CN211877911U

CN211877911U - 用于汽车内饰材料气味等级评价的便携式电子鼻系统

Info

Publication number: CN211877911U
Application number: CN201922383417.1U
Authority: CN
Inventors: 孟庆浩; 靳荔成; 李祺; 李智卿
Original assignee: Chongzhi Intelligent Technology Tianjin Co ltd
Current assignee: Chongzhi Intelligent Technology Tianjin Co ltd
Priority date: 2019-12-26
Filing date: 2019-12-26
Publication date: 2020-11-06
Anticipated expiration: 2029-12-26

Abstract

本实用新型涉及一种用于汽车内饰材料气味等级评价的便携式电子鼻系统，包括电磁阀，微型气泵，微型气室，传感器阵列，处理板和扩展板，其特征在于，待测气体通过电磁阀和微型气泵接入到微型气室；微型气泵与微型气室的入口相连；传感器阵列包括贴片式气体传感器和直插式气体传感器；微型气室置于传感器阵列的上方，入口比出口的位置更低，以便于贴片式气体传感器与待测气体的充分接触。本实用新型具有价格低，便携性的特点。

Description

用于汽车内饰材料气味等级评价的便携式电子鼻系统

技术领域

本专利涉及车内空气质量检测和电子鼻技术领域，特别是涉及一种面向汽车内饰材料的质量检测与气味等级客观评价的电子鼻技术。

背景技术

随着人们生活质量的提高，拥有汽车的人群数量越来越大，汽车已渐渐成为家庭生活的必备，而市场对汽车质量的要求也越来越高，其中车内挥发性有机化合物(VolatileOrganic Compounds,VOCs)含量已成为消费者和汽车企业共同关注的焦点之一。VOCs大多具有刺激性甚至毒性，长时间吸入VOCs会对人体的健康造成伤害。汽车内饰材料散发的气味为车内VOCs的主要来源，目前世界范围内的知名汽车生厂商均对汽车的内饰材料进行严格的 VOCs控制。因此，快速、准确地对汽车内饰材料的气味等级进行客观评价具有重要的理论意义和实际应用价值。

针对汽车内饰材料气味等级评价的方法不尽相同，目前主流方法包括：(1)基于专业培训的嗅辨人员的主观评价方法。此法一般聘请多位经过专业培训的嗅辨人员嗅闻车内气味，每位嗅辨人员基于主观感受给出气味等级评分，通过对多位评测人员的评分结果进行处理，然后给出车内气味等级的综合评价。此法因个体差异性会导致打分结果比较分散；另外，主观评价方法还容易受个体的身体状况、感情因素等影响；还有，此法一般不适合连续长时间评测，即一个专业评测人员一次不能评价太多，否则会造成身体和嗅觉疲惫，影响评价效果。 (2)凭借专业分析仪器进行车内气味等级评价。此法一般需使用体积较大、价格昂贵的专业分析仪器对车内气味进行系统地分析和评测，操作不便，等待时间较长，且评价成本高。

Fedoruk等(Fedoruk MJ,Kerger BD.Measurement of volatile organiccompounds inside automobiles[J].Journal of Exposure Analysis&EnvironmentalEpidemiology,2003,13:31-41) 使用IP-1B方法下的90分钟时间加权平均采样法进行采样，使用气相色谱和质谱分析仪 (GC-MS)检测汽车在静态(停放，不通风)和特定操作条件下(使用空调驾驶车辆、驾驶员半开窗户等)的VOCs具体类型和浓度，然后比较了所用汽车在不同状态下各类VOCs 的浓度差别。该文使用GC-MS的优点是可以定性、定量的检测出VOCs浓度，但价格昂贵，且无法实现便携和在线检测。

专利201721655703.3(一种汽车内饰件气味测试装置，重庆长安汽车股份有限公司)公开了一种汽车内饰件气味测试装置，该装置包括恒温功能密封箱体及位于密封箱体内的嗅辩袋。该专利涉及的是一个车内气味测试装置，用于专业嗅辨人员使用。

