基于手持式电子鼻的车内ppb级低浓度气味等级评价方法与流程

本发明涉及一种具有富集功能手持式电子鼻及车内低浓度混合气味等级的评价方法。

背景技术：

随着人们生活水平日渐提高和汽车工业的快速发展，越来越多的家庭拥有了自己的汽车。但是，家用汽车产能的快速膨胀也带来了一些问题，除去烧机油、断轴等问题外，车内异味也开始受到消费者和相关质检部门的关注。车内气味的主要成分是挥发性有机物(volatileorganiccompounds,vocs)。新车内饰散发异味对人的身体健康具有潜在的危害。因此，基于电子鼻等嗅觉仪器的车内气味等级评价方法具有重要的研究价值和实际意义。

目前，电子鼻的应用范围主要集中在农林业、食品、酒类、茶类等，几乎很少有人将其应用在汽车领域，主要原因是电子鼻常用的金属氧化物半导体(mos)型气体传感器的检测下限只能达到ppm(partspermillion)级别，而车内气味的浓度通常为ppb(partsperbillion)量级，所以会出现mos电子鼻没有响应的情况。因此需要先通过富集装置将ppb级浓度的气味浓缩到ppm级之后再使用电子鼻进行检测。目前，针对车内气味的评价方法主要有两种：一、经过专业培训的相关人员进行主观评价，每位评价员闻完车内气味之后给出主观气味等级，此方法的缺点为每个评价员差异性较大，还会出现嗅觉疲劳等，另外长时间嗅闻也有可能会危害人的身体健康；二、通过专业的大型气体分析仪器，能够较精确的分析出气体的各种成分，但此类仪器体积大、成本高，且使用过程繁琐，不适用于车内气味的快速检测。所以，基于具有富集功能的手持式电子鼻系统建立一套低浓度车内气味等级评价方法，既能解决电子鼻检测下限的问题，又能代替人类评价员和大型气体分析仪器进行快速的检测与评价。

rivai等(rivaim,talakuael.theimplementationofpreconcentratorinelectronicnosesystemtoidentifylowconcentrationofvaporsusingneuralnetworkmethod[c].internationalconferenceoninformation.ieee,2015.)基于tenaxgr吸附剂研制了预浓缩器，使电子鼻系统具有更高的灵敏度，并使得电子鼻能够成功地区分低浓度的乙醇、苯和丙酮等voc气体。此方法实现了富集装置配合电子鼻检测低浓度vocs气体，但该方案只是识别不同的单一voc气体，没有具体的气味评价方法。

徐耀宗等(徐耀宗,崔晨,童丽萍,etal.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.)利用光离子化检测器(pid)和自主设计的voc采集装置组成电子鼻设备分析待测产品的voc散发量，并给出待测样品中voc的实时浓度。该方法只能检测到总的voc浓度，没有mos传感器阵列的响应信息和相关的气味评价方法，且pid设备价格较贵。

专利201611176760.3(一种汽车气味的检测方法和检测系统，深圳市北检测技术有限公司)首先经过培训的嗅辨人员通过主观判断的方法检测出车内样品气体的等级，然后使用电子鼻检测和分析主观评价后的车内样品气体，并且建立气味数据模型，最后基于该气味数据模型对车内气味进行评价，形成了一套汽车气味的检测方法以及评价系统。该专利提出的方法只能对ppm级的车内气味进行检测，无法对ppb级的低浓度车内气体进行评价，并且该专利并未明确介绍评价方法。

专利201620943180.1(一种结合气体浓缩的电子鼻伤口病原菌快速检测装置，胥勋涛)研制了一种用于电子鼻系统的气体浓缩装置，并提升了电子鼻系统对伤口病原菌的区分能力。其吸附管内部填装carbopacktmb和tenaxgr混合吸附剂，并通过六孔二相阀控制气路的切换。该专利介绍的气体浓缩装置与其实验室自主研制的电子鼻用于病原菌的区分，并没有应用于车内气味检测的领域，也没有介绍相关的气味评价方法。

