CN107505390B - 一种气味重现装置及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气味重现装置及其应用方法，气味重现装置包括气味释放模块和气味检测模块，气味释放模块包括气体重现空间容器、控制模块和至少一种气体释放单元，气体释放单元包括气味小分子存储器、加热器以及吹风器，气味检测模块和控制模块相连；气味重现装置的应用方法包括确定目标成分及其浓度，确定所需的气体小分子种类及其释放速度，并控制气味释放模块将对应的气味小分子按预期释放速度释放到气体重现空间容器进行混合以实现气味重现。本发明能够实现复杂气味重现，能够精确控制不同气味小分子释放。

Description

一种气味重现装置及其应用方法

技术领域

本发明涉及气味重现技术，具体涉及一种气味重现装置及其应用方法。

背景技术

随着时代的飞速发展，科技的日新月异，当代的人们已经不仅满足于视觉和听觉的享受，嗅觉、味觉等一系列感官再现技术受到了越来越多的关注。其中，立足于嗅觉系统的气味重现更是直接处于研究的热点位置。然而由于目前数字化气味的探索远远落后于图像与声音的数字化研究，这一理想暂时还无法广泛的付诸于实践。

其实并不是人们不想实现数字气味技术，但怎奈何其中的技术难度实在是太大。图像的本质其实是光，我们通过调节三原色中不同成分的比例即可模拟出缤纷多彩的世界，声音的本质是震动，我们通过调节物体的震动频率即可模拟出相应的声音。据美国《科学》周刊刊发的一篇研究报告显示，人类可辨别至少 10000 亿种气味，比先前预计数字高一亿倍。然而，我们至今未能在气味领域找到像三原色那样的物质用以模拟其他气味。

但是，人们并没有因为未突破该技术难关，而放弃气味的远程传输和再现。各国的学者们通过努力挖掘气味底层的共性物质，力图实现气味的再现。日本所生产的FragranceJet II 的气味再现仪器可以控制在一定的区域内释放某种气味分子，且通过调整粒子浓度来实现对气味强度和持续时间的控制。国内的杭州码客信息技术有限公司的数字气味技术也实现了对气味的编码和解码，可以实现气味的传输和释放，这可以使被还原的物质气味突破时间与空间阻隔，按照设定方式进行即时传输。

目前，气味重现依然存在着许多的技术壁垒，阻碍着气味重现的技术推进。存在的主要技术难点为：（1）如何精确控制气味分子；（2）如何精确控制不同气味的释放与关闭；（3）空气分子运动无规律，而且吸附性非常强，如何防止不同的气味间的混淆问题。因此，如何实现气味重现装置，已经成为一项亟待解决的关键技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种能够实现复杂气味重现，能够精确控制不同气味小分子释放的气味重现装置及其应用方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

首先，本发明提供一种气味重现装置，包括气味释放模块和气味检测模块，所述气味释放模块包括气体重现空间容器、控制模块和至少一种气体释放单元，所述气体释放单元包括气味小分子存储器、加热器以及吹风器，所述气味小分子存储器的内侧端部设有用于释放气味小分子的释放口且释放口与气体重现空间容器连通，所述加热器布置于气味小分子存储器的释放口处，所述吹风器布置于气体重现空间容器内且布置于气味小分子存储器的释放口一侧，所述控制模块的控制输出端分别与加热器、吹风器相连，所述气味检测模块布置于气体重现空间容器中，所述气味检测模块的输出端与控制模块相连。

优选地，所述气味释放模块还包括石英振子式气体传感器，所述石英振子式气体传感器固定于安装在气味小分子存储器的外侧端部，所述石英振子式气体传感器的振子频率输出端作为闭环信号反馈端和控制模块的输入端相连。

优选地，所述石英振子式气体传感器为石英振子微秤QCM，所述石英振子微秤QCM由直径为微米级的石英振动盘和制作在石英振动盘两侧的电极构成，所述气味小分子存储器安装在石英振动盘上，且所述石英振动盘两侧的电极和控制模块相连。

