压力富集式低量气体挥发物电子鼻探测系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及压力富集式低量气体挥发物电子鼻探测系统，包括气敏传感器单元、气流控制机构及控制单元，所述气流控制机构设有用于富集被测气体挥发物的气室，所述气敏传感器单元设置在所述气室内；所述控制单元分别与气敏传感器单元、气流控制机构连接，气室内的气压受控于控制单元。本发明将气室内的被测气体控制在2个标准大气压以上，提高了待检测的互益素等气体挥发性物质与气敏传感器反应部件的接触反应浓度，降低了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，降低了成本，解决了传统电子鼻系统因互益素等气体挥发性物质浓度低需要采用ppb级气敏传感器从而造价昂贵的技术问题。
【专利说明】压力富集式低量气体挥发物电子鼻探测系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及电子鼻探测技术，具体涉及压力富集式低量气体挥发物电子鼻探测系统。
【背景技术】
[0002]虫害在我国的发生和危害十分频繁和严重，对农作物、园林等方面造成了巨大的损害。例如:我国年均受害的水稻面积1.3?2X 107hm2，约占总种植面积的50%，导致水稻产量损失达10%以上。比治疗更有效的方式是预防，比事后补救更有效的方式是早期治疗。加强虫害发生早期的高效、快速检测研究一直是国内外学者致力研究的问题，至今尚未圆满解决。
[0003]目前已有的虫害检测方法有:人工检测、声特征检测、雷达检测、图像识别及光谱监测等。人工检测作为目前主要的虫情信息获取手段，主要通过盘拍、诱集等方法，运用人的感官人工地检测害虫；该方法检测效率低，检测成本高，劳动强度大且受取样优劣的影响大。其他机器检测方法在一定程度上降低了劳动强度，提高了检测效率，但由于虫害发生环境较复杂，受光照强度、害虫的迁移性、遮蔽性等因素影响较大，仍不能满足实际生产的需要。
[0004]据科学研究报道，植物在受到害虫的攻击时会释放某些特殊的气体挥发物，通常称作为互益素，用来趋避害虫并引起群体反应，以调节植物、害虫以及其天敌之间的相互关系，达到防御的目的。这为电子鼻在虫害实时监测上的运用提供了可行性。
[0005]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品的整体信息，指示样品的隐含特征。电子鼻系统测量时无需使用溶剂，分析速度快，且便于携带，与人类嗅觉相比，它不受主观因素影响，更客观，在虫害检测上具有广泛的应用前景。但传统的电子鼻系统是针对广泛的气体挥发物设计的，因此通常需要10个或以上的高灵敏度气敏传感器构成传感器阵列，且植物产生的互益素浓度较低，通常需要灵敏度为PPb级的传感器，价格非常昂贵，传感器的选择性小。另一方面，不同温湿度会给电子鼻的检测结果造成较大的影响，因为传统的电子鼻系统不具有温湿度补偿功能。
【发明内容】
[0006]本发明提供压力富集式低量气体挥发物电子鼻探测系统，以解决传统电子鼻系统因互益素浓度低需要采用PPb级气敏传感器从而造价昂贵的技术问题。
[0007]为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案:压力富集式低量气体挥发物电子鼻探测系统，包括气敏传感器单元、气流控制机构及控制单元，所述气流控制机构设有用于富集被测气体挥发物的气室，所述气敏传感器单元设置在所述气室内；所述控制单元分别与气敏传感器单元、气流控制机构连接，气室内的气压受控于控制单元。
[0008]在优选实施例中，所述气室内的气压被控制单元控制在2个标准大气压以上。
[0009]在优选实施例中，压力富集式低量气体挥发物电子鼻探测系统还包括设置在气室内用于检测气室内气压的气压传感器，所述气压传感器与控制单元连接。
[0010]优选地，所述气室设计为球形或为球形封头的圆筒形压力罐，气室外层由钛合金材料制成，气室内层涂有聚四氟乙烯材料。
[0011]所述气敏传感器单元优选由对被测气体挥发物最主要成分敏感的气敏传感器组成，以降低电子鼻探测系统对气敏传感器灵感度的要求，节约成本。
[0012]优选地，本发明电子鼻探测系统具有数据分析功能，所述控制单元根据气敏传感器单元的检测数据，计算出被测气体挥发物的浓度，以此推断出被测物当前所处的状态。
