一种电子鼻时空气味信息的仿生检测装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电子鼻时空气味信息的仿生检测装置及方法。
【背景技术】
[0002]电子鼻是模拟生物嗅觉原理构建的智能仪器，如申请号为201410502332.X的中国专利。电子鼻通常由交叉敏感的气敏传感阵列和合适的模式识别算法组成，自动完成对气味的定性或定量辨识。它在食品加工、医学诊断、环境监测和公共安全等诸多领域具有广泛的应用前景。电子鼻发展40多年一直不能从实验室真正走向生产生活实际场合，或者只能在既定场合简单识别少数几种特定气味，远远少于人类鼻子上千种气味的辨识能力。
[0003]通用电子鼻为了达到分辨不同复杂气味细微差别的目标，希望像生物嗅觉中嗅神经元那样，有大量且不同类型的气敏传感器构成混合阵列，以获取丰富的气味信息。但目前技术成熟的气敏传感器类型单一、种类不多，而且不是针对电子鼻专门生产，这样导致不能为模式识别阶段提供足够的原始气味信息，只能实现少量模式种类的粗略辨识。
[0004]目前在电子鼻中使用的气敏传感器包括金属氧化物半导体MOS型、石英晶体微天平QCM型、声表面波SAW型和导电聚合物CP型等多种，但在使用寿命、稳定性和一致性上除了MOS型外其他类型很难满足电子鼻实际应用的要求。MOS型传感器通常需要300-500°C的工作温度，一些报道研究了温度调制方法来提高传感器敏感性和选择性，但是在电子鼻中没有直接利用所获取的整个时间序列信息，也没有有效的模型算法作相应处理，通常做法是将所获取的时间序列信息进行特征提取，将原始数据进行大幅度降维以适应普通模式识别算法，从而丢失了大量的气味细节信息，不利于对大量和相近气味的精细分类。
[0005]另一方面，在生物鼻中，嗅神经元并不是直接暴露在气味环境中，而是位于具有独特解剖结构和表面覆盖黏液的鼻腔内，通过吸气以对流和扩散的方式将气味分子传入，该过程取决于鼻腔结构、气流速度场、气味分子在空气和粘膜层中的扩散性和吸附性以及组织厚度等，相关文献已经从不同角度提出多种理论模型。同样，电子鼻中各传感器所处位置的气体反应动力学特性也取决于采样装置中气味分子传递过程，受电子鼻气室结构、气流速度、传递形式等的影响。但是将这些影响因素用于构建电子鼻系统气室和传感阵列，以更贴近生物嗅觉实际，获取更丰富的气味信息，在目前文献中鲜有报道。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种设计合理、结合温度调制技术和膜延迟技术的电子鼻时空气味信息的仿生检测装置及方法。
[0007]本发明解决上述问题所采用的技术方案是:一种电子鼻时空气味信息的仿生检测装置，其特征在于:包括仿生气室、气敏传感器和控制模块；
仿生气室包括进气接头、出气接头、管体和透气膜/半透膜;管体两端封住;进气接头和出气接头分别安装在管体的两端，并与管体的管腔连通;管体包括S形管道和反S形管道;S形管道的管口与反S形管道的管口固定并连通，使S形管道的管腔与反S形管道的管腔连通构成气路;所述的S形管道和反S形管道为多个，间隔连接，多个S形管道和反S形管道依次连接以构成更长的气路;相连的S形管道和反S形管道，在连接处的管口上覆盖有透气膜/半透膜，透气膜/半透膜将该S形管道的管腔和反S形管道的管腔隔开;在S形管道和反S形管道的管壁上开有安装孔，气敏传感器安装在安装孔中，气敏传感器的传感部位伸入S形管道和反S形管道的管腔中；安装在S形管道和反S形管道上的气敏传感器构成传感阵列；