优选地，所述气体重现空间容器为管状空间容器。

优选地，所述气味检测模块包括气体传感器阵列、信号处理电路和模式识别单元，所述气体传感器阵列包括至少一种布置于气体重现空间容器中的气体传感器，所述气体传感器的输出端通过信号处理电路和模式识别单元相连，所述模式识别单元的输出端作为气味数据闭环反馈输出端和控制模块相连。

进一步地，本发明还提供一种前述气味重现装置的应用方法，实施步骤包括：

1）确定待重现气味的目标成分及其浓度；

2）根据目标成分及其浓度选择所需的气体小分子种类及其释放速度，并基于释放速度根据预设的数据表获取各种气体小分子对应的温度t和风速v；

3）通过控制模块选择启动气体小分子种类对应的气体释放单元，控制气体小分子种类对应的加热器以温度t加热以及通过吹风器以风速v送风，将气味小分子存储器内存储的气味小分子释放到气体重现空间容器，使得目标成分对应的各种气味小分子在气体重现空间容器中按照预期的释放速度混合；

4）控制模块通过气味检测模块检测得到的气体重现空间容器中当前的气味数据来检测待重现气味的浓度是否达到目标浓度，如果达到目标浓度则判定气味重现完成，停止气味释放模块并退出；否则，跳转执行步骤2）。

优选地，所述气味释放模块还包括石英振子式气体传感器，步骤2）中基于释放速度根据预设的数据表获取各种气体小分子对应的温度t和风速v的详细步骤包括：将石英振子式气体传感器检测的释放速度作为检测量、将目标浓度对应的释放速度作为期望量，将两者的差值进行闭环控制得到修正释放速度，然后将修正释放速度根据预设的数据表获取各种气体小分子对应的温度t和风速v；所述数据表中包括释放速度和温度t、风速v两者的映射关系。

优选地，步骤2）中根据目标成分及其浓度选择所需的气体小分子种类及其释放速度的详细步骤包括：控制模块通过气味检测模块检测得到的气体重现空间容器中当前的气味数据来确定每一种气味小分子成分的实际浓度，针对每一种气味小分子成分，将该气味小分子成分的实际浓度作为检测量、该气味小分子成分的目标浓度作为期望量，将两者的差值进行闭环控制得到修正浓度，将修正浓度输入预设的浓度-释放速度映射表，得到该气味小分子成分的释放速度，所述浓度-释放速度映射表包括浓度、释放速度两者之间的映射关系。

优选地，步骤1）中确定待重现气味的目标成分及其浓度具体是指通过气味检测模块检测确定。

优选地，步骤4）中控制模块通过气味检测模块检测得到的气体重现空间容器中当前的气味数据的详细步骤包括：所述气体传感器阵列采集气体重现空间容器中各种气体小分子的检测信号并输出给信号处理电路，所述信号处理电路将输入信号进行模数转换和信号提取后输出给模式识别单元，所述模式识别单元根据提取得到的气体小分子的检测信号基于预设的知识库进行模式识别得到气味数据并将气味数据作为闭环反馈输出给控制模块，所述气味数据包括气体小分子的成分及其浓度。

本发明具有下述优点：本发明的气味释放模块包括气体重现空间容器、控制模块和至少一种气体释放单元，所述气体释放单元包括气味小分子存储器、加热器以及吹风器，气味小分子存储器的内侧端部设有用于释放气味小分子的释放口且释放口与气体重现空间容器连通，加热器布置于气味小分子存储器的释放口处，吹风器布置于气体重现空间容器内且布置于气味小分子存储器的释放口一侧，控制模块的控制输出端分别与加热器、吹风器相连，利用控制模块控制加热器、吹风器两者的工作状态，即可控制气味小分子存储器的释放气味小分子，利用气味检测模块实现气味重现效果的评估，从而能够实现复杂气味重现，能够精确控制不同气味小分子释放。