专利201711253923.8(一种检测VOC气味强度等级和气味浓度等级的装置及方法，北京卡达克数据有限公司，广州汽车集团乘用车有限公司)提供了一种检测VOC气味强度等级和气味浓度等级的装置及方法。所提装置包括VOC气体调控装置、动物嗅辨装置、传感装置及信号采集处理装置。所提方法选用动物代替嗅辨员作为VOC气味评价主体。该专利并未采用便携式电子鼻系统采集和处理车内材料挥发气味，所提装置用于动物嗅辨使用。

近几年，随着电子鼻技术的快速发展，研究人员开始将其用于汽车内饰材料气味的检测。

徐耀宗等(徐耀宗,崔晨,童丽萍,刘雪峰,徐树杰.用于车用材料VOC在线分析的便携式电子鼻设计[J].汽车实用技术,2017(23):14-16+19)利用光离子化检测器(PID)和自主设计的挥发性有机化合物采集装置组成的便携式电子鼻实现了车用材料VOC的在线检测。此法采用单一PID传感器检测检测车内VOCs总量，PID传感器价格昂贵，且无法识别多种气体。

实用新型内容

本专利目的是给出一种可用于汽车内饰材料气味等级评价的便携式电子鼻系统，具有便携性、价格低和测量较为准确的特点，再辅以软件算法，可以实现更为客观的评价。技术方案如下：

一种用于汽车内饰材料气味等级评价的便携式电子鼻系统，包括电磁阀，微型气泵，微型气室，传感器阵列，处理板和扩展板，其特征在于，

电磁阀设置有待测气体入口，电磁阀通过微型气泵接入到微型气室；

微型气泵与微型气室的入口相连；

传感器阵列包括贴片式气体传感器和直插式气体传感器；

微型气室置于传感器阵列的上方，入口比出口的位置更低，以便于贴片式气体传感器与待测气体的充分接触。

进一步地，更靠近入口侧的贴片式气体传感器和直插式气体传感器。

进一步地，在贴片式气体传感器和直插式气体传感器之间固定有挡板，用以强制气流上升，使得待测气体能够与直插式气体传感器充分接触。

进一步地，电磁阀采用二位三通型，用于气路切换，电磁阀还设置有洁净空气入口，电磁阀的出口连接到微型气泵。

进一步地，电磁阀的控制端通过扩展板与处理板相连接，通过调节电磁阀的控制端实现在采集待测气体和使用洁净空气清洗气路两种模式之间转换。

本实用新型的便携式电子鼻系统，再辅以软件算法，主要优点及特色体现在如下几个方面：

1.体积小：所提便携式电子鼻系统具有体积小的优点，相比现有的分析仪器具有很好的便携性。

2.价格低：所提电子鼻系统价格低廉，整个系统没有贵重部件，更适合普及推广。

3.客观性：专业嗅辨人员只在训练阶段参与一次，以后不再参与；这样一方面可保证气味等级评价的客观性，另一方面可减轻人力和物力(需要辅以软件算法实现)。

4.覆盖面宽：便携式电子鼻传感器系统是在分析多种车内材料散发气味的基础上经过优化选择多个广谱型气体传感器的基础上确定的，可保证检测气体的全面性，这样不会局限于某一种或者某几种汽车内饰材料的气味检测和评价。

附图说明

图1便携式电子鼻系统原理框图

图2三通电磁阀示意图

图3微型气室结构示意图

图4传感器阵列结构示意图

图5微型气室与传感器阵列配合图

图6训练和识别流程

表1所选用的8个MOS型传感器信息表

表2气味等级评价标准

表3不同分类算法在不同材料下的分类正确率

具体实施方式

本实用新型的用于汽车内饰材料气味等级评价的便携式电子鼻系统包括测量部分和控制部分，如图1所示。测量部分包括待测气体1，洁净空气2，电磁阀3，微型气泵4，微型气室5，和传感器阵列6等部分，控制部分包括触摸屏7，处理板8(含评价算法)，和扩展板9等部分组成。

