通用电子鼻系统及其检测方法与流程

本发明涉及电子鼻技术领域，具体涉及一种可应用于环境监测、医疗诊断、食品检测、质量控制等领域的通用电子鼻系统及其检测方法。

背景技术：

气味信息是物体的自然属性之一，很大程度上表征了物体的某一特性。通过检测不同物质的气味信息，可以实现对物体定性和定量的分析。

电子鼻是一种模拟人类嗅觉系统构建成的快速的气味采集、分析系统。长期以来，气味信息的评价手段主要分为专家感官评测和化学评测。专家感官评测主观性强，存在个体差异大、标准不统一、重复性较差等多个不足；化学评测方法一般要求具备一定专业知识的技术人员操作，样品制备以及检测过程比较复杂、周期较长，并且检测成本高，难以进行深入的推广。相比于传统的方法，电子鼻具有快速、便捷、自动化等多个优势，是一种有效的气味检测手段。

高场强非对称波形离子迁移谱(FAIMS)技术是一种典型的基于离子迁移谱技术发展而来的广谱离子分离技术,该技术利用被测物质的离子迁移率在高低场强下存在差异，实现物质的分离与检测，它具有响应速度快、分辨率高、可应用范围广、易于微型化等优点，在环境污染物、爆炸物、代谢物质检测等领域有着广阔的应用前景。

技术实现要素：

本申请通过提供一种可应用于环境监测、医疗诊断、食品检测、质量控制等领域的通用电子鼻系统及其检测方法，将传感器阵列技术与离子迁移谱技术相结合，可选择单独由传感器阵列检测模块或离子迁移谱检测模块进行检测，此时的检测结果由相应检测模块单独给出，也可以选择由传感器阵列检测模块与离子迁移谱检测模块共同进行检测，此时电子鼻系统的检测结果由传感器阵列检测模块的检测结果与离子迁移谱检测模块的检测结果联合得出，大大提高了传统电子鼻系统的检测准确性。

本申请采用以下技术方案予以实现：

一种通用电子鼻系统，包括进样单元、检测单元以及上位机控制单元，其中，所述检测单元包括传感器阵列检测模块和离子迁移谱检测模块，所述进样单元包括零级空气发生器、第一质量流量控制器、第二质量流量控制器、第三质量流量控制器以及样品室，所述零级空气发生器出气口的气流一方面经第一质量流量控制器流入样品室，另一方面经第三质量流量控制器流入所述离子迁移谱检测模块，从所述样品室流出的气流一方面与流过第三质量流量控制器的气流混合后流入所述离子迁移谱检测模块，另一方面通过第二质量流量控制器流入所述传感器阵列检测模块，所述传感器阵列检测模块用于将气味信息转换为电信号，所述离子迁移谱检测模块用于对待测物进行分离与检测，所述传感器阵列检测模块输出的信号和/或所述离子迁移谱检测模块输出的信号传输至所述上位机控制单元，所述上位机控制单元用于将接收到的数据进行特征提取及分析,并输出气味的定性分析结果或定量分析结果。

所述质量流量控制器用以实现流量的精确控制。所述上位机控制单元完成对所述质量流量控制器的流量设定并进行实时流量的读取，以确保相应的气路中流量的稳定。

进一步地，所述传感器阵列检测模块包括传感器阵列、传感器气室、调理电路板、数据采集卡以及单片机，所述传感器阵列的模拟输出信号经过所述调理电路板后，进入所述数据采集卡转换为数字信号传输至所述上位机控制单元，所述传感器阵列的数字输出信号经所述单片机传输至所述上位机控制单元，所述离子迁移谱检测模块包括基于离子迁移谱技术的检测器、加热管、加热控制箱以及过滤器，所述加热控制箱用以将所述加热管的温度调节至设定值，所述加热管、过滤器、离子迁移谱检测器依次相连，所述离子迁移谱检测器将检测的结果传输至所述上位机控制单元。