综上所述，富集装置能够提升电子鼻的检测性能，解决电子鼻检测下限不足的问题，车内气味评价方法是汽车内饰气味检测领域必不可少的内容，因此具有富集功能的手持式电子鼻低浓度车内气味等级评价方法对低浓度车内气味检测工作具有非常重要的意义。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，本发明基于具有富集功能的手持式电子鼻给出了一种效果稳定、准确快速的车内气味评价方法。技术方案如下：

本专利设计了基于吸附剂吸附解吸附原理的富集模块，解吸附的方法是加热。气体富集与电子鼻采样过程包括六个阶段：低温吸附阶段、密闭恢复阶段、加热解吸附阶段、电子鼻检测阶段、吸附管清洗阶段、降温恢复阶段。富集模块与电子鼻检测模块集成在一起组成电子鼻装置，并通过仪器外壳封装，具有体积小、重量轻、检测速度快等优点，并能够实现ppb级低浓度车内气体的检测。

一种基于手持式电子鼻的车内ppb级低浓度气味等级评价方法，包括下列步骤：

(1)设计基于吸附剂吸附解吸附原理的富集模块，解吸附的方法是加热，气体富集与电子鼻采样过程包括六个阶段：低温吸附阶段、密闭恢复阶段、加热解吸附阶段、电子鼻检测阶段、吸附管清洗阶段、降温恢复阶段，富集模块与电子鼻检测模块集成在一起组成电子鼻装置。

(2)收集不同种类的车内气体作为待测气体；在事先不知道气味等级的情况下，多名受过专业嗅觉培训的气味评价员嗅闻待测气体并分别给出气味等级；然后将气味评价员给出的每袋气体的气味等级进行处理，作为待测气体的气味等级标签，此时的待测气体为带有气味等级标签的低浓度待测气体；

(3)对待测气体进行富集和检测；富集模块的气泵抽取带有气味等级标签的低浓度待测气体，气体经过吸附管，目标物质被吸附剂吸附；低温吸附阶段和密闭恢复阶段结束后，快速加热吸附管，吸附管中的吸附剂受热解吸附，目标物质挥发充满富集模块气路空间；当富集模块的加热解吸附阶段运行结束后，电子鼻开始运行，进入电子鼻检测阶段，此时电子鼻吸入的气体是经过富集后的高浓度气体，并得到与气味等级标签对应的传感器阵列响应曲线；富集模块经过清洗和降温环节之后整套系统运行结束；

(4)进行低浓度车内气味的评价，先对电子鼻检测数据进行降噪、滤波、归一化预处理操作，然后每条传感器响应曲线取多个特征值，每组数据包含多个特征值和对应的气味等级标签；通过机器学习的方法建立低浓度车内气味评价模型。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：

[1]检测下限低、灵敏度高。富集模块能够提升待测气体的浓度，将待测的ppb级别气体的浓度提升到ppm级别，从而达到电子鼻的检测下限，解决了传统电子鼻难以检测到低浓度vocs气体的问题。

[2]便携性好、检测快速，该具有富集功能的手持式电子鼻系统体积小、重量轻，可携带至车内进行快速检测。

[3]具有富集功能的手持式电子鼻系统配合上述的低浓度车内气味等级评价方法能够代替人工评价，既减轻了人力物力，又保障了气味评价员的身体健康，避免受到过多vocs气体的侵蚀。

[4]该车内气味等级评价方法能够使电子鼻仪器具有与人相同的气味评价能力，工作性能出色。

[5]该车内气味等级评价方法稳定性好，评价结果客观、可靠，避免了人类气味评价员出现的嗅觉疲劳等现象。

附图说明

图1具有富集功能的手持式电子鼻原理图

图2待测气体富集前后电子鼻响应曲线对比图

图3具有富集功能的手持式电子鼻车内气味等级评价方法流程图

图4神经网络评价模型的结构

表1车内气味等级评价标准

表1

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。实施例是以本发明所述技术方案为前提进行的具体实施，给出了详细的实施方式和过程。但本申请的权利要求保护范围不受限于下述实施例的描述。

首先对本发明的技术路线进行说明:

