CN106483257A - 一种电子鼻标定测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为了适应不同领域对电子鼻系统的需求，设计一种电子鼻标定测试系统及方法，实现对待测电子鼻性能的标定与测评。该系统包括与待测电子鼻系统进气端连接的用于产生混合气体或气味的配气系统、与待测电子鼻系统尾气端连接的尾气检测分析系统、与尾气检测分析系统的响应结果输出端连接的气味分析软件测试模块，配气系统的设置信息、待测电子鼻系统的响应结果输出端也连接至气味分析软件测试模块。本发明对电子鼻系统的气味分析软件的识别能力做出分析对照，实现对电子鼻系统的有效标定和测评。

Description

一种电子鼻标定测试系统及方法
技术领域
本发明涉及电子鼻系统、标定测试系统和气体传感器领域，尤其涉及电子鼻的标定测试系统。
背景技术
目前而言，气体传感器在各行各业的应用已经相当广泛。将单一气体传感器用于气体检测，往往易受混合气体干扰而出现漏报、误报等问题。利用多个气体传感器，组成气体传感器阵列，并结合模式识别技术对混合气体/气味分析，组成人工嗅觉系统，即电子鼻系统，用于混合气体的检测和分析有着显著的效果。因而电子鼻系统正被广泛推广应用于生产生活中，尤其在医疗诊断和空气监测中，取得卓越的成效，参见A D'Amico，NC Di，CFalconi，E Martinelli.著：Detection and identification of cancers by theelectronic nose(电子鼻对癌症的检测与识别).Expert Opinion on MedicalDiagnostics(医学诊断专家的意见)，2012,6(3):175-185(11)。目前绝大多数的电子鼻系统，其设计基本模型都是通过信号采集，信号预处理，模式识别等流程，最终得到混合气体的成分和含量。不同的电子鼻系统，由于采用不同的传感器阵列、信号预处理方法、特征提取和模式识别算法，其识别准确性、识别速度等参数会存在明显差异。而识别速度慢，识别准确性低的电子鼻系统，在使用过程中也会存在局限性。随着对电子鼻系统研究的深入、广泛推广和应用，很多领域都逐渐开始引入电子鼻系统，用于生产生活中的气体检测。这就要求选用的电子鼻系统，其识别气体的精度、响应时间等参数，都应具备在该领域中使用的说服力，上述参数也是生产生活中选用电子鼻的标准。因此，需要针对应用环境，实现对电子鼻系统性的测试，而目前尚未发现关于电子鼻标定测试系统的比较成熟的文献报告。电子鼻系统的信号采集部分一般由气体传感器阵列构成。目前针对气体传感器的测试系统的开发较为成熟，已有基于动态和静态的多种气体传感器测试系统的相关报道。参见乔记平,吕玉祥,胡海林(Qiao Jiping，Lv Yuxiang，Hu Hailin)：基于LabVIEW的电化学气体传感器特性测试系统的设计与研究(Design and Study on Electrochemical Gas SensorCharacteristics Test System Based on LabVIEW).仪表技术与传感器(InstrumentTechnique and Sensor),2013,12:90-92,96。但是，这些测试系统主要针对气敏原件，测试元件对给定气体的灵敏度、响应时间等参数，并不能给出对混合气体或气味的判决结果，因而无法用于电子鼻系统的标定和测试。因此，设计一种根据应用领域的测评需求而展开的电子鼻标定测试系统具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是为了适应不同领域对电子鼻系统的需求，设计一种电子鼻标定测试系统及方法，实现对待测电子鼻系统性能的标定与测试。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种电子鼻标定测试系统，其特殊之处在于：包括与待测电子鼻系统进气端连接的用于产生混合气体或气味的配气系统、与待测电子鼻系统尾气端连接的尾气检测分析系统、与尾气检测分析系统的响应结果输出端连接的气味分析软件测试模块，配气系统的设置信息、待测电子鼻系统的响应结果也输出至气味分析软件测试模块。
