CN103472094A - 一种嗅觉模拟仪器和特定物质气（嗅）味等级现场分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种嗅觉模拟仪器和特定物质气（嗅）味等级现场分析方法，特点之一，测试箱集成了气敏传感器阵列恒温工作室、计算机和自动进样系统；特点之二，250毫升样品瓶和25毫升被测样品使气—液比达9:1；特点之三，并联电阻丝各半周缠绕产生45瓦功率使样品和顶空挥发气加热到80℃仅需8分钟，恒温30分钟；特点之四，以25毫升100ppm乙醇水溶液在250毫升样品瓶内产生标准参考气，据此及时对气敏传感器校正；特点之五，顶空采样流量500毫升/分钟，采样时间30秒，气敏传感器响应信号经低通滤波和降维预处理；特点之六，建立数据库，嗅觉模拟仪器对特定物质—胶粘剂、石油蜡、皮革、甘油、食用植物油气（嗅）味进行现场检测、等级预测和识别。

Description

一种嗅觉模拟仪器和特定物质气(嗅)味等级现场分析方法

技术领域

本发明—一种嗅觉模拟仪器和特定物质气（嗅）味等级现场分析方法，涉及计算机、精密测量、自动控制、精密机械、分析化学、应用数学领域，主要解决胶粘剂、石油蜡、皮革、甘油、食用植物油这些特定物质的气（嗅）味等级现场分析问题，包括被测样品及顶空挥发气精密高温恒温、大容量顶空挥发气产生、最佳液—气比、大流量精密自动顶空采样、信号预处理、特征选择与提取、气（嗅）味定量分析问题。 

背景技术

本发明的应用对象主要为胶粘剂、石油蜡、皮革、甘油、食用植物油（芝麻油除外）、部分香料香精，称之为淡气（嗅）味物质。这些物质的共同特点是，（1）在自然状态下无气味或气味微弱；（2）气（嗅）味质量等级或分为0、1、2、3、4级或分为1、2、3、4级；一般地，等级数越小，气（嗅）味越弱；（3）气（嗅）味质量等级目前靠人的感官（嗅觉）决定。 

本发明—一种嗅觉模拟仪器和特定物质气（嗅）味等级现场分析方法主要用于胶粘剂、石油蜡、皮革、甘油、食用植物油这些呈微弱气味物质的气（嗅）味质量与关键成分浓度预测、以及识别（包括产地和工艺判断）。 

石油蜡是一种广泛用于各行各业的石油副产品。石油蜡可以按多种方法进行分类。熔点在45-60℃之间且25℃时针入度低于20(0.1mm)的石油蜡被称为硬蜡，熔点低于45℃的称为软蜡。我国全精炼蜡、半精炼蜡、粗石蜡基本属于硬蜡范围,主要有52、54、56、58、60、62、64、66、68、70等牌号。根据精制程度,石油蜡分为粗石蜡、半精炼蜡、全精炼蜡和食品蜡。精制程度越深,其颜色越浅,产品质量越好,生产成本越高。根据外观形态，石油蜡分为液体蜡和固体蜡。含油量大于6%的石油蜡称为含油蜡。 

石油蜡嗅味由原油性质和精制深度有关的呈味杂质所致。呈味杂质主要来源于原油芳烃残留；含硫、含氮和含氧化合物；溶剂残留（酚及其缩合物、甲苯和酮类）；高温氧化或裂解生成物以及混入的轻质煤油馏分等。食品、药品及其包装用蜡若有气味不仅影响味道，而且严重危害人体健康，所以，很多石油蜡产品，尤其是食品和药品用蜡，嗅味强度是其中一项重要质量指标。 

我国现行石油化工行业标准SH/T0414-2004《石油蜡嗅味试验法》等同采用美国试验与材料协会标准ASTM D1833-1987(1999)《石油蜡嗅味试验法》（英文版）。石油蜡嗅味强度等级依次为：0级—无嗅味；1级—嗅味轻微；2级—嗅味中等；3级—嗅味强；4级—嗅味很强，如表1所示。 

石油蜡嗅评试样（样品）制备过程是，用表面光洁度好的刀具或其它容易擦干净的 

表1，石油蜡嗅味等级与描述 

锋利工具从蜡块上削下约l0g薄片，放在无气味玻璃纸上。试样薄片应当是从样品断面上得到的，小组成员每人一份，立即用鼻孔接近试样轻轻地闻。另一种方法是把蜡片放入试样瓶中，并在试样制备后的15～60min内进行嗅闻。嗅味试验小组至少由5人组成，所有成员给出的嗅味强度数字等级平均值即为样品嗅味评定值。 

每人每次不能同时评定三个以上的试样。每组试验间隔时间不少于15min。如果一个成员的评定值与平均值相差超过1.0个单位，则小组所有成员应对该样品重新进行嗅味评定试验；如果第二次试验仍有个别结果超过平均值1.0个单位，则计算产生新的平均值。 

嗅闻前，小组成员间不应讨论试验结果。嗅闻试验应尽可能在无气味房间内进行，如有可能也要避免低的相对湿度，以免引起嗅觉迟钝。由于“嗅觉疲劳”或试样组分挥发损失，重复闻试样其嗅味强度将减弱。 

石油蜡很多物理和化学性能检测与分析方法已较为成熟，包括石油蜡成分与性能的关系、石油蜡生产工艺、石油蜡产品分级、石油蜡贮藏时间确定、石油蜡制成品、石油蜡质量对制成品质量的影响、石油蜡成分及其原油残留检测等。 

根据现行石油化工行业标准SH/T0414-2004《石油蜡嗅味试验法》，石油蜡嗅味强度等级是靠人的嗅觉确定的。经对ISI和EI两个数据库查询，尚未发现机器嗅觉仪器和方法应用于石油蜡嗅味检测与质量分析的文献。 

胶粘剂气味质量评价方法与石油蜡类似，目前实施的是中国石油和化学工业协会提出的行业标准HG/T4065-2008《胶粘剂气味评价方法》，5个气味等级如表2所示。 

根据行业标准HG/T4065-2008《胶粘剂气味评价方法》，胶粘剂气味评价方法是，取20g样品置于带有密闭盖子的1L玻璃罐内，先在环境温度下调节24h，然后将装有样品的玻璃罐放入规定温度（如65℃）的恒温箱内2h。由3名或以上的单数成员组成气味评定小组进行气味评价，给出气味等级得分。 

表2，胶粘剂气味等级与状态描述 

表3，皮革气味等级与描述 

需要注意因素是，玻璃罐在室温或65℃温度下必须是无气味的；好抽烟者、喜欢使用化妆品者、习惯嚼口香糖者以及有其他嗅觉问题的人不适合成为小组成员；小组成员一旦选定，应尽量保持小变；在气味评价前3h，小组成员不应吸食香烟等带有较强气昧的食物，伤风鼻塞者也不宜参与气味评价；采用空气循环型恒温箱，温度波动不大于±2℃；检测室环境无气味。 

皮革气味质量评定目前施行的是轻工业行业标准QB/T2725-2005《皮革气味的测定》，气味等级如表3所示。气味等级评定程序与胶粘剂类似。 

按国家标准GB/T13216[1].3-1991《甘油试验方法气味的测定》，甘油气味质量仅有如下文字描述：“将少许甘油样品置于手背上徐抹后，嗅其气味，如仅有甘油的特有气味，而无其他异味，即判定为无不良气味。” 

