CN106443031A

CN106443031A - 基于动态配气的仿生嗅觉检测分析装置及其检测分析方法

Info

Publication number: CN106443031A
Application number: CN201610863861.1A
Authority: CN
Inventors: 文韬; 郑立章; 桑孟祥; 董帅; 吴伟; 龚中良
Original assignee: Central South University of Forestry and Technology
Current assignee: Central South University of Forestry and Technology
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2036-09-30
Also published as: CN106443031B

Abstract

本发明公开了一种基于动态配气的仿生嗅觉检测分析装置及其检测分析方法。该装置包括动态配气系统和仿生嗅觉检测分析系统。动态配气系统包括高、低浓度配气支路和载气输送支路；仿生嗅觉检测分析系统包括嗅觉检测单元及测控单元；嗅觉检测单元包括顺序连接的样本气体生成室，流量计，气敏传感器阵列和视镜，视镜内嵌温、湿度传感器；嗅觉测控单元包括测控计算机；测控计算机输出端连接动态配气系统的质量流量控制器及传感器加热电压控制端，测控计算机输入端连接传感器数据采集端及温湿度传感器。本发明可精确配置不同浓度的样本气体进行嗅觉检测分析，可调整载气流量、气体温湿度和传感器工作电压，实现对样本气体嗅觉检测的优化控制及其检测和分析。

Description

基于动态配气的仿生嗅觉检测分析装置及其检测分析方法

技术领域

本发明涉及农产品无损检测分析装置，具体涉及一种基于动态配气的仿生嗅觉检测分析装置及其检测分析方法。

背景技术

随着仿生学理论研究的深入和计算机技术的发展，人们从上世纪八十年代开始进行仿生嗅觉的研究。仿生嗅觉检测在食品工业、环境监测、疾病探测和国防建设等领域具有诱人的应用前景。近年来，该技术领域受到广泛关注和普遍重视，中国专利授权公告号：CN101135689B，公开了一种电子鼻开发平台；中国专利授权公告号：CN203422675U，公开了一种动态痕量气体浓度配气装置；中国专利授权公告号：CN104792923A，公开了一种气体分析仪供气装置及方法。查阅文献，现有的仿生嗅觉检测分析装置只是完成对待测气体的直接检测分析，并未考虑待测气体的浓度、温度、湿度及传感器工作电压变化对嗅觉检测适应性及影响，不利于发挥嗅觉检测的有效性和准确性。另外，气敏传感器是仿生嗅觉技术中核心的部件，除具有普遍传感器共有的温漂和响应范围等特性外，还具有其特有的交叉敏感性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有仿生嗅觉检测分析装置的缺点与不足，提供一种基于动态配气的仿生嗅觉检测分析装置及其检测分析方法，其可精确配置不同浓度的样本气体并进行嗅觉检测分析，且可调整载气流量、气体温、湿度和传感器工作电压，实现对待测气体嗅觉检测性能的优化控制，实现对待测样本挥发气体的检测和分析。

为了实现上述目的，本发明提供的基于动态配气的仿生嗅觉检测分析装置，包括动态配气系统和仿生嗅觉检测分析系统。

所述动态配气系统包括低浓度配气支路、高浓度配气支路和载气输送支路，且低浓度配气支路、高浓度配气支路和载气输送支路上分别设有气源、截止阀、气体质量流量控制器，低浓度配气支路、高浓度配气支路和载气输送支路的出气口分别与两位三通阀的进气口连接，两位三通阀的出气口的一支经加湿支路连接仿生嗅觉检测分析系统的样本气体生成室的进气口，两位三通阀的出气口的另一支经干燥支路直接连接样本气体生成室的进气口。

所述仿生嗅觉检测分析系统包括嗅觉检测单元和嗅觉测控单元。

嗅觉检测单元包括检测支路、第一清洗支路及第二清洗支路，检测支路包括设于加热台上用于放置样本气体的样本气体生成室，所述样本气体生成室的载气入口与所述动态配气系统的加湿支路或干燥支路连通，样本气体生成室的顶空气体出口经第一电磁阀、流量计连通检测腔的进气口，该检测腔内设有气敏传感器阵列，检测腔的出气口连通视镜，视镜内设有温、湿度传感器，所述第一清洗支路的前端连接所述动态配气系统的出气口，后端直接连接检测腔的进气口，所述第二清洗支路前端直接连接样本气体生成室的顶空气体出口，后端直接连通大气；

