CN101074947A - 两类不同气体传感器阵列组合检测气味的方法和装置 - Google Patents
两类不同气体传感器阵列组合检测气味的方法和装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种针对气味的检测方法及装置，其包括硬件和软件两部分组成；其中硬件装置包括纯净氮气、氧气供给装置、气体产生室、色敏气体传感器阵列、金属氧化物气体传感器阵列、反应室A、反应室B、图像获取装置、信号采集装置、计算机、恒温装置组成。软件部分主要包括设备控制、信号采集、信号融合和处理、模式识别4大模块组成。利用两类传感器(金属氧化物气体传感器和色敏气体传感器)的传感信息的融合，获得更多更全面的有关被测对象气味的描述信息，然后对这些信息进行合理支配和使用，并进行分析、综合和平衡，综合两类传感器的长处，并在此基础上建立兼有稳健性和准确性的融合算法和非线性识别模型，提高气味检测系统的精度和范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对气味的检测方法及装置，特指一种基于金属氧化物气体传感器阵列和色敏气体传感器阵列组合的气味检测方法和装置。
背景技术
目前，大多数商品化和正在研究的气味检测系统(电子鼻系统)都是基于单一类型的传统气体传感器阵列，如英国路易发展公司的电子鼻Aromascan是基于有机导电聚合物(PC)型气体传感器阵列，法国Alpha公司的FOX6000是基于金属氧化物型半导体(MOS)型气体传感器阵列，意大利罗马大学研制的电子鼻是基于质量型气体传感器阵列，等等。基于单一类型气体传感器成阵列的电子鼻虽然在某些场合下能达到检测要求，但所能检测的气味毕竟是有限，用单一类型的气体传感器组成的电子鼻分析某些香气时会没有响应，或是有响应，但区分的结果非常不理想。国内还停留在单一类型的气体传感器组成的电子鼻系统研究上，如华东理工大学高大启和复旦大学张良谊等用的是基于金属氧化物型半导体(MOS)型气体传感器阵列，而西北工业大学杨建华等用的是集成金属氧化物型半导体(MOSFET)型气体传感器阵列，等等。经检索，有相关中国专利，申请号02111043.8“一种嗅觉模拟装置及嗅觉模拟测试方法”，申请号02111963.5“便携式智能电子鼻及其制备方法”，申请号0127299.3“电子鼻报警控制器”，申请号03131660.3“基于气体传感器阵列技术的食品气味快速无损检测方法及装置”，这些专利都是用一种气体传感器阵列——金属氧化物气体传感器阵列，该类传感器对氧化还原气体反应灵敏，主要是通过电导率或电压变化来获取反应的信息。美国伊利诺伊州立大学化学教授肯尼思·萨斯里克2000年在《Nature》杂志上发表了一篇名为“A colorimetric sensor array for odour visualization”(一种用于气味可视化的色敏传感器阵列)的文章，页码为710～713，提出了一种新的气体传感器——色敏气体传感器，该类传感器利用传感器与气体反应时颜色发生变化来检测气味，该类传感器对有机气体、尤其是胺类气体比较灵敏。但该文只用了色敏气体传感器阵列颜色变化来判断特定化合物的种类和浓度，识别气味有限。
将不同类型的气体传感器组合起来进行气体检测是一个很好的思路，但是随着气体传感器种类的增加，获得的信息也就变得多样化，如MOS型气体传感器的信息是通过一组随时间而变的电导率值来表达；而色敏气体传感器的信息是通过颜色的灰度值变化来表达。这些信息不但数值不同，而且量纲也不同，所代表的物理意义也不同，怎样将这多种类型的信息综合在一起，并从中提取具有更多有价值信息是一大难题。
发明内容
