CN113049749B - 一种电子鼻检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电子鼻检测系统，包括机箱、气路传输模块、气味检测模块、控制和数据处理模块、电源模块和样品恒温模块，其中：气路传输模块、气味检测模块、控制和数据处理模块、电源模块安装于机箱中；控制和数据处理模块通过导线与气味检测模块、气路传输模块、电源模块连接在一起；电源模块通过导线与控制和数据处理模块、气味检测模块、气路传输模块连接在一起，为各部分供电；样品恒温模块位于机箱外部，通过气管和数据线与机箱连接在一起；样品恒温模块通过气路传输模块与气味检测模块连接。

Description

一种电子鼻检测系统
技术领域
本发明涉及气味检测领域，尤其涉及一种电子鼻检测系统。
背景技术
随着科技的进步，人们发现气味也可以作为衡量产品质量的标准，例如食品，粮食等，如果发生变质、发霉就会挥发出的相应的气体，有时人能够闻到，有时很难察觉。因此模拟嗅觉检测的电子鼻就应运而生了。电子鼻技术具有实时、快速、无损检测等优点，然而目前缺乏通用的电子鼻检测设备，且现有的检测系统功能不全，检测精度不高。为此本发明提供了一种电子鼻检测系统，能够较好的解决上述问题。
发明内容
为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：
一种电子鼻检测系统，包括机箱、气路传输模块、气味检测模块、控制和数据处理模块、电源模块和样品恒温模块和计算机，其中：气路传输模块、气味检测模块、控制和数据处理模块、电源模块安装于机箱中；控制和数据处理模块通过导线与气味检测模块、气路传输模块、电源模块连接在一起；电源模块通过导线与控制和数据处理模块、气味检测模块、气路传输模块连接在一起，为各部分供电；样品恒温模块位于机箱外部，通过气管和数据线与机箱连接在一起；样品恒温模块通过气路传输模块与气味检测模块连接，计算机通过数据线与机箱的USB接口连接。
所述的系统，其中：所述气味检测模块包括气体反应室和气敏传感器阵列，气体反应室出气口通过导管引向风扇，气敏传感器阵列安装在鼠道式气体反应室上，气敏传感器与鼠道式气体反应室的接缝处由密封胶密封。
所述的系统，其中：气敏传感器阵列包括10个金属氧化物气敏传感器。
所述的系统，其中：所述气路传输模块包括第一穿板接头、第二穿板接头、二位三通换向阀、流量调节阀、质量流量控制器和采样气泵；第一穿板接头和第二穿板接头固定在机箱前部，第一穿板接头和第二穿板接的输出端口分别与二位三通换向阀的两个输入端通过导管连接，二位三通换向阀输出端与流量调节阀的输入端通过导管连接，流量调节阀的输出端与质量流量控制器的输入端通过导管连接，质量流量控制器的输出端与采样气泵的输入口通过导管连接，采样气泵的输出口连接导管，导管连接在鼠道式气体反应室进气口上。
所述的系统，其中：所述样品恒温模块包括恒温装置和样品瓶，样品瓶插放在恒温装置内部，样品瓶出气口和恒温装置出气口分别通过导管连接第一穿板接头和第二穿板接头的进气口端。
所述的系统，其中：气体反应室整体为圆盘状结构，气体反应室进气口位于气体反应室下部中心，气体反应室进气口在气体反应室内与多条通道的进口连通，多条通道分别沿气体反应室进气口斜向上延伸，每个通道的出口与各自的小型反应室连通，所述小型反应室是从鼠道式气体反应室顶部向下开设的圆柱状凹槽，小型反应室在圆周上均匀分布，相邻小型反应室的直径不同，每个通道都为密闭通道。
所述的系统，其中：每个通道与气体反应室进气口之间的夹角为75度。
所述的系统，其中：每个小型反应室的内周壁都有开设有螺旋凹槽。
所述的系统，其中：电子鼻检测系统的工作过程包括基线采集阶段、样品采集阶段、基线恢复阶段、数据存储及处理阶段；其中，基线采集阶段，启动采样气泵，将预热的载气通过控温装置出气口、第二穿板接头进气口、二位三通电磁阀、流量调节阀、质量流量控制器、采样气泵传输到达进气口和出气口电磁阀都已打开的鼠道式气体反应室，气敏传感器阵列产生信号值，进行基线采集；气味采集阶段，切换二位三通换向阀气路，使携带有样品瓶中的样品的挥发性气味的气体通过样品瓶出气口、第一穿板接头进气口、二位三通电磁阀、流量调节阀、质量流量控制器、采样气泵传输到达鼠道式气体反应室，通过鼠道式气体反应室中的分流气流通道到达气敏传感器阵列，然后产生响应电压信号值，进行样品气味采集阶段；基线恢复阶段，待采集曲线平稳进行一段时间后，切换二位三通换向阀气路，接入载气，进行基线恢复；数据存储及处理阶段，待基线恢复至初值并且平稳一段时间后，通过操作计算机将采集到的气味响应电压信号值进行存储及处理，最终得到检测结果。
