CN113447618B - 多传感器电子鼻的阶梯形气室、双进样检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子鼻技术领域，具体公开了一种多传感器电子鼻的阶梯形气室、双进样检测系统及方法，该阶梯形气室中的气室空腔部分设计成阶梯形，并按照线性规划问题，求得最佳的气室阶梯高度和长度，有效缩小了气室空间，提升检测精度；该气室进气口和出气口不在同一水平面上，使得与空气密度差异性大的载气可以快速压出空气。该双进样检测系统及方法，通过合理设计气流通路和控制线路，及对应的控制步骤，既可实现对样本加工过程中(加工前、加工后)的气味数据的在线实时收集，又能对这些气味数据进行实时分析，可直接用于评价茶叶品质，且该检测系统基于上述阶梯形气室，检测的精度更高，使分析的结果更准确。
Description
技术领域
本发明涉及电子鼻技术领域，尤其涉及一种多传感器电子鼻的阶梯形气室及基于该阶梯形气室的一种双进样检测系统及基于该检测系统的一种双进样检测方法。
背景技术
目前基于多传感器设计的电子鼻气室结构，大多都是按照最高的传感器的高度设计为规则容器，这种情况会大大浪费气室的空间体积，降低传感器的检测效率。样本的加工过程中的状态参数与样本的品质息息相关，例如茶叶在加工过程中，杀青的温度、时长等因素会直接影响茶叶的品质，但目前的气体检测系统无法同时采集样本加工前后的数据，实现对样本加工过程中的气味数据的在线实时收集。
发明内容
本发明提供一种多传感器电子鼻的阶梯形气室、双进样检测系统及方法，解决的的技术问题在于：如何最优设计电子鼻气室的空间结构，以节省其空间体积，提高传感器的检测效率，以及如何改进气体检测系统，能够同时采集样本加工前后的数据，并实现对这些数据的在线收集与分析。
为节省电子鼻气室的空间体积，以提高传感器的检测精度，本发明提供一种多传感器电子鼻的阶梯形气室，包括安装主体1，所述安装主体1的侧壁上相对设置有进气口2和出气口3，所述安装主体1的上端面开设有检测口4，所述安装主体1的内部镂空形成与所述进气口2、出气口3以及检测口4相通的气室，所述安装主体1的上端面通过电路板5密封，在所述电路板5的下端面安装有与所述检测口4相匹配的多个气体传感器6，每个气体传感器6的下端通过所述检测口4伸入所述气室中，所述气室的室壁跟随气体的流动方向设置为阶梯形，所述气室的各个阶梯的长度与高度根据多个所述气体传感器6而设置为使所述气室的体积最小。
优选的，设置所述气室的目标方程为：
s.t.(Li,Hi)＝(li,hi)
其中，V表示所述气室的体积，Li、Hi分别为所求所述气室中第i阶梯的长度与高度，W为每个阶梯的宽度，其中li、hi分别为根据多个所述气体传感器6的外形、个数及在所述电路板5上的布局而利用线性规划问题所得的第i阶梯的最佳长度和最佳高度，m≥1。
优选的，所述气室的室壁跟随气体的流动方向设置为下阶梯形，所述进气口2高于所述出气口3。
优选的，所述电路板5与所述安装主体1之间设置有第一密封垫圈7，所述电路板5的上方通过密封压圈8固定在所述安装主体1上。
优选的，所述密封压圈8通过紧固螺丝10固定，在所述电路板5与所述密封压圈8之间还设置有第二密封垫圈9。
优选的，所述安装主体1的底部设置有加热片11；所述气室的内壁镀有特氟龙保护涂层。
本发明提供的一种多传感器电子鼻的阶梯形气室，气室空腔部分设计成阶梯形，具体是按照线性规划问题，求得与传感器的高度、宽度匹配的最佳阶梯高度和长度，从而得到体积最小、利用率最高的传感器气室，与规整的电子鼻系统气室相比可以提升检测精度，即对于相同的气体该气室的传感器响应变化要大于气室主体下方规整的气室；该气室进气口和出气口不在同一水平面上，使得与空气密度差异性大的载气可以快速压出空气。
