CN106950254B - 一种仿猪鼻腔鼻甲骨及鲨鱼表皮结构的仿生电子鼻腔室 - Google Patents

一种仿猪鼻腔鼻甲骨及鲨鱼表皮结构的仿生电子鼻腔室 Download PDF

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Abstract

一种仿猪鼻腔鼻甲骨及鲨鱼表皮结构的仿生电子鼻腔室属机械工程技术领域，本发明中底座组件的底座固接于仿生腔室壳体后段的右端，底座组件中半锥台的顶圆与支撑柱的右端固接；隔板组件中6个隔板的内端与支撑柱中的圆柱体的圆柱面固接，隔板组件中6个隔板的外端与仿生腔室壳体后段的内壁固接；6个传感器固接于底座组件中底座上的6个孔；仿生腔室壳体中后段的内壁、隔板宽度两侧、上下扰流板宽度两侧和底座组件中圆台的斜面上均设有横截面为正三角形的大小不等的V形槽。本发明能引导气体到达传感器表面，减小电子鼻腔室内壁对待测气体的阻力，减小仪器的振动和增加检测速度，提高传感器表面的气味分子浓度，提高电子鼻的性能。

Description

一种仿猪鼻腔鼻甲骨及鲨鱼表皮结构的仿生电子鼻腔室
技术领域
本发明属于机械工程技术领域，具体涉及一种仿猪鼻腔鼻甲骨及鲨鱼表皮结构的仿生电子鼻腔室。
背景技术
电子鼻技术是通过模仿哺乳动物的嗅觉过程，对检测的气体样本做出客观分析的一种气体检测仪器。电子鼻系统能根据被测气体的整体信息来建立气体样本模式，并与模式识别相结合来完成对气体样本的分类和识别。因此电子鼻系统能对复杂的气味进行检测，可以弥补常规的气体分析设备和人工感官分析在气体应用领域缺陷。电子鼻腔室是电子鼻系统的硬件部分，其不仅是传感器的载体，而且对进入电子鼻气体的流动方式有很大影响，进而影响到电子鼻的整体性能。
猪的嗅觉十分灵敏，研究人员发现，猪鼻腔的形状为前小后大，前、后鼻腔的截面直径比约为2，猪鼻腔内的鼻中隔将鼻腔分隔开，同时猪鼻腔内有鼻甲骨，鼻甲骨将鼻流道分隔成不同部分。研究表明：鼻甲骨能对猪鼻腔内的气流进行扰动和引流，从而使气体快速到达猪鼻的嗅觉感受区，同时由于猪鼻腔后段鼻甲骨结构变化，使嗅觉感受区的气味分子浓度比其他区域高，从而提高猪的嗅觉能力。
鲨鱼在水中游动时的阻力非常小，研究发现，鲨鱼的表皮有顺流向排列的V形微沟槽结构，这使得鲨鱼体表的流体边界层的流体结构发生改变，可有效延迟或抑制湍流的转换，从而有效减少鲨鱼在游动时的流体阻力。
发明内容
本发明提供了一种仿猪鼻腔鼻甲骨及鲨鱼表皮结构的仿生电子鼻腔室，通过模仿猪鼻腔内的鼻甲骨结构，在仿生电子鼻腔室内设置类似于鼻甲骨结构的扰流板，增加对腔室内待测气体的引流和扰动；而通过对鲨鱼表皮结构的模仿，在腔室内壁、隔板和扰流板表面设置V形沟槽，减少电子鼻腔室内壁及隔板和扰流板对气体的摩擦阻力；因此待测气体在腔室内能流动得更加平稳，减少仪器的振动；同时由于扰流板长度不相等，以及支撑住底部的环形沟槽，使得气体在传感器表面停留时间增加，从而提高检测精度，使得电子鼻性能有所提高。
本仿生电子鼻腔室是受猪鼻腔鼻甲骨及鲨鱼表皮结构的启示设计而成，除了对猪鼻腔的鼻甲骨进行仿生外，还将鲨鱼表皮的V型结构应用于腔室的内壁，从而提高电子鼻腔室对待测气体的扰动和引流、减少腔室内壁与待测气体的摩擦阻力，且能在一定程度上减小仪器的振动。