所述的系统，其中：对采集到的气味响应信号值进行处理包括以下步骤：
(a)对采集到电压信号值进行数据预处理，对原始数据进行平滑处理，并生成信号曲线；
(b)对预处理后的电压信号值进行特征值选择，提取出气敏传感器阵列所对应的特征值，每一个气敏传感器对应一组特征值；
(c)对提取出的全部气敏传感器的特征值进行特征筛选，筛选出一组最优特征值矩阵。
所述的系统，其中：相对的两个小型反应室在其中上部的位置通过一条气道互相连通，气道之间在气道中部相交并与设置在气体反应室顶部的开口连通；鼠道式气体反应室还包括封盖，封盖盖在开口上，反应室出气口设置在封盖上，气体反应室进气口设有温度传感器探头，湿度传感器探头。
所述的系统，其中：鼠道式气体反应室内部设有一圈环形气道，该环形气道贯通全部小型反应室。
所述的系统，其中：气体反应室进气口和体反应室出气口都设有电磁阀。
所述的系统，其中：所述步骤(a)中，对采集到的电压信号值进行数据预处理的平滑算法为：
Figure BDA0002972359380000041
k＝1,2,3,...，(k-m)，k为采样时间点，式中Vk、Vk+i为气敏传感器在第k点和第k+i点的采样电压数字值，通过计算相邻的m个点的平均值Vk来代替起始点的值，对于最后m个采样点，Vk取其原值，将计算得到的Vk值连接到一起，形成传感器的信号曲线。
所述的系统，其中：
所述步骤(b)中，选择气敏传感器阵列产生的采样电压数字值作为样品的气味信息数据，计算阵列中每个气敏传感器电压信号的特征值：相对平均值Vi、相对变化值ΔVi、相对积分值Si，如下
设Vi(t)为第i条曲线在第t秒时的电压值，min Vi(t)为采样期间n秒内的最小值，maxVi(t)为采样期间n秒内的最大值，
Figure BDA0002972359380000051
ΔVi＝max Vi(t)-min Vi(t)
Figure BDA0002972359380000052
所述的系统，其中：所述步骤(c)中，特征筛选包括两个阶段，第一阶段：通过比较各传感器的ΔVi值的变化大小进行初步筛选，删除掉ΔVi值较小的气敏传感器；第二阶段：在第一阶段基础上采用剔除算法作为筛选方法，通过计算比较变异值C和相关值rx进行二次筛选，最后选用主成分分析得分图作为评价方式，最终筛选出一组最优气敏传感器对应的特征值。
所述的系统，其中剔除算法包括：
(1)稳定性分析
通过分别计算并比较各个传感器对应3个特征值的变异值C的大小，如果C值大于预定阈值，则删除该C值；
具体计算公式为：
Figure BDA0002972359380000061
其中Xi为传感器在第i个样品的某一特征值，
Figure BDA0002972359380000062
为特征值的平均值，n为样品个数；
(2)相关性分析
对传感器对应特征值的相关值rx进行计算，剔除其中相关程度较大的一个特征值，当rx大于预定阈值，则将该传感器的该特征值删除，
具体计算公式为：
Figure BDA0002972359380000063
Figure BDA0002972359380000064
其中xi为传感器x对第i个样品的某一特征值，yi为传感器y对第i个样品的某一特征值，Rxy用来反映两两传感器对应特征值之间的相关程度，rx为传感器x与其他传感器的Rxy绝对值的累加和。
附图说明
图1是电子鼻检测系统整体示意图；
图2是电子鼻检测系统内部结构示意图；
图3是鼠道式气体反应室和气敏传感器阵列组合示意图；
图4是鼠道式气体反应室结构示意图；
图5是鼠道式气体反应室剖面示意图。
图6是恒温装置到气体反应室的气路连接结构图。
图7是电子鼻检测电路接线图。
图8是挥发性气味信息数据实时采集图
附图标记：1样品瓶，2样品瓶出气口，3恒温装置出气口，4USBⅠ,5恒温装置，6机箱，7穿板接头Ⅰ，8USBⅡ，9穿板接头Ⅱ，10USBⅢ，11计算机，12顶部固定板，13继电器开关，14数据采集卡，15风扇，16气敏传感器阵列，17质量流量控制器，18流量调节阀，19流量调节阀固定支撑，20二位三通换向阀，21二位三通换向阀固定支撑，22质量流量控制器固定支撑，23三输出直流电源，24底部固定板，25采样气泵，26中部固定板，27气体反应室固定支撑，28鼠道式气体反应室，29气体反应室出气口，30气体反应室进气口，31温度传感器探头，32湿度传感器探头，33封盖。
