CN214310516U - 活塞式挥发性有机物电子鼻检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及活塞式挥发性有机物电子鼻检测装置，包括气流控制系统、气敏传感器阵列，单片机；所述气流控制系统设置有质量流量控制器、电磁阀、恒温控制器、步进电机以及用于富集气体挥发物同时可排除残余气体的活塞式气室；本发明的活塞气室弥补传统气室不能排除气室内底气干扰的缺点，可以排除气室内残余底气，并将气室内气压控制在1.5个标准大气压以上来富集挥发性有机物，提高了被测疾病相关的呼出气体潜在标志物浓度；在出气口处增加尾气处理装置，以分解呼出气体中的有机物。使用属于不同类别的气敏传感器组成差异化传感器阵列，通过交叉响应的模式检测呼出气体中的挥发性有机物。

Description

活塞式挥发性有机物电子鼻检测装置

【技术领域】

本发明涉及电子鼻探测技术，具体涉及活塞式挥发性有机物电子鼻检测装置。

【背景技术】

2018年，全球约有1810万新增癌症病例，960万癌症死亡病例，其中，肺癌是癌症人数最多的(占癌症总人数的11.6％)并且在癌症死亡人数占据首位(占癌症总死亡人数的18.4％)，累计发病风险为2.75％。随着生存环境逐渐恶化，癌症特别是肺癌的发病率呈上升的趋势，发展中国家尤为明显，给当地医疗系统造成了巨大的负担。据报道，在中国，2018年新增癌症病例428万，其中286万例癌症患者死亡，约占该年全球癌症发病和死亡的23.7％和 30.0％(中国人口约占全球总人口的18.6％)，其中，肺癌和乳腺癌分别位于男女性癌症发病的首位。由于肺癌在早期并无明显的临床症状，同时缺乏有效的早期肺癌筛查方法，肺癌患者五年生存率约为18％。及早发现肺癌并采取有效的治疗方式，患者5年生存率能得到极大提高(对于Ⅰ期的肺癌患者，通过手术对肿瘤切除后，5年生存率达到75％)。

常用于肺癌筛查的检查方法：X射线检查、电子计算机断层扫描(CT)、正电子发射断层成像技术(PET)、核磁共振断层扫描(MRI)等。X射线检查方法是肺癌筛查的有效、经济的检查方法，但是存在辐射风险，作为高危人群筛查技术可能造成二次伤害。这些技术在诊断能力、辐射风险、操作技术难度、诊断价格等方面的问题使得想要大范围推广肺癌筛查面临困难。

基于呼气中的挥发性气体(VOCs)的疾病诊断因其具有无创、操作简单、检查费用低廉等优点成为研究的热点。目前已经从呼气中检测出3000多种挥发性有机化合物，人体如同一台精密又复杂的生化仪器，新陈代谢的过程中产生各种生化成分，经血液循环在体内流动，并通过呼气或者其他途径排出体外，而运行异常的人体仪器产生的的气体成分发生变化，因此，人们可以通过分析呼气成分监测和诊断人体疾病。

电子鼻以特定的传感器阵列和模式识别系统快速获取被测样本气体的整体信息，电子鼻系统无创、操作简单、检查费用低廉等优点使得在疾病诊断上具有广泛的应用前景。当前电子鼻主要存在以下问题：1.不能消除气室内底气干扰；2.只针对单一标志物的电子鼻得到的结果往往不够客观；3.电子鼻系统主要使用同种类型或者相同响应模式下的多气敏传感器阵列往往只能得到相似的响应结果，不利于后续数据处理；4.温湿度会影响传感器阵列的检测结果，而传统的电子鼻系统不具有温湿度补偿功能。

【发明内容】

针对当前电子鼻系统存在的缺陷，本发明提出活塞式挥发性有机物电子鼻检测装置，通过活塞式气室可以富集待测呼出气体同时排出气室内底气以消除残余气体干扰，来提高待测气体浓度，提高传感器检测准确度；此外使用多个属于不同类别的气敏传感器组成差异化传感器阵列，通过交叉响应的模式检测呼出气体；再通过恒温湿度处理来使电子鼻系统具备温湿度补偿功能。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：活塞式挥发性有机物电子鼻检测装置，设置有气流控制系统、气敏传感器阵列，单片机；所述气流控制系统设置有质量流量控制器、电磁阀、干燥器、步进电机以及用于富集气体挥发物同时可排除残余气体的活塞式气室；气敏传感器与单片机连接，所述气敏传感器位于活塞式密闭气室内，气敏传感器阵列设置有气敏传感器‘温湿度传感器、气压传感器；所述单片机设置有单片机最小系统电路、单片机外围电路；所述单片机外围电路设置有电源电路、ADC数据采集器、步进电机控制器、恒温控制器、数据存储电路。