嗅觉测控单元包括测控计算机，该测控计算机的输出端设置第一数据采集卡，第一数据采集卡生成电压信号和脉冲信号，一部分电压信号经第一运算放大器连接低浓度配气支路、高浓度配气支路和载气输送支路上的气体质量流量控制器，另一部分电压信号经脉宽调制电路输出到气敏传感器阵列的加热电压控制端，脉冲信号经第二运算放大器输出至第一、二、三电磁截止阀；同时，气敏传感器阵列的数据采集端经阻抗匹配电路、第二数据采集卡连接测控计算机，内嵌于视镜中的温、湿度传感器经第二数据采集卡连接测控计算机。

所述低浓度配气支路包括依次顺序连接的低浓度气体气源、第一截止阀、第一气体质量流量控制器、第一单向阀；所述高浓度配气支路包括依次顺序连接的高浓度气体气源、第二截止阀、第二气体质量流量控制器、第二单向阀；所述载气输送支路包括依次顺序连接的载气气源、第三截止阀、第二气体质量流量控制器、第二单向阀，所述低浓度配气支路、高浓度配气支路和载气输送支路经第一单向阀或第二单向阀与所述两位三通阀的进气口连接。配制低浓度（<=100ppm）气体过程中通过调节低浓度配气支路上的第一气体质量流量控制器和高浓度配气支路上的第二气体质量流量控制器的旋钮内部控制流量的大小；配制高浓度(>=1000ppm)气体过程中通过调节高浓度配气支路上的第二气体质量流量控制器的旋钮内部控制流量的大小；或者第一、二气体质量流量控制器分别与测控计算机连接，由测控计算机实现外部控制。

所述加湿支路包括顺序连接的加湿器及第四截止阀，所述干燥支路包括直接连通两位三通阀和样本气体生成室的第三单向阀。

所述样本气体生成室的底座上设置所述载气入口，所述样本气体生成室的顶部设置所述顶空气体出口。

所述气敏传感器阵列由8个气敏传感器组成，每个气敏传感器放置于独立的气室内，呈圆周阵列分布，且所述气室采用耐高温铝合金材料制成，气体可均匀通入每个传感器气室，避免了气敏传感器间的相互干扰，提高了各气敏传感器对样本气体实施检测的同步性和均匀性。

所述加热台用于给样本气体生成室内顶空气体加热，且加热台的加热装置可以设置不同的加热温度，为设置最佳样本气体检测温度提供了接口。

本发明动态配气系统不但能连续提供稳定的样本气体，而且可通过调节样本气体和载气的流量比获得所需浓度的样本气体，尤其适用于配制低浓度的样本气体，克服了静态配气方法中样本气体浓度不准确和其浓度随放置时间变化的缺点。

在仿生嗅觉检测过程中，若样本气体浓度过高，超过气敏传感器阵列的最大有效检测浓度时，动态配气系统输送的载气用作稀释气体，对样本气体进行稀释，使样本气体的浓度在气敏传感器阵列响应频带宽度内，从而进行有效的检测与分析。

本发明装置使用的载气气源为氮气，因为通常情况下氮气无色无味，并且化学性质很稳定，实验安全性高，成本低。

在仿生嗅觉检测过程中样本气体的流速是非常重要的，如果流速过快，会使样本气体还未来得及与气敏传感器阵列充分反应就被带出检测腔，得不到有效的检测曲线进行实验分析；如果流速过慢，会使气敏传感器阵列响应的时间过长，从而增加了整个检测时间。因此，本发明装置采用第一、二气体质量流量控制器对气体的质量流量进行精密控制，保证流经检测腔内的样本气体和气敏传感器阵列充分反应，得到精度更高的检测数据。

作为优选，所述的第一气体质量流量控制器流量控制范围是0～5ml/min，所述的第二气体质量流量控制器流量控制范围是0～1000ml/min。本发明配气系统配制的标准气体最大流量为1000ml/min。