具体实施方式
下面结合附图1-8对本发明的具体实施方式进行详细说明。
如图1-3所示，电子鼻检测系统，包括机箱(6)、气路传输模块、气味检测模块、控制和数据处理模块、电源模块、样品恒温模块和计算机(11)。气路传输模块、气味检测模块、控制和数据处理模块、电源模块安装于机箱(6)中，样品控温模块为独立部分，控制和数据处理模块位于机箱(6)的顶部，安装在顶部固定板12上，顶部固定板12与机箱(6)通过螺栓连接在一起，控制和数据处理模块通过导线与气味检测模块、气路传输模块、电源模块连接在一起，气味检测模块位于机箱(6)的中部，安装在中部固定板(26)上，中部固定板(26)与机箱(6)通过螺栓连接在一起，气路传输模块位于机箱(6)的底部，安装在底部固定板(24)上，气路传输模块与机箱6通过螺栓连接在一起，电源模块位于机箱(6)的最下层，通过螺栓连接在底部固定板(24)的下面，电源模块通过导线与控制和数据处理模块、气味检测模块、气路传输模块连接在一起，为各部分供电，样品恒温模块为独立部分，位于机箱(6)外部，通过气管和数据线与机箱(6)连接在一起，计算机(11)通过数据线与机箱(6)的USB接口III(10)连接。
所述气味检测模块包括鼠道式气体反应室(28)、气体反应室固定支撑(27)、温度传感器31、湿度传感器32和气敏传感器阵列(16)，鼠道式气体反应室(28)通过气体反应室固定支撑(27)与中部固定板(26)连接在一起，气体反应室出气口(29)通过导管引向风扇(15)，便于挥发性气味排出，气敏传感器阵列(16)通过螺钉固定在鼠道式气体反应室(28)上，每个气敏传感器插入在气体反应室(28)的一个小型反应室中，使用绝缘密封胶对气敏传感器与鼠道式气体反应室的接缝处进行密封，防止漏气。
所述鼠道式气体反应室(28)主体采用3D打印加工方式，气体反应室(28)整体为圆盘状结构，气体反应室进气口(30)位于气体反应室(28)下部中心，气体反应室进气口(30)设有电磁阀，气体反应室进气口(30)在气体反应室(28)内与10条通道282的进口连通，所述10条通道282分别沿气体反应室进气口(30)斜向上延伸，每个通道282的出口与各自的小型反应室281的底部连通，所述小型反应室281是从鼠道式气体反应室(28)顶部向下开设的圆柱状凹槽，小型反应室281在圆周上均匀分布，相邻小型反应室281的直径不同，可供不同大小的气敏传感器插入其中。每个通道282都为密闭通道，每个通道282与气体反应室进气口(30)之间的夹角为75度。每个小型反应室281的内周壁都有开设有螺旋凹槽。相对的两个小型反应室281之间在其中上部的位置通过一条气道283互相连通，5条气道283之间在气道中部相交并与设置在气体反应室(28)顶部的开口284连通，所述气道283用于导出小型反应室内的气体，同时还可以平衡小型反应室281的气压，使得气敏传感器工作在相同的气压环境下。鼠道式气体反应室(28)还包括封盖33，封盖33盖在开口284上，封盖33与开口284之间用密封条密封，气体反应室出气口29设置在封盖33中心，该出气口29设有电磁阀。气体反应室进气口30处设有温度传感器探头31，湿度传感器探头32，如图5a所示，温度传感器探头31和湿度传感器探头32用于检测进入气体反应室的气流的温度和湿度。如图4，5a所示，鼠道式气体反应室(28)内部设有一圈环形气道285，该环形气道285贯通全部小型反应室281，用于平衡小型反应室281内的气压。
鼠道式气体反应室(28)内部采用了分流式的气流传输方式，通过(10)条传输通道将气流传输至各个小型反应室并与气敏传感器发生反应，保证气流与各个传感器反应能够同时进行，从气体反应室进气口(30)分散出的通道与垂直方向夹角为750可减小气流碰撞避免带来的损失，增加气流的传输效率。如图7所示，小型反应室内壁为螺旋式结构，能够使得气流在内部形成涡流，从而增长气流的停留时间，使得气流与气敏传感器阵列充分接触。而环形气道285的存在能够迅速的实现小型反应室281之间的气压平衡，制造相同的工作环境。
所述气敏传感器阵列(16)包括10个金属氧化物气敏传感器，其型号及其敏感特性分别为：TGS822、TGS2603、MQ135、TGS2600、MQ137、TGS2620、MQ138、TGS2610、TGS813、WSP2110。
对应检测挥发性物质为：
TGS813:异丁烷、丙烷、乙醇、甲烷；
