一种电子鼻仿生呼吸采样方法与流程

本发明属于仪器与测量领域，具体涉及一种新颖的电子鼻仿生呼吸采样方法。

背景技术：

电子鼻，亦称为人工嗅觉系统，是一种现代仿生检测仪器，它能够模拟人类及哺乳动物嗅觉系统的结构与功能，实现对简单或复杂的气味的检测识别。电子鼻通常包括气体传感器阵列、信息预处理和模式识别三大部分。目前，电子鼻技术已广泛应用到食品安全、质量控制、环境监测和疾病诊断等各个领域。在电子鼻检测样本时，挥发性气味需与多个气敏传感器组成的阵列反应，将样品的化学信号转换成电信号，然后经过一系列信号调理、归一化等预处理过程，获取该样品所对应的综合“指纹”信息，再从中提取合适的特征(特征生成，特征选择，特征提取)输入到特定的模式识别算法，最终完成对样品的定性或定量辨识。因此，对电子鼻技术来说，样本的采集与测量是首要问题。

由于气体传感器的响应特征易受外界环境的影响，因此为了保证电子鼻测试的可靠性和可重复性，电子鼻通常需要设计一个合适的气室(测试腔)用于容纳气体传感器阵列。而电子鼻对气体样本的采样指的就是设计适当的采样方法，将气体样本带入气室中与传感器阵列进行充分反应的过程。在电子鼻中，通常采用的采样方法有两大类：静态采样方法和动态采样方法。

静态采样是将样本气体注射入到腔体中，随着气体的扩散(可以使用风扇加速扩散)使传感器阵列捕捉到气体分子并与之反应得到信号。静态采样方法简单易行，早期的电子鼻测试方式都是采用静态法测试。然而，由于静态采样中采样腔和测试腔为一体，因此体积较大，样本气体扩散过程比较缓慢，一般需要一段时间气体分子才可以与传感器进行响应。并且在开始阶段测试腔中浓度分布不均匀，对于传感器响应曲线中上升阶段的重复性较低。另外，由于整个腔体体积比较大，每次清洗测试腔也很耗时耗能。因此，此方法不适用于快速响应等实际应用的电子鼻系统中。专利号CN103558252A实现了一种基于电子鼻技术的葡萄酒分类方法，其中采用了静态采样方法。

动态采样不同于静态采样，其需要通过载气将样本气体带入测试腔进行测试，整个测试过程气体是流动的。载气一般为洁净的空气或氮气，动力可由气泵提供。动态采样按照不同的采样策略又可分为：静态顶空法、动态顶空法和混合法。动态采样提高了测试的精度和可重复性，同时采样腔和测试腔分离，互不干扰，测试腔体积大大减小，同静态采样相比，气室清洗也更为方便。专利号CN102353701A实现一种利用挥发物的农作物虫害电子鼻诊断方法，专利号CN102297930A用电子鼻实现了对肉类新鲜度的识别与预测，其中均采用了静态顶空采样方法。专利号CN103116961A实现了一种基于电子鼻技术的密闭空间火灾探测报警系统及方法，其中采用了动态采样方法。专利号CN104535618A实现了一种基于电子鼻技术的白酒识别方法，其中采用了动态顶空采样方法。

王玲采用动、静态结合的采样方法考察了传感器阵列的检测能力(王玲等.电子鼻在危险爆炸物检测中的应用研究[J]传感技术学报,2015,20(1):42-45.)。

对电子鼻来说，一种好的采样方法应该能够在尽可能短的采样时间内，获取气体样本尽可能多的有用稳态/动态信息。好的采样方法不仅能够优化电子鼻系统的设计，而且可以提高电子鼻系统的采样精度和识别能力。目前存在的电子鼻采样方法各具特色，并且现有动态采样方法已被绝大多数电子鼻系统采用并证明有效。但现有采样方法，尤其是动态采样方法仍存在以下缺陷和不足之处：

(1)静态采样法，体积较大，所需反应时间较长，且可重复性较低，不易清洗。

(2)现有动态采样法，与静态法相比，虽体积较小且采样时间得以缩短。但现有动态采样法，由于需要获取完整恢复阶段曲线，所以采样时间仍然较长。尤其对一些较难从传感器表面解吸附的样本，如酒类及精油类等样本，其恢复阶段时间更长。