作为优选，所述第一、二气体质量流量控制器采用标准电信号采集和控制，而且控制单元采用了响应速度较高的电压敏感材料，因而最适合于与计算机组成自动控制系统。

作为优选，所述的加湿器用于对管路中的样本气体进行加湿。

为达到上述目的，本发明还提供了一种利用上述基于动态配气的仿生嗅觉检测分析装置进行检测分析的方法，其包括下述步骤：

A1.开启仿生嗅觉检测分析装置，使仿生嗅觉检测分析装置预热稳定30min；

A2.根据需要配制的样本气体浓度接通装有样本气体的低浓度气源或高浓度气源，同时接通载气气源；

A3.通入载气稳定100s,使各气敏传感器检测基线稳定，得到基线电压；

A4.通入低浓度气源或高浓度气源中的样本气体，并设置相应气体质量流量控制器的参数，即可将样本气体稀释至所需浓度，稀释后的样本气体进入检测腔，检测腔内的气敏传感器阵列检测到样本气体产生变化的电压信号，从而获得各气敏传感器的动态输出响应；

A5.各气敏传感器的动态输出响应信号通过高速A/D采样单元采集后，经阻抗匹配电路、第二数据采集卡传输至测控计算机进行存储和显示；

A6.当各气敏传感器的动态输出响应信号上升到最大值并保持稳定不变时得到稳定电压值，将基线电压和稳定电压值传送至测控计算机求差获得气敏传感器动态响应数据中稳定电压值的绝对增量，将得到的绝对增量与气敏传感器量程的5%～95%进行比较，当检测获取的绝对增量分布在该量程5%～95%的区间范围，表明稀释后的样本气体浓度在气敏传感器阵列响应频带宽度内，能进行仿生嗅觉检测分析检测，反之，稀释后的样本气体浓度超过仿生嗅觉检测分析的有效检测范围，需重复A3－A6直至稀释后的样本气体浓度在气敏传感器阵列响应频带宽度内，能进行仿生嗅觉检测分析检测；

A7.提取各气敏传感器的动态输出响应信号的静态响应特征参数以及各气敏传感器的动态响应特征参数，并优选得出静态响应特征参数以及各气敏传感器的动态响应特征参数中的主成分，采用D-S证据理论的方法进行决策级数据融合处理，将处理结果输入仿生嗅觉多特征因子融合测评模型进行样本分析判别；

A8.检测结束后，用氮气清洗检测腔和样本气体生成室，使各气敏传感器响应恢复基线值，以便进行下次样本检测。

所述步骤A8的清洗过程中，通过采集检测腔中气体的浓度定量地判断样本气体生成室、检测腔是否清洗干净。

所述步骤A8的清洗过程中，对样本气体生成室及检测腔分别清洗。

为达上述目的，本发明提供了另一种利用上述基于动态配气的仿生嗅觉检测分析装置进行检测分析的方法，其包括下述步骤：

S1.开启仿生嗅觉检测分析装置，使仿生嗅觉检测分析装置预热稳定30min；

S2.载气气源选择浓度为99.999%氮气；

S3.将样本气体放入样本气体生成室内静置2min，通入氮气稳定100s，并清除样本气体生成室中的杂质气体，使各气敏传感器动态输出响应回到基线电压；

S4.载气吹扫样本气体进入检测腔，使各气敏传感器产生变化的电压信号，获得各气敏传感器动态输出响应信号；

S5.各气敏传感器的动态输出响应信号通过高速A/D采样单元采集后，经阻抗匹配电路、第二数据采集卡传输至测控计算机进行存储和显示；

S6.提取各气敏传感器的动态输出响应信号的静态响应特征参数以及各气敏传感器的动态响应特征参数，并优选得出静态响应特征参数以及各气敏传感器的动态响应特征参数中的主成分，采用D-S证据理论的方法进行决策级数据融合处理，将处理结果输入仿生嗅觉多特征因子融合测评模型进行样本分析判别；

S7.检测结束后，用氮气清洗检测腔和样本气体生成室，使各气敏传感器响应恢复基线值，以便进行下次样本检测。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

1）本发明检测腔内采用气敏传感器阵列设计，解决了嗅觉检测过程中采用单一传感器存在的交叉敏感性影响；

2）本发明在嗅觉检测前端引入动态配气系统对样本气体实施动态配气，控制样本气体浓度在嗅觉传感器的有效检测范围，保证了气敏传感器读数的有效性和准确性；

3）本发明的测控计算机提供了载气流量、气体温湿度和传感器加热工作电压控制的接口，实现了不同工作参数对待测样本气体嗅觉检测的优化控制。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于动态配气的仿生嗅觉检测分析装置一实施例的工作原理图。

