CN114965872B - 一种多传感器数据融合的电子鼻及方法 - Google Patents
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Abstract
一种多传感器数据融合的电子鼻及方法,设置有主动呼吸式检测机构和固定式检测机构;其中所述固定式检测机构设置有固定座,在该固定座的中部设置有安装座,该安装座上设置有所述主动呼吸式检测机构,在所述固定座侧边均匀分布设置有气体测量腔室。本发明电子鼻整体结构紧凑牢固,组装方便,固定式检测机构与可旋转伸缩的主动呼吸式仿生电子鼻组合,能提供多传感器数据;固定式检测机构中每一个测量气室具有两个半导体式气体传感器,可形成差分信号;测量气室的结构保护,测量气室的结构可保护入口处的气味羽流不发生突变。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测技术领域,具体涉及一种多传感器数据融合的电子鼻及方法。
背景技术
电子鼻技术响应时间短、检测速度快,不像其它仪器,如气相色谱传感器、高效液相色谱传感器需要复杂的预处理过程;能检测一些人鼻不能够检测的气体,如毒气或一些刺激性气体。并且在图形认知设备的帮助下,其特异性大大提高,传感器材料的发展也促进了其重复性的提高,并且随着生物芯片、生物技术的发展和集成化技术的提高及一些纳米材料的应用,电子鼻将会有更广阔的应用前景。
现有的气体检测装置,结构复杂,成本高昂,一个电子鼻检测的气体有限,并且往往不具备气味源的识别,浓度检测等功能。
发明内容
本发明针对现有技术的不足,提出一种结构简单,操作方便,适应不同高度,不同方向气体的检测的一种多传感器数据融合的电子鼻,具体技术方案如下:
一种多传感器数据融合的电子鼻,设置有主动呼吸式检测机构(1)和固定式检测机构(2);
其中所述固定式检测机构(2)设置有固定座(21),在该固定座(21)的中部设置有安装座(22),该安装座(22)上设置有所述主动呼吸式检测机构(1),在所述固定座(21)侧边均匀分布设置有气体测量腔室(23)。
作为优化:所述安装座(22)上可伸缩调节的安装有所述主动呼吸式检测机构(1)。
作为优化:所述主动呼吸式检测机构(1)设置有L形的检测腔体(101),在该检测腔体(101)的进风口设置有风量调节机构(102),在该风量调节机构(102)的出风端设置有过滤机构(103),在该过滤机构(103)的出风端设置扇叶机构(113),在该扇叶机构(113)的出风端设置有吹气机构(104),在该吹气机构(104)的出风端分布设置有气体检测传感器(105),在气体检测传感器(105)的出风端设置有温湿度传感器(106);
所述检测腔体(101)的另外一端为出风口,该出风口对准所述固定座(21)的中部;
所述检测腔体(101)弯折位置外壁通过第一高度调节机构(107)与转动电机(108)的输出轴连接,该转动电机(108)安装在所述安装座(22)上;
在所述检测腔体(101)的另外一端设置有第二高度调节机构(109),该第二高度调节机构(109)与第一高度调节机构(107)对应设置。
作为优化:在所述检测腔体(101)弯折位置的内壁上设置有参比气室机构(111),在该参比气室机构(111)内壁设置有参比检测传感器(112),且该参比检测传感器(112)与所述气体检测传感器(105)规格相同,该参比气室机构(111)一端设置有进气口,该进气口与标准气源连通,另一端设置有排气口。
作为优化:所述吹气机构(104)为氮气储存瓶。
作为优化:所述气体测量腔室(23)设置有U形腔室(2301),且U形腔室(2301)第一通道截面积大于第二通道,所述第一通道的进气口设置有过滤网(2302),在该过滤网(2302)的出气端设置有吸气机构(2303),在该吸气机构(2303)的出风端设置有第一气体传感器(2304);
在所述第二通道的侧壁上设置有旁通口(2305),在该旁通口(2305)和第二通道出气口之间设置有第二气体传感器(2306)。
作为优化:所述检测腔体(101)的截面为方形结构。
所述多传感器数据融合的电子鼻的方法,具体步骤为:
步骤一:原始测量信号输入;
步骤二:高斯卷积平滑处理,去除高频噪声;