(3)现有动态采样法，通常采用典型的三段式采样策略，即上升阶段、稳态阶段和恢复阶段。若上升阶段吸入样本浓度过高，而使气体传感器阵列较长时间处于较高浓度的样本气体当中，容易出现传感器的中毒现象。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是克服现有技术手段的不足，提供一种能够快速采样的电子鼻采样方法。本发明采用仿生设计，通过模拟连续多次短呼吸的生理过程，解决现有电子鼻采样方法由于恢复阶段曲线较长导致采样时间较长的问题，实现电子鼻的快速采样。本发明的技术方案如下：

一种电子鼻仿生呼吸采样方法，所采用的电子鼻包括通过电磁阀相连的可调速气泵、蒸发气室和传感器气室，一个完整的采样循环包含3次采样循环，步骤如下：

(1)电子鼻系统上电，使得气体样本在蒸发气室中充分蒸发；

(2)仿生呼吸采样第一个循环开始，首先调节电磁阀接通吸入采样气路，使蒸发气室与传感器气室接通；

(3)打开可调速气泵开始第一次循环的吸入采样环节，通过过滤后的洁净空气将气体样本沿采样气路带入传感器气室，通气时间为1秒，控制可调速气泵转速的PWM波占空比设为55000/125000；

(4)关闭可调速气泵并调节电磁阀，使蒸发气室和传感器气室相互独立并密闭，等待传感器与样本反应达到稳态，等待时间15秒；

(5)开始第一次循环的呼出环节，首先调节电磁阀实现呼出气路，使使蒸发气室与传感器气室接通，并将与传感器气室的出气口相连的电磁阀作为清洗口(2)与外界接通；

(6)打开可调速气泵开始第一次呼出样本，通过过滤后的洁净空气将传感器气室中的样本混合气由清洗口(2)呼出，通气时间为4秒，PWM占空比为125000/12500；

(7)接着关闭可调速气泵，并同时关闭电磁阀之间通路，使蒸发气室和传感器气室相互独立并密闭，等待传感器达到新的稳态，等待时间12秒，至此第一次呼吸采样循环结束；

(8)第二和第三次循环采样的过程基本和第一次循环相同，不同之处如下：第二次循环吸入采样环节PWM波占空比为70000/125000，时间仍为1秒；第二次循环呼出环节的通气时间为2秒；

(9)第三次循环吸入采样环节PWM波占空比为125000/125000，时间仍为1秒；第三次循环呼出环节的通气时间为1秒。

与现有技术相比，本发明技术特点与效果：

(1)快速性，与现有动态采样方法相比，所提仿生呼吸采样方法能够更快速完成采样过程。

(2)仿生多段循环采样，所提仿生呼吸采样方法模拟了连续多次短呼吸的生理过程，能够避免气体传感器长时间暴露于较高浓度的样本气氛中，也有利于每次采样完成后快速清洗气室。

(3)采样特征丰富性，仿生呼吸采样包含多个连续子循环，并且每个子循环又由相同的采样策略完成，即吸入、暂停、呼出和暂停四个阶段。这种采样策略包含了多个循环，能够带来比现有动态采样方法更为丰富的稳态/动态特征。

附图说明

图1为本发明所采用电子鼻结构框图和工作流程图

图2为本发明所述现有电子鼻动态采样方法采样控制策略

图3为本发明所述电子鼻仿生呼吸采样方法采样控制策略

图4为本发明所述现有电子鼻动态采样单传感器结果曲线

图5为本发明所述电子鼻仿生呼吸采样单传感器结果曲线

图6为本发明所述预处理后的仿生呼吸采样阵列曲线

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

本发明所采用的电子鼻结构如图1所示，该电子鼻不仅可直接检测气体样本，还可用于检测白酒等液体样本。该电子鼻主要包括蒸发及采样装置，传感器气室反应装置，以及控制和数据采集预处理系统三大部分。