电磁阀3采用二位三通型，用于气路切换，图2给出了电磁阀3的功能说明。其中，标号10和11为两个入口，分别接通待测气体和洁净空气，出口12连接到微型气泵4，13是控制端，控制信号来自扩展板9。通过调节控制端13可实现在采集待测气体和使用洁净空气清洗气路两种模式之间转换。电磁阀3，微型气泵4，和微型气室5之间通过软管连接。软管选用不释放VOCs的材料，避免对待测气体造成干扰。软管的长度需尽量短，从而可减少外界环境中的气味、温度等因素对电子鼻的影响，同时也可减小整个电子鼻系统的体积。

微型气室5置于传感器阵列6的上方，入口与微型气泵4相连，出口排出待测气体或空气。图3给出了微型气室的结构图，包括入口14，挡板15，固定螺丝用通孔16，和出口17。微型气室的结构设计遵循体积小、待测气体与传感器阵列接触充分、便于清洗三个原则。体积小一方面可减小电子鼻系统体积，提高便携性，另一方面也可减少用气量，降低成本，同时还可以使待测气体与传感器阵列充分接触，保证传感器阵列如实反映待测气体成分和浓度信息；便于清洗是便携式电子鼻可测试不同待测材料气味的前提；为了保证对每种材料检测的准确性，气室内不能有待测气体残留。采用流体力学仿真软件分析气室内气流状态，综合考虑气室内气流速度、压力、残留等指标实现对气室结构的优化。

图3入口较低，这个设计是为了让待测气体与贴片式气体传感器充分接触，因贴片式气体传感器体积小、高度低(图4中标号18所指为贴片式气体传感器区域)，如果入口设计过高，则待测气体无法与贴片式气体传感器充分接触。为了让待测气体与高度更高的直插式气体传感器(图4中标号20所指为直插式气体传感器区域)充分接触，设计挡板15，这样可以强制气流上升，使之达到传感器阵列6中的直插式传感器上表面高度(图5标号21所指为直插式气体传感器上表面)，减少了从直插式气体传感器两边通过的气体量，从而达到待测气体与传感器之间接触充分的效果。

微型传感器阵列6由多个气体传感器组成，如图4所示。在传感器阵列中，18所指区域为多个贴片式气体传感器，19是与微型气室固定时使用的通孔，20所指区域为多个直插式气体传感器，其高度比贴片式传感器高。选择价格低、广谱型(即对多种气体敏感，比如金属氧化物半导体型气体传感器)气体传感器。广谱型气体传感器具有造价低、响应速度快等优点，因此可实现快速、低成本地检测与评价车内材料气味；另外，汽车内饰材料散发的是由多种气体形成的混合气味，采用广谱型传感器可以更加全面地对其进行分析。传感器阵列6包含的传感器数量及种类需根据待测车内气体的化学成分进行优化，从而达到采用更少的气体传感器种类和数量实现对更多种类汽车内饰材料气味等级进行评价的目的。

图5给出了微型气室与传感器阵列配合图。气流通过14所指入口进入18所指的贴片式气体传感器区域，然后遇到15所示的挡板后强制上升，进入直插式气体传感器区域，直插式气体传感器和待测气体在传感器上方接触(如21所示)，气体最终通过17所示的出口流出。

控制部分集成了相关的硬件驱动程序，用于数据处理以及气味等级评价算法的程序。触摸屏7显示人机交互界面，使用者可通过触摸屏7对便携式电子鼻进行控制、设置采样参数、查看气体传感器阵列6的响应曲线等信息。在处理板8中集成了软件开发环境和气味等级评价算法。扩展板9用于控制电磁阀3，微型气泵4，与微型气室5中的气体传感器阵列6进行数据交换。