表4列出了大豆油、花生油、棉籽油、菜籽油、葵花籽油、玉米油的气味等级和描述，分别由国家标准GB1535-2003大豆油、GB1534-2003花生油、GB1537-2003棉籽油、GB1536-2004菜籽油、GB10464-2003葵花籽油、GB19111-2003玉米油给出。由表4可见，食用植物油的一、二级气味质量指标是完全一样的，即一级“无气味，口感好”和二级“气味、口感良好”；浸出花生油、大豆油与菜籽油三、四级气味质量指标除名称外也完全相同，即“具有大豆油/花生油/棉籽油/菜籽油/葵花籽油/玉米油固有的气味和滋味，无异味”。 

嗅觉是气味分子刺激鼻腔嗅细胞而产生的复杂感觉。现行胶粘剂、石油蜡、皮革、甘油、食用植物油、部分香料香精的气（嗅）味评定行业标准或国家标准强调的是人的感觉和经验，不仅描述术语贫乏，而且受生理、心理、环境等因素的影响难以做到客观公正。尽管人们能够用色谱、质谱等方法测量气味的化学组成，能够分离和测定几百乃至上千种成分，但成分越多，分析时间越长，分析过程越复杂。更为不利的是，气味类型和强度与化学组成及浓度之间的关系还很少被人们理解和掌握。不仅如此，长期嗅闻看似无害的石油蜡/皮革/胶粘剂气味将会对评定人员身体产生严重伤害。正是在这种情况下，机器嗅觉方法受到人们 

表4，大豆油、花生油、棉籽油、菜籽油、葵花籽油、玉米油气味、滋味等级与描述 

的高度重视，人们期待能用之对物质气（嗅）味类型、强弱、关键成分等特征进行客观、公正的量化描述，将之用于呈味物质气（嗅）味等级评定，并纳入到相关的行业标准和国家标准中。 

机器嗅觉方法利用性能重叠的多个气敏传感器组成阵列，实现气味质量的定性定量分析。例如，我们可以依据机器嗅觉仪器对气味的测量数据来确定呈香物质类别、强度、质量等级、真假、新鲜程度；控制生产过程；调整产品配方和工艺，等等。2000年代以前的机器嗅觉研究主要集中在简单成分气体识别与浓度估计上；今天，机器嗅觉应用对象拓展到复杂气味整体特征定性定量分析上，例如，香料香精、茶、酒、牛奶质量评定；水果成熟度判定；水产品和肉制品新鲜程度确定；环境空气与水污染监测；战争毒气检测；疾病诊断；乃至细菌和血液气味；等等。时至今日，我们能找出绝对没有气味的物质吗？ 

随着材料科学和精密制造工艺的进步，以SnO₂为代表的金属氧化物半导体型气敏传感器灵敏度已达1.0×10^-9V/V(1.0ppb),常用范围为1.0～10000ppm。机器嗅觉研究的一个发展趋势是，在单个气敏器件具有必要灵敏度和选择性的前提下，用响应范围较宽且性能重叠的多个气敏传感器组成阵列，着重利用数据分析方法来提高仪器的选择性，通过工作条件的精密控制来实现仪器的重复性与长期稳定性，并依据气敏传感器阵列的多维响应信号得到气味类别、强度、关键成分含量等分析结果。这些研究内容涉及计算机、精密机械、精密测量与控制、应用数学、分析化学、食品等领域，具有重要的理论意义和实用价值。 

机器嗅觉仪器应用前景广阔，但目前的能力还相当有限。机器嗅觉有关文献与专利检索结果如下：（1）文献。1990年以前只有60多篇，到2000年为500多篇，现在已达4000余篇，说明机器嗅觉研究近几年广泛展开。（2）专利。100多项国际专利和20几项国内专利大多是近几年申请或授权的，显示国内外已开始重视机器嗅觉领域知识产权保护。（3）技术标准。通过对IHS国际标准数据库进行检索，未发现与机器嗅觉有关的产品技术标准。在我国市场，英国AROMA_Scan电子鼻已退出，法国FOX电子鼻2007年进入，但价格昂贵（约100万元RMB），性能单一且不够稳定，目前处在宣传阶段，难以推广应用。上述结果说明，机器嗅觉理论与应用研究亟待深入。 

机器嗅觉仪器的核心—气敏传感器阵列对烃、烯、醇、酯、酸、醛、酮等有机挥发气和CO、NH₃等氧化还原性无机挥发气具有很高的灵敏度。特别值得指出的是，SnO₂半导体型气敏传感器对被测气体，例如胶粘剂和石油蜡顶空挥发气，直接产生伏级电压响应输出，不需要二次仪表放大，这对呈味物质气（嗅）味质量现场分析来说是很有吸引力的。 

外因是变化的条件，内因是变化的根据。呈味物质气（嗅）味强度发生变化，具体体现在呈味物质顶空挥发气成分与浓度发生了变化。据此，我们可以用机器嗅觉方法对呈味物质顶空挥发气进行在线检测，借助于计算机和数据分析方法，现场确定呈味物质气（嗅）味强度等级，并据此对气（嗅）味类型、产地等特征进行预测。本发明的目的就在于此。 

我们在用本发明的机器嗅觉装置对胶粘剂、石油蜡、皮革、甘油、食用植物油气（嗅）味现场检测实验中发现，尽管呈味物质成分复杂，但其顶空挥发气中呈味物质成分与空气相比往往是微量的，气敏传感器的响应因此很小。这一特点与机器嗅觉方法应用于气味强的香料香精、酿制白酒类等检测对象是完全不同的。为了将机器嗅觉方法应用于气味弱的呈味物质气（嗅）味质量现场检测与分析，我们需要解决以下问题。 

(A)、大容量顶空挥发气发生方法与装置 

制造技术最为成熟、性能最为稳定、商品化程度最高的SnO₂型金属氧化物半导体型气敏传感器尺寸较大，例如，TGS800系列气敏传感器外形尺寸为φ19.5×16.5mm，约占空间5ml；即使所谓小尺寸的TGS2000系列气敏传感器，其外形尺寸仍达φ8.2×7.8mm，约占空间0.5ml；假设由TGS800和TGS2000各4个气敏传感器组成阵列，气敏传感器阵列自身所占空间将在22ml或以上。由于一个气敏传感器是一个热源，彼此之间不能过于靠近，以免热源集中。气敏传感器阵列工作腔容积较大，这就要求顶空挥发气发生器提供足够的气体容量以避免其流经气敏传感器敏感膜表面时过度稀释。这种稀释对胶粘剂、石油蜡、皮革、甘油、食用植物油顶空挥发气中呈味成分浓度甚微这一状况是十分不利的。因此，传统的自动顶空采样器如HS100的20ml样品瓶容积是远远不够的。为了使淡气（嗅）味成分在顶空挥发气中具有足够的浓度，我们必须一次取足够多的样品以产生大容量顶空挥发气，需要构造大容量顶空挥发气发生装置。与此同时，我们还要通过实验找到被测样品与顶空挥发气的最佳液—气比。 

胶粘剂、石油蜡、皮革、甘油、食用植物油等物质价格低廉，样品来源丰富，这是有利条件。但是，常温下这些呈味物质的气（嗅）味强度微弱，顶空挥发气中呈味成分含量甚微；例如，石油蜡熔点高，硬蜡熔点范围为50～70℃，微晶蜡熔点范围为54～95℃；按现行行业标准，胶粘剂和皮革人工评定时的温度已设定为较高的65℃；再考虑到环境变化因素，为了实现这些呈味物质现场检测与分析，我们不仅需要对样品及其顶空挥发气进行精密恒温，以适应千变万化的环境，达到同一等级、同一生产厂家的气味物质样品在多次制备时产生的顶空挥发气成分与浓度不变的目的，尤其需要研究恒温温度较高的大容量顶空挥发气发生方法与装置。 