TGS822:丙酮、乙醇、苯、乙烷；
TGS2600:大多数的挥发性有机物、硫化氢等；
TGS2603:胺系、硫系、恶臭气体；
TGS2610：丙烷、丁烷等；
TGS2620：酒精等有机溶剂；
MQ135:含氮化合物(氨气、胺等)，含硫化合物(硫醚类气体、硫化氢等)，含苯环化合物(苯、甲苯等)；
MQ138:醛类气体(甲醛等)；
MQ137:含氮化合物(氨气、胺等)；
WSP2110:含苯环化合物(苯、甲苯等)，醛类(甲醛等)。
结合图6对恒温装置到气体反应室的气路连接结构进行进一步的说明如下：所述气路传输模块包括穿板接头Ⅰ(7)、穿板接头Ⅱ(9)、二位三通换向阀(20)、二位三通换向阀固定支撑(21)、流量调节阀(18)、流量调节阀固定支撑(19)、质量流量控制器(17)、质量流量控制器固定支撑(22)和采样气泵(25)。二位三通换向阀(20)通过二位三通换向阀固定支撑(21)与底部固定板(24)连接在一起，流量调节阀(18)通过流量调节阀固定支撑(19)与底部固定板(24)连接在一起，质量流量控制器(17)通过质量流量控制器固定支撑(22)与底部固定板(24)连接在一起，采样气泵通(25)过螺栓固定在底部固定板(24)上，穿板接头Ⅰ(7)和穿板接头Ⅱ(9)固定在机箱(6)前部，然后将穿板接头Ⅰ(7)和穿板接头Ⅱ(9)的输出端口分别与二位三通换向阀(20)的两个输入端通过导管连接，二位三通换向阀(20)输出端与流量调节阀(18)的输入端通过导管连接，二位三通换向阀(20)用于进行气路切换，实现清洁空气与样品气味空气的切换；流量调节阀(18)的输出端与质量流量控制器(17)的输入端通过导管连接，质量流量控制器(17)的输出端与采样气泵(25)的输入口通过导管连接，采样气泵(25)的输出口连接导管，将导管穿过顶部固定板(12)中部的预留孔连接在鼠道式气体反应室(28)的进气口(30)上。所述采样气泵(25)为隔膜式可调速真空泵，能够稳定的输入、输出气流。流量调节阀(18)用于通过手动的方式粗调气流大小，质量流量控制器(17)用于精密调节气流流量，可通过计算机设定。
结合图7，对电子鼻检测系统的电路结构说明如下：所述控制和数据处理模块包括数据采集卡(14)和继电器开关(13)。USB接口II、继电器开关13与数据采集卡14电连接，数据采集卡(14)和继电器开关(13)通过螺栓固定在顶部固定版(12)的上方，计算机(11)通过数据线与USB接口Ⅲ(10)连接，数据采集卡(14)AD端口与气敏传感器阵列(16)通过导线连接，数据采集卡(14)通过数据线与USB接口Ⅲ(10)连接，继电器开关(13)通过导线与采样气泵(25)、二位三通换向阀(20)连接，控制其电源通断。数据采集卡(14)用于将气敏传感器阵列(16)采集到的模拟气味信号转换为数字信号并传输给计算机(11)，计算机(11)将各个传感器对应的气味值显示到屏幕上，同时计算机(11)还用于对气味信号值进行处理和存储。
所述电源模块为一个三输出直流电源(23)，将220V照明电压输出为5V、12V、24V直流电压，三输出直流电源(23)通过螺栓固定在底部固定板(24)下面，三输出直流电源(23)通过导线与继电器开关(13)、质量流量控制器(17)、风扇(15)、气敏传感器阵列阵列(16)、二位三通换向阀(20)、采样气泵(25)连接，提供各自所需电压值。
所述样品恒温模块包括恒温装置(5)、样品瓶(1)，样品瓶(1)插放在恒温装置(5)内部，恒温装置(5)的数据接口USBⅠ(4)通过数据线与机箱上的数据接口USBⅡ(8)连接，由此可使用计算机来控制恒温装置，设定和检测其温度。样品瓶出气口(2)和恒温装置出气口(3)分别通过导管连接穿板接头Ⅰ(7)、穿板接头Ⅱ(9)进气口端。所述恒温装置(5)其作用为控制样品挥发性气味和载气的温度，使其保持稳定。恒温装置(5)中包括加热和降温模块，温度传感器等部件。
本发明的电子鼻检测系统的工作过程主要包括设备参数设定、基线采集阶段、样品采集阶段、基线恢复阶段、数据存储及处理。
首先将整个系统接通电源，系统上电，将装置预热30分钟，将样品放进样品瓶密封，将样品瓶放入恒温装置，通过计算机给恒温装置设定样品所需恒定温度值，为质量流量控制器发送信号，设定所需流量值。