进一步地，所述传感器气室包括一个气室体、两个气室盖以及至少一个隔板，在所述气室体的侧面按照所述传感器阵列中对应传感器感应面的尺寸切割出相应大小的孔，传感器镶嵌固定在气室体侧面的孔上，使得传感器的感应面朝向所述气室体内部，传感器的引脚朝向所述气室体外部，所述隔板与所述气室盖平行放置安装，所述隔板上设置了若干个过气孔，使得进入所述气室体的气流均匀流过传感器的感应面，所述气室盖通过气体接头连接外部的进气管和出气管。为保证传感器气室的密封性且不影响传感器正常检测，传感器气室采用无味密封胶对传感器与气室体之间的缝隙进行密封。

进一步地，所述通用电子鼻系统还包括电磁阀驱动板、第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀以及第四三通阀，其中，所述第一三通阀的第一通道连接所述零级空气发生器的出气口，所述第一三通阀的第二通道通过第一单通电磁阀连接所述第一质量流量控制器，所述第一三通阀的第三通道通过第二单通电磁阀连接所述第三质量流量控制器，所述第二三通阀的第一通道连接所述样品室的出气口，所述第二三通阀的第二通道通过第三单通电磁阀连接第二质量流量控制器，所述第二三通阀的第三通道连接所述第三三通阀的第一通道，所述第三三通阀的第二通道连接所述第三质量流量控制器，所述第三三通阀的第三通道连接所述加热管，所述第四三通阀的第一通道连接所述传感器气室的出气口，所述第四三通阀的第二通道连接所述离子迁移谱检测器的出气口，所述第四三通阀的第三通道连接外界，所述上位机控制单元通过所述电磁阀驱动板控制第一单通电磁阀、第二单通电磁阀、第三单通电磁阀以及第四单通电磁阀的开闭。该电子鼻系统以零级空气发生器为气源，上位机控制单元通过电磁阀驱动板控制单通电磁阀的通断来实现对相应位置气流通断的控制，可以实现传感器阵列检测模块与离子迁移谱检测模块同时工作或者单独工作。

可以根据不同的检测目标来选配合适的传感器类型和数量来组成所述传感器阵列，所述传感器阵列包括金属氧化物半导体传感器、电化学传感器、声表面波气体传感器、光离子化气体传感器、数字式传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、红外线气体传感器或固体电解质气体传感器中的一种或多种组合。模拟输出式的气体传感器通过调理电路进行信号转换、滤波处理之后，经由连接线传递到数据采集卡，在数据采集卡中完成模拟信号到数字信号的变换，然后经由USB接口发送到上位机控制单元进行曲线显示和数据分析；数字信号传感器通过I²C接口或其它接口方式与单片机连接，然后经由USB接口传至上位机控制单元。

一种通用电子鼻系统的检测方法，包括传感器阵列检测模块和离子迁移谱检测模块同时工作、传感器阵列检测模块单独工作及离子迁移谱检测模块单独工作三种工作模式，其中：

(1)传感器阵列检测模块和离子迁移谱检测模块同时工作的检测方法具体包括如下步骤：

A1：所述通用电子鼻系统上电并进行预热；

按需求设定各质量流量控制器的流量值，通过所述加热控制箱调节所述加热管的温度至要求值，所述样品室中不放样品，通过电磁阀驱动板打开全部的单通电磁阀，开启所述零级空气发生器，根据所述上位机控制单元设定的时间进行预热；

A2：检测待测物：

A21基线数据采集：按需求设定各质量流量控制器的流量值，通过所述加热控制箱调节所述加热管温度至要求值，所述样品室中不放样品，通过电磁阀驱动板打开全部的单通电磁阀，开启所述零级空气发生器，根据所述上位机控制单元设定的时间进行基线数据采集；

A22待测物数据采集：打开所述样品室的盖子，将待测样品放入所述样品室，旋紧所述样品室的盖子，各质量流量控制器流量值保持不变，各单通电磁阀的状态保持不变，加热管温度保持不变，运行所述通用电子鼻系统，根据所述上位机控制单元设定的时间进行待测物数据采集；