控制模块包括处理模块、工作温度调制模块和传感阵列信号采集模块;处理模块与工作温度调制模块和传感阵列信号采集模块连接;工作温度调制模块和传感阵列信号采集模块与气敏传感器连接;控制模块包括处理模块、工作温度调制模块和传感阵列信号采集模块;处理模块与工作温度调制模块和传感阵列信号采集模块连接;传感阵列信号采集模块与气敏传感器连接;工作温度调制模块与MOS型气敏传感器匹配，所述的气敏传感器为MOS型气敏传感器时，工作温度调制模块与MOS型气敏传感器连接，可对MOS型气敏传感器进行工作温度调制。
[0008]本发明所述的工作温度调制模块包括数模转换器、电压跟随器和功率放大模块；传感阵列信号采集模块包括四号电阻、五号电阻、六号电阻、仪表放大器和模数转换器;处理模块、数模转换器、电压跟随器、功率放大模块依次连接;MOS型气敏传感器的加热电阻与功率放大模块连接;MOS型气敏传感器的敏感电阻与四号电阻、五号电阻、六号电阻构成惠斯通电桥，惠斯通电桥、仪表放大器、模数转换器、处理模块依次连接；
处理模块的嵌入式程序预设多种温度调制驱动信号，温度调制驱动信号经过数模转换器转换成模拟信号，再通过电压跟随器，由功率放大模块功率放大后输给加热电阻，可实现工作温度调制；惠斯通电桥输出电压通过仪表放大器放大，并转换成单极信号，再由模数转换器转换成数字信号给处理模块。
[0009]本发明所述的管体包括封头;管体两端用封头封住。
[0010]本发明还包括气体采样栗和排废栗，采样栗和排废栗与控制模块连接;进气接头与气体采样栗连接，出气接头与排废栗连接。
[0011]本发明所述的气敏传感阵列包含多种原理和类型构建的混合传感阵列。
[0012]本发明所述的处理模块可采用单片机或者微处理器。
[0013]本发明所述的功率放大模块由达林顿管构成，或者采用集成芯片。
[0014]本发明所述的电压跟随器由运算放大器构成。
[0015]本发明如果某些安装孔无需安装气敏传感器，可以用的塞头堵住这些安装孔。
[0016]采用权利要求1?9任一权利要求所述的仿生检测装置;气味通过进气接头进入仿生气室，然后依次流过各管道，最后从出气接头排出；混合气味中的不同气体分子在流过透气膜/半透膜时在透气膜/半透膜中进行扩散，不同气体分子在气相和透气膜/半透膜中扩散传输率不同，导致它们在气路中不同位置存在组分和浓度差异，通过不同位置的气敏传感器获取其对应的差异性信号，即反映气味在仿生气室中传播的空间信息；工作温度调制模块不断改变MOS型气敏传感器加热电压幅值与频率来调制其工作温度，从而改变MOS型气敏传感器对不同气味成分的敏感度和选择性，形成一种对复杂气味内不同成分的扫描式响应过程，即可获取阵列中不同传感器丰富的时间序列信号；空间信息和时间序列信号构成气味时空信息；传感阵列信号采集模块获取传感阵列中不同传感器的气味时空信息;控制模块将传感阵列中的气味时空信息上传并保存至上位机。
[0017]本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果:本发明结合温度调制技术和膜延迟技术构建仿生气敏传感阵列和气室，以获取复杂气味成分的时空信息。与传统的单一工作温度气敏传感阵列和不考虑气味反应动力学影响的气室相比，能在有限数量和类型的气敏传感器条件下获取更丰富的气味指纹信息，从而奠定复杂气味精细辨识的信号基础。
[0018]本发明以生物嗅觉机理为理论基础，以工程实际为技术基础，改变了传统电子鼻系统气味信息检测方法和手段，不仅能改进电子鼻的气味识别能力，而且突破了传统电子鼻有限仿生结构，期望催生突破电子鼻技术瓶颈的新思维，促进人工嗅觉的理论发展。
【附图说明】
[0019]图1为本发明实施例的工作示意图。
[0020]图2为本发明实施例的仿生气室、传感阵列及控制模块示意图。
[0021]图3为本发明实施例MOS型气敏传感器工作温度调制模块和传感阵列信号采集模块电路图。
【具体实施方式