，隔板11将进气口和出气口隔开，从而强迫气体绕环形工作室流动。

微型真空泵10采用连续工作方式。请参见附图5和附表1，两个二位三通电磁阀和一个二位二通电磁阀分别控制被测样品、氧气、环境空气的开与断，一个二位二通电磁阀控制进气流量的大小。当工作进样时，氧气和环境空气入口通过二位三通电磁阀3和二位二通电磁阀5保持断开，在微型真空泵10的作用下，顶空挥发气以600毫升/分钟的流量流经进样针7、不锈钢管道、进气口、传感器阵列1、出气口、流量节流阀8，最后从排气口排入大气。

工作进样结束后，进样口通过电磁阀3关闭，环境空气进气口接通，这时环境空气仍以600毫升/分钟的小流量流过环形工作室。这一阶段持续60秒，主要考虑是操作人员应在这段时间内将样品移开。样品瓶移开后，环境空气仍从进样针口以6000毫升/分钟的大流量流过环形工作室，这一过程持续180秒。这样做的目的一是气敏传感器的快速恢复，二是进样针、管道和环形工作室内壁的冲洗，三是传感器累积热量的带走。

本发明—一种小型自动化机器嗅觉仪器的恒温杯结构如附图2所示，其特点是，由玻璃试瓶20、被测样品21、硅橡胶瓶塞22、半导体加热片23、铝合金导热圆盘24、铝合金导热套25、玻璃棉隔热层26、杯盖27、Pt电阻温度传感器28、电源插座29组成。

半导体加热片23产生的热量经过铝合金导热圆盘24和铝合金导热套25传递到玻璃烧瓶20，被测样品21因而被加热，玻璃棉隔热层26防止热量散发。本发明采用商品化的玻璃试瓶和硅橡胶瓶塞，一次性使用，避免重复使用产生的交叉污染。由于气敏传感器阵列环形工作室容积小，每次测试需要的顶空挥发气相应减少，因此，采用容积为150毫升的玻璃试瓶就够了。考虑到环境温度最高时不需制冷这一前提条件，样品恒温温度设定为55±0.1℃。这一温度由半导体加热片23加热，Pt电阻温度传感器28检测，并由计算机17实施控制。

样品21恒温过程中产生的顶空挥发气由硅橡胶瓶塞22防止泄漏；采样时，样品瓶由自动进样升降装置推动上升，固定在测试箱上的进样针7因而穿过硅橡胶瓶塞22接触到顶空挥发气。样品恒温时间同样由计算机实施精密控制。

本发明—一种小型自动化机器嗅觉仪器的自动进样升降装置结构如附图3所示，其特点是，由螺杆升降机构30、同步齿形带传动机构31、步进电机32、升降圆盘33、导向杆34、轴承35、底座36所组成。

本发明—一种小型自动化机器嗅觉仪器的恒温杯与自动进样升降装置的关系如附图6所示。本发明一改商品化顶空采样装置的“针动瓶不动”的采样方式，提出“针不动瓶动”的采样方式。本发明不仅使得自动采样器的结构大大简化，而且使得从进样口到传感器工作室的管道距离大大缩短。根据计算机发出的采样指令，步进电机32旋转，螺杆升降机构30的螺母因而作旋转运动，螺杆作升降运动，从而使得恒温杯作升降运动，实现采样过程的自动化。该升降机构最大垂直位移为20毫米。

请参见附图5和附表1，根据一种小型自动化机器嗅觉仪器进行气味类别判断和强度估计的方法，本发明的实施包括如下步骤：

a，开机，仪器预热30分钟时，计算机将气敏传感器对环境空气的响应状态记为初始状态。

b，操作人员将10毫升液态、膏状或固态样品放入容积为150毫升的玻璃试瓶内，盖上硅橡胶瓶盖。

c，操作人员将玻璃试瓶放入恒温杯内，按下计时键，样品开始加热，计算机开始计时。被测样品在加热元件的作用下，准确恒温30分钟。

d，在恒温30分钟后，计算机发出指令，同步齿形带传动机构和螺杆升降机构使恒温杯上升，固定在测试箱上的进样针因此穿过硅橡胶瓶盖，接触到顶空挥发气。

e，在电磁阀的作用下，顶空挥发气进气管道打开，氧气和环境进气管道断开，流量计开始计量。微型真空泵将顶空挥发气吸入环形工作室，使之迅速掠过传感器敏感膜表面后从排气口排出。当顶空挥发气累积采样量达到50毫升时，采样进气管道断开，采样过程结束。然后，环境空气小流量进入，传感器进入初步恢复阶段。