本专利设计了基于吸附剂吸附解吸附原理的富集模块，解吸附的方法是加热。气体富集与电子鼻采样过程包括六个阶段：低温吸附阶段、密闭恢复阶段、加热解吸附阶段、电子鼻检测阶段、吸附管清洗阶段、降温恢复阶段。富集模块与电子鼻检测模块集成在一起组成电子鼻装置，并通过仪器外壳封装，具有体积小、重量轻、检测速度快等优点，并能够实现ppb级低浓度车内气体的检测。

首先，通过采样袋收集不同种类的车内气体作为待测气体。在事先不知道气味等级的情况下，多名受过专业嗅觉培训的气味评价员嗅闻待测气体并分别给出气味等级。然后将气味评价员给出的每袋气体的气味等级进行处理，作为该待测气体的气味等级标签。同时，为了避免专业气味评价员出现嗅觉疲劳，气味评价员每嗅闻几次气体后需要休息一段时间。

其次，对待测气体进行富集和检测。富集模块的气泵抽取带有气味等级标签的低浓度待测气体，气体经过吸附管，目标物质被吸附剂吸附。低温吸附阶段和密闭恢复阶段结束后，快速加热吸附管，吸附管中的吸附剂受热解吸附，目标物质挥发充满富集模块气路空间。当富集模块的加热解吸附阶段运行结束后，电子鼻开始运行，进入电子鼻检测阶段，此时电子鼻吸入的气体是经过富集后的高浓度气体，并得到与气味等级标签对应的传感器阵列响应曲线。这样电子鼻检测下限不足的问题就得以解决，富集模块经过清洗和降温环节之后整套系统运行结束。

最后，进行低浓度车内气味的评价，得到大量实验数据之后，先对电子鼻检测数据进行降噪、滤波、归一化预处理操作，然后每条传感器响应曲线取多个特征值，所以每组数据包含多个特征值和对应的气味等级标签。通过机器学习的方法建立低浓度车内气味评价模型，训练好的评价模型能够使该电子鼻系统拥有与专业气味评价员一样的车内气味评价能力。

经过上述方法的训练，当使用该具有富集功能的手持式电子鼻系统检测车内低浓度气味时，该系统能够输出与专业气味评价员相同的气味等级。

图1为具有富集功能的手持式电子鼻的气路原理图。富集模块主要包括气泵、吸附管、电磁阀、加热模块、降温模块，吸附管是富集模块的核心部件，吸附剂选用的是活性炭和tenax-ta混合吸附剂，混合吸附剂的吸附范围更广，吸附性能更好。吸附管的尺寸为直径6mm，长度100mm，材质为不锈钢。加热模块用于富集模块在加热解吸附阶段将吸附管内的温度提高到指定的值，从而将目标物质解吸附出来，同时，加热模块也用于富集模块的清洗阶段。降温模块用于富集模块的降温恢复环节，将250℃状态下的吸附管降到20℃的室温仅需要2min。驱动电路采用了7个继电器用于驱动4个电磁阀、1个气泵、1个加热模块和1个降温模块。仪器的显示屏能够实时显示吸附管的温度以及系统运行时间。富集模块的出气口与电子鼻检测模块的入气口相连，同时连接通信线，实现富集模块与电子鼻检测模块的配合，当富集完成时，电子鼻的气泵将富集模块中的高浓度气体抽到气室中，得到传感器阵列的响应信号，然后进行气味评价。

该发明中所用的是自主研制的电子鼻，主要包括气室(包含气体传感器阵列)、电源、气泵、lcd屏、bbb控制板、驱动扩展板等。电子鼻装置的核心部分是气体传感器阵列，共包含8个金属氧化物半导体气体传感器，分别为：mics5524、ccs801、tgs2600、tgs2603、tgs8100、mp801、tgs2602、sp3s。检测完成自动将8个气体传感器的响应数据保存成csv文件，实时显示传感器阵列的响应曲线，并能够在线识别。