(B)、气敏传感器阵列设计与顶空挥发气精密自动采样方法 

根据胶粘剂、石油蜡、皮革、甘油、食用植物油气（嗅）味强度微弱，空气中的呈味物质浓度很低的特点，从气敏传感器阵列的角度，气敏传感器灵敏度应足够高、选择性较好，寿命应足够长。本发明主要选择制造技术最为成熟、性能最为稳定的TGS800系列气敏传感器，辅之于少量TGS2000系列，构造对淡气味物质顶空挥发气敏感的TGS型气敏传感器阵列。气敏传感器阵列结构应是工作腔容积尽可能小，散热性好。 

顶空挥发气精密自动采样是嗅觉模拟仪器进行精密测量以达到长期重复性和稳定性的必要条件。在顶空挥发气容量足够大的前提下，顶空挥发气采样流量必须足够大，采样时间必须足够长。只有这样，才能使强度微弱的淡气（嗅）味物质顶空挥发气在掠过气敏传感器敏感膜表面时浓度不过分降低。相对测量强气味的气体而言，这时的气敏传感器恢复时间可以短一些。总之，我们应设计合适的淡气味物质顶空挥发气精密自动采样条件，包括精确控制气敏传感器恢复、标定、稳定、采样、过渡等环节，实现自动化。 

(C)、气（嗅）味质量在线检测、预测与可视化 

由于胶粘剂、石油蜡、皮革、甘油、食用植物油顶空挥发气中呈味物质成分含量甚微，即使是最为敏感的气敏传感器所产生的绝对响应也很小。也就是说，噪声与响应相比拟，信噪比小。研究表明，气敏传感器灵敏度是一把双刃剑。灵敏度高固然可以对气味微小变化产生较为明显的反应，但与此同时，环境变化及噪声也会大大影响气敏传感器感知结果的可信性。因此，本发明需要解决微弱信号去噪与滤波方法，包括快速Fourier变换（Fast Fourier Transform,FFT）等方法。 

在气敏传感器阵列响应信号去噪之后，我们需要研究特征选择与特征提取方法。对胶粘剂、石油蜡、皮革、甘油、食用植物油气（嗅）味而言，传统的最大稳定响应值已不再能充分反映其特征，本发明将采用平均微分、积分和最大稳定响应值作为响应信号的特征，以放大气（嗅）味等级之间的差别，然后用主成分分析（Principal component analysis,PCA）进行特征提取。 

从数学上讲，若用气敏传感器阵列响应信号来预测一种呈味物质气（嗅）味质量等级是一个多输入—单输出问题，若预测多种淡气味物质质量等级则是一个多输入—多输出问题。若要通过气敏传感器阵列对顶空挥发气的响应来进一步确定特定成分含量、生产工艺、储存时间、产地等特性，则需要深入研究模式识别方法。本发明采用模块化神经网络模型来解决呈味物质气（嗅）味等级预测问题。 

(D)、气敏传感器的漂移补偿与更换 

商品化TGS8XX系列气敏传感器5-10年的使用寿命与一般仪器的最佳使用寿命范围吻合。由于老化、环境变化等因素，气敏传感器的响应在正常使用周期内会产生小的波动，因此，要经常对气敏传感器响应进行修正。这种修正应在标准条件下由仪器自动进行。本发明将设定标准条件，解决仪器自动校正问题。 

气敏传感器漂移超过一定范围时应予以更换。通过大量实验，我们发现，简单地用同一型号的新的气敏传感器更换旧的是不行的；即使是两个同型号的新的气敏传感器，它们对同一种气体的响应也存在明显的差别。原因之一是制造工艺的差别。气敏传感器的漂移补偿与更换问题还需要深入研究。 

总之，本发明主要以胶粘剂、石油蜡、皮革、甘油、食用植物油气（嗅）味质量现场分析为应用背景，在现有发明专利《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）、《一种小型自动化机器嗅觉仪器与气味分析方法》（参见专利申请号：200710036260.4）和《一种嗅觉模拟仪器与多种气味定性定量分析方法》（参见申请号：201010115026.2）的基础上，解决基于机器嗅觉的特定呈味物质气（嗅）味在线检测与分析方法，主要包括大容量顶空挥发气发生方法与装置、大容量顶空挥发气精密自动采样方法、微弱信号去噪与特征提取方法、气（嗅）味质量在线检测、预测与可视化方法、神经网络函数逼近能力和在线学习算法，最终得到体积小、操作方便的自动化嗅觉模拟仪器，为胶粘剂、石油蜡、皮革、甘油、食用植物油等呈味物质气（嗅）味质量现场评定提供新的分析方法与仪器，以期建立基于机器嗅觉的特定呈味物质气（嗅）味质量分析的行业或国家标准。 

发明内容

本发明是在现有发明专利《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）、《一种小型自动化机器嗅觉仪器与气味分析方法》（参见专利申请号：200710036260.4）和《一种嗅觉模拟仪器与多种气味定性定量分析方法》（参见专利申请号：201010115026.2）的基础上，发明一种嗅觉模拟仪器和分析方法以解决胶粘剂、石油蜡、皮革、甘油、食用植物油这些特定物质气（嗅）味现场自动检测与等级预测问题。 

为了实现上述目的，本发明—一种嗅觉模拟仪器由测试箱和6个顶空挥发气发生装置组成，用户自备洁净空气、显示器、键盘和鼠标；实现对胶粘剂、石油蜡、皮革、甘油、食用植物油的气（嗅）味现场检测和等级评定。 

测试箱包括气敏传感器阵列恒温工作室、精密自动进样系统、计算机；气敏传感器阵列恒温工作室内固定着16个TGS-8型气敏传感器组成的气敏传感器阵列，位于测试箱右上方；精密自动进样系统包括自动进样升降单元和自动顶空进样单元，位于测试箱右下方；计算机包括主板、数据采集卡、直流稳压电源、控制模块、硬盘、网卡和显卡，位于测试箱左侧； 

顶空挥发气发生装置包括玻璃样品瓶、电阻加热丝、导热层、隔热层、温度传感器、杯盖、硅橡胶密封片、电缆；顶空挥发气发生装置与测试箱通过电缆相连接；玻璃样品瓶容积250毫升，液态或固态样品量20～25毫升，但皮革样品为100毫米×65毫米，产生225～230毫升顶空挥发气；样品及其顶空挥发气在80±0.1℃状态下恒温20～30分钟； 

气敏传感器阵列恒温工作室通过气体管道与精密自动进样系统相连接；气敏传感器阵列恒温工作室和精密自动进样系统通过电路与计算机相连接；顶空采样时，在精密自动进样系统作用下，玻璃样品瓶内的顶空挥发气以500毫升/分钟的流量进入气敏传感器阵列恒温工作室，顶空采样时间30秒，气敏传感器阵列因此产生敏感响应，经低通滤波和降维预处理后，计算机现场（在顶空采样结束后10秒以内）给出被测物质气（嗅）味质量等级、关键成分含量及类别。 

本发明设定40℃、100ppm的25毫升乙醇水溶液在250毫升玻璃样品瓶内产生的顶空挥发气为标准参考气；标准测试条件是，顶空采样流量500毫升/分钟，顶空采样时间30秒；一个气敏传感器i第一次使用时在标准测试条件下对标准参考气的初始稳态电压响应值V_i-ethanol(0)被记录下来；经过一段时间后，这个气敏传感器对标准参考气的稳态电压响应V_i-ethanol(t)与V_i-ethanol(0)的相对误差ρ_i-ethanol=|V_i-ethanol(0)-V_i-ethanol(t)|/V_i-ethanol(0)超过5.0%时应予更换；新的气敏传感器选择标准是其与同型号旧的气敏传感器对标准参考气的稳态电压响应相对误差不超过5.0%。 