本发明由仿生腔室壳体A、支撑柱B、隔板组件C、底座组件D和传感器组E组成，其中传感器组E包括6个传感器；底座组件D的底座6固接于仿生腔室壳体A后段3的右端，底座组件D中半锥台4的顶圆与支撑柱B的右端固接；隔板组件C中6个隔板8的内端与支撑柱B中的圆柱体的圆柱面固接，隔板组件C中6个隔板8的外端与仿生腔室壳体A后段3的内壁固接；传感器组E的6个传感器固接于底座组件D中底座6上的6个孔5。
所述的仿生腔室壳体A由前段1的ab直线、中段2的bc曲线和后段3的cd直线沿仿生腔室壳体A的纵轴线旋转360°而成，仿生腔室壳体A的壁厚H为2-4mm；仿生腔室壳体A的总长L1为100-104mm，前段1长L3为2-5mm，前段1外径D2为20-24mm；中段2bc曲线的数学表达式为：当取仿生腔室壳体A纵轴线为x轴，向右为x轴正方向，仿生腔室壳体A纵轴线与仿生腔室壳体A左端面的交点为原点，过原点且垂直于x轴为y轴，向上为y轴的正方向时：
后段3长L2为46-48mm，后段外径D1为50-54mm；后段3的内壁设有与仿生腔室壳体A纵轴线平行的V形槽Ⅰ11，V形槽Ⅰ11的长度与后段3的长度相等，V形槽Ⅰ11的横截面为正三角形，其边长L14为1-1.5mm，相邻二V形槽Ⅰ11的间距L15为0.8-1.2mm。
所述的支撑柱B的右部为圆柱体，圆柱体直径D3为8-12mm，圆柱体长L5为54-56mm；支撑柱总长L4为64-68mm；支撑柱B的左端设有半径r1为2-3mm的倒角，支撑柱B的倒角和圆柱体之间为圆锥形，其母线与中轴线的夹角α为7°。
所述的隔板组件C包括6个相同的隔板件，每个隔板件均由隔板8、上扰流板9和下扰流板10组成，隔板8、上扰流板9和下扰流板10均为长方体，其中隔板8长和下扰流板10长L8为24-26mm，隔板8高L11为16-18mm，隔板8厚d1为2-4mm；上扰流板9长L9为10-12mm，上扰流板9宽和下扰流板10宽L10为8-10mm，上扰流板厚d3为1-2mm，下扰流板厚d2为1-2mm；上扰流板9固接于隔板8的上部，且二者在宽度方向上互相垂直，上扰流板9的下表面与隔板8底端的间距L13为10-12mm；下扰流板10固接于隔板8的下部，且二者在宽度方向上互相垂直，下扰流板10的下表面与隔板8底端的间距L12为4-6mm；隔板8的宽度两侧设有均布的V形槽Ⅱ12，V形槽Ⅱ12的截面为正三角形，其边长L16为1-1.5mm，相邻V形槽Ⅱ12的间距L17为0.8-1.2mm；上扰流板9和下扰流板10的宽度两侧均设有均布的V形槽Ⅲ13，V形槽Ⅲ13的截面为正三角形，其边长L18为0.2-0.4mm，相邻V形槽Ⅲ13的间距L19为0.2-0.3mm。
所述的底座组件D由半锥台4和底座6固接而成，半锥台4的底圆直径D7为24-26mm，半锥台4的顶圆直径D6为8-10mm，半锥台4的高L7为7-9mm；底座6直径D4为50-54mm，底座6厚L6为10-12mm，底座6中直径D5为36-40mm，圆上均布有6个孔5，孔5的直径D8为6-8mm，底座6的边缘均布有6个半圆孔7，半圆孔7的半径r2为3-4mm，半圆孔10与其相邻的孔5之间的夹角β为30°；半锥台4的斜面沿各圆周上设有V形槽Ⅳ14，V形槽Ⅳ14的横截面为正三角形，其边长L20为1-1.5mm，相邻圆周上V形槽Ⅳ14的间距L21为0.8-1.2mm。
本发明的原理和工作过程