本发明涉及的采样方法以检测白酒样本为例，电子鼻的主要工作流程如图1所示，首先由硅加热带加热使蒸发气室中的白酒样本充分蒸发，然后通过可调速泵打入洁净空气为载气，并调节电磁阀控制气路，使白酒样本气体以一定规律进入传感器气室与其中的传感器阵列进行反应，充分反应采样后，通过AD(模拟-数字转换控制器)采集电路及信号调理将采集信号上传保存并进一步分析，整个工作过程由主控制器控制完成，用户也可通过触摸屏界面完成交互控制。

本发明涉及的电子鼻的装置包括可调速气泵、电磁阀、蒸发气室、传感器气室、AD采集芯片及主控制器。其中，可调气泵不仅作为将样本气体带入传感器气室的采样泵，也作为对蒸发气室和传感器气室进行清洗的清洗泵。

本发明涉及的可调速气泵为成都气海机电制造有限公司的调速气泵，型号为FAY6003，工作电压12V，峰值流量为3000mL/min，相对真空度约-36kPa，最大输出压力60kPa，该气泵的转速可以通过蓝线端输入的PWM波的占空比进行调节，气泵的转速在黄线端以方波频率进行反馈。

本发明气路部分涉及空气过滤器和电磁阀。由于气路系统使用空气作为载气，需要在气泵的进气口加装过滤器，用于滤除空气中的粉尘等杂质成分，以免破坏气泵的内部结构。所选电磁阀为深圳欧卡达的OKD-1306型号，工作电压12V，功率大小5.2W，直流电阻220Ω，电磁阀长、宽、高分别为54mm、20mm、31mm。

如图1所示可调气泵通过电磁阀1与蒸发气室的进气口相连，又通过电磁阀3与传感器气室的进气口相连；而蒸发气室的出气口通过电磁阀2和电磁阀3与传感器气室的进气口相连；传感器气室的出气口与电磁阀4相连。电磁阀2和电磁阀4分别在清洗气室时作为蒸发气室和传感器气室的清洗口1和清洗口2。

本发明涉及的采样方法由可调速气泵和电磁阀1、2、3、4，相互配合实现，气路采样控制由主控制器按照预先设定的采样控制策略自动完成。

为了进一步说明本发明提出的仿生呼吸采样方法的优势，本发明对比了一种典型的动态采样方法。该典型动态采样方法的控制策略如图2所示，首先打开采样泵通入一段时间样本气体，然后关闭采样泵，等待一段时间使传感器响应达到稳态，再打开清洗泵，通入洁净空气对气室进行清洗，直到使传感器恢复基线值附近。采取如图2所示控制策略得到的典型动态采样的传感器响应曲线如图4所示。如图4所示，该动态采样方法为典型的三段式采样，即a：上升阶段，b：稳态阶段，c：恢复阶段。上升阶段传感器从基线值上升到稳态响应最大值，然后在稳态阶段保持一段时间，最后从稳态响应值又恢复到基线响应值附近。

本发明提出的仿生呼吸采样法所采用控制策略如图3所示。整个控制策略可以划分为3个循环过程(如图3虚线划分)，每个循环阶段又由相同策略完成，即先打开采样泵通入一小段时间样本气体，然后关闭采样泵，等待一段时间使传感器响应达到稳态，再打开清洗泵一小段时间，通入洁净空气对气室进行清洗，然后关闭清洗泵，并等待一段时间传感器响应达到新的稳态。与典型动态采样策略相比，仿生呼吸采样策略最大的不同在于：1、仿生呼吸采样策略通过模拟生物连续短暂呼吸过程，提出短时间内多个循环的采样策略；2、仿生呼吸采样策略中，在每个循环过程中都通入样本气体，然后又通入洁净空气进行清洗；3、仿生呼吸采样策略中，每个循环的清洗阶段相比于典型动态采样都很短，因此并不需要使传感器恢复至基线附近。

本发明提出的仿生呼吸采样方法得到的传感器响应曲线如图5所示。如图5所示，整个采样曲线可划分为与采样策略相对应的3个循环阶段，其中每个循环阶段都采用了相同的控制策略。以图5中第二循环B为例，其包括1、吸入，2、暂停，3、呼出，4、暂停共4个环节。响应曲线中，第一循环A从基线值附件上升开始响应，而在第三循环C采样结束时并未恢复到基线值附近。