每三天，依各个气敏传感器在标准测试条件下对标准参考气的响应变化进行一次标定和修正；设第i个气敏传感器在标准测试条件下对标准参考气的第一次和当前稳态电压响应分别是V_i-ethanol(0)和V_i-ethanol(t)，相对误差为 

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ethanol}}=\frac{V_{i-\mathrm{ethanol}}\left(0\right)-V_{i-\mathrm{ethanol}}\left(t\right)}{V_{i-\mathrm{ethanol}}\left(0\right)}$

第i个气敏传感器对被测气味的电压响应值的修正值是 

V_i-correction(t)=V_i(t)+ρ_ethanolV_i(t) 

这里，V_i(t)是第i个气敏传感器对被测气味的实际响应电压值。 

顶空挥发气发生装置的玻璃样品瓶内径65毫米，高度90毫米，瓶口内径45毫米，净容积250毫升，一次性使用。 

顶空挥发气发生装置的导热层厚度3毫米；一根芯直径0.2～0.25毫米的电阻加热丝沿导热层半周以5毫米间距来回缠绕，两根电阻加热丝沿导热层圆周因此形成并联；加热直流电压36V，加热功率40～45W；隔热层厚度9毫米；液态或固态样品及其顶空挥发气在8分钟内从常温升到80℃，并在80±0.1℃状态下恒温20～30分钟；恒温过程是制热过程。 

计算机主板、数据采集卡、控制模块、气敏传感器阵列恒温工作室和精密自动进样系统集成在一个测试箱内，信号传输与控制线路短，环境噪声干扰小，仪器体积小。 

胶粘剂、石油蜡、皮革、甘油、食用植物油的气（嗅）味强度微弱，气敏传感器响应小，信噪比因之也较小；对气敏传感器响应信号进行FFT低通滤波；对滤波后的气敏传感器响应信号选择稳态最大值、积分值、平均微分值作为特征分量；然后用主成分分析方法进行特征提取，作为被测样品气（嗅）味的数字化表示。 

本发明的嗅觉模拟仪器用多个神经网络模块对多种物质气（嗅）味进行定量分析；一个神经网络模块的结构为单输出单隐层的，负责确定一种指定物质的气（嗅）味等级；神经网络模块数与物质类别数一一对应。 

嗅觉模拟仪器对多种胶粘剂、石油蜡、皮革、甘油、食用植物油进行气（嗅）味等级分析步骤如下： 

(1)、开机；仪器预热30分钟，在自动顶空进样单元的抽吸作用下，环境空气以6000毫升/分钟的流量流经气敏传感器阵列；计算机将第30分钟末气敏传感器阵列对环境空气的电压响应记为初始状态； 

(2)、样品准备与恒温；操作人员先将被测样品移入玻璃样品瓶内，然后将玻璃样品瓶放入顶空挥发气发生装置的导热套内，盖上硅橡胶密封片，拧紧杯盖，按下确认键；恒温计时开始，被测样品开始被加热；被测样品在8分钟内从室温升到80℃，并在80±0.1℃状态下精确恒温20～30分钟； 

(3)、环境空气初步恢复；在自动顶空进样单元的的抽吸作用下，环境空气以6000毫升/分钟的流量流经气敏传感器阵列恒温工作室，气敏传感器阵列因之初步恢复到初始状态；历时215秒； 

(4)、洁净空气精确标定；洁净空气以500毫升/分钟的流量流经气敏传感器阵列恒温工作室，历时40秒，气敏传感器阵列得以精确恢复到初始状态；操作人员将顶空挥发气发生装置固定在自动进样升降单元上； 

(5)、平衡；气敏传感器阵列恒温工作室内的气体处于静止状态，历时5秒钟；自平衡开始时刻起，自动进样升降单元在3秒钟内使顶空挥发气发生装置上升20毫米； 

(6)、顶空采样；自动顶空进样单元将玻璃样品瓶内的顶空挥发气以500毫升/分钟的 流量吸入气敏传感器阵列恒温工作室，使之迅速掠过气敏传感器敏感膜表面，然后排放到大气中，历时30秒； 

(7)、过渡；顶空采样结束后，在气体流量500毫升/分钟不变的条件下，自动进样升降单元在3秒钟内使顶空挥发气发生装置下降20毫米；随着顶空挥发气发生装置的下降，顶空挥发气流量逐渐变小，环境空气流量逐渐增大；整个过渡过程历时5秒钟，随后进入流量为6000毫升/分钟的环境空气初步恢复环节； 

(8)、数据记录；在顶空挥发气流经气敏传感器阵列过程中，各个气敏传感器产生敏感响应，计算机通过16位高精度数据采集卡得到16条响应曲线；自顶空采样开始时刻起至顶空采样结束时止，即数据记录时间长度为30秒；这16条响应曲线记录在一个临时文件里； 

(9)、数据预处理；记录下来的16条响应曲线经过FFT低通滤波处理；选择低通滤波后各条响应曲线的最大响应值、积分值和平均斜率作为特征分量；由此，一个被测样品转化为一个16×3=48维测量样本；然后经主成分分析方法降至16维特征向量；48维测量样本和16维特征向量均保存在计算机硬盘的数据文件中； 

(10)、被测样品气（嗅）味等级预测与识别；在顶空采样结束10秒之内，对应的神经网络模块预测被测样品气（嗅）味强度，并通过显示器显示出来； 

(11)、重复步骤(2)～(10)，实现多个样品气（嗅）味等级评定； 

步骤(2)～(7)是样品检测循环，步骤(8)～(10)是数据分析与预测循环的一部分；一个完整的测试与分析周期为295秒。 

一种嗅觉模拟仪器配置6个顶空挥发气发生装置，实现特定物质—胶粘剂、石油蜡、皮革、甘油、食用植物油气（嗅）味连续现场检测与等级预测。 

与发明《一种小型自动化机器嗅觉仪器与气味分析方法》（参见专利申请号：200710036260.4）和《一种嗅觉模拟仪器与多种气味定性定量分析方法》（参见专利申请号：201010115026.2）相比，本发明的嗅觉模拟仪器和特定物质气（嗅）味等级现场分析方法具有集成化程度高、样品和顶空挥发气容积大、样品和顶空挥发气恒温温度高、气—液比大、顶空采样时间长、气敏传感器响应信号经过FFT预处理、特征提取全面、自动化程度高的特点。 