[0013]本发明压力富集式探测的过程为:进样前，用活性炭过滤器过滤后的空气清洗气室以及气敏传感器；进样时，实时显示经温湿度补偿单元校正后的气敏传感器的输出信号；采样后，当气室内的被测气体达到2个标准大气压以上时停止进样，待气敏传感器响应稳定后，将经过温湿度补偿单元校正后的气敏传感器响应值与经过活性炭过滤器过滤后的气敏传感器响应值的比值存储于存储单元中；计算气敏传感器的平均微分值，对比预先定制的不同气体挥发物浓度的各气敏传感器响应的平均微分标准值，得出被测物当前所处的状态。
[0014]本发明与现有技术相比，具有以下有益效果:
[0015]1、气室内的被测气体控制在2个标准大气压以上，提高了待检测的互益素等气体挥发性物质与气敏传感器反应部件的接触反应浓度，降低了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，降低了成本。
[0016]2、由于本发明根据对互益素等气体挥发性物质最主要成分的敏感程度进行了传感器的选优，无需像传统电子鼻系统那样通常需要10个或以上的气敏传感器组成阵列来完成对互益素的采集，降低了系统的复杂度和成本。
[0017]3、将多个模块安装在一个电子鼻盒体内，以干电池作为电源，避免了常规仪器对插座式电源的依赖，不需要再借助其它任何设备即可独自完成检测工作，携带更加方便，更加适应室外环境实时检测的需要。而且具有数据分析的功能，不需要把采样数据导入电脑进行分析的情况下也能自动完成简单的分析工作，使得操作更加简单。
[0018]4、由于本发明具有温湿度补偿功能，而温湿度变化是传感器响应值的最大干扰因素，因此本发明大大提高了检测结果的精确度。
[0019]5、本发明采用可移动的数据存数卡作为存储模块的主要部件，因此既可以对检测数据进行记忆，又可以将检测数据导入电脑作进一步分析与识别。
[0020]6、本发明的气室内层和气管均由对挥发性有机物吸附非常小的聚四氟乙烯材料制成，大大减小了仪器本身对检测结果带来的影响。
[0021]7、本发明保留了传统电子鼻系统检测速度快、使用方便、性能稳定等优点；相对传统电子鼻系统体积更小，重量更轻，功耗更小，抗干扰能力更强，可实现虫害发生情况的实时监测。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本发明的盒体式封装结构示意图；
[0023]图2为图1的内部结构示意图；
[0024]图3为气室内部结构示意图；
[0025]图4为本发明的电路控制原理图；
[0026]图5为不同富集压力下MQ-2气敏传感器响应值与气压变化之间的关系图。
【具体实施方式】
[0027]下面将结合实施例及附图，对本发明做进一步详细介绍，但本发明的实施方式不限于此。
[0028]参见图1-3，本发明压力富集式低量气体挥发物电子鼻探测系统主要包括:用于连接和控制气体流通的气流控制机构，用于检测气压的气压传感器403，用于获取被测气体挥发物信息的气敏传感器单元401，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402，用于整套电子鼻系统的自动控制与信号处理、显示、按键以及数据存储的嵌入式控制单元3，以及电源模块101、4个按键(开始按键104a、停止按键104b、保存按键104c及分析按键104d)、主板和显示屏102 ;所述气流控制机构、气压传感器、气敏传感器单元、温湿度补偿单元、嵌入式控制单元、电源模块及主板等所有模块均设置在电子鼻盒体I内。
[0029]气敏传感器单元401主要由不多于5个气敏传感器组成，选用对互益素(即被测气体挥发物)最主要成分敏感的气敏传感器。例如:研究表明，在植食者侵扰的棉花所释放的主要挥发性物质(即互益素)中鉴定出直链式Cll单萜(反)-4，8-二甲基-1，3，7-壬三烯和Cll单萜(3反，7反)-4，8，12-三甲基-1，3，7，11_十三烷四烯等，因此在对棉花病害虫检测时，可以选择分别对上述几种物质(单萜类、烯类等)敏感的不多于5个传感器构成气敏传感器单元401。
[0030]由于不同的植物受到害虫侵害时所释放的互益素成分有所差异，不同植物在受到害虫侵害时释放的同类别互益素成分含量多少的排序也不一定相同；因此气敏传感器可根据被测植物的不同而不同，以便进一步提高检测的准确性。
[0031]通常情况下气敏传感器单元401的性能较稳定，但易受到温湿度变化的影响。本发明引入温湿度补偿单元402，由与各气敏传感器温度系数和湿度系数相同或接近的温敏电阻和湿敏电阻分别与相应的气敏传感器串联而成。