正是仿生呼吸采样采用了这种仿生策略，使得仿生呼吸采样的时间大大缩短(对比图2和3，图4和5可知)。同时得益于仿生呼吸采样短时间内多个循环的采样策略，使得仿生呼吸采样获得了比典型动态采样更加丰富的稳态/动态响应特性(对比图4和5可知)。

图1所示电子鼻采用仿生呼吸采样方法进行采样，经过预处理后其阵列采样结果曲线如图6所示，该传感器阵列包含7个气体传感器。

具体来说仿生呼吸采样方法的操作步骤如下(参照附图1、3、5、6)：

(1)电子鼻系统上电，预热一段时间使蒸发气室恒温至70摄氏度，然后首先将白酒样本在蒸发气室中充分蒸发。

(2)仿生呼吸采样第一个循环开始，首先调节电磁阀实现吸入采样气路，使电磁阀1与蒸发气室进气口接通，使蒸发气室出气口与电磁阀2接通，再经过电磁阀3与传感器气室进气口接通。

(3)然后打开可调速气泵开始第一次吸入样本，通过过滤后的洁净空气将气态白酒样本沿采样气路带入传感器气室，通气时间为1秒，控制气泵转速的PWM波占空比设为55000/125000。

(4)接着关闭气泵，并同时关闭电磁阀之间通路，使蒸发气室和传感器气室相互独立并密闭，等待传感器与样本反应达到稳态，等待时间15秒。

(5)接着开始第一个循环的呼出环节，首先调节电磁阀实现呼出气路，使电磁阀1与电磁阀3接通，再与传感器气室进气口接通，电磁阀4作为清洗口2与外界接通。

(6)然后打开可调速气泵开始第一次呼出样本，通过过滤后的洁净空气将传感器气室中的样本混合气由清洗口2呼出，通气时间为4秒，PWM占空比为125000/125000。

(7)接着关闭气泵，并同时关闭电磁阀之间通路，使蒸发气室和传感器气室相互独立并密闭，等待传感器达到新的稳态，等待时间12秒。至此第一次呼吸采样循环结束。

(8)第二和第三次循环采样的过程基本和第一次循环相同，不同之处如下：第二次循环吸入采样环节PWM波占空比为70000/125000，时间仍为1秒；第二次循环呼出环节的通气时间为2秒。

(9)第三次循环吸入采样环节PWM波占空比为125000/125000，时间仍为1秒；第三次循环呼出环节的通气时间为1秒。

(10)如上，所述仿生呼吸采样方法一共包含3个采样循环，总采样时间为91秒。阵列完成一次仿生呼吸采样的曲线如图6所示。

(11)每次仿生呼吸采样完整结束后，还需对蒸发气室和传感器气室进行彻底清洗，以备下次使用。

(12)首先对蒸发气室进行清洗，将气路中电磁阀1、电磁阀2与蒸发气室接通，并将电磁阀2调节至清洗口1与外界接通。

(13)接着全速打开可调速气泵作为清洗泵，对蒸发气室清洗时间为3分钟。

(14)接着对传感器气室进行清洗，将电磁阀1和电磁阀3接通，再与传感器气室接通，电磁阀4调节至清洗口2与外界接通。

(15)接着全速打开可调速气泵作为清洗泵，对传感器气室清洗时间为3分钟。

本发明所述仿生呼吸采样方法除了上述应用实例外，还可广泛应用于其他多种气体、液体或固体样本的电子鼻采样，比如用于环境气体、危险化学气体、奶制品等饮料、其他食品、农作物等多种样本的电子鼻采样检测。同时本发明所述仿生呼吸采样方法也不仅限于上述实例的控制策略。实际采用本采样方法时，采样所包含的循环次数可不限于3次，每个循环的采样总时间，包括其中每个环节的时间也不限于上述实例所描述的单一情况。根据本发明所提仿生呼吸采样方法，可进一步根据不同电子鼻应用特点，灵活调整各参数，得到适当的采样方法。