A3：系统清洗：打开所述样品室的盖子，取出样品，再旋紧所述样品室的盖子，各质量流量控制器流量值保持不变，各单通电磁阀的状态保持不变，加热管温度保持不变，运行所述电子鼻系统，根据所述上位机控制单元设定的时间进行系统清洗流程；

(2)传感器阵列检测模块单独工作的检测方法具体包括如下步骤：

B1：所述通用电子鼻系统上电并进行预热；

按需求设定第一质量流量控制器和第二质量流量控制器的流量值，所述样品室中不放样品，通过电磁阀驱动板打开第一单通电磁阀和第三单通电磁阀并关闭第二单通电磁阀和第四单通电磁阀，开启所述零级空气发生器，根据所述上位机控制单元设定的时间进行预热；

B2：检测待测物：

B21基线数据采集：按需求设定第一质量流量控制器和第二质量流量控制器的流量值，所述样品室中不放样品，通过电磁阀驱动板打开第一单通电磁阀和第三单通电磁阀并关闭第二单通电磁阀和第四单通电磁阀，开启所述零级空气发生器，根据所述上位机控制单元设定的时间进行基线数据采集；

B22待测物数据采集：打开所述样品室的盖子，将待测样品放入所述样品室，旋紧所述样品室的盖子，第一质量流量控制器和第二质量流量控制器流量值保持不变，各单通电磁阀的状态保持不变，运行所述通用电子鼻系统，根据所述上位机控制单元设定的时间进行待测物数据采集；

B3：系统清洗：打开所述样品室的盖子，取出样品，再旋紧所述样品室的盖子，第一质量流量控制器和第二质量流量控制器流量值保持不变，各单通电磁阀的状态保持不变，运行所述通用电子鼻系统，根据所述上位机控制单元设定的时间进行系统清洗流程；

(3)离子迁移谱检测模块单独工作的检测方法具体包括如下步骤：

C1：所述电子鼻系统上电并进行预热；

按需求设定第一质量流量控制器和第三质量流量控制器的流量值，通过所述加热控制箱调节所述加热管的温度至要求值，所述样品室中不放样品，打开第一单通电磁阀、第二单通电磁阀及第四单通电磁阀并关闭第三单通电磁阀，开启所述零级空气发生器，根据所述上位机控制单元设定的时间进行预热；

C2：检测待测物：

C21基线数据采集：按需求设定第一质量流量控制器和第三质量流量控制器的流量值，通过所述加热控制箱调节所述加热管温度至要求值，所述样品室中不放样品，打开第一单通电磁阀、第二单通电磁阀及第四单通电磁阀并关闭第三单通电磁阀，开启所述零级空气发生器，根据所述上位机控制单元设定的时间进行基线数据采集；

C22待测物数据采集：打开所述样品室的盖子，将待测样品放入所述样品室，旋紧所述样品室的盖子，第一质量流量控制器和第三质量流量控制器的流量值保持不变，各单通电磁阀的状态保持不变，加热管温度保持不变，运行所述通用电子鼻系统，根据所述上位机控制单元设定的时间开启待测物数据采集；

C3：系统清洗：打开所述样品室的盖子，取出样品，再旋紧所述样品室的盖子，第一质量流量控制器和第三质量流量控制器的流量值保持不变，各单通电磁阀的状态保持不变，加热管温度保持不变，运行所述通用电子鼻系统，根据所述上位机控制单元设定的时间进行系统清洗流程。

与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：该电子鼻系统将传感器阵列技术与离子迁移谱技术相结合，提升了传统电子鼻的检测灵敏度，提高了电子鼻系统的检测准确率，除此之外，系统包括样品引入、物质检测、数据分析及系统控制等部分，功能结构完整，可应用于环境监测、医疗诊断、食品检测、质量控制等众多领域。