步骤三:求信号导数,具体为序列数据点的差分;
步骤四:计算指数加权移动平均数,得到时间序列yt;
步骤五:计算时间序列yt的微分;
步骤六:使用3σ准则估计振幅阈值;
步骤七:输出经过处理的特征信号。
作为优化,方法所采用的系统为:
设置有MCU信号处理单元,该MCU信号处理单元的输入端连接有数模转换单元,该数模转换单元的输入端连接有电子鼻原始模拟信号采集单元;
所述MCU信号处理单元的第一输出端输出原始信号数据,第二输出端输出经过处理的特征信号,该第一输出端和所述第二输出端分别连接有RS232通讯模块、串口通讯模块和SPI通讯模块。
本发明的有益效果为:
1、电子鼻整体结构紧凑牢固,组装方便,固定式检测机构与可旋转伸缩的主动呼吸式仿生电子鼻组合,能提供多传感器数据。
2、固定式检测机构中每一个测量气室具有两个半导体式气体传感器,可形成差分信号;测量气室的结构保护,测量气室的结构可保护入口处的气味羽流不发生突变,能有效抵抗外界湍流对气室的影响。
3、主动呼吸式检测机构,其中测量气室入口直径可调,风扇前端装有一层防尘风阻罩,减少外界自然湍流和灰尘对测量腔内的影响。
4、、主动呼吸式检测机构腔内风扇后端置有一个圆形吹扫器,吹扫器入口连接带有电磁气阀的小型气瓶,具体可采用氮气瓶,用于吹扫功能,加快传感器的恢复速度。
5、主动呼吸式检测机构腔内截面为方形,方形的每一条边放置一个高灵敏气体传感器,一共四个,同时设置一个温湿度传感器,后端有一个参比气室,内部放置一个相同规格的气敏传感器,参比气室内充满参比气体。
6、主动呼吸式检测机构排气管朝下,减少对入口处烟羽的影响。
7、主动呼吸式检测机构中步进电机上端部分与排气管连接,可实现手动同步伸缩,从而实现仿生电子鼻的高度调节。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中固定式检测机构的结构示意图。
图3为本发明中主动呼吸式检测机构的结构示意图。
图4为本发明中气体测量腔室的结构示意图。
图5为本发明中方法的流程示意图。
图6为本发明中系统结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述,以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解,从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1所示:一种多传感器数据融合的电子鼻,设置有主动呼吸式检测机构1和固定式检测机构2;
如图2所示:其中固定式检测机构2为设置有固定座21,该固定座21为圆柱形,在该固定座21的中部设置有通孔24,在通孔24中通过连接支撑25设置有安装座22,该安装座22与通孔24内壁为空腔结构,在安装座22上设置有主动呼吸式检测机构1,在固定座21侧边均匀分布设置有四个气体测量腔室23。
如图3所示:主动呼吸式检测机构1设置有L形的检测腔体101,该检测腔体101的截面为方形结构,在该检测腔体101的进风口设置有风量调节机构102,该调节机构102在本实施例中可采用调节阀门,手动调节阀门开度,实现进风量的调节;
在该风量调节机构102的出风端设置有过滤机构103,在该过滤机构103的出风端设置扇叶机构113,在该扇叶机构113的出风端设置有吹气机构104,吹气机构104为氮气储存瓶,开启氮气储存瓶喷嘴阀门,用于吹扫功能,加快传感器的恢复速度;
在吹气机构104的出风端分布设置有气体检测传感器105,在气体检测传感器105的出风端设置有温湿度传感器106;
所述检测腔体101的另外一端为出风口,该出风口对准固定座21的中部空腔位置;
所述检测腔体101弯折位置外壁通过第一高度调节机构107与转动电机108的输出轴连接,该转动电机108安装在所述安装座22上,其中第一高度调节机构107采用滑动伸缩机构,或者采用金属波纹管结构,实现手动调节高度,转动电机108采用步进电机调节;
在检测腔体101的另外一端设置有第二高度调节机构109,该第二高度调节机构109与第一高度调节机构107对应设置,并且结构相同。