具体的，尾气检测分析系统包括设置在待测电子鼻系统尾气端的标准气体传感器阵列以及数据监测分析模块，所述标准气体传感器阵列的响应信号数据输出至数据监测分析模块，数据监测分析模块输出响应结果至气味分析软件测试模块。
优选的，所述尾气检测分析系统还包括位于标准气体传感器阵列之后的尾气采集装置以及用于对尾气进行气相色谱和/或质谱分析的装置。
优选的，尾气检测分析系统的标准气体传感器阵列与尾气采集装置之间还安装有气体质量流量监测器，气体质量流量监测器输出的流量值也发送至气味分析软件测试模块。
具体的，配气系统包括安装在待测电子鼻系统进气管路上的气体质量流量控制器。
根据权利要求5所述的电子鼻标定测试系统，其特征在于：所述配气系统还包括与气体质量流量控制器连接的配气系统软件，所述配气系统软件通过RS-232与气体质量流量控制器进行数据传递。
优选的，所述待测电子鼻系统的传感器阵列的响应信号数据输出端还连接至尾气检测分析系统的数据监测分析模块。
具体的，所述数据监测分析模块包括信号调理电路、数据采集卡以及数据分析模块，所述待测电子鼻系统的响应信号数据输出端和标准气体传感器阵列的响应信号数据输出端分别依次通过信号调理电路、数据采集卡、数据分析模块与气味分析软件测试模块连接。
本发明还提供一种电子鼻标定测试方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1】配气，并在待测电子鼻系统尾气端设置标准气体传感器阵列；
2】将步骤1】配制好的气体或气味输送至待测电子鼻系统的进气端，使气体或气味依次经过待测电子鼻系统和标准气体传感器阵列；
3】采集待测电子鼻系统的气味分析软件的响应结果和标准气体传感器阵列的响应结果；
4】将步骤3】的各个结果和步骤1】的配气设置信息进行对比评测。
优选的，步骤3】还包括收集待测电子鼻系统尾气端的尾气，通过气相色谱和/或质谱分析出气体成分及浓度的步骤；和/或测定待测电子鼻系统尾气端尾气总流量的步骤；和/或采集待测电子鼻系统中的传感器阵列的响应结果的步骤。
本发明的有益效果是：本发明针对电子鼻系统，提供较为系统性的电子鼻标定测试系统，实现自动配气和分析，测试过程的安全上得到较高的控制和监测，对电子鼻系统的气味分析软件的识别能力甚至电子鼻系统的传感器阵列的响应信号，都做出分析对照，实现对电子鼻系统的有效标定和测评。
附图说明
图1为本发明的系统硬件结构框图；
图2为本发明的原理结构框图；
图3为本发明的数据监测分析模块的流程图；
图4为本发明的标定测试系统的测试流程。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。
如图1和2，一种电子鼻标定测试系统，包括与待测电子鼻系统进气端连接的用于产生混合气体或气味的配气系统、与待测电子鼻系统尾气端连接的用于提供标定评测的标准数据的尾气检测分析系统、与尾气检测分析系统的响应结果输出端连接的气味分析软件测试模块，配气系统的设置信息、待测电子鼻系统的响应结果输出端也连接至气味分析软件测试模块。
具体的，所述配气系统包括安装在待测电子鼻系统进气管路上的气体质量流量控制器MFC，所述气体质量流量控制器采用美国Alicat公司生产的MFC(气体质量流量控制器)，提供一百余种气体配气选择，以提高配气精度，每种气体对应一个储气瓶，设置多个储气瓶，每个储气瓶通过支气管路连接到待测电子鼻系统的进气端，每条支气管路通过一个MFC控制其气流量，相同的时间内，通过配送不同流量的气体，以达到控制混合气体的总流量和混合气体浓度配比的目的。在支气路上设有阀门，控制测试前后的气体的开关。