为了能够同时采集样本加工前后的数据并进行实时在线分析，本发明还提供一种双进样检测系统及方法。该系统包括气流通路；所述气流通路包括顺序连通的阶梯形气室、质量流量控制器MFC、气泵和出气口，还包括第一三通电磁阀T1、第二三通电磁阀T2和过滤器，所述阶梯形气室采用上述方案中的阶梯形气室；所述第二三通电磁阀T2的第一进气端和第二进气端分别用于接入加工前气体样本和加工后气体样本，其出气端连接所述第一三通电磁阀T1的第一进气端；所述第一第三通电磁阀T1的第二进气端用于通过所述过滤器接入背景空气，其出气端连接所述阶梯形气室的进气口2。
该系统还包括控制线路；所述控制线路包括：
IO控制板，连接所述第一三通电磁阀T1、所述第二三通电磁阀T2、所述质量流量控制器MFC、所述气泵，用于控制其工作；
调理板电路，连接所述阶梯形气室中的多个所述气体传感器6，用于获取每个所述气体传感器6的测量参数；
数据采集卡，连接所述调理板电路，用于采集所述调理板电路获取的测量参数；
上位机，连接所述数据采集卡，用于通过所述数据采集卡获取每个所述气体传感器6的测量参数并进行数据分析；连接所述IO控制板，用于通过所述IO控制板控制所述第一三通电磁阀T1、所述第二三通电磁阀T2、所述质量流量控制器MFC、所述气泵工作；连接所述质量流量控制器MFC，用于设定所述质量流量控制器MFC的流量值。
基于该系统，本发明还提供一种双进样检测方法，包括步骤：
S1：基线数据采集：按需求设定所述质量流量控制器MFC的流量值，控制所述第一三通电磁阀T1的第一进气端关闭、第二进气端打开，开启所述气泵，根据设定的时间进行基线数据采集；
S2：加工前样本数据采集：按需求设定所述质量流量控制器MFC的流量值，控制所述第一三通阀电磁阀T1的第一进气端打开、第二进气端关闭，第二三通电磁阀T2的第一进气端打开、第二进气端关闭，所述气泵的状态保持不变，根据设定的时间进行加工前的样本数据采集；
S3：第一次清洗：按需求设定所述质量流量控制器MFC的流量值，控制所述第一三通电磁阀T1的第一进气端关闭、第二进气端打开，所述气泵的状态保持不变，根据设定的时间进行对所述气流通路的第一次清洗；
S4：加工后样本数据采集：按需求设定所述质量流量控制器MFC的流量值，控制所述第一三通阀电磁阀T1的第一进气端打开、第二进气端关闭，控制所述第二三通阀电磁阀T2的第一进气端关闭、第二进气端打开，所述气泵的状态保持不变，根据设定的时间进行加工后的样本数据采集；
S5：第二次清洗：按需求设定所述质量流量控制器MFC的流量值，控制所述第一三通电磁阀T1的第一进气端关闭、第二进气端打开，所述气泵的状态保持不变，根据设定的时间进行对所述气流通路的第二次清洗。
进一步地，在所述步骤S1、S2、S3、S4、S5中，还包括：控制对所述阶梯形气室进行加热，以适用于金属氧化物气体传感器。
本发明提供的一种双进样检测系统及方法，通过合理设计气流通路和控制线路，及对应的控制步骤，既可实现对样本加工过程中(加工前、加工后)的气味数据的在线实时收集，又能对这些气味数据进行实时分析，可直接用于评价茶叶品质，且该检测系统基于上述阶梯形气室，检测的精度更高，使分析的结果更准确。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的多传感器电子鼻的阶梯形气室的竖直截面图；
图2是本发明实施例1提供的多传感器电子鼻的阶梯形气室的俯视图；
图3是本发明实施例1提供的多传感器电子鼻的阶梯形气室的水平截面图；
图4是本发明实施例2提供的双进样检测系统的架构图。
附图标记包括：1-安装主体，2-进气口，3-出气口，4-检测口，5-电路板，6-气体传感器，7-第一密封垫圈，8-密封压圈，9-第二密封垫圈，10-紧固螺丝，11-加热片，12-第一子气室，13-第二子气室，T1-第一三通电磁阀，T2-第二三通电磁阀，MFC-质量流量控制器。