附图说明

图1为本发明的通用电子鼻系统功能框图；

图2为本发明的通用电子鼻系统结构示意图；

图3为本发明的传感器气室模型图；

图4为本发明的传感器气室的气室盖模型图；

图5为本发明的传感器气室的隔板模型图；

图6为本发明的传感器气室组装示意图；

图7为本发明的传感器气室传感器及电路板组装示意图；

图8为本发明的样品室结构示意图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种通用电子鼻系统及其检测方法，将传感器阵列技术与离子迁移谱技术相结合，可选择单独由传感器阵列检测模块或离子迁移谱检测模块进行检测，此时的检测结果由相应检测模块单独给出，也可以选择由传感器阵列检测模块与离子迁移谱检测模块共同进行检测，此时电子鼻系统的检测结果由传感器阵列检测模块的检测结果与离子迁移谱检测模块的检测结果联合得出，大大提高了传统电子鼻系统的检测准确性。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。

实施例

一种通用电子鼻系统，如图1、图2所示，包括进样单元、检测单元以及上位机控制单元，其中，所述检测单元包括传感器阵列检测模块和离子迁移谱检测模块，所述进样单元包括零级空气发生器、第一质量流量控制器MFC1、第二质量流量控制器MFC2、第三质量流量控制器MFC3以及样品室，所述零级空气发生器出气口的气流一方面经第一质量流量控制器MFC1流入样品室，另一方面经第三质量流量控制器MFC3流入所述离子迁移谱检测模块，从所述样品室流出的气流一方面与流过第三质量流量控制器MFC3的气流混合后流入所述离子迁移谱检测模块，另一方面通过第二质量流量控制器MFC2流入所述传感器阵列检测模块，所述传感器阵列检测模块以传感器阵列为核心，将气味信息转换为电信号，所述离子迁移谱检测模块以基于离子迁移谱技术的检测器为核心，利用被测物质的离子迁移率不同来实现物质的分离与检测，所述传感器阵列检测模块输出的信号和/或所述离子迁移谱检测模块输出的信号传输至所述上位机控制单元，所述上位机控制单元将接收到的数据进行特征提取及分析,以实现对气味的定性或定量分析。

所述质量流量控制器用以实现流量的精确控制。所述上位机控制单元可以完成对所述质量流量控制器的流量设定并进行实时流量的读取，以确保相应的气路中流量的稳定。

所述上位机控制单元完成对电子鼻系统的整体控制、检测单元的运行参数设置及其数据曲线的显示，对获取的数据进行特征提取以及主成份分析、线性判别分析等多种定性和定量的算法分析。

在本实施例中，所述传感器阵列检测模块包括传感器阵列、传感器气室、调理电路板、数据采集卡以及单片机，可以根据不同的检测目标来选配合适的传感器类型和数量来组成所述传感器阵列，所述传感器阵列可以是金属氧化物半导体传感器、电化学传感器、声表面波气体传感器、光离子化气体传感器、数字式传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、红外线气体传感器、固体电解质气体传感器。模拟输出式的气体传感器通过调理电路进行信号转换、滤波处理之后，经由连接线传递到数据采集卡，在数据采集卡中完成模拟信号到数字信号的变换，然后经由USB接口发送到上位机控制单元进行曲线显示和数据分析；数字信号传感器通过I²C接口或其它接口方式与数字信号处理单片机连接，然后经由USB接口传至上位机控制单元。

所述离子迁移谱检测模块包括基于离子迁移谱技术的检测器、加热管、加热控制箱以及过滤器，所述加热控制箱用以将所述加热管的温度调节至设定值，所述加热管、过滤器、离子迁移谱检测器依次相连，所述基于离子迁移谱技术的检测器将检测的结果传输至所述上位机控制单元。