鉴于上述现有技术发展情况，本发明的目的就是要提供一种基于金属氧化物气体传感器阵列和色敏气体传感器阵列的气味检测方法和装置。利用两类传感器(金属氧化物气体传感器和色敏气体传感器)的传感信息的融合，获得更多更全面的有关被测对象气味的描述信息，然后对这些信息进行合理支配和使用，并进行分析、综合和平衡，综合两类传感器的长处，并在此基础上建立兼有稳健性和准确性的融合算法和非线性识别模型，提高气味检测系统的精度和范围。
本发明的技术方案如下：
所述一种基于金属氧化物气体传感器阵列和色敏气体传感器阵列的气味检测方法的装置包括硬件和软件两部分组成。
其中硬件装置包括纯净氮气、氧气供给装置、气体产生室、色敏气体传感器阵列、金属氧化物气体传感器阵列、反应室A、反应室B、图像获取装置、信号采集装置、计算机、恒温装置组成。纯净氮气供给装置由氮气瓶、氮气减压阀、电磁阀A组成，氧气供给装置由氧气瓶、氧气减压阀、电磁阀B组成。氮气瓶中的氮气经氮气减压阀通过气体管道与电磁阀A相连，氧气瓶中的氧气经氧气减压阀通过气体管道与电磁阀B相连；色敏气体传感器阵列置于反应室A中，金属氧化物气体传感器阵列置于反应室B中；检测时，电磁阀A控制氮气经气体产生室后带着要检测的气味到反应室A，从反应室A出来后与电磁阀B控制的氧气按照(氮气∶氧气＝4∶1)比例混合，混合气体通过反应室B后排出；还原时，电磁阀控制氮气直接进入反应室。反应室A为一底部透明的密闭空间，安装在反应室A下面的图像获取装置获取反应室A内色敏传感器阵列的颜色变化情况，并传入计算机；反应室B中的金属氧化物气体传感器阵列通过导线将其反应的信号传给信号采集装置，然后再传入计算机，气体产生室和反应室A、B位于恒温装置内。所述的图像获取装置为一高分辨率的扫描仪，可以获得色敏气体传感器阵列颜色的微小变化。
软件部分主要包括设备控制、信号采集、信号融合和处理、模式识别4大模块组成。设备控制主要控制纯净氮气、氧气供给装置中的电磁阀动作和恒温装置的温度以及图像获取装置动作；信号采集主要采集图像获取装置传送给计算机的图像信息和信号采集装置传给计算机的传感器信号，并进行显示；信号融合和处理主要是进行两类气体传感器阵列中各传感器信号的预处理和特征提取；模式识别主要是建立所提取的特征与所检测气味的种类、浓度等之间的关系。其中信号融合是通过在每类传感器内部采用原始数据层融合，而在两类传感器之间采用特征层数据融合，并通过马氏距离去除各特征的量纲影响。
工作时，(1)将所测气味收集到气体产生室内密闭；在此过程中纯净的氮气经氮气供给装置直接吹过反应室A，然后与氧气供给装置供给的氧气汇合形成模拟空气吹过反应室B，使色敏气体传感器阵列颜色稳定以及金属氧化物气体传感器阵列反应电压稳定；图像获取装置动作，摄取此时的色敏气体传感器阵列初始图像并传入计算机，并从此时开始采集金属氧化物传感器阵列的反应电压值。(2)转换电磁阀A使氮气先经气体产生室，带有气味的氮气吹过反应室A，气味与色敏气体传感器阵列发生反应，然后与氧气供给装置供给的氧气汇合吹过反应室B，气味再与金属氧化物传感器阵列发生反应；2min后图像或缺装置动作，摄取反应后的色敏气体传感器图像并传入计算机，并停止采集金属氧化物传感器阵列的反应电压值。(3)计算机中的软件部分通过对两类气体传感器阵列的反应信息进行处理和模式识别得到所检测气味的种类、浓度等。(4)转换电磁阀，使氮气不经过气体产生室直接进入反应室A，对两类气体传感器进行还原，使两类传感器阵列恢复到原始状态，此次检测结束。重复(1)～(4)可进行多次检测。
本发明的效果是：本发明采用金属氧化物气体传感器阵列和色敏气体传感器阵列两类传感器组成气味检测系统，与现有的基于单一传感机理的气味检测系统相比，不但检测气味的范围更宽，而且精度更高、鲁棒性更强。
附图说明
图1本发明的基于金属氧化物气体传感器阵列和色敏气体传感器阵列的气味检测硬件装置示意图