图2为本发明提供的一种基于动态配气系统的仿生嗅觉检测分析装置一实施例的总装配图。

图 3 为本发明提供的一种基于动态配气系统的仿生嗅觉检测分析装置一实施例的嗅觉测控单元原理图。

图4为本发明检测腔结构示意图。

图5为本发明检测腔的米字型气腔结构示意图。

图6为本发明脉宽调制电路和阻抗匹配电路原理图。

图7为本发明实施例提供的检测分析软件的工作流程图。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

如图1－图3所示，本发明一种基于动态配气的仿生嗅觉检测分析装置一实施例包括动态配气系统和仿生嗅觉检测分析系统，从而实现了将动态配气系统和仿生嗅觉检测分析技术相结合的创新，用户利用本发明装置，既能精确配置不同浓度的样本气体进行嗅觉检测分析，又可调整载气流量、气体温湿度和传感器工作电压的控制参数，实现对待测气体嗅觉检测性能的优化控制，还可实现对待测样本挥发气体的检测和分析。

其中，动态配气系统包括低浓度气体配气支路1，高浓度气体配气支路2和载气输送支路3。低浓度配气支路1包括低浓度气体气源11、第一截止阀12、第一气体质量流量控制器13、第一单向阀14，且低浓度气体气源11经第一截止阀12与第一气体质量流量控制器13通过螺纹卡套接头连接，再经导管与第一单向阀14通过螺纹卡套接头连接。高浓度配气支路2包括高浓度气体气源21、第二截止阀22、第二气体质量流量控制器23、第二单向阀24，且高浓度气体气源21经第二截止阀22与第二气体质量流量控制器23通过螺纹卡套接头连接，再经导管与第二单向阀24通过螺纹卡套接头连接。载气输送支路3包括载气气源31、第三截止阀32、第二气体质量流量控制器23、第二单向阀24，且载气气源31与第三截止阀32通过螺纹卡套接头连接，再通过三通接头并入高浓度配气支路2中，再依次与第二气体质量流量控制器23和第二单向阀24通过螺纹卡套接头连接。第一单向阀14和第二单向阀24的出气口经导管分别与两位三通阀4的进气口通过螺纹卡套接头连接；两位三通阀4的出气口的一支通过螺纹卡套接头与加湿器51连接，再经第四截止阀52与仿生嗅觉检测部分的样本气体生成室71的进气口通过螺纹卡套接头连接，此支路为加湿支路5，两位三通阀4的另一支经第三单向阀61直接与样本气体生成室71的进气口通过螺纹卡套接头连接，此支路为干燥支路6。通过第四截止阀52的开启或关闭选择是否对配制好的混合气体进行加湿。

进行低浓度气体配气时，开启第一截止阀12和第三截止阀32以选择低浓度配气支路1和载气输送支路3，并通过调节第一气体质量流量控制器13控制低浓度配气支路1中的气体流量大小，从而实现精确配制不同的低浓度混合气体。

进行高浓度气体配气时，开启第二截止阀22和第三截止阀32以选择高浓度配气支路2和载气输送支路3，并通过调节第二气体质量流量控制器23控制高浓度配气支路2中的气体流量的大小，从而实现精确配制不同的高浓度混合气体。

动态配气系统中的第一气体质量流量控制器13和第二气体质量流量控制器23的输出（out）、设置（set）和阀控三个信号端连接配套的流量显示器，再经流量显示器与测控计算机101连接，这样，动态配气时，既可直接经第一气体质量流量控制器13和第二气体质量流量控制器23的旋钮实现内部控制，又可经测控计算机101实现外部控制。