本发明的原理为：猪鼻腔的鼻甲骨结构能够对气流产生引导作用，使气流快速通过非嗅觉区域到达嗅区，并且在嗅觉区域对气流进行扰动，增加嗅觉细胞表面气流的湍流度和气体停留时间，从而使嗅觉细胞与气体分子接触得更加充分，同时接触的时间也有所增加，从而增加猪嗅觉的灵敏度；在电子鼻腔室内设计扰流板结构后，扰流板能对仿生电子鼻腔室内的气体进行引导，使待测气体快速通过非检测区域到达传感器表面，并且在传感器附近与环形沟槽共同作用，对气流进行扰动，增加传感器表面气流的湍流度和气体停留时间，从而增加传感器表面与气体分子的接触时间，并且由于传感器表面附近气流的湍流度增加，从而使传感器表面与气体分子接触得更加充分，使电子鼻的灵敏度得到提高；鲨鱼表皮的顺流向排列的V形微沟槽结构能够使得鲨鱼体表的流体边界层的流体结构发生改变，可有效延迟或抑制湍流的转换，从而有效减少鲨鱼表皮的流体阻力，通过在电子鼻腔室的内壁、隔板和扰流板表面设计V形沟槽结构，可以使气体以层流的形式流经这些部件的表面，因此可以减小电子鼻腔室的内壁、隔板和扰流板对待测气体的阻力，同时由于层流比湍流流动的气体更加平稳，因此可以减小气体对这些部件表面的冲击，从而减少仪器的振动。
本发明的工作过程为：当待测气体以一定速度进入仿生电子鼻腔室后，由于扰流板的引导作用，使待测气体能够快速通过非检测区域，在传感器表面由于扰流板和环形沟槽的共同作用，使传感器表面与气体分子接触得更加充分，同时接触时间也有所增加，气体与传感器表面接触后，通过底座上的孔排出。
本发明的有益效果为：上扰流板和下扰流板的长度比为1:2，与猪鼻腔内的鼻甲骨长度比一致，能够引导待测气体在仿生腔室壳体1快速通过非检测区域；仿生腔室的内壁均有仿鲨鱼表皮的V形沟槽，可以抑制气体湍流的转换，减少仿生腔室内壁对待测气体的阻力，使待测气体以更为稳定的方式流动，因此能减少仪器的振动；由于上扰流板3和下扰流板4以及环形沟槽的共同作用，靠近传感器的待测气体被扰动，使到达传感器表面的气体流速降低，待测气体的湍流度增加，这不仅能增加了待测气体与传感器表面的接触时间，还能使气体与传感器表面接触得更加充分，从而使传感器的检测更加稳定准确，使电子鼻系统的性能有所提高。
附图说明
图1为仿猪鼻腔鼻甲骨及鲨鱼表皮结构的仿生电子鼻腔室的结构示意图
图2为图1中e-e截面示意图
图3为仿猪鼻腔鼻甲骨及鲨鱼表皮结构的仿生电子鼻腔室的尺寸标记图
图4为支撑柱结构示意图
图5为底座组件主视图
图6为底座组件左视图
图7为隔板组件主视图
图8为隔板组件左视图
图9为仿生腔室壳体内壁V形槽Ⅰ的结构示意图
图10为隔板上V形槽Ⅱ的结构示意图
图11为上、下扰流板上V形槽Ⅲ的结构示意图
图12为底座组件中圆台的斜面上V形槽Ⅳ的结构示意图
其中：A.仿生腔室壳体 B.支撑柱 C.隔板组件 D.底座组件 E.传感器组 1.前段2.中段 3.后段 4.半锥台 5.孔 6.底座 7.半圆孔 8.隔板 9.上扰流板 10.下扰流板11.V形槽Ⅰ 12.V形槽Ⅱ 13.V形槽Ⅲ 14.V形槽Ⅳ
具体实施方式
下面结合附图描述本发明:
如图1和图2所示，由仿生腔室壳体A、支撑柱B、隔板组件C、底座组件D和传感器组E组成，其中传感器组E包括6个传感器；底座组件D的底座6固接于仿生腔室壳体A后段3的右端，底座组件D中半锥台4的顶圆与支撑柱B的右端固接；隔板组件C中6个隔板8的内端与支撑柱B中的圆柱体的圆柱面固接，隔板组件C中6个隔板8的外端与仿生腔室壳体A后段3的内壁固接；传感器组E的6个传感器固接于底座组件D中底座6上的6个孔5。