待计算机屏幕中显示样品温度达到设定温度值，操作计算机上的手动按钮，启动采样气泵，将预热的载气(即外部清洁空气)通过恒温装置出气口3、穿板接头Ⅱ进气口、二位三通电磁阀、流量调节阀、质量流量控制器、采样气泵传输到达鼠道式气体反应室(计算机(11)已经预先打开气体反应室出气口29的电磁阀和气体反应室进气口30的电磁阀)，气敏传感器阵列产生信号值，进行基线采集阶段，基线采集时间设定为50秒，采样间隔为1秒，采样50个。
通过计算机屏幕观察气敏传感器阵列实时信号值，待采集曲线平稳进行一段时间后，操作计算机上的手动按钮，切换二位三通换向阀气路，使携带有样品瓶中的样品的挥发性气味的气体通过样品瓶出气口、穿板接头Ⅰ进气口、二位三通电磁阀、流量调节阀、质量流量控制器、采样气泵传输到达鼠道式气体反应室，通过鼠道式气体反应室中的分流气流通道到达气敏传感器阵列，然后产生响应信号值，进行样品气味采集阶段，气味采集时间设定为150秒，采样间隔为1秒，采样150个。
通过计算机屏幕观察气敏传感器阵列实时响应信号值，待采集曲线平稳进行一段时间后，操作计算机上的手动按钮，切换二位三通换向阀气路，接入载气，进行基线恢复阶段，基线恢复时间设定为100秒，采样间隔为1秒，采样100个。
待基线恢复至初值并且平稳一段时间后，通过操作计算机将采集到的气味响应信号值进行存储及处理，最终得到检测结果。计算机(11)对采集到的气味响应信号值进行处理包括以下步骤：
(a)对采集到气味信息数据进行数据预处理，对原始数据进行平滑处理，以减少非目标因素产生的信号噪声对检测信号的影响，并生成信号曲线，如图8所示；
(b)对预处理后的气味信息数据进行特征值选择，提取出气敏传感器阵列所对应的特征值，每一个气敏传感器对应一组特征值；
(c)对提取出的全部气敏传感器的特征值进行特征筛选，筛选出一组最优特征值矩阵；
所述步骤(a)中，对采集到的挥发性气味信息数据进行数据预处理，以减少非目标因素产生的信号噪声对检测信号的影响。
具体的平滑算法为：
Figure BDA0002972359380000141
k＝1,2,3,...，295，k为采样时间点式中Vk、Vk+i为气敏传感器在第k点和第k+i点的采样电压数字值，在本发明中选定m＝5,通过计算相邻的5个点的平均值来代替起始点的值，以此类推即可实现整条信号曲线的平滑，对于第296-300个采样点，Vk取其原值。分别将计算得到的各个气敏传感器的Vk电压值连接到一起，形成传感器的信号曲线。
所述步骤(b)中，选择气敏传感器阵列产生的电压信号数据(采样电压数字值)作为样品的气味信息数据，计算阵列中每个气敏传感器电压信号的特征值：相对平均值
Figure BDA0002972359380000153
相对变化值ΔVi、相对积分值Si。
理论上而言，采集过程中每一时刻的电压值都可作为特征值，但是原始数据中必定包含冗余信息。因此，为了减少了每组实验中所含的实验数据，从而降低了数据的维度，选取了曲线的相对平均值Vi、相对变化值ΔVi、相对积分值Si作为特征值，来表征一个传感器对应的一条响应曲线，这与原始数据中每条曲线的300个电压值相比，大大简化。
设Vi(t)为第i条曲线在第t秒时的电压值，min Vi(t)为0-200s内的最小值，max Vi(t)为0-200s内的最大值。
Figure BDA0002972359380000151
ΔVi＝max Vi(t)-min Vi(t)
Figure BDA0002972359380000152
所述步骤(c)中，特征筛选的目的是通过对原始特征值进行筛选与重组，以期用少数的特征值描述原始数据中包含的大部分信息。特征筛选主要包含两个阶段，第一阶段：通过比较各传感器的ΔVi值的变化大小进行初步筛选，如果ΔVi值小于预定阈值，则删除掉ΔVi值较小的气敏传感器；第二阶段：在第一阶段基础上采用剔除算法作为筛选方法，通过计算比较变异值C和相关值rx进行二次筛选，最后选用主成分分析得分图作为评价方式，最终筛选出一组最优气敏传感器对应的特征值。
具体的剔除算法为：
(1)稳定性分析
变异值C能够消除量纲的影响来反应数据的离散程度，变异值C能够反映传感器的稳定性，通过分别计算并比较各个传感器对应3个特征值的变异值C的大小，如果C值大于预定阈值，则认为C值较大，删除C值较大的特征值。
具体计算公式为：
Figure BDA0002972359380000161
其中Xi为传感器在第i个样品的某一特征值(相对平均值
Figure BDA0002972359380000162
相对变化值ΔVi、相对积分值Si)，
Figure BDA0002972359380000163
为特征值的平均值，n为样品个数。