仿生嗅觉检测分析系统包括嗅觉检测单元和嗅觉测控单元。

嗅觉检测单元包括检测支路7、第一清洗支路8及第二清洗支路9。

检测支路7包括样本气体生成室71、加热台72、流量计74、第一电磁截止阀73、检测腔75、气敏传感器阵列76、视镜77、第四单向阀78和第一排气口79。其中，样本气体生成室71置于加热台72上，且样本气体生成室71的顶部设有顶空气体出口，样本气体生成室71的底部设有载气入口。气敏传感器阵列76由8个金属氧化物气敏传感器组成。如图4、图5所示，检测腔75外形呈圆柱状，内部凿有“米”字型气腔751，检测腔75上表面设置多个气室754，每个气室754与气腔751连通，且每个气室754内加工有传感器安装孔752，气敏传感器阵列76放置于这些传感器安装孔752内，检测腔75的外壁上对应每一传感器安装孔752设置有螺纹孔753，当传感器放置于传感器安装孔752内时，通过圆周螺纹孔753旋入螺钉紧固，方便传感器更换拆卸。样本气体生成室71的载气入口与动态配气系统的加湿支路5或干燥支路6连通，其顶空气体出口经过第一电磁截止阀73与流量计74通过螺纹卡套转接接头连接，再与检测腔75通过螺纹卡套接头连接，气敏传感器阵列76置于检测腔75中。

检测腔75的出气端经视镜77与第四单向阀78通过螺纹卡套接头连接，再经第一排气口79通向大气，视镜77中装有温、湿度传感器；第一清洗支路8由第二电磁截止阀81构成，且第二电磁截止阀81的进气口经导管与动态配气系统的加湿支路5或干燥支路6连通，出气口与流量计74的进气口通过螺纹卡套转接接头连接；第二清洗支路9包括第三电磁截止阀91及第二排气口91，第三电磁截止阀91的进气口经导管与样本气体生成室71的顶空气体出口通过螺纹卡套接头连接，出气口经导管、第二排气口92通向大气。

嗅觉测控单元包括测控计算机101，该测控计算机101的输出端设置第一数据采集卡102，第一数据采集卡（PCIe-6353, National Instruments, TX, USA）102生成电压信号和脉冲信号，一部分电压信号经第一运算放大器103连接低浓度配气支路1、高浓度配气支路2和载气输送支路3上的第一、二气体质量流量控制器13、23，另一部分电压信号经脉宽调制电路104连接到加热台72的加热控制端以设置不同的工作电压，脉冲信号经第二运算放大器105放大处理后输出至第一、二、三电磁截止阀73、81、91，以实现不同功能气路切换。当样本气体生成室71中装载样本气体时，动态配气系统载气输送支路3输送的载气连续吹扫样本气体生成室71生成的顶空气体，断开第二电磁截止阀81和第三电磁截止阀91，导通第一电磁截止阀73，则待测样本挥发气体以恒定流速输送至检测腔75。检测腔75中的气敏传感器阵列76采集待测样本挥发气体物质和浓度的变化，并通过阻抗匹配电路106变送至第二数据采集卡（PCIe-6353, National Instruments, TX, USA）107后，将采集信号传送给测控计算机101，进行数据特征提取和模式识别分析，完成仿生嗅觉检测分析。同时，在嗅觉检测过程中气路中温、湿度变化，通过内嵌于视镜77中的温、湿度传感器进行在线监测，并由第二数据采集卡107把采集信号反馈给测控计算机101。

本发明脉宽调制电路104用于实现对气敏传感器加热电压的控制。阻抗匹配电路106可实现对气敏传感器变化的电信号进行调理与采集。

如图6所示，脉宽调制电路104包括直流开关电源1041、（传感器）加热电压控制端1042、三极管1043、电阻1044和电阻1045。直流开关电源1041与传感器加热电压控制端1042中的引脚4连接，另一引脚1与三极管1043的集电极连接，其基极和发射极分别与电阻1044和电阻1045连接；电阻1045的另一端接地，电阻1044的另一端与幅值为5V的脉冲电压V_B连接，通过改变V_B的高低电平状态，实现气敏传感器加热回路的通断，从而改变气敏传感器实际加热电压。

阻抗匹配电路106包括（传感器）数据采集端1061、可变电阻1062、电容1063、运算放大器1064、电容1065和电容1066、直流开关电源1067。直流开关电源1041与传感器数据采集端1061中的引脚3连接，另一引脚2与可变电阻1062串联，再将可变电阻1062的另一端接地；电容1063与可变电阻1062并联，同时运算放大器1064的同相输入端与电容1063的正极连接，其反向输入端与输出端连接；直流开关电源1067与运算放大器1064的输入电压端连接，同时电容1065和电容1066的一端与直流开关电源1067连接，另一端接地；运算放大器1064的输出电压端接地。