在优选实施例中，所述气室内的气压被控制单元控制在1.5个标准大气压以上。

活塞式挥发性有机物电子鼻检测装置的气流控制系统设置有质量流量控制器、电磁阀、干燥器、步进电机以及用于富集气体挥发物同时可排除残余气体的活塞式气室。

活塞式挥发性有机物电子鼻检测装置，能够通过控制步进电机运转来控制活塞运动，从而进行气室内底气与污染气体的排除与样本气体进气的工作，此外，气室通过压力差来进行进出气，因此在气室结构上，为避免气室嵌入传感器孔包含过量气体，气室设计为长方体，在四周倒圆角来减少磨损以及增加气密性。在活塞结构上采用迷宫密封的机械结构，并加上聚四氟乙烯耐磨环，即可减少磨损增加气密性，也可防止外部污染。

所述气敏传感器单元优选对被测疾病相关的呼出气体潜在标记物敏感的气敏传感器，同时使用多个属于不同类别的气敏传感器组成差异化传感器阵列，通过交叉响应的模式检测呼出气体来提高系统准确度。

活塞式气室设计，可以富集气体挥发物同时可排除残余气体，可以降低电子鼻探测系统对气敏传感器灵敏度的要求，节约成本。

本发明活塞式挥发性有机物电子鼻检测装置的检测过程为：进样前，先经过恒温控制系统使整个活塞气室温度恒定，控制活塞抽入纯净的氮气清洗气室以及气敏传感器，并控制活塞排出气室内残余气体；进样时，气敏传感器信号采集模块传输采集信号，上位机实时显示经温湿度补偿校正后的气敏传感器输出信号；进样完成后，关闭进出气口，通过活塞运动增加气室内压力至1.5个标准大气压以上，待气敏传感器响应稳定后，继续在上位实时显示传感器输出信号；信号采集完成后，保存传感器检测数据，打开进出气口，排出样本气体；通过检测的传感器阵列采集数据，对数据进行预处理，特征提取，分类训练，分类识别等操作来对待测疾病进行筛查。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果:

1、本发明具有恒温控制系统以及温湿度补偿功能，而温湿度变化是传感器响应值的最大干扰因素，因此本发明可以提高传感器阵列检测结果的精确度。

2、本发明的活塞气室结构采用长方体结构，来减少嵌入传感器的空隙，采用活塞式结构可以富集气体挥发物同时可排除气室内残余气体。在气室四周倒圆角以及活塞采用迷宫密封，加上聚四氟乙烯耐磨环均可减少磨损增加气密性，同时防止外部污染。

3、本发明选用气敏传感器阵列是根据待测疾病呼出气体潜在标记物来确定，并且选择多个属于不同类别的气敏传感器组成差异化传感器阵列，通过交叉响应的模式检测呼出气体，一次提高检测精确度。

4、气室内的被测气体控制在1.5个标准大气压以上，提高了气体挥发物与气敏传感器反应部件的接触反应浓度，降低电子鼻系统对气敏传感器灵敏度的要求，增加了气敏传感器的可选择性。

5、本发明的活塞式挥发性有机物电子鼻检测装置还包括上位机传感器数据显示界面，通过此软件界面可以实时显示传感器检测数据，使检测结果可视化。

6、本发明的气室由不锈钢材料制成，同时在气室内层涂有聚四氟乙烯材料，大大减小了仪器本身对检测结果带来的影响。

7、本发明的气室结构相对复杂，但功能强大，而且整个气室体积较小，保留了传统电子鼻系统检测速度快，使用方便，性能稳定，便携等优点。

【附图说明】

图1为本发明活塞式挥发性有机物电子鼻检测装置的活塞气室的结构平面图；

图2为本发明活塞式挥发性有机物电子鼻检测装置的气路结构示意图；

图3为为本发明活塞式挥发性有机物电子鼻检测装置的工作流程图

图4为本发明活塞式挥发性有机物电子鼻检测装置的电路控制图；

图1至图4中：

1—气室底座、2—支撑板a、3—左盖板、4—气室、5—活塞、6—活塞杆、7—固定销、8—联轴器、9—右盖板、10—电机推杆、11—支撑板b、12—样本气体、13—电磁阀(a,b)、14—质量流量控制器(MFC)、15—三通阀、16—尾气处理装置、17—活塞气室、18—嵌入式控制单元、19—电源、20—上位机显示与存储、21—气压传感器、22—步进电机、23—气敏传感器阵列、24—温湿度补偿单元、25—温度传感器、26—恒温控制单元