附图说明

图1是本发明—一种嗅觉模拟仪器和特定物质气（嗅）味等级现场分析方法—基本原理框图。 

图2是本发明—一种嗅觉模拟仪器和特定物质气（嗅）味等级现场分析方法—不采样时，嗅觉模拟仪器组成单元示意图。 

图3是本发明—一种嗅觉模拟仪器和特定物质气（嗅）味等级现场分析方法—采样时，嗅觉模拟仪器组成单元示意图。 

图4是本发明—一种嗅觉模拟仪器—测试箱主要部件位置示意图。 

图5是本发明—一种嗅觉模拟仪器—测试箱的气敏传感器恒温工作室立体图和俯视图（密封盖未画出）。 

图6是本发明—一种嗅觉模拟仪器—测试箱的气敏传感器阵列、气敏传感器阵列环形工作腔照片及其断面图。 

图7是本发明—一种嗅觉模拟仪器—自动升降单元结构示意图。 

图8是本发明—一种嗅觉模拟仪器—顶空挥发气发生装置结构与连接关系示意图。 

图9是本发明—一种嗅觉模拟仪器—导热层结构示意图。 

图10是本发明—一种嗅觉模拟仪器和特定物质气（嗅）味等级现场分析方法—气路示意图。 

图11是本发明—一种嗅觉模拟仪器—顶空采样时，气体流动方向示意图。 

图12是本发明—一种嗅觉模拟仪器—6000毫升/分钟的环境空气冲洗，气敏传感器初步恢复时，空气流动方向示意图。 

图13是本发明—一种嗅觉模拟仪器—过渡阶段，500毫升/分钟的环境空气流动方向示意图。 

图14是本发明—一种嗅觉模拟仪器—精确标定时，500毫升/分钟的洁净空气流动方向示意图。 

图15是本发明—一种嗅觉模拟仪器—一个工作流程，气敏传感器响应和气体流量变化过程示意图。 

图16是本发明—一种嗅觉模拟仪器和特定物质气（嗅）味等级现场分析方法—嗅觉模拟仪器中16个气敏传感器组成的阵列对石油蜡样品A的电压响应曲线。 

图17是本发明—一种嗅觉模拟仪器和特定物质气（嗅）味等级现场分析方法—嗅觉模拟仪器中16个气敏传感器组成的阵列对石油蜡样品A的电压响应最大值棒图。 

图18是本发明—一种嗅觉模拟仪器和特定物质气（嗅）味等级现场分析方法—嗅觉模拟仪器中16个气敏传感器组成的阵列对石油蜡样品A的电压最大响应值指纹图。 

图19是本发明—一种嗅觉模拟仪器和特定物质气（嗅）味等级现场分析方法—嗅觉模拟仪器中16个气敏传感器组成的阵列对样品B的电压最大响应值指纹图。 

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。 

图1是本发明—一种嗅觉模拟仪器—基本原理框图。该仪器用性能重叠的多个气敏传感器组成阵列模仿人鼻中的大量嗅感受器细胞，用模式分类与预测模型模拟人的逻辑与形象思维方式，结合精密测试技术、计算机技术、多元分析以及各具体领域的技术构造智能化实时嗅觉模拟系统。在学习阶段，嗅觉模拟仪器对多种气（嗅）味等级与类别已知的呈味物质样品顶空挥发气的一一测试，得到一个个对气（嗅）味中多种微量与痕量成分的综合敏感响应向量—样本，从而建立样本与气（嗅）味等级之间的数据库；计算机在此基础上通过学习并记忆气（嗅）味的特征。在决策阶段，嗅觉模拟仪器通过对一个呈味物质样品顶空挥发气的测试，可以快速预测气（嗅）味质量等级或关键成分浓度，确定气（嗅）味类别，得到与人的感官感受一致的结果。根据图1，嗅觉模拟仪器的学习过程是以气敏传感器阵列对气味的敏感响应向量（样本）为输入，以人的感官（嗅觉）评定值及色、质谱等分析仪器的成分分析值为期望输出，从而对模式分类与预测模型的参数进行调整的过程。 

本发明—一种嗅觉模拟仪器不采样时的组成单元如图2所示，其特点是，该仪器的4个组成单元为测试箱I、顶空挥发气发生装置II、显示器III、洁净空气瓶IV；测试箱I与顶空挥发气发生装置II通过6芯电缆相连接，其中2芯为电源线，4芯为信号传输线；测试箱I与洁净空气瓶IV通过气体管道相连接；测试箱I与显示器III通过电缆相连接。用户自备显示器III和洁净空气瓶IV。 

本发明—一种嗅觉模拟仪器采样时的组成单元如图3所示，这时，一个顶空挥发气发生装置II固定在测试箱I的自动进样升降单元的支撑圆盘I-2-2上，其它顶空挥发气发生装置II的被测样品和顶空挥发气处在恒温状态。 

本发明—一种嗅觉模拟仪器—测试箱I的组成单元如图4所示，包括气敏传感器阵列恒温工作室I-1、精密自动进样系统I-2和计算机I-3；其中，气敏传感器阵列恒温工作室I-1位于测试箱右上方，固定着气敏传感器阵列环形工作腔I-1-2及其16个TGS-8型气敏传感器组成的气敏传感器阵列I-1-1；精密自动进样系统I-2位于测试箱右下方，包括自动进样升降单元和自动顶空进样单元；计算机I-3位于测试箱左侧，包括主板I-3-1、数据采集卡I-3-2、直流稳压电源I-3-3、控制模块I-3-4、硬盘I-3-5、网卡I-3-5和显卡I-3-7。从测试箱外部，我们可以看到进样针I-2-1和自动进样升降单元的支撑圆盘I-2-2。 

本发明将气敏传感器阵列恒温工作室I-1、精密自动进样系统I-2和计算机I-3集成在一个测试箱I内，一方面使得嗅觉模拟仪器体积小，另一方面使得信号传输与控制电缆尽可能短，有效避免电子噪声干扰。 

图5是本发明—一种嗅觉模拟仪器—测试箱的气敏传感器阵列恒温工作室I-1立体图和俯视图，为清楚起见，密封盖未画出。气敏传感器阵列环形工作腔I-1-2的外形清晰可见。气体管道和电缆线均位于气敏传感器阵列恒温工作室I-1的正下方。 

由于现有的商用TGS-8型气敏传感器型号不足16个，因此，一些型号的气敏传感器采用2个；由于生产批次不同，同型号气敏传感器对同一气味的响应可能不同；2个同型号的气敏传感器初次选择条件是对标准参考气稳态电压响应相对差应超过25%；16个气敏传感器具体型号为TGS813、TGS816、TGS821、2×TGS822、2×TGS825、2×TGS826、TGS830、 TGS831、2×TGS832、TGS842、TGS880。 

图6是本发明—一种嗅觉模拟仪器—气敏传感器阵列I-1-1及其气敏传感器阵列环形工作腔I-1-2照片和断面图。其中，图6(a)是气敏传感器阵列I-1-1分布情况和气敏传感器阵列环形工作腔底座I-1-2-1照片。由此图可以看出，气敏传感器阵列I-1-1由16个气敏传感器呈环形分布而形成，气敏传感器阵列环形工作腔底座I-1-2-1上有一个进气孔和一个出气孔。16个气敏传感器和进气孔、出气孔一起呈20°的环形等间隔分布。图6(b)是气敏传感器阵列环形工作腔盖I-1-2-2照片，一个隔板I-1-2-3将进气孔和出气孔隔开。图6(c)是气敏传感器阵列环形工作腔I-1-2的断面图，包括底座I-1-2-1、盖I-1-2-2、7芯陶瓷插座I-1-2-4、胶粘剂I-1-2-5、O型密封圈I-1-2-6、螺钉I-1-2-7。进样针I-2-1固定在气敏传感器阵列环形工作腔底座I-1-2-1进气孔正下方。当顶空挥发气绕气敏传感器阵列环形工作腔I-1-2流动时，气敏传感器阵列I-1-1就产生敏感响应。 

图7是本发明—嗅觉模拟仪器—自动进样升降单元结构图，包括支撑圆盘I-2-2、螺杆机构I-2-6、步进电机I-2-11、齿轮传动机构I-2-12、支架I-2-13、导向杆I-2-14、轴承I-2-15和限位开关I-2-16。 