附图说明

图1为本发明实施例中气味释放模块的结构示意图。

图2为本发明实施例中气味检测模块的结构示意图。

图3为本发明实施例的气味重现原理示意图。

图4为本发明实施例的气味重现流程示意图。

图例说明：1、气味释放模块；11、气体重现空间容器；12、控制模块；13、气体释放单元；131、气味小分子存储器；132、加热器；133、吹风器；134、石英振子式气体传感器；2、气味检测模块；21、气体传感器阵列；22、信号处理电路；23、模式识别单元。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的气味重现装置包括气味释放模块1和气味检测模块2，气味释放模块1包括气体重现空间容器11、控制模块12和至少本实施例的气体释放单元13，气体释放单元13包括气味小分子存储器131、加热器132以及吹风器133，气味小分子存储器131的内侧端部设有用于释放气味小分子的释放口且释放口与气体重现空间容器11连通，加热器132布置于气味小分子存储器131的释放口处，吹风器133布置于气体重现空间容器11内且布置于气味小分子存储器131的释放口一侧，控制模块12的控制输出端分别与加热器132、吹风器133相连，气味检测模块2布置于气体重现空间容器11中，气味检测模块2的输出端与控制模块12相连。利用控制模块12控制加热器132、吹风器133两者的工作状态，即可控制气味小分子存储器的释放气味小分子，利用气味检测模块2即可实现对气体重现空间容器11中气味重现效果的评估，能够实现复杂气味重现，能够精确控制不同气味小分子释放。

本实施例中，气味小分子存储器131用于存储某一种气味的小分子，在给予其一定的外界刺激（外界温度和空气流速改变）时，会将内部的气味小分子按照一定的比例释放出来。加热器132用于升高气味小分子存储器周围的温度，增加气味小分子活性，提高气味小分子释放速率，调节加热器132的功率即可调节气味小分子存储器131的释放速率。吹风器133用于增加气味小分子存储器出气口表面空气流速，增加气味小分子释放速率，调节吹风器133的功率也可调节气味小分子存储器131的释放速率。在加热器132、吹风器133的双重作用下，可在气体重现空间容器11中实现不同气味的小分子的混合，实现气味重现。

多种气体释放单元13的气味小分子存储器131分别存储各种不同气味的小分子，为了重现目标气味，需要先确定多种气体释放单元13的气味小分子释放速率。毫无疑问，在此技术启示下，本领域技术人员也可以根据需要采用单种气体释放单元13实现单种气味小分子的释放、采用两种气体释放单元13实现两种气味小分子的释放，以及采用更多种气体释放单元13实现更多种气味小分子的释放，其原理与本实施例相同。

如图1所示，气味释放模块1还包括石英振子式气体传感器134，石英振子式气体传感器134固定于安装在气味小分子存储器131的外侧端部，石英振子式气体传感器134的振子频率输出端作为闭环信号反馈端和控制模块12的输入端相连。石英振子式气体传感器134用于检测气味小分子存储器131释放气体的速率，当气味小分子存储器131在外界刺激之下释放气体之后，会引起气味小分子存储器131的质量降低，从而使得石英振子式气体传感器134的共振频率升高，通过检测石英振子式气体传感器134的频率变化即可实现检测气味小分子存储器131释放气体的速率，从而可以精确控制不同气体释放单元13的气味小分子释放速率，以提高气味重现精度。