(2)相关性分析
通常而言，两传感器相关程度越大，两传感器获得的信息一致性就越强，即两传感器可相互替代，因此需对传感器对应特征值的相关值rx进行计算，剔除其中相关程度较大的一个特征值，即rx越大，应选择将其去掉(即当rx大于预定阈值，则将该传感器的该特征值删除)。
具体计算公式为：
Figure BDA0002972359380000171
Figure BDA0002972359380000172
其中xi为传感器x对第i个样品的某一特征值(相对平均值Vi、相对变化值ΔVi、相对积分值Si)，yi为传感器y对第i个样品的某一特征值(相对平均值
Figure BDA0002972359380000173
相对变化值ΔVi、相对积分值Si)，Rxy用来反映两两传感器对应特征值之间的相关程度，rx为传感器x与其他传感器的Rxy绝对值的累加和。
以上的检测方式属于动态检测，即气体反应室进气口和出气口的电磁阀都打开时，携带有样品瓶中的样品的挥发性气味的气体以流动的方式通过气体反应室，传感器进行的气味检测；本发明还可以实现静态检测，即在关闭气体反应室出气口的电磁阀而打开进气口的电磁阀，此时传感器对气体反应室中的气味进行的气味检测。
通过本发明能够实时、快速、无损的进行气味检测，检测精度高。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种电子鼻检测系统，包括机箱、气路传输模块、气味检测模块、控制和数据处理模块、电源模块和样品恒温模块和计算机，其特征在于：气路传输模块、气味检测模块、控制和数据处理模块、电源模块安装于机箱中；控制和数据处理模块通过导线与气味检测模块、气路传输模块、电源模块连接在一起；电源模块通过导线与控制和数据处理模块、气味检测模块、气路传输模块连接在一起，为各部分供电；样品恒温模块位于机箱外部，通过气管和数据线与机箱连接在一起；样品恒温模块通过气路传输模块与气味检测模块连接，计算机通过数据线与机箱的USB接口连接；所述气味检测模块包括鼠道式气体反应室和气敏传感器阵列，鼠道式气体反应室出气口通过导管引向风扇，气敏传感器阵列安装在鼠道式气体反应室上，气敏传感器与鼠道式气体反应室的接缝处由密封胶密封；
所述气路传输模块包括第一穿板接头、第二穿板接头、二位三通换向阀、流量调节阀、质量流量控制器和采样气泵；流量调节阀通过流量调节阀固定支撑与机箱的底部固定板连接在一起，质量流量控制器通过质量流量控制器固定支撑与底部固定板连接在一起，采样气泵通过螺栓固定在底部固定板上；第一穿板接头和第二穿板接头固定在机箱前部，第一穿板接头和第二穿板接的输出端口分别与二位三通换向阀的两个输入端通过导管连接，二位三通换向阀输出端与流量调节阀的输入端通过导管连接，流量调节阀的输出端与质量流量控制器的输入端通过导管连接，质量流量控制器的输出端与采样气泵的输入口通过导管连接，采样气泵的输出口连接导管，导管连接在鼠道式气体反应室进气口上；
鼠道式气体反应室整体为圆盘状结构，鼠道式气体反应室进气口位于鼠道式气体反应室下部中心，鼠道式气体反应室进气口在鼠道式气体反应室内与多条通道的进口连通，多条通道分别沿鼠道式气体反应室进气口在鼠道式气体反应室本体内斜向上延伸，每个通道都为密闭通道，每个通道的出口与各自的小型反应室连通，所述小型反应室是从鼠道式气体反应室顶部向下开设的圆柱状凹槽，小型反应室在圆周上均匀分布，相邻小型反应室的直径不同，相对的两个小型反应室之间在其中上部的位置通过一条气道互相连通，多条气道之间在气道中部相交并与设置在鼠道式气体反应室顶部的开口连通；鼠道式气体反应室本体内部设有一圈环形气道，该环形气道贯通全部小型反应室；
鼠道式气体反应室还包括封盖，封盖在开口上，封盖与开口之间用密封条密封，鼠道式气体反应室的出气口设置在封盖中心，所述鼠道式气体反应室的出气口设有电磁阀；
电子鼻检测系统的工作过程包括基线采集阶段、样品采集阶段、基线恢复阶段、数据存储及处理阶段；其中，基线采集阶段，启动采样气泵，将预热的载气通过控温装置出气口、第二穿板接头进气口、二位三通换向阀、流量调节阀、质量流量控制器、采样气泵传输到达进气口和出气口电磁阀都已打开的鼠道式气体反应室，气敏传感器阵列产生信号值，进行基线采集；气味采集阶段，切换二位三通换向阀气路，使携带有样品瓶中的样品的挥发性气味的气体通过样品瓶出气口、第一穿板接头进气口、二位三通换向阀、流量调节阀、质量流量控制器、采样气泵传输到达鼠道式气体反应室，通过鼠道式气体反应室中的分流气流通道到达气敏传感器阵列，然后产生响应电压信号值，进行样品气味采集阶段；基线恢复阶段，待采集曲线平稳进行一段时间后，切换二位三通换向阀气路，接入载气，进行基线恢复；数据存储及处理阶段，待基线恢复至初值并且平稳一段时间后，通过操作计算机将采集到的气味响应电压信号值进行存储及处理，最终得到检测结果；