[0032]本发明的气流控制机构包括:活性炭过滤器206，用于提供清洗气室与气敏传感器的洁净空气；气管，用于连接气流控制机构各部件以及输送气体，包括进样通道205a、清洗通道205b及排气通道205c ;电磁阀201，用于控制气路的开关，设置在气管中，包括进样通道电磁阀201a、清洗通道电磁阀201b及排气通道电磁阀201c ;单向阀203，控制气体的单向流动；气室204，连接在单向阀203与排气通道电磁阀201c之间，内置气敏传感器单元401、温湿度补偿单元402以及气压传感器403 ;气泵202，设置在单向阀203与进样通道电磁阀201a、清洗通道电磁阀201b之间，为输送气体时提供动力。其中气室204设计为抗气压能力较好的球形，其外层为抗压能力好的钛合金材料制成，气室204的内层和气管均由对挥发性有机物吸附非常小的聚四氟乙烯材料制成。
[0033]本发明的嵌入式控制单元3包括嵌入式芯片，以及分别与嵌入式芯片连接的按键控制电路、显示电路、数据存储电路及信号传输电路。嵌入式控制单元3主要用于电子鼻系统的自动控制与信号处理、显示、按键、气压控制、数据存储及模式识别等功能。
[0034]本发明低量气体挥发物富集的过程由气流控制机构中的气泵202、单向阀203、气室204和电磁阀201c，气压传感器403及嵌入式控制单元3来完成。设定各气敏传感器的初始值(经过活性炭过滤器过滤后的传感器电阻值)为1，水稻植株受到害虫侵害时释放的互益素与气敏传感器单元接触时，会使得各气敏传感器的电阻值发生改变，此时会得出一系列响应信号曲线，经过温湿度补偿系统后，将输出信号在显示屏中实时地显示出来。为实现对低量气体挥发物进行检测，当气泵202开始工作时，电磁阀201c关闭，被测气体挥发物通过单向阀203进入气室204，气室204内的气压开始上升，使得气体浓度逐渐增大，气压传感器403将气室内的气压值实时传送给嵌入式控制单元，当气室204内的气压达到5至10个标准大气压时，嵌入式控制单元控制气泵202停止工作，进气停止；待传感器响应稳定，将采样数据存储在存储卡中，对该响应信号曲线求平均微分值，与预先定制的不同互益素浓度的各传感器响应的平均微分标准值作对比，得出互益素的浓度，以此推断出水稻的受害程度，并通过显示屏显示出来。
[0035]如图3所示，本发明电子鼻探测系统由电源模块101对嵌入式控制单元3进行供电，通过按键104发出指令给嵌入式控制单元3进行传感器的清洗、数据采样、数据存储以及数据分析。由嵌入式控制单元3控制电磁阀与气泵202进行传感器的清洗和气体进样，气压传感器403将气室内的气压实时传送给嵌入式控制单兀3,气敏传感器单兀401的米样数据经温湿度补偿单元402进行校正后，传送给嵌入式控制单元3，再由嵌入式控制单元3传送给显示屏102以及存储单元103。优选地，所述电源模块101采用干电池。
[0036]本发明具体的使用方法如下:当按下start按键104a时,清洗通道电磁阀201b与排气通道电磁阀201c打开，进样通道电磁阀201a关闭，气泵202开始工作，清洗后的废气通过排气通道205c排出，该过程各气敏传感器的响应值实时显示在显示屏102上。90s后，气敏传感器的响应值归1，气敏传感器单元401与气室202的清洗工作完成，清洗通道电磁阀201b与排气通道电磁阀201c关闭，进样通道电磁阀201a打开，采样开始，该过程气敏传感器203与气压传感器207的响应值实时显示在显示屏102上，当气压传感器207的检测值达到5至10个标准大气压时，进样通道电磁阀201a关闭，气泵202停止抽气，进样工作完成。采样过程中可通过stop键104b对采样工作进行停止，当按下stop键104b时,进样通道电磁阀201a关闭，清洗通道电磁阀201b与排气通道电磁阀201c打开，待其气室204的气压恢复标准大气压时，气泵202开始工作，采样停止。待传感器响应值稳定后，采样通道电磁阀201a关闭，清洗通道电磁阀201b与排气通道电磁阀201c打开，待其气室204的气压恢复标准大气压时，气泵202开始工作。此时可选择性地按save键104c将采样数据进行保存与存储单元103中。也可直接按anal键104d对数据进行分析，得出互益素浓度并以此推测出受侵害程度。
[0037]本实施例以可燃气体、烟雾检测气敏传感器MQ-2对本发明的压力富集方法收集的烟雾气体的浓度值进行检测为例，分析不同气压下烟雾气体浓度的变化，从而对压力富集方法的可行性进行验证。