优选的，所述配气系统还包括与气体质量流量控制器连接的配气系统软件，配气系统软件以LabVIEW为开发平台设计。通过RS-232完成PC端配气系统软件与MFC的数据传递。配气前，预先在数据表中设计配气参数，包括气体的浓度、气体总流量、总测试时间等信息。开启配气按钮后，根据配气数据表，配气系统软件自动计算每台MFC所需的控制电压，并自动向MFC发送控制命令，返回每台MFC的气体流量实测值并显示。混合后的气体/气味依次通过待测电子鼻系统和尾气检测分析系统中。
混合气体浓度与MFC控制电压计算采用如下公式计算得到：
其中Vx1、Vx2、Vx3、Vx4为四台MFC控制电压，Vx1MFC、Vx2MFC、Vx3MFC、Vx4MFC为MFC的最大控制电压值，选用的Alicat公司MFC的模拟电压最大值为5V，Flowx1MFC、Flowx2MFC、Flowx3MFC、Flowx4MFC为四台MFC的气流量最大值，Cx1为气体x1设定的浓度值。
具体的，所述尾气检测分析系统包括设置在待测电子鼻系统尾气端的标准气体传感器阵列以及数据监测分析模块，所述标准气体传感器阵列的响应信号数据输出至数据监测分析模块，数据监测分析模块输出响应结果至气味分析软件测试模块。更具体的，所述数据监测分析模块包括信号调理电路、数据采集卡以及数据分析模块，所述标准气体传感器阵列的响应信号数据输出端分别依次通过信号调理电路、数据采集卡、数据分析模块与气味分析软件测试模块连接。数据采集卡选用美国NI公司开发的多功能数据采集卡USB-6341，能够有效与LabVIEW结合，具有16路模拟输入，2路模拟输出，通讯接口为USB接口，与PC连接非常便捷。数据分析模块的主要功能为数据实时显示分析，数据分析模块通过基于LabVIEW开发平台设计的标定测试系统软件实现，数据采集卡采集获得的所有数据都可实时显示，选择保存，并可有选择性地单独在图表中显示某一条采集通道的响应数据。数据将保存在LabVIEW特有的TDMS文件中，可在标定测试系统软件的界面或Excel文件中查看数据。通过待测电子鼻系统的样气送至尾气检测分析系统处，可获得相同条件下的标准气体传感器阵列的响应信号，通过上述数据采集方式采集存储，为气味分析软件测试模块提供标准数据。
待测电子鼻系统自带气味分析软件，用于混合气体的成分分析。待测电子鼻系统在混合气体环境中得到响应信号后，经过自带气味分析软件判别获得响应结果。这个响应结果与配气系统的设置信息、尾气检测分析系统的响应结果三者共同进行分析评测获知待测系统的性能。
本系统还可对待测电子鼻系统中的传感器器件的性能进行评测，对此，将所述待测电子鼻系统的传感器阵列的响应信号数据直接采集至数据监测分析模块，通过数据监测分析模块的信号调理电路及数据采集卡的模拟输入端，采集待测电子鼻系统的传感器阵列的响应信号数据并进行评测。至此，气味分析软件测试模块内将配气系统的设置信息、待测电子鼻系统的响应结果、待测电子鼻系统的传感器阵列的响应信号数据、尾气检测分析系统的响应结果，四者共同在气味分析软件测试模块中相互监督对照，分析评测，使得测评结果更具备说服力。
优选的，所述尾气检测分析系统还包括位于标准气体传感器阵列之后的尾气采集装置以及用于对尾气进行气相色谱和/或质谱分析的装置(前后方位的定义与气体经过的先后顺序相同)。将尾气回收采集，作为样气通过气相色谱质谱联合分析(GC/MS分析)，得到尾气的成分分析结果，该结果作为气味分析软件测试模块的另一标准参照。
优选的，所述尾气检测分析系统的标准气体传感器阵列与尾气采集装置之间还安装有气体质量流量监测器，用于实时监测混合气体总流量是否符合预先设定的值，确保测试过程安全，气体质量流量监测器输出的流量值也发送至气味分析软件测试模块，气体质量流量监测器也可以采用美国Alicat公司生产的MFC。