如图3、6所示，所述传感器气室包括一个气室体101、两个气室盖102以及至少一个隔板103，传感器气室的气室体101为正多边形棱柱，所述气室盖102通过快速气体接头104连接外部气管，包括进气管和出气管。图6中，箭头方向表示安装方向。如图7所示，所述气室体101主要是用于镶嵌传感器105以及固定传感器引脚接口的电路板106，在所述气室体101的侧面按照所述传感器阵列中对应传感器105的尺寸切割出相应大小的孔，传感器105通过带螺纹的螺栓107及螺帽108镶嵌固定在气室体101侧面的孔上(箭头表示安装方向)，并使得传感器105的感应面朝向所述气室体内部，传感器105的引脚朝向所述气室体外部，所述隔板103与所述气室盖102平行设置，如图5所示，所述隔板103上设置了若干个过气孔，使得进入所述气室体的气流均匀流过传感器105的感应面。为保证传感器气室的密封性且不影响传感器正常检测，传感器气室采用无味密封胶对传感器与气室体之间的缝隙进行密封，图4为传感器气室的气室盖模型图。本实施例中的传感器气室采用全特氟龙材质制作的正六棱柱结构。

所述通用电子鼻系统还包括电磁阀驱动板、第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀以及第四三通阀，其中，所述第一三通阀的第一通道连接所述零级空气发生器的出气口，所述第一三通阀的第二通道通过第一单通电磁阀连接所述第一质量流量控制器，所述第一三通阀的第三通道通过第二单通电磁阀连接所述第三质量流量控制器，所述第二三通阀的第一通道连接所述样品室的出气口，所述第二三通阀的第二通道通过第三单通阀连接第二质量流量控制器，所述第二电磁阀的第三通道连接所述第三三通阀的第一通道，所述第三三通阀的第二通道连接所述第三质量流量控制器，所述第三三通阀的第三通道连接所述加热管，所述第四三通阀的第一通道连接所述传感器气室的出气口，所述第四三通阀的第二通道连接所述离子迁移谱检测器的出气口，所述第四三通阀的第三通道连接外界，所述上位机控制单元通过所述电磁阀驱动板控制第一单通电磁阀、第二单通电磁阀、第三单通电磁阀以及第四单通电磁阀的开闭。该电子鼻系统以零级空气发生器为气源，上位机控制单元通过电磁阀驱动板控制单通电磁阀的通断来实现对相应位置气流通断的控制，可以实现传感器阵列检测模块与离子迁移谱检测模块同时工作或者单独工作。

具体组合如表1所示。

表1单通电磁阀的通断与两个检测模块工作状态对照表

如图8所示，所述样品室有样品室盖201和样品室体202组成，在本实施例中，样品室体202采用圆柱形外观，样品室内部高度60mm，内部底面直径120mm，样品室盖201和样品室体202采用螺纹结构连接。样品室的进气口203和出气口204均采用G1/4螺纹的快速气体接头，进气口203与出气口204相对且进气口203中心位置低于出气口204中心位置15mm,以避免进气口203气流直接从出气口204流出。样品室底部加工有6个带螺纹的孔，用于样品室的安装固定。样品室全部采用特氟龙材料，经过CNC数控机床工艺制作而成，极大的减小了待测物产生的气体在样品室内部的吸附。

一种通用电子鼻系统的检测方法，包括传感器阵列检测模块和离子迁移谱检测模块同时工作、传感器阵列检测模块单独工作及离子迁移谱检测模块单独工作三种工作模式，其中：

(1)传感器阵列检测模块和离子迁移谱检测模块同时工作的检测方法具体包括如下步骤：

A1：所述通用电子鼻系统上电并进行预热；

按需求设定各质量流量控制器的流量值，通过所述加热控制箱调节所述加热管的温度至要求值，所述样品室中不放样品，通过电磁阀驱动板打开全部的单通电磁阀，开启所述零级空气发生器，根据所述上位机控制单元设定的时间进行预热；

A2：检测待测物：

A21基线数据采集：按需求设定各质量流量控制器的流量值，通过所述加热控制箱调节所述加热管温度至要求值，所述样品室中不放样品，通过电磁阀驱动板打开全部的单通电磁阀，开启所述零级空气发生器，根据所述上位机控制单元设定的时间进行基线数据采集；

A22待测物数据采集：打开所述样品室的盖子，将待测样品放入所述样品室，旋紧所述样品室的盖子，各质量流量控制器流量值保持不变，各单通电磁阀的状态保持不变，加热管温度保持不变，运行所述通用电子鼻系统，根据所述上位机控制单元设定的时间进行待测物数据采集；