请参见附图8，本发明—一种嗅觉模拟仪器—顶空挥发气发生装置II的组成单元为，250毫升广口玻璃样品瓶II-1，被测样品II-2，硅橡胶密封片II-3，电阻加热丝II-4，导热套II-5，隔热层II-6，杯盖II-7，温度传感器II-8，卡爪II-9、杯外壳II-10、杯底圆盘II-11、6芯电缆与插头II-12。 

图9为导热套II-5结构示意图，包括立体图、主视图和仰视图。为了使被测样品II-2在8分钟内从常温升到80±0.1℃，加热直流电压为36V，加热功率为40W～45W。本发明采用0.2～0.25毫米的电阻加热丝II-4。为了避免因电流过大而被烧断，电阻加热丝II-4必须足够长以减小加热电流。本发明沿导热层半周以5毫米间距来回缠绕芯直径0.2～0.25毫米的电阻加热丝II-4，每半周各缠绕15～18圈，最终形成两根电阻加热丝并联。 

与发明专利《一种嗅觉模拟仪器与多种气味定性定量分析方法》（专利申请号：201010115026.2）相比，本发明的顶空挥发气发生装置有4点创新：（1）加热功率从20W增大到40W～45W；（2）样品瓶II-1容积从180毫升增大到250毫升；（3）样品量II-2从10毫升增大到20～25毫升；（4）两根电阻加热丝II-4各自绕半周来回缠绕，形成并联加热电路，缠绕密度成倍增加。 

顶空挥发气发生装置II通过6芯电缆II-12与测试箱I相连接，测试箱内的36V直流电源产生的电能通过电阻加热丝II-4转换为热能；这些热能通过导热套II-5传递给玻璃样品瓶II-1和被测样品II-2，两个温度传感器II-8感知被测样品和顶空挥发气的温度，温度实时变化通过6芯电缆II-12传递到测试箱的计算机I-3，计算机据此对被测样品II-2和顶空挥发气实施温度精密控制。 

本发明采用250毫升玻璃样品瓶II-1和硅橡胶密封片II-3，一次性使用，避免产生交叉污染。考虑到在常温环境状态下，胶粘剂、石油蜡、皮革、甘油、食用植物油气（嗅）味均比较弱，被测样品恒温温度设定为80±0.1℃。这一温度比行业标准HG/T4065-2008《胶粘剂气味评价方法》、QB/T2725-2005《皮革气味的测定》规定的65℃和国家标准GB/T5525-2008《植物油脂.透明度、气味、滋味鉴定法》规定的50℃略高一些。 

被测液态、固态或膏状样品II-2在玻璃样品瓶II-1内产生顶空挥发气；杯底圆盘II-11 固定在杯外壳II-10的内侧，2个卡爪II-9沿直径方向焊接在杯底圆盘II-11上，2个卡爪与自动进样升降单元的支撑园盘I-2-2沿直径方向的2个卡槽契合，用于使顶空挥发气发生装置II与自动进样升降单元快速固定与脱开；气体顶空采样前，操作人员先将2个卡爪对准支撑园盘I-2-2的2个卡槽，然后旋转顶空挥发气发生装置5°，杯底圆盘II-11就与自动进样升降单元的支撑园盘I-2-2固定在一起，且两者垂直中心重合；反之，操作人员反向旋转顶空挥发气发生装置5°，可从自动进样升降单元上快速松开并取走它；顶空挥发气发生装置II的固定或取走过程均可在10秒内完成。 

被测样品II-2恒温过程中产生的顶空挥发气由硅橡胶密封片II-3防止泄漏；气体顶空采样时，玻璃样品瓶II-1由测试箱I的自动进样升降单元推动上升，固定在气敏传感器阵列环形工作腔进气孔下方的进样针I-2-1因而穿硅橡胶密封片II-3接触到玻璃样品瓶II-1内的顶空挥发气；被测样品II-2的恒温时间同样由计算机I-3实施精密控制。 

本发明采用250毫升广口玻璃瓶以产生225～230毫升顶空挥发气。250毫升的容积与行业标准SH/T0414-2004《石油蜡嗅味试验法》一致，比国家标准GB/T5525-2008《植物油脂.透明度、气味、滋味鉴定法》的100毫升大，比行业标准HG/T4065-2008《胶粘剂气味评价方法》和QB/T2725-2005《皮革气味的测定》的约1000毫升小。这样，顶空挥发气与被测样品比达到225:25=9:1或230:20=11.5:1。一次测量20～30毫升的样品使得顶空挥发气中被测气（嗅）味成分具有较高的浓度。 

本发明—一种嗅觉模拟仪器的精密自动进样系统I-2—气路原理图如图10所示，包括16个气敏传感器组成的气敏传感器阵列I-1-1，气敏传感器阵列环形工作腔I-1-2，进样针I-2-1，支撑圆盘I-2-2，第一二位二通电磁阀I-2-3，第二二位二通电磁阀I-2-4，第三二位二通电磁阀I-2-5，螺杆机构I-2-6，第一节流阀I-2-7，第二节流阀I-2-8，流量计I-2-9，真空泵I-2-10。 

自动顶空进样单元包括进样针I-2-1，第一二位二通电磁阀I-2-3，第二二位二通电磁阀I-2-4，第三二位二通电磁阀I-2-5，第一节流阀I-2-7，第二节流阀I-2-8，流量计I-2-9，真空泵I-2-10。 

本发明—一种嗅觉模拟仪器—顶空采样时，气体流动方向示意图如图11所示，图中虚线表示气路不通；在真空泵I-2-10的抽吸作用下，250毫升玻璃样品瓶II-1中的顶空挥发气以500毫升/分钟的流量依次经过进样针I-2-1、气敏传感器阵列I-1-1、第一二位二通电磁阀I-2-3、第一节流阀I-2-7和流量计I-2-9，最后从废气排出口排出到大气中。 

本发明—一种嗅觉模拟仪器—6000毫升/分钟的环境空气冲洗，气敏传感器初步恢复时，空气流动方向示意图如图12所示，图中虚线表示气路不通；250毫升玻璃样品瓶被移走；在真空泵I-2-10的抽吸作用下，环境空气以6000毫升/分钟的流量依次经过进样针I-2-1、气敏传感器阵列I-1-1、第一二位二通电磁阀I-2-3和第三二位二通电磁阀I-2-5，最后从废气排出口排出到大气中。 

本发明—一种嗅觉模拟仪器—过渡阶段，从500毫升/分钟顶空挥发气过渡到500毫升/分钟环境空气的气体流动方向示意图如图13所示，图中虚线表示气路不通。250毫升玻璃样品瓶在精密自动进样系统I-2的作用下下降；在真空泵I-2-10的抽吸作用下，进样针I-2-6逐渐退出并脱离与顶空挥发气的接触，顶空挥发气流量从500毫升/分钟逐渐减小至零，而环境空气从进样针I-2-6进入气敏传感器阵列环形工作腔I-1-2的流量从零逐渐加大到500毫升/ 分钟；气体依次经过进样针I-2-6、气敏传感器阵列I-1-1、第一二位二通电磁阀I-2-3和第三二位二通电磁阀I-2-3，最后从废气排出口排入到大气中。 

本发明—一种嗅觉模拟仪器—精确标定时，500毫升/分钟的洁净空气流动方向示意图如图14所示，图中虚线表示气路不通；500毫升/分钟的洁净空气从洁净空气瓶靠自身压力流出，依次经过第二节流阀I-2-8、第二二位二通电磁阀I-2-4、气敏传感器阵列I-1-1，最后从进样针I-2-1排出到大气。 