传统的石英振子微秤QCM由直径为微米级的石英振动盘和制作在石英振动盘两侧的电极构成，且在石英振动盘上淀积了有机聚合物，有机聚合物吸附气体后，使器件质量增加，从而引起石英振子的共振频率降低，通过测定共振频率的变化来识别气体。本实施例中基于石英振子微秤QCM的工作原理，将有机聚合物替代为气味小分子存储器131，通过气味小分子存储器131的质量变化来引起减少，从而引起石英振动盘的共振频率增加，因此通过测定共振频率的变化来识别气体。如图1所示，石英振子式气体传感器134为石英振子微秤QCM，石英振子微秤QCM由直径为微米级的石英振动盘和制作在石英振动盘两侧的电极构成，气味小分子存储器131安装在石英振动盘上，且石英振动盘两侧的电极和控制模块12相连。当振荡信号加在石英振动盘上时，石英振动盘会在它的特征频率（1～30MHz）发生共振，气味小分子存储器131的质量减少，从而引起石英振动盘的共振频率增加，因此通过测定共振频率的变化来识别气体的质量变化情况，进而可积分获得气味小分子的释放速率。

如图1所示，气体重现空间容器11为管状空间容器，管状空间容器空间相对狭小，便于对多种气体释放单元13的气味小分子的混合控制。

本实施例中，气味检测模块2一方面用于将目标气味（气氛）的各项数据导入数据存储系统之中，以便用于气味释放模块1控制各类气味小分子的释放，实现对目标气味的重现。另一方面，气味检测模块2还可以用于实时反馈气味数据，及时闭环反馈给气味释放模块1以用于调节气味小分子的释放速率，通过不断地反馈调节环境中的气体浓度，以实时保持环境中的气味浓度。

如图2所示，气味检测模块2包括气体传感器阵列21、信号处理电路22和模式识别单元23，气体传感器阵列21包括至少一种布置于气体重现空间容器11中的气体传感器，气体传感器的输出端通过信号处理电路22和模式识别单元23相连，模式识别单元23的输出端作为气味数据闭环反馈输出端和控制模块12相连。气味检测模块2用于对复杂气氛环境下气体检测传感器所检测到的各种气味小分子成分及其浓度进行记录和综合分析，不同种的气体传感器可检测不同的气味小分子，通过气体传感器阵列21包括的气体传感器可检测气体重现空间容器11中的气味小分子成分及其浓度；

毫无疑问，要实现气味重现的无损，一方面要求气体传感器阵列21采用尽可能多种的气体传感器，另一方面要求气味释放模块1的气体释放单元13的成分应当不小于气体传感器阵列21中包含的气体传感器成分。本实施例中，气体传感器阵列21的气体传感器的主体部分拟使用德国AIRSENSE公司生产的PEN3型便携式电子鼻，由于PEN3型便携式电子鼻的监测目标过于单一，本实施例中将PEN3型便携式电子鼻内部的气体传感器拆去，替换上日本Figaro公司的TGS系列气体传感器，实现了PEN3型便携式电子鼻、TGS系列气体传感器两者构成的气体传感器。针对不同的气氛环境替换上不同检测类型的气体传感器，以增大该气体传感器适用范围。与此同时，本实施例依然沿用PEN3传感器的数据传输和算法，对于该气体传感器的外形尺寸，可根据实际传感器添加数量以及环境要求进行设计。

如图3和图4所示，本实施例气味重现装置的应用方法的实施步骤包括：

1）确定待重现气味的目标成分及其浓度；

2）根据目标成分及其浓度选择所需的气体小分子种类及其释放速度，并基于释放速度根据预设的数据表获取各种气体小分子对应的温度t和风速v；

3）通过控制模块12选择启动气体小分子种类对应的气体释放单元13，控制气体小分子种类对应的加热器132以温度t加热以及通过吹风器133以风速v送风，将气味小分子存储器131内存储的气味小分子释放到气体重现空间容器11，使得目标成分对应的各种气味小分子在气体重现空间容器11中按照预期的释放速度混合；

4）控制模块12通过气味检测模块2检测得到的气体重现空间容器11中当前的气味数据来检测待重现气味的浓度是否达到目标浓度，如果达到目标浓度则判定气味重现完成，停止气味释放模块1并退出；否则，跳转执行步骤2）。