基于便携式电子鼻系统对汽车内饰材料的气味等级进行评价包括训练阶段和在线评价两个步骤。

训练阶段包括：1)制作气体样本。选择多种不同品质的汽车常见内饰材料制作气体样本；将气体样本放入集气袋中，并将集气袋放入烘箱中加热一段时间；接着将集气袋放入恒温环境中静置一段时间；然后用气泵抽出一部分气体用于专业嗅辨人员使用，剩下的气体用于便携式电子鼻系统检测。2)在恒温环境中由多位专业嗅辨人员对制作好的集气袋中样本气体进行主观评价，使用人工嗅辨得出的等级作为该样本的气味等级标签。3)在恒温环境中使用便携式电子鼻系统对样本气体进行检测，将传感器响应作为训练样本；电子鼻传感器数据处理包括数据预处理、特征提取和归一化，以及气味等级分类。归一化后的数据和该样本的气味等级标签(手动输入到电子鼻中)将保存在电子鼻系统中，供电子鼻系统在线评价使用。

在线评价过程如下：1)将待测材料放入集气袋并置于烘箱中加热一段时间；接着，放入恒温环境静置以获得待测气体；2)使用训练好的电子鼻系统进行检测，通过电子鼻系统的触摸屏选择分类算法进行在线评价。电子鼻系统自动对待测气体的响应数据进行预处理和分类，然后在屏幕上显示出待识别气体的气味等级。

下面结合实施例对本实用新型进行说明。为了对采集到的信号做滤波放大处理、模/数转换以及其他功能，处理板8采用BBB开发板，扩展板9采用BBB扩展电路板(简称为BBB扩展板)，BBB扩展板通过MCU接口和触摸屏7连接，并通过控制微型气泵4和电磁阀3抽取气体以及切换不同的气路。传感器阵列6的响应通过杜邦线传输到BBB扩展板，经过滤波放大处理、模/数转换后被传输到BBB开发板中进行存储和评价。依据本专利技术方案实施的便携式电子鼻系统内部主要部件，各部件之间通过特氟龙软管连接。

按照本专利给出的技术方案，选择6种常见的具有代表性的内饰材料作为样本，即PU 皮，PVC皮，脚垫，坐垫，发泡材料和橡胶条，基于这些常见材料释放VOCs的测量，采用变异系数和相关系数两种方法对传感器阵列进行优化，最终确定了8个广谱型气体传感器组成阵列，如表1所示。其中，MiCS5524、TGS8100、CCS801为贴片式气体传感器，其余 5个为直插式气体传感器。气体传感器阵列布局参考图4，微型气室设计参考图3，传感器阵列与微型气室的安装参考图5。

基于便携式电子鼻系统对汽车内饰材料气味等级评价的具体实施步骤如下：

1)选择6种常见的内饰材料(即PU皮，PVC皮，脚垫，坐垫，发泡材料和橡胶条) 作为样本。每种内饰材料都寻找不同质量的材料若干(质量较好材料散发的VOC浓度较低，质量不好材料散发的VOC浓度较高)，将其裁剪成固定大小，放在20L的特氟龙气袋中，再将气袋中充入10L空气，然后将装有样品材料的气袋放入60℃的烘箱中加热30min。

2)将经过加热处理后的样本气体冷却到室温，再将原始集气袋放入恒温环境中静置20 分钟，使用气泵抽出5L气体到另外一个集气袋中，送给经过专业培训的嗅辨人员进行等级评价。每袋气体需要至少3位嗅辨人员共同进行等级评价，最终综合3位人员评价结果确定该袋气体等级，作为后续电子鼻分类时的标签信息，气味等级评价标准如表2所示。最终每种材料可获得6个等级的样本气体。

3)在恒温环境中使用所述电子鼻系统对剩余的气体进行检测，将数据作为训练样本。电子鼻系统所用的传感器为经过筛选的传感器阵列，保证传感器之间相似性较低且传感器自身比较稳定。将检测后的数据按照图6所示流程进行数据处理。具体处理步骤如下：