下面通过具体应用对本发明的使用进行说明。

如图1和图7所示，当本发明装置用于100ppm低浓度气体配制时包括下述气体配置和检测步骤：

（1）开启仿生嗅觉检测分析装置，并运行仿生嗅觉检测分析系统，使仿生嗅觉检测分析系统预热稳定30min。

（2）低浓度气源11接通浓度为6000ppm的乙烯，载气气源31接通浓度为99.999%氮气。

（3）打开第三截止阀32，通入氮气稳定100s，使仿生嗅觉检测分析系统各传感器检测基线稳定，从而得到基线电压。

（4）打开第一截止阀12，并设置第一气体质量流量控制器13和第二气体质量流量控制器23的流量分别为5ml/min和300ml/min,即可将6000ppm的乙烯气体稀释至100ppm。稀释后的气体经加湿支路5或干燥支路6进入检测腔75，并与检测腔75内各气敏传感器接触，使其产生变化的电压信号，从而获得各气敏传感器的动态输出响应。

（5）各气敏传感器的动态输出响应信号通过阻抗匹配电路106、第二数据采集卡107传输至测控计算机101进行存储和显示。

（6）当各气敏传感器的动态输出响应信号上升到最大值并保持稳定不变时得到稳定电压值，将基线电压和稳定电压值传送至测控计算机101求差获得气敏传感器动态响应数据中两个稳态输出电压的绝对增量，将此绝对增量与气敏传感器量程的5%～95%范围进行比较，当检测获取的绝对增量分布在上述区间范围，表明稀释后的样本气体浓度在气敏传感器阵列76响应频带宽度内，能被本发明仿生嗅觉检测分析装置检测，反之，该稀释后的样本气体浓度超过本发明仿生嗅觉检测分析装置的有效检测范围，需重复A3－A6，直至稀释后的样本气体浓度在气敏传感器阵列76响应频带宽度内，能进行仿生嗅觉检测分析检测。

（7）检测结束后，关闭第一截止阀12，保持第三截止阀32打开，断开第二电磁截止阀81和第三电磁截止阀91，导通第一电磁截止阀73，使氮气继续通过样本气体生成室71、检测腔75、第一排气口79，以对样本气体生成室71及检测腔75中的气敏传感器进行清洗，使仿生嗅觉检测系统中各气敏传感器响应恢复基线值，以便进行下次检测。清洗过程中，可通过采集检测腔75中气体的浓度定量地判断样本气体生成室71、检测腔75和管道是否清洗干净。另外，也可通过控制第一电磁截止阀73、第二电磁截止阀81和第三电磁截止阀91的开断状况，实现对样本气体生成室71及检测腔75中的气敏传感器分别清洗。

如图1和图7所示，当本发明用于对感染橘小实蝇虫害的柑橘和正常柑橘进行分析判别时，包括下述检测分析步骤：

(1)开启仿生嗅觉检测分析装置，并运行仿生嗅觉检测分析系统，使仿生嗅觉检测分析系统预热稳定30min。

（2）载气气源31接通浓度为99.999%氮气。

（3）人工将待分析样本放入样本气体生成室71，断开第一电磁截止阀73和第二电磁阀截止阀81，导通第三电磁截止阀91，并打开第三截止阀32，通入氮气稳定100s,清除样本气体生成室71中杂质气体，以减少杂质气体对结果的影响。

（4）断开第三电磁截止阀91，导通第二电磁截止阀81，通入洁净氮气稳定100s,使气敏传感器阵列76中各传感器检测基线调零。

（5）断开第二电磁截止阀81和第三电磁截止阀91，导通第一电磁截止阀73。样本挥发的气体在载气——氮气吹送下进入检测腔75，并与检测腔75内各气敏传感器接触，使其产生变化的电压信号，获得各气敏传感器的动态输出响应。