f，各个气敏传感器对被测气味因此产生敏感响应，这些敏感响应通过高精度数据采集卡得到一个量化的多维响应向量；

g，该向量经计算机数据处理后，10秒之内即可得到被测气味的类别、整体强度或简单成分气体浓度估计值，并通过显示器显示出来。

h，气味分析结果显示后，操作人员取走恒温杯，环境空气通过进样针大流量进入环形传感器工作室。操作人员为下一次测量做准备。

i，重复b～h，进行多次采样，一个完整的采样过程持续290秒。

除步骤b、c和h外，整个操作过程由仪器自动完成，从而有效避免了人为操作误差的影响。

一个完整的采样流程为：①初步恢复。环境空气以6000毫升/分钟的大流量从进样针进入环形气敏传感器阵列工作室，持续120秒钟。②氧气精确标定。氧气以600毫升/分钟的小流量进入工作室，持续40秒钟。③平衡。所有3个进气管道均处于关闭状态，持续5秒钟。④采样。顶空挥发气以600毫升/分钟的小流量进入工作室，持续5秒钟。⑤初步恢复。环境空气以600毫升/分钟的小流量从环境空气入口进入工作室(不通过进样针)，持续60秒钟，操作人员在这段时间内取走恒温杯。⑥初步恢复。环境空气以6000毫升/分钟的大流量从进样针进入环形气敏传感器阵列工作室，持续60秒钟。

本发明—小型自动化机器嗅觉仪器与气味分析方法具有体积小、恒温精度与自动化程度高、重复性与稳定性好、环境与人为因素影响小、分析速度快、操作简便、测试成本低的优点。一个机器嗅觉仪器配置4个恒温杯，实现气味的连续测量。

本发明的数据处理与模式识别方法请参见发明专利《一种基于模块化组合神经网络的机器嗅觉气味识别方法》(申请号：03141537.7)和《机器嗅觉气味类别与强度同时确定方法》(申请号：200610023183.4)

Claims (13)

1、一种小型自动化机器嗅觉仪器，其特征在于由精密恒温的测试箱及其小型气体传感器阵列工作室、精密恒温的小型大容量顶空气体发生装置、气体顶空自动采样装置、计算机、精密电源、精密控制与测试电路所组成。

2、根据权利要求1所述的小型气敏传感器阵列工作室为环形，放置8-16个气敏传感器。环形工作室平均直径为140毫米，断面尺寸为20×10毫米。气敏传感器直接胶结在环形工作室底座上。气敏传感器通过专用接插件和导线与电源和高精度数据采集卡相连接。

3、根据权利要求1所述的测试箱，其特征在于，环形气敏传感器阵列工作室、一部分气体流动管道、控制进样的电磁阀、一部分进样针、流量控制阀均置于温度为55±0.1℃的恒温测试箱内。测试箱的恒温过程只加热，不制冷。

4、根据权利要求1所述的小型气敏传感器阵列工作室，其特征在于，环形工作室结构使得热源分散，便于温度精确恒定。单个气敏传感器相当于一个热源，多个传感器集中工作将使得热量集中，致使温度控制不住，本发明解决了这一问题。

5、根据权利要求1所述的小型顶空气体发生装置，其特征在于，由玻璃样品瓶、加热元件、导热层、隔热层、温度检测元件、控制软件所组成。加热元件产生的热量通过铝质导热圆盘和导热套将玻璃试瓶内的样品加热，玻璃棉隔热层防止热量散发。硅橡胶密封盖防止样品瓶内顶空挥发气外泄。

6、根据权利要求1所述的小型顶空气体发生装置，其特征在于，样品恒温温度为55±0.1℃。置于底部的Pt精密电阻丝温度传感器检测样品瓶内的温度变化，若瓶内温度高于给定值，则通过计算机和控制元件使半导体加热元件断电；若瓶内温度低于给定值，则通过控制元件给加热元件供电。因此，即使环境温度达到45℃，该装置仍只制热，不制冷。

7、根据权利要求1所述的小型顶空气体发生装置，其特征在于，容量为150毫升的玻璃样品瓶和硅橡胶密封盖均从市场上购得，每个样品瓶和硅橡胶密封盖只使用一次，不产生交叉感染。每测量一次的材料费目前价格仅为3.5元左右。

8、根据权利要求1所述的气体顶空自动采样装置，其特征在于，由步进电机、同步齿形带传动机构、螺杆升降机构、导向杆、进样针、微型真空泵、电磁阀、节流阀、流量计所组成。在计算机的控制下，步进电机通过同步齿形带使螺母旋转，螺杆机构产生相应的升降运动，从而驱动恒温杯上升与下降。螺杆升降机构最大垂直位移为20毫米。