在检测腔体101弯折位置的内壁上设置有参比气室机构111,在该参比气室机构111内壁设置有参比检测传感器112,且该参比检测传感器112与所述气体检测传感器105规格相同,该参比气室机构111一端设置有进气口,该进气口与标准气源连通,另一端设置有排气口。
风量调节机构102处进风口大小可调,提供小范围定向吸气功能;过滤机构103具有风阻结构,目的是为了减少外界气流对腔内的影响,同时具有一定防尘、过滤的效果;扇叶机构113是可调速风扇,提供吸力,将外界的气体吸入腔内;吹气机构104连接小型氮气瓶,用于吹扫功能,加快传感器的恢复速度;气体检测传感器105是气体传感器,检测特定气体,特点是响应速度快,但是不能确定具体气体组分,并且价格较贵,一圈布置四个传感器;温湿度传感器106是温湿度传感器,用于测量腔内环境的温湿度;参比气室机构111是参比气室,内置一个规格与气体检测传感器105相同的气体检测传感器,上端充气,下端放气,冲入标准气体后堵住两个出入口;第一高度调节机构107是手动调节可伸缩部分,可以在一定范围内调节电子鼻的高度,同时第二高度调节机构109也要根据电子鼻的高度进行调节,保证导气管的出口位置和通孔24中的空腔位置对准。
如图4所示:气体测量腔室23设置有U形腔室2301,且U形腔室2301第一通道截面积大于第二通道,所述第一通道的进气口设置有过滤网2302,在该过滤网2302的出气端设置有吸气机构2303,该吸气机构2303具体为风扇机构,产生负压,在该吸气机构2303的出风端设置有第一气体传感器2304;
在第二通道的侧壁上设置有旁通口2305,在该旁通口2305和第二通道出气口之间设置有第二气体传感器2306。
吸气机构2303中的风扇提供一定的吸力,将外部气体吸入气室进行测量,过滤网2302是滤网,具有一定的防尘效果,保护气室内部的传感器,有效延长传感器的使用寿命。第一气体传感器2304和第二气体传感器2306采用半导体式气体传感器,它是利用一些金属氧化物半导体材料,在一定温度下,电导率随着环境气体成份的变化而变化的原理制造。该传感器上升时间短,但是恢复时间相对较长,所以对气味源追踪的速度有较大的影响。为了提高该气体传感器恢复速度,本设计直接将半导体金属体进行裸露处理,并且利用吸气机构2303带动气流,产生气流“轰击”效果,能够有效的缩短该气体传感器的恢复时间,从而提高传感器整体响应速度。第一通道截面积大于第二通道,目的是将流动的气体进行一定比例的压缩,推动一部分气体从旁通口2305释放,留下另外一部分气体通过第二通道出气口进行排放,第二气体传感器2306测量被释放一部分后的气体浓度,具体气室通道尺寸需要根据流体学仿真结果进行设计。从第二通道出气口排出的气体浓度设计理论上只保留1/2,在一定程度上保护了进风口的羽流不受到严重的破坏。吸气机构2303转速可调,方便调控气流大小。
如图5所示:上述多传感器数据融合的电子鼻的方法,具体步骤为:
步骤一:原始测量信号输入,原始测量信号指传感器采集的,未经过处理的数据;
步骤二:高斯卷积平滑处理,去除高频噪声,具体为
Ssmooth=S*Gσ
Ssmooth代表处理完成后的信号,S是原始数字信号,*代表卷积,Gσ代表高斯滤波器,为了降低MCU的数据处理压力,提高信号处理速度,使用IIR数字滤波器完成平滑滤波操作;
步骤三:求信号导数,具体为序列数据点的差分,具体为
xt=St-St-1
St代表t时刻经过高斯卷积平滑处理的信号,St-1代表t-1时刻经过高斯卷积平滑处理的信号,xt代表t时刻所求的信号导数,即对序列数据进行差分处理;
步骤四:计算指数加权移动平均数,得到时间序列yt;具体为
yt=(1-α)·yt-1+α(xt-xt-1)
在半衰期τhalf(即半峰时间)下没通过计算指数加权移动平均数(EWMA)对导数进行泄漏积分操作,相当于用指数核进行卷积操作,其中,
步骤五:计算时间序列yt的微分,具体为求振幅上升数“Rise Numbers”(RNS),通过求t时刻的yt导数y′t获取RNS的值:
y′t=yt-yt-1
当y′≥0时,代表一次“RNS”,定义bt,则有:
bt=1, y′≥0
bt=0,other
bt从0到1代表一次“RNS”的开始,持续到bt变为0,我们只需要求出一段时间内“RNS”,便可以估计气味源的相对距离。距离越远,“RNS”值越小,相反越大;