图2本发明的软件结构框图
图3本发明实施例的数据处理软件界面。
图4本发明实施例中检测甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、仲丁醇主成分分析数据处理方法的结果。
图5本发明实施例中检测甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、仲丁醇聚类分析数据处理方法的结果。
其中：1-氮气瓶，2-氮气减压阀，3-氮气流量计，4-电磁阀A，5-气体产生室，6-电磁阀C，7-计算机，8-图像获取装置，9-电磁阀B，10-信号采集装置，11-反应室B，12-金属氧化物气体传感器阵列，13-氧气流量计，14-氧气减压阀，15-氧气瓶，16-反应室A，17-色敏气体传感器阵列，18-恒温装置
具体实施方式
图1为本发明所述基于金属氧化物气体传感器阵列和色敏气体传感器阵列的气味检测装置示意图，主要由氮气瓶1、氮气减压阀2、氮气流量计3、电磁阀A4、气体产生室5、电磁阀C6、计算机7、图像获取装置8、电磁阀B9、信号采集装置10、反应室B11、金属氧化物气体传感器阵列12、氧气流量计13、氧气减压阀14、氧气瓶15、反应室A16、色敏气体传感器阵列17、恒温装置18组成。氮气瓶1中的氮气经氮气减压阀2、通过气体管道和氮气流量计3与电磁阀A4相连；检测时，电磁阀A4和电磁阀C6控制氮气经气体产生室5后带着待检测的气味到反应室A16；还原时，电磁阀A4和电磁阀C6控制氮气作为还原气体直接进入反应室A16。色敏气体传感器阵列17置于反应室A16内，反应室A16为一底部透明的密闭空间置于图像获取装置8的上面，装置8可以随时方便的获取反应室A16内色敏气体传感器阵列17的颜色变化情况，并传入计算机7；从反应室A16出来后的气体与电磁阀B9控制的氧气按照4∶1的比例混合，混合气体通过反应室B11后排出；反应室B11中的金属氧化物气体传感器阵列12通过导线将其反应的信号传给信号采集装置10，然后再传入计算机7，由计算机对两类传感器阵列的信号进行处理和识别。气体产生室5和反应室A16、B11位于恒温装置18内。氧气由氧气瓶15、氧气减压阀14和氧气流量计13控制输出。所述的图像获取装置8为一高分辨率的扫描仪，可以获得色敏气体传感器阵列17颜色的微小变化。
图2为本发明的软件结构框图，软件部分主要由设备控制、信号采集、信号融合和处理、模式识别4大模块组成。设备控制主要控制纯净氮气、氧气供给装置中的电磁阀A3、电磁阀B9、电磁阀C6的动作和恒温装置18的温度以及图像获取装置8、信号采集装置10的动作；信号采集主要采集图像获取装置8和信号采集装置10传送给计算机7的传感器阵列反应信息，并进行显示；信号融合和处理主要是对获得的两类气体传感器阵列中各传感器信号的预处理和特征提取；模式识别主要是建立所提取的特征与所检测气味的种类、浓度等之间的关系。其中信号融合是通过在每类传感器内部采用原始数据层融合，而在两类传感器之间采用特征层数据融合，并通过马氏距离去除各特征的量纲影响。所编写的软件界面如图3所示。
工作时，打开检测装置，调节恒温装置18，使其到达预定的温度。(1)将待测的气体收集到气体产生室5内；在此过程中氮气瓶1中纯净的氮气经氮气减压阀2、氮气流量计3，并由电磁阀A4和电磁阀C6控制直接吹过反应室A16，然后与氧气供给装置供给的氧气汇合形成模拟空气吹过反应室B11，使色敏气体传感器阵列17颜色稳定以及金属氧化物气体传感器阵列12反应电压稳定；图像获取装置8动作，摄取此时的色敏气体传感器阵列17初始图像并传入计算机7，并从此时开始采集金属氧化物传感器阵列12的反应电压值传人计算机7。