9、根据权利要求1所述的气体顶空自动采样装置，其特征在于，在计算机的控制下，恒温杯上升，固定在测试箱上的进样针因而刺入硅橡胶密封盖，接触到样品瓶内的顶空挥发气。

10、根据权利要求1所述的气体顶空自动采样装置，其特征在于，微型真空泵以连续方式工作，计算机通过控制两个二位三通电磁阀和两个二位二通电磁阀的开与关，分别控制传感器阵列工作室与顶空挥发气、氧气和环境空气的通与断。

11、根据权利要求1所述的气体顶空自动采样装置，其特征在于，顶空挥发气采样体积为50毫升，由流量传感器精确计量。这时，在计算机和电磁阀的作用下，氧气和环境空气通道被断开，顶空挥发气被微型真空泵抽吸，经由进样针和不锈钢管道，以600毫升/分钟的流量，即50毫米/秒的流速流经环形气敏传感器阵列工作室，然后从排气口被排入大气。

12、根据权利要求1所述的气体顶空自动采样装置，其特征在于，通过流量节流阀的转换与控制，使得顶空挥发气采样流量为600毫升/分钟，氧气流量为600毫升/分钟，环境空气流量为6000毫升/分钟。顶空挥发气采样和氧气精确标定时采用小流量。大流量环境空气冲洗的作用，一是使气敏传感器快速初步恢复，二是带走多个传感器同时工作时累积产生的大量热量，三是冲走吸附在环形工作室和管道内壁上的气味分子。

13、采用权利要求1的仪器进行气味精密分析，其特征在于，包括以下步骤：

(A)开机，仪器预热30分钟，计算机将气敏传感器对此时环境空气的响应记为初始状态。

(B)操作人员将10毫升液态、膏状或固态样品放入容积为150毫升的玻璃试瓶内，盖上硅橡胶瓶盖。

(C)操作人员将玻璃试瓶放入恒温杯内，按下计时键，样品开始加热，计算机开始计时。被测样品在加热元件的作用下，准确恒温30分钟。

(D)在恒温30分钟后，计算机发出指令，同步齿形带传动机构和螺杆升降机构使恒温杯上升，固定在测试箱上的进样针因此穿过硅橡胶瓶盖，接触到顶空挥发气。

(E)在计算机和电磁阀的作用下，顶空挥发气进气管道打开，氧气和环境空气进气管道断开，流量计开始计量。微型真空泵将顶空挥发气经由进样针吸入环形气敏传感器阵列工作室，使之迅速掠过传感器敏感膜表面后从排气口排出。当顶空挥发气累积采样量达到50毫升时，采样过程结束，采样进气管道断开。

(F)在顶空挥发气流经环形工作室过程中，各个气敏传感器对被测气味因此产生敏感响应，这些敏感响应通过高精度数据采集卡得到一个量化的多维响应向量；该向量经计算机分析处理后，10秒之内即可得到被测气味的类别、整体强度或气体关键成分浓度估计值，并通过显示器显示出来。

(G)气体顶空采样过程结束后，环境空气以600毫升/分钟的小流量从环境空气入口进入，传感器进入初步恢复阶段。气味分析结果显示后，恒温杯在自动进样升降装置的作用下下降，操作人员在1分钟之内取走恒温杯。然后，环境空气通过进样针大流量进入环形气敏传感器阵列工作室。操作人员为下一次测量做准备。

(H)重复(B)～(G)，进行多次采样，一个完整的采样过程持续290秒。

除步骤B、C和G外，整个过程由仪器自动完成，有效避免了人为操作误差的影响。

一个完整的采样流程为：①初步恢复。环境空气以6000毫升/分钟的大流量从进样针进入气敏传感器阵列工作室，持续120秒钟。②氧气精确标定。氧气以600毫升/分钟的小流量进入工作室，持续40秒钟。③平衡。所有3个进气管道均处于关闭状态，持续5秒钟。④顶空采样。顶空挥发气以600毫升/分钟的小流量进入工作室，持续5秒钟。⑤初步恢复。环境空气以600毫升/分钟的小流量进入工作室(不通过进样针)，持续60秒钟，操作人员取走恒温杯。⑥初步恢复。环境空气以6000毫升/分钟的大流量从进样针进入环形气敏传感器阵列工作室，持续60秒钟。

本发明-小型自动化机器嗅觉仪器与气味分析方法具有体积小、恒温精度与自动化程度高、重复性与稳定性好、环境与人为因素影响小、分析速度快、操作简便、测试成本低的优点。若一个机器嗅觉仪器配置4个恒温杯，可实现连续测量。

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