具体实施方式
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
实施例1
为节省电子鼻气室的空间体积，以提高传感器的检测精度，本发明实施例提供一种多传感器电子鼻的阶梯形气室，如图1、2所示，包括安装主体1，安装主体1的侧壁上相对设置有进气口2和出气口3，安装主体1的上端面开设有检测口4，安装主体1的内部镂空形成与进气口2、出气口3以及检测口4相通的气室，安装主体1的上端面通过电路板5密封，在电路板5的下端面安装有与检测口4相匹配的多个气体传感器6，每个气体传感器6的下端通过检测口4伸入气室中，气室的室壁跟随气体的流动方向设置为阶梯形，气室的各个阶梯的长度与高度根据多个气体传感器6而设置为使气室的体积最小。
具体的，设置气室的目标方程为：
s.t.(Li,Hi)＝(li,hi)
其中，V表示气室的体积，Li、Hi分别为所求气室中第i阶梯的长度与高度，W为每个阶梯的宽度，其中li、hi分别为根据多个气体传感器6的外形、个数及在电路板5上的布局而利用线性规划问题所得的第i阶梯的最佳长度和最佳高度，m≥1。
气室的室壁跟随气体的流动方向设置为下阶梯形，进气口2高于出气口3。
其中，图1、2是以m＝1为例。从图1可以看到，气室中仅有向下的一个阶梯，即整个气室被划分为了第一子气室12和第二子气室13，第一子气室12的长和高分别为L0、H0，第二子气室13的长和高分别为L1、H1。如图1所示，高度基本一致的气体传感器6则被划分在同一个子气室中。如图3所示的另一种示例，设置气室时根据一组气体传感器6的整体长度和高度进行合理布局，使每个子气室中不存在大的空区域，结构较为紧凑，以充分节省空间。
为了得到较好的气密效果，如图1、2所示，电路板5与安装主体1之间设置有第一密封垫圈7，电路板5的上方通过密封压圈8固定在安装主体1上。密封压圈8通过紧固螺丝10固定，在电路板5与密封压圈8之间还设置有第二密封垫圈9。
需要说明的是，根据实际需求，在其他的实施方式中，m可大于等于2，即设有3个以上子气室。
为了适用于金属氧化物气体传感器，安装主体1的底部设置有加热片11。
综上，本实施例提供的一种多传感器电子鼻的阶梯形气室，气室空腔部分设计成阶梯形，并按照线性规划问题，求得最佳的气室阶梯高度和长度，有效缩小了气室空间，提高了气室利用率，与规整的电子鼻系统气室相比可以提升检测精度，即对于相同的气体该气室的传感器响应变化要大于气室主体下方规整的气室；该气室进气口和出气口不在同一水平面上，使得与空气密度差异性大的载气可以快速压出空气。
实施例2
为了能够同时采集样本加工前后的数据并进行实时在线分析，本发明还提供一种双进样检测系统及一种双进样检测方法。
首先，如图4所示，该双进样检测系统设有气流通路；气流通路包括顺序连通的阶梯形气室(实施例1所示)、质量流量控制器MFC、气泵和出气口，还包括第一三通电磁阀T1、第二三通电磁阀T2和过滤器。第二三通电磁阀T2的第一进气端和第二进气端分别用于接入加工前气体样本和加工后气体样本，其出气端连接第一三通电磁阀T1的第一进气端；第一三通电磁阀T1的第二进气端用于通过过滤器接入背景空气，其出气端连接阶梯形气室的进气口2。
其次，如图4所示，该双进样检测系统还设有用于控制气流通路并在线分析实验数据的控制线路。具体的，该控制线路包括：
IO控制板，连接第一三通电磁阀T1、第二三通电磁阀T2、质量流量控制器MFC、气泵，用于控制其工作；
调理板电路，连接阶梯形气室中的多个气体传感器6，用于获取每个气体传感器6的测量参数；
数据采集卡，连接调理板电路，用于采集调理板电路获取的测量参数；