所述的气味分析软件测试模块用于对待测电子鼻系统的气味分析软件性能及其传感器器件的性能做出标定。待测电子鼻系统的气味分析软件的性能通过气体/气味响应灵敏度、识别正确率、浓度误差、识别速度、识别气体种类以及浓度范围等参数进行评定。传感器器件的性能包括气体/气味响应灵敏度、选择性、稳定性、响应时间、恢复时间、工作温度影响等参数。所有上述参数，均通过气味分析软件测试模块，综合分析配气系统的设置信息、尾气检测分析系统的响应结果、待测电子鼻系统返回的响应结果获得。该气味分析软件测试模块绘制待测电子鼻系统的响应结果曲线、待测电子鼻系统的传感器阵列的响应信号数据曲线、标准气体传感器阵列的响应信号数据曲线、尾气流量监测曲线以及GC/MS分析结果，通过数据挖掘和评测算法详细对比和分析这些数据并获得所需参数，进而运用数据分析技术对待测电子鼻系统的性能做出评测。评测过程综合多个信息，这些信息之间相互监督对照，既确保了评测结果的说服力，又可根据待测电子鼻系统传感器阵列的响应给出改善的建议。
待测电子鼻系统的识别正确率可用如下一种简单的公式计算得到：
其中Cx1n为第n次测量待测电子鼻系统得到的气体x1的浓度，为第n次测量尾气监测系统综合分析函数获得的气体x1的浓度，P1为待测电子鼻对气体x1的识别正确率，N为总测量次数。
本实施例还介绍一种电子鼻标定测试方法，包括以下步骤：
1】配气，并在待测电子鼻系统尾气端设置标准气体传感器阵列；
2】将步骤1】配制好的气体或气味输送至待测电子鼻系统的进气端；
3】采集待测电子鼻系统的气味分析软件的响应结果和标准气体传感器阵列的响应结果；进一步的，收集待测电子鼻系统尾气端的尾气，通过气相色谱和/或质谱分析出气体成分及浓度；更进一步的，采集待测电子鼻系统中的传感器阵列的响应结果；更进一步的，测定待测电子鼻系统尾气端尾气总流量；
4】将步骤3】的各个结果和步骤1】的配气设置信息进行对比评测。
如图3所示为本发明的数据监测分析模块的流程图。开启程序后，在标定测试系统软件界面中，有对应的功能按钮可自由控制开关，包括对数据的保存、图表中显示某单独通道的曲线、数据采集卡的参数初始化等。根据需求，完成各功能的初始化设置后，打开测试按钮，自动完成对MFC的控制。通过USB-6341的模拟输入端采集传感器阵列的响应信号，模拟输出端控制传感器阵列的加热电压，提供单电压及正弦波、方波、锯齿波、三角波的波形函数的加热电压以供选择。数据监测分析模块中，提供查看历史保存数据的功能，显示数据及数据波形。模拟输入端采集的信号，会在标定测试系统软件中实时显示，用不同颜色的波形在同一张图中实时显示多路通道的响应信号，同时在下方同时显示每路通道采集的具体数值。右侧提供根据需求的选择滑钮，以显示某单独通道的数据曲线，以更加直观显示使用者感兴趣的某通道数据，当使用者选择图表中显示某一通道数据时，位于下方的数值数组，依旧能够保持显示全部通道的数值信息，以增强人机交互性。数据监测分析模块中存在保存按钮，未打开保存按钮时(按钮未处于点亮状态)，采集的数据将不给予保存，打开按钮，在图表中显示的数据，将会保存在设定的TDMS文件中，TDMS为LabVIEW专用文件格式，可在Excel中查看具体保存数据，也可用上述所述的查看历史数据的功能按钮查看(使用功能按钮查看，可同时获得数据对应波形，更加直观化)，除响应信号数据外，TDMS文件中还保存对应的数据采集环境，包括通道数、通道标识、测试时间等信息。