图15为本发明—一种嗅觉模拟仪器，在一个工作周期内，气体流量（a）和其中一个气敏传感器响应电压（b）的变化情况。气体流量依次经过6000毫升/分钟的环境空气冲洗和气敏传感器初步恢复（215秒）、500毫升/分钟的洁净空气精确标定（40秒）、平衡（5秒）、500毫升/分钟的顶空挥发气采样（30秒）、500毫升/分钟的顶空挥发气与环境空气过渡（5秒）共5个阶段；一个采样周期历时295秒。 

图15(b)显示，从顶空采样开始至顶空采样结束共30秒的时间长度内，一个个气敏传感器的电压响应被记录下来。这些电压响应曲线经过FFT滤波预处理。从一个气敏传感器的这段响应曲线中，最大值、积分值和平均微分值共3个特征被提取。由于气敏传感器阵列I-1-1由16个气敏传感器组成，对一个被测样品的一次测量得到一个48维的特征向量，即一个样本。这个样本经过主成分分析预处理被降到16维，计算机在10秒钟内给出被测样品的气（嗅）味等级、关键成分含量、类别等预测结果。 

图16是本发明—嗅觉模拟仪器由阵列I-1-1的16个气敏传感器对一个被测样品A的电压响应曲线，图17是气敏传感器阵列I-1-1对这个样品的电压响应最大值棒图，图18是气敏传感器阵列I-1-1对该样品的电压最大响应值指纹图。 

图19是气敏传感器阵列I-1-1对样品B的电压最大响应值指纹图。通过比较图18和图19两个指纹图的差别，嗅觉模拟仪器就可以实现对这两种呈味物质的识别。 

请参见图10和图15，本发明的一个完整的采样过程包括如下步骤： 

(1)、开机与环境空气初步恢复。仪器预热30分钟，第一二位二通电磁阀I-2-3和第三二位二通电磁阀I-2-5接通，第二二位二通电磁阀I-2-4断开，在真空泵I-2-10的抽吸作用下，环境空气通过进样针I-2-1以6000毫升/分钟的流量流过气敏传感器阵列环形工作腔I-1-2；计算机I-3将第30分钟末这一时刻的气敏传感器阵列I-1-1对环境空气的响应记为初始状态； 

(2)、样品准备与恒温。操作人员先将25毫升液态、固态或膏状被测样品II-2放入250毫升玻璃样品瓶II-1内，然后将该玻璃样品瓶放入顶空挥发气发生装置II的导热套II-5内，盖上硅橡胶密封片II-3，然后拧紧杯盖II-7；按下计算机I-3键盘上的确认键，被测样品II-1开始被加热，计算机I-3开始计算恒温时间；被测样品II-2在电阻加热丝II-4的作用下，在80±0.1℃的温度精确恒温30分钟；在此段时间内，操作人员将顶空挥发气发生装置II固定在自动进样升降单元的支撑圆盘I-2-2上； 

(3)、洁净空气精确标定。在被测样品II-2恒温30分钟后，第二二位二通电磁阀I-2-4接通，第一二位二通电磁阀I-2-3和第三二位二通电磁阀I-2-5断开，洁净空气以500毫升/分钟的流量从洁净空气瓶IV依次流过第二节流阀I-2-8、第二二位二通电磁阀I-2-4、气敏传感器阵列I-1-1，然后从进样针I-2-1排出到大气中，历时40秒；在此过程中，气敏传感器阵列I-1-1得以用洁净空气进行精确标定； 

(4)、平衡。在5秒钟的平衡期内，三个二位二通电磁阀I-2-3、I-2-4和I-2-5均断开， 气敏传感器阵列环形工作腔I-1-2内的气体处于静止状态，测试箱I的自动进样升降单元在3秒钟内使顶空挥发气发生装置II上升20毫米，固定在气敏传感器阵列环形工作腔I-1-2进气孔下方的进样针I-2-1因此穿过玻璃样品瓶II-1上的硅橡胶密封片II-3，接触到玻璃样品瓶II-1内的顶空挥发气； 

(5)、顶空采样。第一二位二通电磁阀I-2-3接通，第二和第三二位二通电磁阀I-2-4与I-2-5均断开，真空泵I-2-10将顶空挥发气以500毫升/分钟的流量经由进样针I-2-1吸入气敏传感器阵列环形工作腔I-1-2，使之迅速掠过气敏传感器阵列I-1-1的敏感膜表面，然后经过二位二通电磁阀I-2-3、第一节流阀I-2-7、流量计I-2-9，从气体管道的废气排出口排出到大气中；当顶空挥发气采样时间达到30秒时，顶空采样过程结束； 

(6)、过渡。气体顶空采样过程结束后，气敏传感器阵列I-1-1进入历时5秒的顶空挥发气与环境空气交替的过渡期；顶空挥发气发生装置II在自动进样升降单元的作用下在3秒钟之内下降20毫米，采样针I-2-1因此逐渐退出玻璃样品瓶II-1；第一二位二通电磁阀I-2-3仍接通，第二和第三二位二通电磁阀I-2-4和I-2-5仍均断开，真空泵I-2-10以500毫升/分钟的流量将顶空挥发气和环境空气从进样针I-2-1吸入气敏传感器阵列环形工作腔I-1-2；这一过程是顶空挥发气逐渐减少、环境空气逐渐增多的过程，气体从最初500毫升/分钟的顶空挥发气逐渐过渡到最终500毫升/分钟的环境空气； 

(7)、气（嗅）味等级预测。在顶空挥发气流经气敏传感器阵列环形工作腔I-1-2的过程中，组成气敏传感器阵列I-1-1的各个气敏传感器对被测气味产生敏感响应，这些敏感响应通过用于信号传输与控制电缆传递到计算机I-3；计算机I-3通过数据采集卡得到一个3×16维的响应向量，经FFT滤波、主成分分析方法降维处理后，神经网络模块在10秒之内给出被测样品的气（嗅）味质量等级、关键成分浓度和类别估计值，并通过显示器III显示出来； 

(8)、初步恢复与样品更换。顶空挥发气逐渐减小与环境空气逐渐增大的过渡期结束后，第一二位二通电磁阀I-2-3和第三二位二通电磁阀I-2-4接通，第二二位二通电磁阀I-2-5断开，真空泵I-2-10以6000毫升/分钟的流量将环境空气从进样针I-2-1吸入气敏传感器阵列环形工作腔I-1-2，历时215秒；在此期间内，操作人员取走测过的顶空挥发气发生装置II，更换样品II-2-和玻璃样品瓶II-1，放置新的顶空挥发气发生装置II； 

(9)、重复(2)～(8)，进行多次采样，一个完整的采样过程持续295秒； 

除步骤(2)和(8)外，整个过程由嗅觉模拟仪器自动完成。 

一种嗅觉模拟仪器配置6个顶空挥发气发生装置II，1小时内可测量6个样品。 

Claims (9)

1.一种嗅觉模拟仪器，其特征是，包括测试箱和顶空挥发气发生装置；用户自备洁净空气和显示器；实现对胶粘剂、石油蜡、皮革、甘油、食用植物油的气（嗅）味现场检测和等级评定；

所述的测试箱包括气敏传感器阵列恒温工作室、精密自动进样系统、计算机；气敏传感器阵列恒温工作室内固定着16个TGS-8型气敏传感器组成的气敏传感器阵列，位于测试箱右上方；精密自动进样系统包括自动进样升降单元和自动顶空进样单元，位于测试箱右下方；计算机包括主板、数据采集卡、直流稳压电源、控制模块、硬盘、网卡和显卡，位于测试箱左侧；