本实施例中，气味释放模块1还包括石英振子式气体传感器134，步骤2）中基于释放速度根据预设的数据表获取各种气体小分子对应的温度t和风速v的详细步骤包括：将石英振子式气体传感器134检测的释放速度作为检测量、将目标浓度对应的释放速度作为期望量，将两者的差值进行闭环控制（可根据需要采用PID控制器、PI控制器或PD控制器）得到修正释放速度，然后将修正释放速度根据预设的数据表获取各种气体小分子对应的温度t和风速v；数据表中包括释放速度和温度t、风速v两者的映射关系。通过上述闭环控制，能够确保温度t和风速v的精确控制，能够有效解决气味小分子的释放速度控制的问题，提高气味重现的精度。

本实施例中，步骤2）中根据目标成分及其浓度选择所需的气体小分子种类及其释放速度的详细步骤包括：控制模块12通过气味检测模块2检测得到的气体重现空间容器11中当前的气味数据来确定每一种气味小分子成分的实际浓度，针对每一种气味小分子成分，将该气味小分子成分的实际浓度作为检测量、该气味小分子成分的目标浓度作为期望量，将两者的差值进行闭环控制（可根据需要采用PID控制器、PI控制器或PD控制器）得到修正浓度，将修正浓度输入预设的浓度-释放速度映射表，得到该气味小分子成分的释放速度，浓度-释放速度映射表包括浓度、释放速度两者之间的映射关系。通过上述闭环控制，实现了温度t和风速v的双闭环控制，浓度、释放速度两者之间的映射修正作为控制外环，释放速度和温度t、风速v两者的映射关系修正的作为控制内环，能够确保温度t和风速v的精确控制，能够有效解决气味小分子的释放速度控制的问题，进一步提高气味重现的精度。

本实施例中，步骤1）中确定待重现气味的目标成分及其浓度具体是指通过气味检测模块2检测确定。毫无疑问，确定待重现气味的目标成分及其浓度也可以直接指定待重现气味的目标成分及其浓度，而不使用气味检测模块2。

本实施例中，步骤4）中控制模块12通过气味检测模块2检测得到的气体重现空间容器11中当前的气味数据的详细步骤包括：气体传感器阵列21采集气体重现空间容器11中各种气体小分子的检测信号并输出给信号处理电路22，信号处理电路22将输入信号进行模数转换和信号提取后输出给模式识别单元23，模式识别单元23根据提取得到的气体小分子的检测信号基于预设的知识库进行模式识别得到气味数据并将气味数据作为闭环反馈输出给控制模块12，气味数据包括气体小分子的成分及其浓度。需要说明的是，模式识别为已知的常规的数学方法，本实施例中仅为常规应用，故其详情在此不再详述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种气味重现装置，其特征在于：包括气味释放模块（1）和气味检测模块（2），所述气味释放模块（1）包括气体重现空间容器（11）、控制模块（12）和至少一种气体释放单元（13），所述气体释放单元（13）包括气味小分子存储器（131）、加热器（132）以及吹风器（133），所述气味小分子存储器（131）的内侧端部设有用于释放气味小分子的释放口且释放口与气体重现空间容器（11）连通，所述加热器（132）布置于气味小分子存储器（131）的释放口处，所述吹风器（133）布置于气体重现空间容器（11）内且布置于气味小分子存储器（131）的释放口一侧，所述控制模块（12）的控制输出端分别与加热器（132）、吹风器（133）相连，所述气味检测模块（2）布置于气体重现空间容器（11）中，且所述气味检测模块（2）的输出端与控制模块（12）相连，所述气味释放模块（1）还包括石英振子式气体传感器（134），所述石英振子式气体传感器（134）固定于安装在气味小分子存储器（131）的外侧端部，所述石英振子式气体传感器（134）的振子频率输出端作为闭环信号反馈端和控制模块（12）的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的气味重现装置，其特征在于：所述石英振子式气体传感器（134）为石英振子微秤QCM，所述石英振子微秤QCM由直径为微米级的石英振动盘和制作在石英振动盘两侧的电极构成，所述气味小分子存储器（131）安装在石英振动盘上，且所述石英振动盘两侧的电极和控制模块（12）相连。