（6）各气敏传感器的动态输出响应信号通过阻抗匹配电路106、第二数据采集卡107传输至测控计算机101进行存储和显示。

（7）运行测控计算机中的数据特征参数提取模块，提取各气敏传感器的动态输出响应信号中最大值、最大微分值、全段数据平均值和稳态值等静态响应特征以及气敏传感器开始响应的上升时间、稳定时间、峰值时间和超调量等动态响应特征参数，然后运行主成分分析模块（PCA）优选得出样本特征参数分析中的主成分，采用D-S证据理论的方法进行决策级数据融合处理，将处理结果输入系统建立的仿生嗅觉多特征因子融合测评模型进行样本分析判别。

（7）检测结束后，断开第一电磁截止阀73，导通第二电磁截止阀81和第三电磁截止阀91，用氮气清洗检测腔75和样本气体生成室71，使各气敏传感器响应恢复基线值（调零），以便进行下次样本检测。

柑橘果实在遭受橘小实蝇害虫危害后，所释放的挥发物成分和含量与正常柑橘果实比较具有明显的差异。上述挥发物成分与气敏传感器的敏感元件接触使其电化学性质改变，气敏传感器的转化元件将该变化转化成相应的电信号，从而实现对检测挥发物的电学表征。本发明仿生嗅觉检测分析装置检测腔内部的气敏传感器阵列对感染橘小实蝇虫害的柑橘和正常柑橘检测响应具有明显差异，因而通过辨别挥发物中橘小实蝇虫害所产生的特异性成分，采取多特征因子数据融合和模式识别的方法可实现对感染橘小实蝇虫害的柑橘和正常柑橘进行分析判别。

Claims

1.一种基于动态配气的仿生嗅觉检测分析装置，包括动态配气系统和仿生嗅觉检测分析系统，其特征在于，

所述动态配气系统包括低浓度配气支路（1）、高浓度配气支路（2）和载气输送支路（3），且低浓度配气支路、高浓度配气支路和载气输送支路上分别设有气源、截止阀、气体质量流量控制器，低浓度配气支路（1）、高浓度配气支路（2）和载气输送支路（3）的出气口分别与两位三通阀（4）的进气口连接，两位三通阀（4）的出气口的一支经加湿支路（5）连接仿生嗅觉检测分析系统的样本气体生成室（71）的进气口，两位三通阀（4）的出气口的另一支经干燥支路（6）直接连接样本气体生成室（71）的进气口；

所述仿生嗅觉检测分析系统包括嗅觉检测单元和嗅觉测控单元，其中，

嗅觉检测单元包括检测支路（7）、第一清洗支路（8）及第二清洗支路（9），检测支路（7）包括设于加热台（72）上用于放置样本气体的样本气体生成室（71），所述样本气体生成室（71）的载气入口与所述动态配气系统的加湿支路（5）或干燥支路（6）连通，样本气体生成室（71）的顶空气体出口经第一电磁阀（73）、流量计（74）连通检测腔（75）的进气口，该检测腔（75）内设有气敏传感器阵列（76），检测腔（75）的出气口连通视镜（77），视镜（77）内设有温、湿度传感器，所述第一清洗支路（8）的前端连接所述动态配气系统的出气口，后端直接连接检测腔（75）的进气口，所述第二清洗支路（9）前端直接连接样本气体生成室（71）的顶空气体出口，后端直接连通大气；

嗅觉测控单元包括测控计算机（101），该测控计算机的输出端设置第一数据采集卡（102），第一数据采集卡生成电压信号和脉冲信号，一部分电压信号经第一运算放大器（103）连接低浓度配气支路、高浓度配气支路和载气输送支路上的气体质量流量控制器，另一部分电压信号经脉宽调制电路（104）输出到气敏传感器阵列（76）的加热电压控制端，脉冲信号经第二运算放大器（105）输出至第一、二、三电磁截止阀（73、81、91）；同时，气敏传感器阵列（76）的数据采集端经阻抗匹配电路（106）、第二数据采集卡（107）连接测控计算机，内嵌于视镜（77）中的温、湿度传感器经第二数据采集卡（107）连接测控计算机（101）。