A3：系统清洗：打开所述样品室的盖子，取出样品，再旋紧所述样品室的盖子，各质量流量控制器流量值保持不变，各单通电磁阀的状态保持不变，加热管温度保持不变，运行所述电子鼻系统，根据所述上位机控制单元设定的时间进行系统清洗流程；

(2)传感器阵列检测模块单独工作的检测方法具体包括如下步骤：

B1：所述通用电子鼻系统上电并进行预热；

按需求设定第一质量流量控制器和第二质量流量控制器的流量值，所述样品室中不放样品，通过电磁阀驱动板打开第一单通电磁阀和第三单通电磁阀并关闭第二单通电磁阀和第四单通电磁阀，开启所述零级空气发生器，根据所述上位机控制单元设定的时间进行预热；

B2：检测待测物：

B21基线数据采集：按需求设定第一质量流量控制器和第二质量流量控制器的流量值，所述样品室中不放样品，通过电磁阀驱动板打开第一单通电磁阀和第三单通电磁阀并关闭第二单通电磁阀和第四单通电磁阀，开启所述零级空气发生器，根据所述上位机控制单元设定的时间进行基线数据采集；

B22待测物数据采集：打开所述样品室的盖子，将待测样品放入所述样品室，旋紧所述样品室的盖子，第一质量流量控制器和第二质量流量控制器流量值保持不变，各单通电磁阀的状态保持不变，运行所述通用电子鼻系统，根据所述上位机控制单元设定的时间进行待测物数据采集；

B3：系统清洗：打开所述样品室的盖子，取出样品，再旋紧所述样品室的盖子，第一质量流量控制器和第二质量流量控制器流量值保持不变，各单通电磁阀的状态保持不变，运行所述通用电子鼻系统，根据所述上位机控制单元设定的时间进行系统清洗流程；

(3)离子迁移谱检测模块单独工作的检测方法具体包括如下步骤：

C1：所述电子鼻系统上电并进行预热；

按需求设定第一质量流量控制器和第三质量流量控制器的流量值，通过所述加热控制箱调节所述加热管的温度至要求值，所述样品室中不放样品，打开第一单通电磁阀、第二单通电磁阀及第四单通电磁阀并关闭第三单通电磁阀，开启所述零级空气发生器，根据所述上位机控制单元设定的时间持续预热；

C2：检测待测物：

C21基线数据采集：按需求设定第一质量流量控制器和第三质量流量控制器的流量值，通过所述加热控制箱调节所述加热管温度至要求值，所述样品室中不放样品，打开第一单通电磁阀、第二单通电磁阀及第四单通电磁阀并关闭第三单通电磁阀，开启所述零级空气发生器，根据所述上位机控制单元设定的时间进行基线数据采集；

C22待测物数据采集：打开所述样品室的盖子，将待测样品放入所述样品室，旋紧所述样品室的盖子，第一质量流量控制器和第三质量流量控制器的流量值保持不变，各单通电磁阀的状态保持不变，加热管温度保持不变，运行所述通用电子鼻系统，根据所述上位机控制单元设定的时间开启待测物数据采集；

C3：系统清洗：打开所述样品室的盖子，取出样品，再旋紧所述样品室的盖子，第一质量流量控制器和第三质量流量控制器的流量值保持不变，各单通电磁阀的状态保持不变，加热管温度保持不变，运行所述通用电子鼻系统，根据所述上位机控制单元设定的时间进行系统清洗流程。

本申请的上述实施例中，通过提供一种通用电子鼻系统及其检测方法，将传感器阵列技术与离子迁移谱技术相结合，可选择单独由传感器阵列检测模块或离子迁移谱检测模块进行检测，此时的检测结果由相应检测模块单独给出，也可以选择由传感器阵列检测模块与离子迁移谱检测模块共同进行检测，此时电子鼻系统的检测结果由传感器阵列检测模块的检测结果与离子迁移谱检测模块的检测结果联合得出，大大提高了传统电子鼻系统的检测准确性。

应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。