所述的系统对采集到的气味响应信号值进行处理包括以下步骤：
(a)对采集到电压信号值进行数据预处理，对原始数据进行平滑处理，并生成信号曲线；
(b)对预处理后的电压信号值进行特征值选择，提取出气敏传感器阵列所对应的特征值，每一个气敏传感器对应一组特征值；
(c)对提取出的全部气敏传感器的特征值进行特征筛选，筛选出一组最优特征值矩阵；
所述步骤(a)中，对采集到的电压信号值进行数据预处理的平滑算法为：
Figure FDA0003578249280000031
k＝1,2,3,...，(k-m)，k为采样时间点，
式中Vk、Vk+i为气敏传感器在第k点和第k+i点的采样电压数字值，通过计算相邻的m个点的平均值Vk来代替起始点的值，对于最后m个采样点，Vk取其原值，将计算得到的Vk值连接到一起，形成传感器的信号曲线；
所述步骤(b)中，选择气敏传感器阵列产生的采样电压数字值作为样品的气味信息数据，计算阵列中每个气敏传感器电压信号的特征值：相对平均值
Figure FDA0003578249280000041
相对变化值ΔVi、相对积分值Si，如下
设Vi(t)为第i条曲线在第t秒时的电压值，min Vi(t)为采样期间n秒内的最小值，maxVi(t)为采样期间n秒内的最大值，
Figure FDA0003578249280000042
ΔVi＝max Vi(t)-min Vi(t)
Figure FDA0003578249280000043
所述步骤(c)中，特征筛选包括两个阶段，第一阶段：通过比较各传感器的ΔVi值的变化大小进行初步筛选，删除掉ΔVi值较小的气敏传感器；第二阶段：在第一阶段基础上采用剔除算法作为筛选方法，通过计算比较变异值C和相关值rx进行二次筛选，最后选用主成分分析得分图作为评价方式，最终筛选出一组最优气敏传感器对应的特征值；其中剔除算法包括：
(1)稳定性分析
通过分别计算并比较各个传感器对应3个特征值的变异值C的大小，如果C值大于预定阈值，则删除该C值；
具体计算公式为：
Figure FDA0003578249280000044
其中Xi为传感器在第i个样品的某一特征值，
Figure FDA0003578249280000051
为特征值的平均值，n为样品个数；
(2)相关性分析
对传感器对应特征值的相关值rx进行计算，剔除其中相关程度较大的一个特征值，当rx大于预定阈值，则将该传感器的该特征值删除，具体计算公式为：
Figure FDA0003578249280000052
Figure FDA0003578249280000053
其中xi为传感器x对第i个样品的某一特征值，yi为传感器y对第i个样品的某一特征值，Rxy用来反映两两传感器对应特征值之间的相关程度，rx为传感器x与其他传感器的Rxy绝对值的累加和。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：气敏传感器阵列包括10个金属氧化物气敏传感器。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114720582B (zh) * 2021-11-26 2023-10-20 韩山师范学院 一种不同陈化年份老香黄的综合评价方法

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101074947A (zh) * 2007-06-27 2007-11-21 江苏大学 两类不同气体传感器阵列组合检测气味的方法和装置
CN103412002A (zh) * 2013-08-01 2013-11-27 浙江工商大学 一种食醋风味分析装置和方法
CN103424428A (zh) * 2013-06-05 2013-12-04 浙江工商大学 一种基于电子鼻的猪肉新鲜度快速检测方法
CN103630698A (zh) * 2013-12-03 2014-03-12 杭州协正信息技术有限公司 一种模仿动物嗅觉器官结构的立体电子鼻
