一種可攜式電子鼻系統的製作方法

2023-09-16 23:41:15 2

本實用新型屬於電子
技術領域：
，尤其涉及一種可攜式電子鼻系統。
背景技術：
：電子鼻作為一種典型的人工嗅覺系統，主要由氣體傳感器陣列和模式識別算法兩部分組成。相比於感官分析的不準確性及傳統化學分析的高成本，繁過程，費時間；電子鼻具有成本低，操作簡單，速度快等優點。自20世紀80年代電子鼻的概念被提出來以後，電子鼻一直被各個國家視為重點研究項目。經過短短幾十年的發展，電子鼻的應用領域十分廣泛，常用於安全保障，化妝品檢測，食品檢測,空氣檢測,臨床診斷等領域。1964年，Wilkens和Hatman提出對嗅覺過程的電子模擬，這是有關人工嗅覺分析系統的最早報導。1982年，英國Warwick大學的Persaud和Dodd研發了以氣體分類用的智能化學傳感器陣列為核心的人工嗅覺分析系統，其氣敏傳感器陣列可以分辨出桉樹腦，玫瑰油，丁香芽油等21種複雜的揮發性化學物質的氣味[6]。1987年英國Warwick大學召開的第八屆歐洲化學傳感器研究組織年會上，正式提出了「電子鼻」這一術語並給出了定義。在糧食方面，JuliuszPerkowski等採用電子鼻和CS/MS對小麥和黑麥中trichodiene合成酶的含量進行了分析，發現受感染樣品的鐮刀菌的含量遠遠高於正常樣品；在乳製品上，歐洲利用電子鼻技術控制不同產地的奶酪在生產過程中的質量，並已開始建立其指紋圖譜的資料庫。在醫藥領域，ReinhardFend等研究表明訓練過的電子鼻檢測結核分枝桿菌的臨床標本成功率很高，該方法可以用於快速自動化診斷與呼吸道感染有關的疾病。相比而言，我國對人工嗅覺方面的研究起步較晚，但在近十年也取得了較大成果。同濟大學王磊教授領導的科研小組已成功地研製出室內空氣品質自動監測系統和電子鼻控制器；浙江大學生物醫學工程與儀器科學學院生物傳感器國家專業實驗室正在研究測量呼吸氣體，診斷疾病；江蘇大學趙傑文教授，鄒小波博士應用13個金屬氧化物傳感器陣列，利用神經網絡技術和遺傳算法對鎮江香醋和山西陳醋進行了識別。目前，部分國內外研究出的電子鼻產品已經商品化，如英國Aromascan公司的「數字氣味分析系統」(市場報價100萬人民幣以上)，法國AphaMOSSA公司的FOX2000系統和英國NeotronicsScientificLtd公司的NOSE系統。但是這些系統普遍存在體積龐大，功耗高，價格昂貴的缺點，很不利於電子鼻產品的進一步推廣使用。因此，目前的研究方向就是要將電子鼻從工業用途中推廣開來，實現其低成本和小型化，使其能夠廣泛的應用到人們的日常生活中去。由於電子鼻的發展時間並不長，可攜式的電子鼻在國內外的研究還比較少。2001年CyranoSciences公司在市場上推出了獲得專利權的可攜式電子鼻系統，但該系統只可以識別單一化學品的氣味，所以用處十分局限。德國AIRSENSE公司生產的PEN3型電子鼻是一種檢測蒸汽和氣體的小巧，快捷的氣體檢測系統，它經訓練後可以迅速分辨單一化合物或者混合氣體。德國INNO_Concept公司生產的GC-IMS是一款用於食品安全檢測的可攜式電子鼻，它採用是離子遷移譜技術。這兩種型號的電子鼻雖然可以檢測的物質相對豐富，但是其體積質量依舊存在偏大的問題。而在國內，由於對電子鼻的研究起步較晚，電子鼻的研究還未趕上以美國，德國等國家為代表的西方國家的進度。目前國內有幾所高校正在研究可攜式的電子鼻，具有代表性的有華中科技大學正在研製手持式的電子鼻，但是目前還沒有研製出來。國內可攜式的電子鼻研究的正處於初級階段。綜上所述，可攜式電子鼻是人工嗅覺系統的一個重要發展方向，而當前研究多關注於系統性能，普遍存在設備體積、重量大，功耗高等缺點。本發明的開展是對電子鼻小型化的一種嘗試，在積累電子鼻硬體系統設計理論的同時為後續人工智慧算法研究打下良好基礎。傳統電子鼻具有體積、質量和功耗較大的缺陷，不便攜，不能完成氣體進樣控制和傳感器陣列數據採集及記錄。技術實現要素：本實用新型的目的在於提供一種可攜式電子鼻系統，旨在解決傳統電子鼻體積大、質量和功耗較大的缺陷而且攜帶不方便，不能完成氣體進樣控制和傳感器陣列數據採集及記錄的問題。一種可攜式電子鼻系統，該可攜式電子鼻系統設置有進樣控制系統、氣敏傳感器陣列、單片機；進樣控制系統與單片機連接，用於穩定進樣氣體流速和壓力；進樣控制系統設置有質量流量控制器、三通閥、乾燥器、密閉測試腔、可調速真空泵；質量流量控制器、三通閥、乾燥器、密閉測試腔、可調速真空泵依次連接；氣敏傳感器與單片機連接，用於檢測進樣氣體流速、溫度和壓力，並將檢測的信號傳輸給單片機，所述氣敏傳感器陣列位於密閉測試腔內，氣敏傳感器陣列設置有氣敏傳感器、溫度傳感器、氣壓傳感器；氣敏傳感器包括不同型號的氣敏傳感器。