2.根据权利要求1所述的基于动态配气的仿生嗅觉检测分析装置，其特征在于，所述低浓度配气支路（1）包括依次顺序连接的低浓度气体气源（11）、第一截止阀（12）、第一气体质量流量控制器（13）、第一单向阀（14）；所述高浓度配气支路（2）包括依次顺序连接的高浓度气体气源（21）、第二截止阀（22）、第二气体质量流量控制器（23）、第二单向阀（24）；所述载气输送支路（3）包括依次顺序连接的载气气源（31）、第三截止阀（32）、第二气体质量流量控制器（23）、第二单向阀（24），所述低浓度配气支路、高浓度配气支路和载气输送支路经第一单向阀（14）或第二单向阀（24）与所述两位三通阀（4）的进气口连接。

3.根据权利要求1所述的基于动态配气的仿生嗅觉检测分析装置，其特征在于，所述加湿支路（5）包括顺序连接的加湿器（51）及第四截止阀（52），所述干燥支路（6）包括直接连通两位三通阀（4）和样本气体生成室（71）的第三单向阀（61）。

4.根据权利要求1所述的基于动态配气的仿生嗅觉检测分析装置，其特征在于，所述样本气体生成室（71）的底座上设置所述载气入口，所述样本气体生成室（71）的顶部设置所述顶空气体出口。

5.根据权利要求1所述的基于动态配气的仿生嗅觉检测分析装置，其特征在于，所述气敏传感器阵列（76）由8个气敏传感器组成，每个气敏传感器放置于独立的气室（754）内，呈圆周阵列分布，且所述气室（754）采用耐高温铝合金材料制成。

6.一种利用权利要求1所述基于动态配气的仿生嗅觉检测分析装置进行检测分析的方法，其特征在于包括下述步骤：

A4.通入低浓度气源或高浓度气源中的样本气体，并设置相应气体质量流量控制器的参数，即可将样本气体稀释至所需浓度，稀释后的样本气体进入检测腔（75），检测腔内的气敏传感器阵列（76）的数据采集端检测到样本气体产生变化的电压信号，从而获得各气敏传感器的动态输出响应；

A5.各气敏传感器的动态输出响应信号经阻抗匹配电路（106）、第二数据采集卡（107）传输至测控计算机（101）进行存储和显示；

A6. 当各气敏传感器的动态输出响应信号上升到最大值并保持稳定不变时得到稳定电压值，将基线电压和稳定电压值传送至测控计算机（101）求差获得气敏传感器动态响应数据中稳定电压值的绝对增量，将得到的绝对增量与气敏传感器量程的5%～95%进行比较，当检测获取的绝对增量分布在该量程5%～95%的区间范围，表明稀释后的样本气体浓度在气敏传感器阵列（76）响应频带宽度内，能进行仿生嗅觉检测分析检测，反之，稀释后的样本气体浓度超过仿生嗅觉检测分析的有效检测范围，需重复A3－A6直至稀释后的样本气体浓度在气敏传感器阵列（76）响应频带宽度内，能进行仿生嗅觉检测分析检测；

A8.检测结束后，用氮气清洗检测腔（75）和样本气体生成室（71），使各气敏传感器响应恢复基线值，以便进行下次样本检测。

7.根据权利要求6所述的一种基于动态配气的仿生嗅觉检测分析方法，其特征在于，所述步骤A8的清洗过程中，通过采集检测腔中气体的浓度定量地判断样本气体生成室（71）、检测腔（75）是否清洗干净。

8.根据权利要求6所述的一种基于动态配气的仿生嗅觉检测分析方法，其特征在于，所述步骤A8的清洗过程中，对样本气体生成室（71）及检测腔（75）分别清洗。

9.一种利用权利要求1所述基于动态配气的仿生嗅觉检测分析装置进行检测分析的方法，其特征在于包括下述步骤：

S2.载气气源选择浓度为99.999%氮气；

S4.载气吹扫样本气体进入检测腔，使各气敏传感器的数据采集端产生变化的电压信号，从而获得各气敏传感器动态输出响应信号；

S5.各气敏传感器的动态输出响应信号经阻抗匹配电路（106）、第二数据采集卡（107）传输至测控计算机（101）进行存储和显示；

S7.检测结束后，用氮气清洗检测腔（75）和样本气体生成室（71），使各气敏传感器响应恢复基线值，以便进行下次样本检测。

10.根据权利要求9所述的一种基于动态配气的仿生嗅觉检测分析方法，其特征在于，所述步骤S7的清洗过程中，通过采集检测腔中气体的浓度定量地判断样本气体生成室（71）、检测腔（75）是否清洗干净。