如图4所示为标定测试系统软件的流程图。本发明以LabVIEW虚拟仪器开发平台为基础完成标定测试系统软件的设计和实现。测试前，在数据表中预先设定配气过程的气体浓度比、气体总流量和各阶段通气时间等信息，开启测试软件中的配气按钮，配气系统软件自动读取数据表中的数据并自动控制多台MFC，实现混合气体的配置，为待测电子鼻系统提供混合气体。配置完成的混合气体通过待测电子鼻系统，待测电子鼻系统分析出结果，采集待测电子鼻系统的传感器阵列产生响应信号数据，在数据分析模块的软件界面中实时显示。在待测电子鼻系统的尾气处，设置尾气检测分析系统，将尾气监测分析结果回收到数据分析模块的软件界面中，并和采集的电子鼻系统的响应结果同屏显示，做对照分析。除了要对标准气体传感器在尾气下的响应信号采集外，还要对尾气收集作为分析样气，对收集的样气采用GC/MS分析，对分析出的气体成份同样回收到气味分析软件测试模块，作为对照用的标准数据。对待测电子鼻系统的气味分析软件的识别速度、识别准确率等参数及待测电子鼻系统的传感器器件的性能做出评测，完成对电子鼻系统的测评。

Claims (10)

1.一种电子鼻标定测试系统，其特征在于：包括与待测电子鼻系统进气端连接的用于产生混合气体或气味的配气系统、与待测电子鼻系统尾气端连接的尾气检测分析系统、与尾气检测分析系统的响应结果输出端连接的气味分析软件测试模块，配气系统的设置信息、待测电子鼻系统的响应结果也输出至气味分析软件测试模块。
2.根据权利要求1所述的电子鼻标定测试系统，其特征在于：所述尾气检测分析系统包括设置在待测电子鼻系统尾气端的标准气体传感器阵列以及数据监测分析模块，所述标准气体传感器阵列的响应信号数据输出至数据监测分析模块，数据监测分析模块输出响应结果至气味分析软件测试模块。
3.根据权利要求2所述的电子鼻标定测试系统，其特征在于：所述尾气检测分析系统还包括位于标准气体传感器阵列之后的尾气采集装置以及用于对尾气进行气相色谱和/或质谱分析的装置。
4.根据权利要求3所述的电子鼻标定测试系统，其特征在于：所述尾气检测分析系统的标准气体传感器阵列与尾气采集装置之间还安装有气体质量流量监测器，气体质量流量监测器输出的流量值也发送至气味分析软件测试模块。
5.根据权利要求1-4任一所述的电子鼻标定测试系统，其特征在于：所述配气系统包括安装在待测电子鼻系统进气管路上的气体质量流量控制器。
6.根据权利要求5所述的电子鼻标定测试系统，其特征在于：所述配气系统还包括与气体质量流量控制器连接的配气系统软件，所述配气系统软件通过RS-232与气体质量流量控制器进行数据传递。
7.根据权利要求2-4任一所述的电子鼻标定测试系统，其特征在于：所述待测电子鼻系统的传感器阵列的响应信号数据输出端还连接至尾气检测分析系统的数据监测分析模块。
8.根据权利要求7所述的电子鼻标定测试系统，其特征在于：所述数据监测分析模块包括信号调理电路、数据采集卡以及数据分析模块，所述待测电子鼻系统的响应信号数据输出端和标准气体传感器阵列的响应信号数据输出端分别依次通过信号调理电路、数据采集卡、数据分析模块与气味分析软件测试模块连接。
9.一种电子鼻标定测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
1】配气，并在待测电子鼻系统尾气端设置标准气体传感器阵列；
2】将步骤1】配制好的气体或气味输送至待测电子鼻系统的进气端，使气体或气味依次经过待测电子鼻系统和标准气体传感器阵列；
3】采集待测电子鼻系统的气味分析软件的响应结果和标准气体传感器阵列的响应结果；
4】将步骤3】的各个结果和步骤1】的配气设置信息进行对比评测。
10.根据权利要求9所述的电子鼻标定测试方法，其特征在于，步骤3】还包括收集待测电子鼻系统尾气端的尾气，通过气相色谱和/或质谱分析出气体成分及浓度的步骤；和/或测定待测电子鼻系统尾气端尾气总流量的步骤；和/或采集待测电子鼻系统中的传感器阵列的响应结果的步骤。
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