3.根据权利要求1所述的气味重现装置，其特征在于：所述气体重现空间容器（11）为管状空间容器。

4.根据权利要求1所述的气味重现装置，其特征在于：所述气味检测模块（2）包括气体传感器阵列（21）、信号处理电路（22）和模式识别单元（23），所述气体传感器阵列（21）包括至少一种布置于气体重现空间容器（11）中的气体传感器，所述气体传感器的输出端通过信号处理电路（22）和模式识别单元（23）相连，所述模式识别单元（23）的输出端作为气味数据闭环反馈输出端和控制模块（12）相连。

5.一种权利要求1～4中任一所述气味重现装置的应用方法，其特征在于实施步骤包括：

1）确定待重现气味的目标成分及其浓度；

2）根据目标成分及其浓度选择所需的气体小分子种类及其释放速度，并基于释放速度根据预设的数据表获取各种气体小分子对应的温度t和风速v；

3）通过控制模块（12）选择启动气体小分子种类对应的气体释放单元（13），控制气体小分子种类对应的加热器（132）以温度t加热以及通过吹风器（133）以风速v送风，将气味小分子存储器（131）内存储的气味小分子释放到气体重现空间容器（11），使得目标成分对应的各种气味小分子在气体重现空间容器（11）中按照预期的释放速度混合；

4）控制模块（12）通过气味检测模块（2）检测得到的气体重现空间容器（11）中当前的气味数据来检测待重现气味的浓度是否达到目标浓度，如果达到目标浓度则判定气味重现完成，停止气味释放模块（1）并退出；否则，跳转执行步骤2）。

6.根据权利要求5所述的气味重现装置的应用方法，其特征在于，所述气味释放模块（1）还包括石英振子式气体传感器（134），步骤2）中基于释放速度根据预设的数据表获取各种气体小分子对应的温度t和风速v的详细步骤包括：将石英振子式气体传感器（134）检测的释放速度作为检测量、将目标浓度对应的释放速度作为期望量，将两者的差值进行闭环控制得到修正释放速度，然后将修正释放速度根据预设的数据表获取各种气体小分子对应的温度t和风速v；所述数据表中包括释放速度和温度t、风速v两者的映射关系。

7.根据权利要求6所述的气味重现装置的应用方法，其特征在于，步骤2）中根据目标成分及其浓度选择所需的气体小分子种类及其释放速度的详细步骤包括：控制模块（12）通过气味检测模块（2）检测得到的气体重现空间容器（11）中当前的气味数据来确定每一种气味小分子成分的实际浓度，针对每一种气味小分子成分，将该气味小分子成分的实际浓度作为检测量、该气味小分子成分的目标浓度作为期望量，将两者的差值进行闭环控制得到修正浓度，将修正浓度输入预设的浓度-释放速度映射表，得到该气味小分子成分的释放速度，所述浓度-释放速度映射表包括浓度、释放速度两者之间的映射关系。

8.根据权利要求5所述的气味重现装置的应用方法，其特征在于，步骤1）中确定待重现气味的目标成分及其浓度具体是指通过气味检测模块（2）检测确定。

9.根据权利要求8所述的气味重现装置的应用方法，其特征在于，步骤4）中控制模块（12）通过气味检测模块（2）检测得到的气体重现空间容器（11）中当前的气味数据的详细步骤包括：所述气体传感器阵列（21）采集气体重现空间容器（11）中各种气体小分子的检测信号并输出给信号处理电路（22），所述信号处理电路（22）将输入信号进行模数转换和信号提取后输出给模式识别单元（23），所述模式识别单元（23）根据提取得到的气体小分子的检测信号基于预设的知识库进行模式识别得到气味数据并将气味数据作为闭环反馈输出给控制模块（12），所述气味数据包括气体小分子的成分及其浓度。