如图3所示，仿生腔室壳体A由前段1的ab直线、中段2的bc曲线和后段3的cd直线沿仿生腔室壳体A的纵轴线旋转360°而成，仿生腔室壳体A的壁厚H为2-4mm；仿生腔室壳体A的总长L1为100-104mm，前段1长L3为2-5mm，前段1外径D2为20-24mm；中段2bc曲线的数学表达式为：当取仿生腔室壳体A纵轴线为x轴，向右为x轴正方向，仿生腔室壳体A纵轴线与仿生腔室壳体A左端面的交点为原点，过原点且垂直于x轴为y轴，向上为y轴的正方向时：
后段3长L2为46-48mm，后段外径D1为50-54mm。
如图4所示，支撑柱B的右部为圆柱体，圆柱体直径D3为8-12mm，圆柱体长L5为54-56mm；支撑柱总长L4为64-68mm；支撑柱B的左端设有半径r1为2-3mm的倒角，支撑柱B的倒角和圆柱体之间为圆锥形，其母线与中轴线的夹角α为7°
如图5和图6所示，底座组件D由半锥台4和底座6固接而成，半锥台4的底圆直径D7为24-26mm，半锥台4的顶圆直径D6为8-10mm，半锥台4的高L7为7-9mm；底座6直径D4为50-54mm，底座6厚L6为10-12mm，底座6中直径D5为36-40mm，圆上均布有6个孔5，孔5的直径D8为6-8mm，底座6的边缘均布有6个半圆孔7，半圆孔7的半径r2为3-4mm，半圆孔10与其相邻的孔5之间的夹角β为30°。
如图7和图8所示，隔板组件C包括6个相同的隔板件，每个隔板件均由隔板8、上扰流板9和下扰流板10组成，隔板8、上扰流板9和下扰流板10均为长方体，其中隔板8长和下扰流板10长L8为24-26mm，隔板8高L11为16-18mm，隔板8厚d1为2-4mm；上扰流板9长L9为10-12mm，上扰流板9宽和下扰流板10宽L10为8-10mm，上扰流板厚d3为1-2mm，下扰流板厚d2为1-2mm；上扰流板9固接于隔板8的上部，且二者在宽度方向上互相垂直，上扰流板9的下表面与隔板8底端的间距L13为10-12mm；下扰流板10固接于隔板8的下部，且二者在宽度方向上互相垂直，下扰流板10的下表面与隔板8底端的间距L12为4-6mm。
如图9所示，仿生腔室壳体A中后段3的内壁设有与仿生腔室壳体A纵轴线平行的V形槽Ⅰ11，V形槽Ⅰ11的长度与后段3的长度相等，V形槽Ⅰ11的横截面为正三角形，其边长L14为1-1.5mm，相邻二V形槽Ⅰ11的间距L15为0.8-1.2mm。
如图10所示，隔板8的宽度两侧设有均布的V形槽Ⅱ12，V形槽Ⅱ12的截面为正三角形，其边长L16为1-1.5mm，相邻V形槽Ⅱ12的间距L17为0.8-1.2mm。
如图11所示，上扰流板9和下扰流板10的宽度两侧均设有均布的V形槽Ⅲ13，V形槽Ⅲ13的截面为正三角形，其边长L18为0.2-0.4mm，相邻V形槽Ⅲ13的间距L19为0.2-0.3mm。
如图12所示，底座组件D中半锥台4的斜面沿各圆周上设有V形槽Ⅳ14，V形槽Ⅳ14的横截面为正三角形，其边长L20为1-1.5mm，相邻圆周上V形槽Ⅳ14的间距L21为0.8-1.2mm。

Claims (2)

1.一种仿猪鼻腔鼻甲骨及鲨鱼表皮结构的仿生电子鼻腔室，其特征在于：由仿生腔室壳体(A)、支撑柱(B)、隔板组件(C)、底座组件(D)和传感器组(E)组成，其中所述的仿生腔室壳体(A)由前段(1)的ab直线、中段(2)的bc曲线和后段(3)的cd直线沿仿生腔室壳体(A)的纵轴线旋转360°而成，仿生腔室壳体(A)的壁厚H为2-4mm；仿生腔室壳体(A)的总长L1为100-104mm，前段(1)长L3为2-5mm，前段(1)外径D2为20-24mm；中段(2)bc曲线的数学表达式为：当取仿生腔室壳体(A)纵轴线为x轴，向右为x轴正方向，仿生腔室壳体(A)纵轴线与仿生腔室壳体(A)左端面的交点为原点，过原点且垂直于x轴为y轴，向上为y轴的正方向时：