CN104569056A (zh) * 2014-12-30 2015-04-29 天津大学 一种基于电子鼻技术的白酒识别便携设备
CN105866359A (zh) * 2016-04-04 2016-08-17 浙江理工大学 一种食用油品质检测系统
CN106153830A (zh) * 2016-08-11 2016-11-23 重庆大学 通用电子鼻系统及其检测方法
CN106443031A (zh) * 2016-09-30 2017-02-22 中南林业科技大学 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
CN108627619A (zh) * 2018-06-29 2018-10-09 华中农业大学 一种用于动物源性饲料新鲜度快速检测的便携式电子鼻
CN110849964A (zh) * 2019-11-27 2020-02-28 天津大学 一种用于qcm传感器阵列的气室
CN112285279A (zh) * 2020-09-21 2021-01-29 山东斯诺电子有限公司 一种具有集成温度补偿技术的恶臭气体检测仪

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101026388B (zh) * 2007-01-31 2010-05-19 威盛电子股份有限公司 无线通信系统的信道存储长度选择方法及装置
CN105044298B (zh) * 2015-07-13 2016-09-21 常熟理工学院 一种基于机器嗅觉的蟹类新鲜度等级检测方法
CN107590506B (zh) * 2017-08-17 2018-06-15 北京航空航天大学 一种基于特征处理的复杂设备故障诊断方法
CN108898050A (zh) * 2018-05-17 2018-11-27 广东工业大学 一种柔性材料加工设备辊轴性能指标计算方法
CN109580886A (zh) * 2018-12-27 2019-04-05 浙江大学 一种针对加工工艺优选茶香电子鼻传感器阵列的设计方法

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101074947A (zh) * 2007-06-27 2007-11-21 江苏大学 两类不同气体传感器阵列组合检测气味的方法和装置
CN103424428A (zh) * 2013-06-05 2013-12-04 浙江工商大学 一种基于电子鼻的猪肉新鲜度快速检测方法
CN103412002A (zh) * 2013-08-01 2013-11-27 浙江工商大学 一种食醋风味分析装置和方法
CN103630698A (zh) * 2013-12-03 2014-03-12 杭州协正信息技术有限公司 一种模仿动物嗅觉器官结构的立体电子鼻
CN104569056A (zh) * 2014-12-30 2015-04-29 天津大学 一种基于电子鼻技术的白酒识别便携设备
CN105866359A (zh) * 2016-04-04 2016-08-17 浙江理工大学 一种食用油品质检测系统
CN106153830A (zh) * 2016-08-11 2016-11-23 重庆大学 通用电子鼻系统及其检测方法
CN106443031A (zh) * 2016-09-30 2017-02-22 中南林业科技大学 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
CN108627619A (zh) * 2018-06-29 2018-10-09 华中农业大学 一种用于动物源性饲料新鲜度快速检测的便携式电子鼻
CN110849964A (zh) * 2019-11-27 2020-02-28 天津大学 一种用于qcm传感器阵列的气室
CN112285279A (zh) * 2020-09-21 2021-01-29 山东斯诺电子有限公司 一种具有集成温度补偿技术的恶臭气体检测仪

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于光谱技术的支持向量机判别牛肉新鲜度;马世榜 等;《食品安全质量检测学报》;20121231;第3卷(第6期);第603-607页 *

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