上位机，连接数据采集卡，用于通过数据采集卡获取每个气体传感器6的测量参数并进行特征提取及数据分析并输出样本的定性分析结果或定量分析结果；连接IO控制板，用于通过IO控制板控制第一三通电磁阀T1、第二三通电磁阀T2、质量流量控制器MFC、气泵工作；连接质量流量控制器MFC，用于设定质量流量控制器MFC的流量值，以控制气路中气体的流速。
其中，上位机通过USB集线器连接数据采集卡(设有对应的USB接口)、质量流量控制器MFC(设有对应的USB接口)，通过网口连接IO控制板。
对应上述检测系统的检测方法则包括步骤：
S1：基线数据采集：按需求设定质量流量控制器MFC的流量值，控制第一三通电磁阀T1的第一进气端关闭、第二进气端打开，开启气泵，根据设定的时间进行基线数据采集；
S2：加工前样本数据采集：按需求设定质量流量控制器MFC的流量值，控制第一三通阀电磁阀T1的第一进气端打开、第二进气端关闭，第二三通电磁阀T2的第一进气端打开、第二进气端关闭，气泵的状态保持不变，根据设定的时间进行加工前的样本数据采集；
S3：第一次清洗：按需求设定质量流量控制器MFC的流量值，控制第一三通电磁阀T1的第一进气端关闭、第二进气端打开，气泵的状态保持不变，根据设定的时间进行对气流通路的第一次清洗；
S4：加工后样本数据采集：按需求设定质量流量控制器MFC的流量值，控制第一三通阀电磁阀T1的第一进气端打开、第二进气端关闭，控制第二三通阀电磁阀T2的第一进气端关闭、第二进气端打开，气泵的状态保持不变，根据设定的时间进行加工后的样本数据采集；
S5：第二次清洗：按需求设定质量流量控制器MFC的流量值，控制第一三通电磁阀T1的第一进气端关闭、第二进气端打开，气泵的状态保持不变，根据设定的时间进行对气流通路的第二次清洗。
当然，若阶梯形气室中设有金属氧化物气体传感器，则在步骤S1、S2、S3、S4、S5中，还包括：控制对阶梯形气室进行加热，一般是加热并维持在70℃。
综上，本实施例提供的一种双进样检测系统及方法，通过合理设计气流通路和控制线路，及对应的控制步骤，既可实现对样本加工过程中(加工前、加工后)的气味数据的在线实时收集，又能对这些气味数据进行实时分析，可直接用于评价茶叶品质，且该检测系统基于实施例1所示阶梯形气室，检测的精度更高，使分析的结果更准确。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.多传感器电子鼻的阶梯形气室，包括安装主体(1)，所述安装主体(1)的侧壁上相对设置有进气口(2)和出气口(3)，所述安装主体(1)的上端面开设有检测口(4)，所述安装主体(1)的内部镂空形成与所述进气口(2)、出气口(3)以及检测口(4)相通的气室，所述安装主体(1)的上端面通过电路板(5)密封，在所述电路板(5)的下端面安装有与所述检测口(4)相匹配的多个气体传感器(6)，每个气体传感器(6)的下端通过所述检测口(4)伸入所述气室中，其特征在于：
所述气室的室壁跟随气体的流动方向设置为阶梯形，所述气室的各个阶梯的长度与高度根据多个所述气体传感器(6)而设置为使所述气室的体积最小；
设置所述气室的目标方程为：
s.t.(Li,Hi)＝(li,hi)
其中，V表示所述气室的体积，Li、Hi分别为所求所述气室中第i阶梯的长度与高度，W为每个阶梯的宽度，其中li、hi分别为根据多个所述气体传感器(6)的外形、个数及在所述电路板(5)上的布局而利用线性规划问题所得的第i阶梯的最佳长度和最佳高度，m≥1。
2.根据权利要求1所述的多传感器电子鼻的阶梯形气室，其特征在于：所述气室的室壁跟随气体的流动方向设置为下阶梯形，所述进气口(2)高于所述出气口(3)。
3.根据权利要求1所述的多传感器电子鼻的阶梯形气室，其特征在于：所述电路板(5)与所述安装主体(1)之间设置有第一密封垫圈(7)，所述电路板(5)的上方通过密封压圈(8)固定在所述安装主体(1)上。