后段(3)长L2为46-48mm，后段外径D1为50-54mm；后段(3)的内壁设有与仿生腔室壳体(A)纵轴线平行的V形槽Ⅰ(11)，V形槽Ⅰ(11)的长度与后段(3)的长度相等，V形槽Ⅰ(11)的横截面为正三角形，其边长L14为1-1.5mm，相邻二V形槽Ⅰ(11)的间距L15为0.8-1.2mm；所述的支撑柱(B)的右部为圆柱体，圆柱体直径D3为8-12mm，圆柱体长L5为54-56mm；支撑柱总长L4为64-68mm；支撑柱(B)的左端设有半径r1为2-3mm的倒角，支撑柱(B)的倒角和圆柱体之间为圆锥形，其母线与中轴线的夹角α为7°；所述的隔板组件(C)包括6个相同的隔板件，每个隔板件均由隔板(8)、上扰流板(9)和下扰流板(10)组成，隔板(8)、上扰流板(9)和下扰流板(10)均为长方体，其中隔板(8)长和下扰流板(10)长L8为24-26mm，隔板(8)高L11为16-18mm，隔板(8)厚d1为2-4mm；上扰流板(9)长L9为10-12mm，上扰流板(9)宽和下扰流板(10)宽L10为8-10mm，上扰流板厚d3为1-2mm，下扰流板厚d2为1-2mm；上扰流板(9)固接于隔板(8)的上部，且二者在宽度方向上互相垂直，上扰流板(9)的下表面与隔板(8)底端的间距L13为10-12mm；下扰流板(10)固接于隔板(8)的下部，且二者在宽度方向上互相垂直，下扰流板(10)的下表面与隔板(8)底端的间距L12为4-6mm；隔板(8)的宽度两侧设有均布的V形槽Ⅱ(12)，V形槽Ⅱ(12)的截面为正三角形，其边长L16为1-1.5mm，相邻V形槽Ⅱ(12)的间距L17为0.8-1.2mm；上扰流板(9)和下扰流板(10)的宽度两侧均设有均布的V形槽Ⅲ(13)，V形槽Ⅲ(13)的截面为正三角形，其边长L18为0.2-0.4mm，相邻V形槽Ⅲ(13)的间距L19为0.2-0.3mm；传感器组(E)包括6个传感器；底座组件(D)的底座(6)固接于仿生腔室壳体(A)后段(3)的右端，底座组件(D)中半锥台(4)的顶圆与支撑柱(B)的右端固接；隔板组件(C)中6个隔板(8)的内端与支撑柱(B)中的圆柱体的圆柱面固接，隔板组件(C)中6个隔板(8)的外端与仿生腔室壳体(A)后段(3)的内壁固接；传感器组(E)的6个传感器固接于底座组件(D)中底座(6)上的6个孔(5)。
2.按权利要求1所述的仿猪鼻腔鼻甲骨及鲨鱼表皮结构的仿生电子鼻腔室，其特征在于：所述的底座组件(D)由半锥台(4)和底座(6)固接而成，半锥台(4)的底圆直径D7为24-26mm，半锥台(4)的顶圆直径D6为8-10mm，半锥台(4)的高L7为7-9mm；底座(6)直径D4为50-54mm，底座(6)厚L6为10-12mm，底座(6)中直径D5为36-40mm，圆上均布有6个孔(5)，孔(5)的直径D8为6-8mm，底座(6)的边缘均布有6个半圆孔(7)，半圆孔(7)的半径r2为3-4mm，半圆孔(10)与其相邻的孔(5)之间的夹角β为30°；半锥台(4)的斜面沿各圆周上设有V形槽Ⅳ(14)，V形槽Ⅳ(14)的横截面为正三角形，其边长L20为1-1.5mm，相邻圆周上V形槽Ⅳ(14)的间距L21为0.8-1.2mm。
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