所述的顶空挥发气发生装置包括玻璃样品瓶、电阻加热丝、导热层、隔热层、温度传感器、杯盖、硅橡胶密封片、电缆；顶空挥发气发生装置与测试箱通过电缆相连接；玻璃样品瓶容积250毫升，液态或固态样品量20～25毫升，但皮革样品为100毫米×65毫米，产生225～230毫升顶空挥发气；样品及其顶空挥发气在80±0.1℃状态下恒温20～30分钟；

气敏传感器阵列恒温工作室通过气体管道与精密自动进样系统相连接；气敏传感器阵列恒温工作室和精密自动进样系统通过电路与计算机相连接；顶空采样时，在精密自动进样系统作用下，玻璃样品瓶内的顶空挥发气以500毫升/分钟的流量进入气敏传感器阵列恒温工作室，顶空采样时间30秒，气敏传感器阵列因此产生敏感响应，经低通滤波和降维预处理后，计算机现场给出被测物质气（嗅）味质量等级、关键成分含量及类别。

2.根据权利要求1所述的嗅觉模拟仪器，其特征是，设定40℃、100ppm的25毫升乙醇水溶液在250毫升玻璃样品瓶内产生的顶空挥发气为标准参考气；标准测试条件是，顶空采样流量500毫升/分钟，顶空采样时间30秒；一个气敏传感器i第一次使用时在标准测试条件下对标准参考气的初始稳态电压响应值V_i-ethanol(0)被记录下来；经过一段时间后，这个气敏传感器对标准参考气的稳态电压响应V_i-ethanol(t)与V_i-ethanol(0)的相对误差ρ_i-ethanol=|V_i-ethanol(0)-V_i-ethanol(t)|/V_i-ethanol(0)超过5.0%时应予更换；新的气敏传感器选择标准是其与同型号旧的气敏传感器对标准参考气的稳态电压响应相对误差不超过5.0%。

3.根据权利要求1所述的嗅觉模拟仪器，其特征是，每三天，依各个气敏传感器在标准测试条件下对标准参考气的响应变化进行一次标定和修正；设第i个气敏传感器在标准测试条件下对标准参考气的第一次和当前的稳态电压响应分别是V_i-ethanol(0)和V_i-ethanol(t)，相对误差为

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ethanol}}=\frac{V_{i-\mathrm{ethanol}}\left(0\right)-V_{i-\mathrm{ethanol}}\left(t\right)}{V_{i-\mathrm{ethanol}}\left(0\right)}$

第i个气敏传感器对被测气味的电压响应值的修正值是

V_i-correction(t)=V_i(t)+ρ_ethanolV_i(t)

这里，V_i(t)是第i个气敏传感器对被测气味的实际响应电压值。

4.根据权利要求1所述的嗅觉模拟仪器，其中所述的顶空挥发气发生装置的玻璃样品瓶净容积250毫升，一次性使用。

5.根据权利要求1所述的嗅觉模拟仪器，其中所述的顶空挥发气发生装置的导热层厚度3毫米；一根芯直径0.2～0.25毫米的电阻加热丝沿导热层半周以5毫米间距来回缠绕，两根电阻加热丝沿导热层圆周因此形成并联；加热直流电压36V，加热功率40～45W；液态或固态样品及其顶空挥发气在8分钟内从常温升到80℃，并在80±0.1℃状态下恒温20～30分钟；恒温过程是制热过程。

6.根据权利要求1所述的嗅觉模拟仪器，其特征是，计算机主板、数据采集卡、控制模块、气敏传感器阵列恒温工作室和精密自动进样系统集成在一个测试箱内，信号传输与控制线路短，环境噪声干扰小，仪器体积小。

7.根据权利要求1所述的嗅觉模拟仪器，其特征是，胶粘剂、石油蜡、皮革、甘油、食用植物油的气（嗅）味强度微弱，气敏传感器响应小，信噪比因之也较小；对气敏传感器响应信号进行快速Fourier变换（Fast Fourier Transform,FFT）低通滤波；对滤波后的气敏传感器响应信号选择稳态最大值、积分值、平均微分值作为特征分量；然后用主成分分析方法进行特征提取，作为被测样品气（嗅）味的数字化表示。

8.根据权利要求1所述的嗅觉模拟仪器，其特征是，用多个神经网络模块对多种物质气（嗅）味进行定量分析；一个神经网络模块的结构为单输出单隐层的，负责确定一种指定物质的气（嗅）味等级；神经网络模块数与物质类别数一一对应。

9.采用权利要求1的嗅觉模拟仪器对多种胶粘剂、石油蜡、皮革、甘油、食用植物油进行气（嗅）味等级分析方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)开机；仪器预热30分钟，在自动顶空进样单元的抽吸作用下，环境空气以6000毫升/分钟的流量流经气敏传感器阵列；计算机将第30分钟末气敏传感器阵列对环境空气的电压响应记为初始状态；

(2)样品准备与恒温；操作人员先将被测样品移入玻璃样品瓶内，然后将玻璃样品瓶放入顶空挥发气发生装置的导热套内，盖上硅橡胶密封片，拧紧杯盖，按下确认键；恒温计时开始，被测样品开始被加热；被测样品在8分钟内从室温升到80℃，并在80±0.1℃状态下精确恒温20～30分钟；

(3)环境空气初步恢复；在自动顶空进样单元的的抽吸作用下，环境空气以6000毫升/分钟的流量流经气敏传感器阵列恒温工作室，气敏传感器阵列因之初步恢复到初始状态；历时215秒；

(4)洁净空气精密标定；洁净空气以500毫升/分钟的流量流经气敏传感器阵列恒温工作室，历时40秒，气敏传感器阵列得以精确恢复到初始状态；操作人员将顶空挥发气发生装置固定在自动进样升降单元上；

(5)平衡；气敏传感器阵列恒温工作室内的气体处于静止状态，历时5秒钟；自平衡开始时刻起，自动进样升降单元在3秒钟内使顶空挥发气发生装置上升20毫米；

(6)顶空采样；自动顶空进样单元将玻璃样品瓶内的顶空挥发气以500毫升/分钟的流量吸入气敏传感器阵列恒温工作室，使之迅速掠过气敏传感器敏感膜表面，然后排放到大气中，历时30秒；

(7)过渡；顶空采样结束后，在气体流量500毫升/分钟不变的条件下，自动进样升降单元在3秒钟内使顶空挥发气发生装置下降20毫米；随着顶空挥发气发生装置的下降，顶空挥发气流量逐渐变小，环境空气流量逐渐增大；整个过渡过程历时5秒钟，随后进入流量为6000毫升/分钟的环境空气初步恢复环节；

(8)数据记录；在顶空挥发气流经气敏传感器阵列过程中，各个气敏传感器产生敏感响应，计算机通过16位高精度数据采集卡得到16条响应曲线；自顶空采样开始时刻起至顶空采样结束时止，即数据记录时间长度为30秒；这16条响应曲线记录在一个临时文件里；

(9)数据预处理；记录下来的16条响应曲线经过FFT低通滤波处理；选择低通滤波后各条响应曲线的最大响应值、积分值和平均斜率作为特征分量；由此，一个被测样品转化为一个16×3=48维的测量样本；然后经主成分分析方法降至16维特征向量；48维测量样本和16维特征向量均保存在计算机硬盘的数据文件中；

(10)被测样品气（嗅）味等级预测与识别；在顶空采样结束10秒之内，对应的神经网络模块预测被测样品气（嗅）味强度，并通过显示器显示出来；

(11)重复步骤(2)～(10)，实现多个样品气（嗅）味等级评定；

步骤(2)～(7)是样品检测循环，步骤(8)～(10)是数据分析与预测循环的一部分；一个完整的测试与分析周期为295秒。

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