【具体实施方式】

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示为本发明说设计的活塞式气室，1、气室底座；2、支撑板a；3、左盖板；4、气室；5、活塞；6、活塞杆；7、固定销；8、联轴器；9、右盖板；10、步进电机；11、支撑板b；

气室底座与支撑板a2和支撑板b11通过螺丝固定连接，左盖板3以及右盖板9通过精密机械加工与气室4匹配，并通过螺丝固定，左右盖板间均加入无味密封垫增强密封性；活塞 5结构上采用机械式迷宫密封，同时在密封槽内加入聚四氟乙烯耐磨环；活塞5通过活塞杆6 以及联轴器8与电动推杆9连接，固定销7用与固定活塞杆7与联轴器8；气室4上按气敏传感器探头尺寸精密打上传感器嵌入孔，在嵌入气敏传感器的同时能够加强密封性，同时在气室外壁与传感器连接处加上密封圈；整个气室的进出气均通过控制电动推杆从而控制活塞运动，根据压力差原理进行通气与排气。

本发明活塞式挥发性有机物电子鼻检测装置设置有气流控制系统，用于检测气压的气压传感器21，用于进出气的活塞5和电机推杆10，用于获取被测气体挥发物信息的气敏传感器阵列23，用于控制电子鼻系统温湿度的恒温控制系统26，用于整套电子鼻系统自动控制，信号采集、信号处理数据存储与传输的嵌入式控制单元18，用于气流控制的质量流量控制器14 以及以及电源模块19.上位机显示与存储20和电磁阀(进气电磁阀13a，出气电磁阀13b)。

气敏传感器阵列23主要由不低于10个气敏传感器组成，且使用多个不同类别的气敏传感器，通过交叉响应的模式检测呼出气体。例如：研究表明，在肺癌筛查中，肺癌的潜在挥发性气体标志物分别是苯乙烯、癸烷、异戊二烯、苯、十一烷、1-己烯、己醛、丙基苯、1,24—三甲基苯、庚醛、甲基环戊烷等，因此可以选择对上述几种物质敏感的不低于10个的传感器组成的气敏传感器阵列23。

气敏传感器阵列23容易受温湿度影响，故本发明引入温湿度补偿单元24，采用两个温湿度传感器的温度中值线性补偿。同时加上恒温控制单元26，通过嵌入式控制单元18实时检测电子鼻温度，并根据PID原理对加热片进行恒温控制。

本发明的气流控制系统包括电磁阀13，用于控制气路的开关，包括进样通道电磁阀13a 及排气通道电磁阀13b，由嵌入式控制单元22控制电磁阀的通断；气管，用于连接气流控制系统各部件以及输送气体。质量流量控制器(MFC)14，用于控制气路通气质量与流量。

本发明的嵌入式控制单元18包括STM32芯片，以及与芯片连接的步进电机10和电磁阀 13控制电路、信号传输电路、滤波电路、显示电路。嵌入式控制单元18主要用于电子鼻系统的自动控制与信号传输、处理、气压控制、数据处理等功能。

本发明活塞式挥发性有机物电子鼻检测装置的过程分为五个阶段：

1、进气阶段：气流控制系统中的电机推杆10通过活塞杆6来拉动活塞5，通过压力差进行样本进气，在此过程中进气电磁阀13a打开，出气电磁阀13b关闭，通过MFC14控制进样的质量与流量，当电机拉动活塞到活塞式气室的右盖板9时，电机停止运动，等待数秒，待气室压力与装样本气体的泰德拉气袋内压力差一致时，关闭进气电磁阀13a此阶段完成。

2、压缩富集阶段：电机推杆10推动活塞5向左盖板3运动压缩富集气体，气压传感器 21实时检测气室内压力值，当气室内压力值大于1.5个标准大气压时，电机停止运动，此阶段完成。

3、气体检测阶段：活塞式气室内气压值稳定，嵌入式控制单元18传输由气敏传感器阵列23检测的信号至上位机显示与存储20，上位机软件实时显示传感器浓度曲线、温湿度、气压值，此阶段完成。