首先，对硬件电路噪声采用中值滤波进行平滑。中值滤波将某一点的值设定为该点邻域窗口L内所有点的中值，通过让相邻值接近真实值来消除孤立的噪声点，如式(1)所示

y(i)＝Median{x(i-N),…,x(i),…,x(i+N)} (1)

上式中，x(i)为位于窗口中心的传感器响应值，y(i)是更新后的窗口中心值，N为正整数，代表中值滤波的窗口长度半径，L＝2N+1。

其次，采用Savitzky-Golay滤波对MOS型传感器自身的响应值波动做进一步处理，如式(2)所示：

y＝a₀+a₁x+a₂x²+…+a_k-1x^k-1 (2)

上式中，a_i(i＝1,…,k-1)为多项式系数，y为拟合值。采用k-1次多项式对滤波窗口内数据点进行拟合，求出多项式系数后再将中间点代入方程作为滤波后的值。

然后，对处理好的传感器响应数据进行特征提取。本专利将差值(数据最大值与基准值的差)和一阶微分最大值作为特征，对以浓度为主要差别的气体，差值和一阶微分最大值是比较容易体现差别的两种特征。所用电子鼻系统共有8个传感器，从每个传感器的响应曲线中提取两个特征，得到16维的特征向量，采用主成分分析法(PCA)进行特征降维。PCA是一种可以在信息损失较小的前提下将高维数据转换到低维的一种方法。本专利设定降至10维。将降维后的数据进行归一化后与数据的标签保存成txt文件放入电子鼻系统文件中，供电子鼻内部程序分类时使用。

表1

表2

等级	1	2	3	4	5	6
							描述	很难察觉	轻微察觉	容易识别	明显	强烈	不能忍受

表3

4)将待测材料与样本材料做相同的处理，放入特氟龙集气袋中再加热处理，使用电子鼻检测，然后通过电子鼻屏幕上的界面选择材料种类以及分类识别算法。本专利所述电子鼻系统提供了三种分类算法，分别是支持向量机(SVM)，K-近邻法(KNN)以及最小二乘法 (PLS)。在屏幕上点击识别按键，电子鼻系统中的程序会自动使用选择的算法进行分类，针对刚刚检测的材料种类和数据进行等级评价。表3给出了三种算法的识别结果。

Claims

1.一种用于汽车内饰材料气味等级评价的便携式电子鼻系统，包括电磁阀，微型气泵，微型气室，传感器阵列，处理板和扩展板，其特征在于，

微型气泵与微型气室的入口相连；

传感器阵列包括贴片式气体传感器和直插式气体传感器；

2.根据权利要求1所述的电子鼻系统，其特征在于，与直插式气体传感器相比，贴片式气体传感器更靠近微型气室的入口侧。

3.根据权利要求2所述的电子鼻系统，其特征在于，在贴片式气体传感器和直插式气体传感器之间固定有挡板，用以强制气流上升，使得待测气体能够与直插式气体传感器充分接触。

4.根据权利要求1所述的电子鼻系统，其特征在于，电磁阀采用二位三通型，用于气路切换，电磁阀还设置有洁净空气入口，电磁阀的出口连接到微型气泵。

5.根据权利要求1所述的电子鼻系统，其特征在于，电磁阀的控制端通过扩展板与处理板相连接，通过调节电磁阀的控制端实现在采集待测气体和使用洁净空气清洗气路两种模式之间转换。

6.根据权利要求1所述的电子鼻系统，其特征在于，电磁阀，微型气泵和微型气室之间通过软管连接。

7.根据权利要求1所述的电子鼻系统，其特征在于，传感器阵列包含的传感器数量及种类需根据待测车内气体的化学成分进行优化后确定。

8.根据权利要求1所述的电子鼻系统，其特征在于，还包括触摸屏。