步骤六:使用3σ准则估计振幅阈值;θamp=μ+3σblank(单位:V/s)σblank为气体阵发空白期间振幅的标准差;μ为平均振幅,通过θamp值可过滤假经过处理的特征信号数,简单来说就是结果过滤作用,最终输出经过处理的特征信号值;
步骤七:输出经过处理的特征信号。
如图6所示:上述多传感器数据融合的电子鼻的方法所采用的系统为:
设置有MCU信号处理单元,该MCU信号处理单元的输入端连接有数模转换单元,该数模转换单元的输入端连接有电子鼻原始模拟信号采集单元;
所述MCU信号处理单元的第一输出端输出原始信号数据,第二输出端输出经过处理的特征信号,该第一输出端和所述第二输出端分别连接有RS232通讯模块、串口通讯模块和SPI通讯模块。
Claims (6)
1.一种多传感器数据融合的电子鼻,其特征在于:设置有主动呼吸式检测机构(1)和固定式检测机构(2);
其中所述固定式检测机构(2)设置有固定座(21),在该固定座(21)的中部设置有安装座(22),该安装座(22)上设置有所述主动呼吸式检测机构(1),在所述固定座(21)侧边均匀分布设置有气体测量腔室(23);
所述主动呼吸式检测机构(1)设置有L形的检测腔体(101),在该检测腔体(101)的进风口设置有风量调节机构(102),在该风量调节机构(102)的出风端设置有过滤机构(103),在该过滤机构(103)的出风端设置扇叶机构(113),在该扇叶机构(113)的出风端设置有吹气机构(104),在该吹气机构(104)的出风端分布设置有气体检测传感器(105),在气体检测传感器(105)的出风端设置有温湿度传感器(106);
所述检测腔体(101)的另外一端为出风口,该出风口对准所述固定座(21)的中部;
所述检测腔体(101)弯折位置外壁通过第一高度调节机构(107)与转动电机(108)的输出轴连接,该转动电机(108)安装在所述安装座(22)上;
在所述检测腔体(101)的另外一端设置有第二高度调节机构(109),该第二高度调节机构(109)与第一高度调节机构(107)对应设置;
在所述检测腔体(101)弯折位置的内壁上设置有参比气室机构(111),在该参比气室机构(111)内壁设置有参比检测传感器(112),且该参比检测传感器(112)与所述气体检测传感器(105)规格相同,该参比气室机构(111)一端设置有进气口,该进气口与标准气源连通,另一端设置有排气口;
所述气体测量腔室(23)设置有U形腔室(2301),且U形腔室(2301)第一通道截面积大于第二通道,所述第一通道的进气口设置有过滤网(2302),在该过滤网(2302)的出气端设置有吸气机构(2303),在该吸气机构(2303)的出风端设置有第一气体传感器(2304);在所述第二通道的侧壁上设置有旁通口(2305),在该旁通口(2305)和第二通道出气口之间设置有第二气体传感器(2306)。
2.根据权利要求1所述多传感器数据融合的电子鼻,其特征在于:所述安装座(22)上可伸缩调节的安装有所述主动呼吸式检测机构(1)。
3.根据权利要求1所述多传感器数据融合的电子鼻,其特征在于:所述吹气机构(104)为氮气储存瓶。
4.根据权利要求1所述多传感器数据融合的电子鼻,其特征在于:所述检测腔体(101)的截面为方形结构。
5.根据权利要求1-4任一权利要求所述多传感器数据融合的电子鼻的方法,其特征在于,具体步骤为:
步骤一:原始测量信号输入;
步骤二:高斯卷积平滑处理,去除高频噪声;
步骤三:求信号导数,具体为序列数据点的差分;
步骤四:计算指数加权移动平均数,得到时间序列yt;
步骤五:计算时间序列yt的微分;
步骤六:使用3σ准则估计振幅阈值;
步骤七:输出经过处理的特征信号。
6.根据权利要求5所述多传感器数据融合的电子鼻的方法,其特征在于,方法所采用的系统为:
设置有MCU信号处理单元,该MCU信号处理单元的输入端连接有数模转换单元,该数模转换单元的输入端连接有电子鼻原始模拟信号采集单元;
所述MCU信号处理单元的第一输出端输出原始信号数据,第二输出端输出经过处理的特征信号,该第一输出端和所述第二输出端分别连接有RS232通讯模块、串口通讯模块和SPI通讯模块。
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