具有富集功能的手持式电子鼻系统的运行流程为：(1)低温吸附，开启气泵1与电磁阀1和2，关闭电磁阀3和4，在室温状态下待测气体以一定的流速通过吸附管，气体中的目标物质被保留在吸附管中；(2)密闭恢复，关闭所有电磁阀，在室温状态下静止0.5min；(3)密闭升温，利用加热模块，使吸附管内温度快速升至200℃，吸附剂中的目标物质被热解吸；(4)电子鼻检测，开启电磁阀3和4，关闭电磁阀1和2，气泵2将刚刚热解吸出来的高浓度物质抽取到电子鼻气室中，气室中的传感器阵列与富集后的气体充分接触，电子鼻检测到富集后气体的数据；(5)高温清洗，将吸附管的温度提高到250℃，然后开启气泵1与电磁阀2和3，关闭电磁阀1和4，对吸附管进行清洗，同时也开启气泵2配合两位三通电磁阀对电子鼻气室进行清洗；(6)降温恢复，清洗完毕后控制降温模块对吸附管进行降温，当吸附管降为室温时富集流程结束。

下面将详细介绍具有富集功能的手持式电子鼻车内气味等级评价方法，图3展示了该方法的流程图，主要包括以下几个步骤：(1)收集待测气体，为了得到大量的实验数据进行电子鼻检测训练，需要从大量不同品牌不同类型的新车中取气，使用采样袋和气泵抽取新车内的气体，并密封保存起来。(2)需要5个受过专业训练的气味评价员嗅闻待测气体后按照表1所示的气味等级评价表给出主观评价。事先不知道待测气体的等级，所以他们嗅闻实验气体之前都不知道气味如何，这样更保证了评价的准确性。5个专业气味评价员嗅闻实验气体之后给出主观的气味等级，并将5个人的主观气味等级取平均值作为每袋气体的等级标签。每闻完5袋气体后休息1min，避免出现嗅觉疲劳的现象。(3)使用具有富集功能的手持式电子鼻系统检测实验待测气体。首先，富集模块的气泵将待测气体抽取经过富集模块的吸附管，吸附管中的吸附剂将气体中的目标物质吸附。然后，经过密闭恢复和加热解吸附环节，吸附剂中的目标物质被热解吸出来，充满整个吸附管空间。最后，电子鼻检测到富集后的气体，得到传感器阵列的响应数据。富集前后的电子鼻对低浓度待测气体的检测数据如图2所示，富集模块对电子鼻检测下限的提升非常大，在富集前电子鼻几乎没有响应的情况下，富集后电子鼻出现较高的响应值。将富集后待测气体的电子鼻响应数据与主观评价的气味等级标签对应。(4)按照上述方法采集大量实验数据，每组实验数据包括电子鼻传感器阵列响应和对应的等级标签。为了便于图4所示的神经网络训练，首先将实验数据进行降噪、滤波、归一化等数据预处理操作。然后进行特征提取，对传感器阵列响应曲线提取5个特征，分别是差值、一阶微分最大值、一阶微分最大值对应的值、一阶微分最小值、二阶微分最大值。建立神经网络分类器，输入层有40个输入，分别对应了电子鼻检测的数据提取的40个特征值，隐含层包含10个节点，输出层包含6个输出，对应车内气味设定的6个不同的等级，隐含层和输出层的激励函数为softmax函数，

其中，sj表示当前元素的指数与所有元素指数和的比值，即softmax函数的输出值，vi是分类器前级输出单元的输出，i表示类别索引，c为总的类别个数。使用大量的实验数据对神经网络进行训练，并通过梯度下降法对神经网络进行优化，

其中，θj表示自变量参数，即优化坐标位置，α为学习因子，θ表示需要求解的待定系数，x⁽ⁱ⁾表示第i行所有的x，hθ(x⁽ⁱ⁾)表示第i行所有的x乘以θ后的取值，y⁽ⁱ⁾表示第i行对应的真实的y值，j(θ)表示令方差最小的函数。训练好的神经网络车内低浓度气味评价模型能够使该具有富集功能的手持式电子鼻系统拥有与专业气味评价员一样的车内气味评价能力。

检测新车内饰的气味时，该手持式电子鼻就像气味评价员一样，“闻”一下车内的气味，就能够通过计算得出该气味的等级评价，从而判断该车内气味是否合格。