4.根据权利要求3所述的多传感器电子鼻的阶梯形气室，其特征在于：所述密封压圈(8)通过紧固螺丝(10)固定，在所述电路板(5)与所述密封压圈(8)之间还设置有第二密封垫圈(9)。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的多传感器电子鼻的阶梯形气室，其特征在于：所述安装主体(1)的底部设置有加热片(11)；所述气室的内壁镀有特氟龙保护涂层。
6.一种双进样检测系统，其特征在于：包括气流通路；所述气流通路包括顺序连通的阶梯形气室、质量流量控制器(MFC)、气泵和出气口，还包括第一三通电磁阀(T1)、第二三通电磁阀(T2)和过滤器，所述阶梯形气室采用权利要求1～5任一项所述基于多传感器电子鼻的阶梯形气室；所述第二三通电磁阀(T2)的第一进气端和第二进气端分别用于接入加工前气体样本和加工后气体样本，其出气端连接所述第一三通电磁阀(T1)的第一进气端；所述第一第三通电磁阀(T1)的第二进气端用于通过所述过滤器接入背景空气，其出气端连接所述阶梯形气室的进气口(2)。
7.根据权利要求6所述的一种双进样检测系统，其特征在于：还包括控制线路；所述控制线路包括：
IO控制板，连接所述第一三通电磁阀(T1)、所述第二三通电磁阀(T2)、所述质量流量控制器(MFC)、所述气泵，用于控制其工作；
调理板电路，连接所述阶梯形气室中的多个所述气体传感器(6)，用于获取每个所述气体传感器(6)的测量参数；
数据采集卡，连接所述调理板电路，用于采集所述调理板电路获取的测量参数；
上位机，连接所述数据采集卡，用于通过所述数据采集卡获取每个所述气体传感器(6)的测量参数并进行数据分析；连接所述IO控制板，用于通过所述IO控制板控制所述第一三通电磁阀(T1)、所述第二三通电磁阀(T2)、所述质量流量控制器(MFC)、所述气泵工作；连接所述质量流量控制器(MFC)，用于设定所述质量流量控制器(MFC)的流量值。
8.一种双进样检测方法，基于权利要求6～7任一项所述双进样检测系统，其特征在于，包括步骤：
S1：基线数据采集：按需求设定所述质量流量控制器(MFC)的流量值，控制所述第一三通电磁阀(T1)的第一进气端关闭、第二进气端打开，开启所述气泵，根据设定的时间进行基线数据采集；
S2：加工前样本数据采集：按需求设定所述质量流量控制器(MFC)的流量值，控制所述第一三通阀电磁阀(T1)的第一进气端打开、第二进气端关闭，第二三通电磁阀(T2)的第一进气端打开、第二进气端关闭，所述气泵的状态保持不变，根据设定的时间进行加工前的样本数据采集；
S3：第一次清洗：按需求设定所述质量流量控制器(MFC)的流量值，控制所述第一三通电磁阀(T1)的第一进气端关闭、第二进气端打开，所述气泵的状态保持不变，根据设定的时间进行对所述气流通路的第一次清洗；
S4：加工后样本数据采集：按需求设定所述质量流量控制器(MFC)的流量值，控制所述第一三通阀电磁阀(T1)的第一进气端打开、第二进气端关闭，控制所述第二三通阀电磁阀(T2)的第一进气端关闭、第二进气端打开，所述气泵的状态保持不变，根据设定的时间进行加工后的样本数据采集；
S5：第二次清洗：按需求设定所述质量流量控制器(MFC)的流量值，控制所述第一三通电磁阀(T1)的第一进气端关闭、第二进气端打开，所述气泵的状态保持不变，根据设定的时间进行对所述气流通路的第二次清洗。
9.根据权利要求8所述的一种双进样检测方法，其特征在于，在所述步骤S1、S2、S3、S4、S5中，还包括：控制对所述阶梯形气室进行加热，以适用于金属氧化物气体传感器。
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| CN113447618A (zh) | 2021-09-28 |
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