[0038]压力富集方法的实现以MQ-2可燃气体、烟雾检测模块代表本发明中的气敏传感器单元401，其浓度范围为300-10000ppm ;以STC12C5A60S2单片机及相关的控制电路代表本发明中的控制单元3;以4节干电池(1.5v/节)作为本发明的电源模块101 (6v);以香烟燃烧产生的烟雾与空气的混合物作为待测气体挥发物；塑料集气球，用于收集待测气体挥发物用于试验；以带气压表的集气罐分别代表本发明中的气压传感器403和气室204，用于收集不同气压的烟雾气体以及实时显示罐内气压值；抽气机代表本发明中的气泵202，向集气罐或集气球内抽入气体；以电脑代表本发明中的显示屏102，用于显示MQ-2检测模块检测到的烟雾气体的浓度。无线传输模块，用于MQ-2检测模块与电脑之间测通信。其中MQ-2气敏传感器接触到烟雾时会引起传感器的电阻值发生变化，并通过驱动电路转化为电压的变化，在通过AD转换将电压变化的模拟量转换为数字量，从而得到烟雾的浓度值，其浓度量程为0-791。
[0039]用抽气机向塑料集气球内抽入足够的香烟燃烧产生烟雾与空气的混合气体，并用MQ-2传感器检测模块检测集气球内的烟雾浓度；将MQ-2传感器检测模块密封于集气罐中，罐内的初始气体为空气，罐内的初始气压为标准大气压；用抽气机将集气球收集的烟雾气体抽入集气罐中，每增加0.5倍标准大气压(I标准大气压约为10kp)记录一次罐内气体浓度。
[0040]测得塑料集气球内的烟雾浓度为0，说明待测气体挥发物浓度较低，不足以被量程为300-10000ppm的气敏传感器检测出来。不同气压下MQ-2传感器检测模块采集的烟雾响应值如图5所示。集气罐内大气压在1-2.5倍标准大气压时，罐内烟雾较低，仍然无法被MQ-2传感器检测出来。但随着集气罐内压力的逐渐增加，罐内烟雾量逐渐升高，当罐内气体富集压力达到3倍标准大气压时，MQ-2传感器对烟雾浓度的响应值输出为63 ;随着罐内压力继续上升，传感器的输出响应值不断增大。该试验证明了本发明的压力富集方法对提高传感器对待测气体挥发物的响应程度是可行的，能够有效地解决传统电子鼻系统因互益素浓度低需要采用PPb级气敏传感器从而造价昂贵的技术问题。
[0041]上述实施例为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不限定与此，从事该领域技术人员在未背离本发明精神和原则下所做的任何修改、替换、改进，均包含在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.压力富集式低量气体挥发物电子鼻探测系统，包括气敏传感器单元，其特征在于，还包括气流控制机构及控制单元，所述气流控制机构设有用于富集被测气体挥发物的气室，所述气敏传感器单元设置在所述气室内；所述控制单元分别与气敏传感器单元、气流控制机构连接，气室内的气压受控于控制单元。
2.根据权利要求1所述的压力富集式低量气体挥发物电子鼻探测系统，其特征在于，所述气室内的气压被控制单元控制在2个标准大气压以上。
3.根据权利要求1所述的压力富集式低量气体挥发物电子鼻探测系统，其特征在于，还包括设置在气室内用于检测气室内气压的气压传感器，所述气压传感器与控制单元连接。
4.根据权利要求1所述的压力富集式低量气体挥发物电子鼻探测系统，其特征在于，所述气室设有进气口与排气口，进气口处设有单向阀，所述气流控制机构设有向气室进气的气泵。
5.根据权利要求4所述的压力富集式低量气体挥发物电子鼻探测系统，其特征在于，所述气流控制机构设有进气通道、清洗通道与排气通道，所述进气通道与清洗通道均通向气室的进气口，所述排气通道与气室的排气口相通。
6.根据权利要求1所述的压力富集式低量气体挥发物电子鼻探测系统，其特征在于，所述气室设计为球形或为球形封头的圆筒形压力罐，气室外层由钛合金材料制成，气室内层涂有聚四氟乙烯材料。
7.根据权利要求1所述的压力富集式低量气体挥发物电子鼻探测系统，其特征在于，所述气敏传感器单元由对被测气体挥发物最主要成分敏感的气敏传感器组成。
8.根据权利要求1所述的压力富集式低量气体挥发物电子鼻探测系统，其特征在于，还包括设置在气室内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。
9.根据权利要求1所述的压力富集式低量气体挥发物电子鼻探测系统，其特征在于，所述控制单元根据气敏传感器单元的检测数据，计算出被测气体挥发物的浓度，以此推断出被测物当前所处状态。
10.根据权利要求1所述的压力富集式低量气体挥发物电子鼻探测系统，其特征在于，还包括与控制单元连接的干电池，所述干电池、气流控制机构及控制单元安装在一盒体内。
【文档编号】G01N27/04GK104280427SQ201410406146
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年8月18日 优先权日:2014年8月18日
【发明者】周志艳, 徐赛, 陆华忠, 兰玉彬, 罗锡文, 陈盛德, 闫梦露 申请人:华南农业大学