4、排气阶段：打开出气电磁阀13b，电机推杆10推动活塞5继续向左盖板运动排气，当活塞推至气室左盖板3时，气室内气体进入尾气处理装置16，此阶段完成。

5、整个过程，嵌入式控制单元18实时传输气敏传感器阵列23检测的信号至上位机软件，软件实时显示传感器浓度曲线、温湿度、气压值，再通过数据处理与分析以及模式识别等方法进行疾病筛查。

如图4所示，本发明活塞式挥发性有机物电子鼻检测装置由电源19向嵌入式控制单元 18、步进电机22、恒温控制单元26供电。由嵌入式控制单元18进行样本进样，数据采样，数据存储等。嵌入式控制单元18控制步进电机22进行进气和排气操作，实现样本检测以及传感器清洗；通过温度传感器25实时检测气室内温度，气敏传感器阵列23的采集信号经温湿度补偿单元优化后传输给嵌入式控制单元18，再由嵌入式控制单元18传输至上位机进行数据显示存储以及处理处理与分析。

本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本思想前提下，本发明还可以做出其他多种形式的等效修改、替换或变更，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.活塞式挥发性有机物电子鼻检测装置，其特征在于，该活塞式挥发性有机物电子鼻检测装置设置有气流控制系统、气敏传感器阵列，单片机；所述气流控制系统设置有质量流量控制器、电磁阀、恒温控制器、步进电机、尾气处理以及用于富集气体挥发物同时可排除残余气体的活塞式气室；气敏传感器与单片机连接，所述气敏传感器位于活塞式密闭气室内，气敏传感器阵列设置有气敏传感器、温湿度传感器、气压传感器；所述单片机设置有单片机最小系统电路、单片机外围电路；所述单片机外围电路设置有电源电路、ADC数据采集器、步进电机控制器、恒温控制器、数据存储与传输电路。

2.根据权利要求1所述的活塞式挥发性有机物电子鼻检测装置，其特征在于，所述气流控制系统，活塞通过联轴器与步进电机推杆连接，通过控制电机前进与后退来实现活塞式气室的进气与排气，且在气体检测阶段气室内的气压被控制在1.5个标准大气压以上。

3.根据权利要求1所述的活塞式挥发性有机物电子鼻检测装置，其特征在于，所述气室只设置一通气口，气口处接上微型三通气管，一为进气口，一为出气口，进、出气口均由单向电磁阀控制，进气口连接气体样本，出气口进行尾气处理。

4.根据权利要求1所述的活塞式挥发性有机物电子鼻检测装置，其特征在于，在气室内设置有检测气室内压力的气压传感器，所述气压传感器与控制单元连接。

5.根据权利要求1所述的活塞式挥发性有机物电子鼻检测装置，其特征在于，进气口可以通入待检测气体进行气体检测，也可通入纯净氮气进行气室清理，活塞气室内的空气底气可以被压缩排出。

6.根据权利要求1所述的活塞式挥发性有机物电子鼻检测装置，其特征在于，所述气室设计内壁为长方体形，四周倒圆角来减少磨损，以及增加密封性，四周内涂有聚四氟乙烯材料以防止制作材料带来污染。

7.根据权利要求1所述的活塞式挥发性有机物电子鼻检测装置，其特征在于，所述气室中的活塞由不锈钢材料制成，采用迷宫密封，并加上聚四氟乙烯耐磨环，可减少磨损增加气密性，同时可防止外部污染。

8.根据权利要求1所述的活塞式挥发性有机物电子鼻检测装置，其特征在于，气室内壁设计为光滑平面，再打孔嵌入气敏传感器，可减少孔内残余污染底气，在气室前后盖加上无挥发性密封垫，增加密封性同时防止引入新的污染气体。

9.根据权利要求1所述的活塞式挥发性有机物电子鼻检测装置，其特征在于，所述气敏传感器阵列由对与检测疾病相对应的挥发性气体标志物对应的气敏传感器组成，气敏传感器阵列检测数据，将数据上传至上位机软件进行数据处理及模式识别。

10.根据权利要求1所述的活塞式挥发性有机物电子鼻检测装置，其特征在于，还包括用于补偿环境温湿度变化对气敏传感器检测结果带来干扰的温湿度补偿单元，并且通过检测温度传感器的实时响应值，采用PID原理进行恒温控制。

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