(2)转换电磁阀A4和电磁阀C6使氮气先经气体产生室5，带有气味的氮气吹过反应室A16，气味与色敏气体传感器阵列17发生反应，然后与氧气供给装置供给的氧气汇合吹过反应室B11，气味再与金属氧化物传感器阵列12发生反应；2min后图像获取装置8动作，或缺取反应后的色敏气体传感器阵列17图像并传入计算机7，并停止采集金属氧化物传感器阵列12的反应电压值。(3)计算机7中的软件部分通过对两类气体传感器阵列的反应信息进行处理和模式识别得到所检测气味的种类、浓度等。(4)转换电磁阀A4、C6，使氮气不经过气体产生室5直接进入反应室A16，对两类气体传感器进行还原，使两类传感器阵列恢复到原始状态，此次检测结束。重复(1)～(4)可进行多次检测。
Claims (3)
1.两类不同气体传感器阵列组合检测气味的装置，其特征在于包括硬件和软件两部分组成；
其中硬件装置包括纯净氮气、氧气供给装置、气体产生室、色敏气体传感器阵列、金属氧化物气体传感器阵列、反应室A、反应室B、图像获取装置、信号采集装置、计算机、恒温装置；纯净氮气供给装置由氮气瓶(1)、氮气减压阀(2)、电磁阀A(4)组成，氧气供给装置由氧气瓶(15)、氧气减压阀(14)、电磁阀B(9)组成；氮气瓶中的氮气经氮气减压阀(2)通过气体管道与电磁阀A(4)相连，氧气瓶中的氧气经氧气减压阀(14)通过气体管道与电磁阀B(9)相连；色敏气体传感器阵列(17)置于反应室A(16)中，金属氧化物气体传感器阵列(12)置于反应室B(11)中；反应室A(16)为一底部透明的密闭空间，图像获取装置(8)安装在反应室A(16)下面，其经导线与计算机相连；反应室B(11)中的金属氧化物气体传感器阵列(12)通过导线将其反应的信号传给信号采集装置(10)，然后再传入计算机(7)，气体产生室和反应室A、B位于恒温装置(18)内；所述的图像获取装置为一高分辨率的扫描仪；
软件部分包括设备控制、信号采集、信号融合和处理、模式识别4大模块；设备控制完成纯净氮气、氧气供给装置中的电磁阀动作和恒温装置的温度以及图像获取装置动作的控制；信号采集完成图像获取装置传送给计算机的图像信息和信号采集装置传给计算机的传感器信号的采集，并进行显示；信号融合和处理进行两类气体传感器阵列中各传感器信号的预处理和特征提取；模式识别建立所提取的特征与所检测气味的种类、浓度之间的关系。
2.基于权利要求1所述的两类不同气体传感器阵列组合检测气味的装置的检测方法，其特征是：
(1)将所测气味收集到气体产生室内密闭；纯净的氮气经氮气供给装置直接吹过反应室A，然后与氧气供给装置供给的氧气汇合形成模拟空气吹过反应室B；图像获取装置动作，摄取此时的色敏气体传感器阵列初始图像并传入计算机，并从此时开始采集金属氧化物传感器阵列的反应电压值；
(2)转换电磁阀A使氮气先经气体产生室，带有气味的氮气吹过反应室A，气味与色敏气体传感器阵列发生反应，然后与氧气供给装置供给的氧气汇合吹过反应室B，气味再与金属氧化物传感器阵列发生反应；摄取反应后的色敏气体传感器图像并传入计算机，并停止采集金属氧化物传感器阵列的反应电压值；
(3)计算机中的软件部分进行信号融合和处理、模式识别，通过对两类气体传感器阵列的反应信息进行处理和模式识别得到所检测气味的种类、浓度等；
(4)转换电磁阀，使氮气不经过气体产生室直接进入反应室A，对两类气体传感器进行还原，使两类传感器阵列恢复到原始状态，此次检测结束。
3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征是：所述的信号融合是通过在每类传感器内部采用原始数据层融合，而在两类传感器之间采用特征层数据融合，并通过马氏距离去除各特征的量纲影响。
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