所述單片機用於接收進樣控制系統和氣敏傳感器陣列傳輸的信號，經信號處理後對進樣控制系統和氣敏傳感器陣列實時狀態進行控制。進一步，所述密閉測試腔採用不鏽鋼製成，內壁表面為特氟龍塗層；密閉測試腔中還設置有加熱器，加熱器通過加熱器上設置的繼電器與220V交流電連接，繼電器與單片機連接。進一步，氣敏傳感器陣列還設置有氣敏傳感器陣列調理電路，氣敏傳感器陣列調理電路設置有通用傳感器插座和通用信號調理電路；通用傳感器插座設置有多種不同封裝形式的引腳；所述通用信號調理電路用於不同型號的氣敏傳感器輸出的信號進入AD轉換器之前，對信號進行阻抗轉換、信號放大，通用信號調理電路設置有溫度補償電路、壓力補償電路，溫度補償電路、壓力補償電路均與單片機連接。進一步，所述單片機還設置有單片機最小系統電路、單片機外圍電路；單片機最小系統電路設置有單片機調試接口、復位電路、存儲器電路；所述單片機外圍電路設置有電源電路、ADC數據採集器、人機互動平面、PWM真空泵轉速控制器、加熱控制器、數據存儲電路；所述人機互動平面設置有液晶顯示屏和按鍵；所述單片機採用具有ARM內核的STM32F103系列單片機，內部集成ADC、DAC、PWM、USB、I2C、質量流量控制器接口；所述密閉測試腔還設置有進氣口和出氣口。本實用新型通過氣敏傳感器通用插槽和信號調理電路，引入「即插即用」和「時分復用」，在不降低系統氣味識別效能的前提下，減小氣敏傳感器數量和功耗；利用氣壓傳感器和可調速真空泵，精簡氣路中的穩壓閥；通過以上方法，減小系統體積、質量和功耗，最終實現小型化的可攜式電子鼻。附圖說明圖1是本實用新型實施例提供的可攜式電子鼻系統結構示意圖。圖中：1、質量流量控制器；2、三通閥；3、乾燥器；4、密閉測試腔；5、可調速真空泵；6、氣敏傳感器；7、溫度傳感器；8、氣壓傳感器；9、加熱器；10、單片機；11、進氣口；12、出氣口。圖2是本實用新型實施例提供的氣敏傳感器陣列調理電路圖。圖3是本實用新型實施例提供的單片機及外圍電路結構框圖。圖4是本實用新型實施例提供的壓力補償電路圖。圖5是本實用新型實施例提供的加熱控制電路圖。具體實施方式為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。下面結合附圖對本發明作進一步描述。如圖1所示：一種可攜式電子鼻系統，該可攜式電子鼻系統設置有進樣控制系統、氣敏傳感器陣列、單片機10；進樣控制系統與單片機連接，用於穩定進樣氣體流速和壓力；進樣控制系統設置有質量流量控制器1、三通閥2、乾燥器3、密閉測試腔4、可調速真空泵5；質量流量控制器、三通閥、乾燥器、密閉測試腔、可調速真空泵依次連接；氣敏傳感器陣列與單片機連接，用於檢測進樣氣體流速、溫度和壓力，並將檢測的信號傳輸給單片機，所述氣敏傳感器陣列位於密閉測試腔內，氣敏傳感器陣列設置有氣敏傳感器6、溫度傳感器7、氣壓傳感器9；氣敏傳感器包括不同型號的氣敏傳感器。所述單片機10用於接收進樣控制系統和氣敏傳感器陣列傳輸的信號，經信號處理後對進樣控制系統和氣敏傳感器陣列實時狀態進行控制。所述密閉測試腔採用不鏽鋼製成，內壁表面為特氟龍塗層；密閉測試腔中還設置有加熱器，加熱器通過加熱器上設置的繼電器與220V交流電連接，繼電器與單片機連接。氣敏傳感器陣列還設置有氣敏傳感器陣列調理電路，氣敏傳感器陣列調理電路設置有通用傳感器插座和通用信號調理電路；通用傳感器插座設置有多種不同封裝形式的引腳；所述通用信號調理電路用於氣敏傳感器輸出的信號進入AD轉換器之前，對信號進行阻抗轉換、信號放大，通用信號調理電路設置有溫度補償電路、壓力補償電路，溫度補償電路、壓力補償電路均與單片機10連接。所述單片機10還設置有單片機最小系統電路、單片機外圍電路；單片機最小系統電路設置有單片機調試接口、復位電路、存儲器電路；所述單片機外圍電路設置有電源電路、ADC數據採集器、人機互動平面、PWM真空泵轉速控制器、加熱控制器、數據存儲電路；所述人機互動平面設置有液晶顯示屏和按鍵；所述單片機10採用具有ARM內核的STM32F103系列單片機，內部集成ADC、DAC、PWM、USB、I2C、質量流量控制器接口，以及32-512KB的FLASH和最大64KB的SRAM。所述密閉測試腔4還設置有進氣口11和出氣口12。下面結合工作原理對本實用新型進一步說明。該可攜式電子鼻系統的控制方法包括：步驟一、通過液晶顯示屏和按鍵輸入檢測採樣氣體中基線段、測試段、吹掃段每個階段的時間、溫度和氣壓設定值；步驟二、基線段、測試段中氣敏傳感器採用時分復用方法進行自動控制氣敏傳感器加熱電壓通斷或者強弱，氣壓傳感器採用氣壓傳感器+可調速真空泵的穩壓方法對密閉測試腔調節氣壓；步驟三、吹掃段中在被測氣體測試完成後，進行氮氣或清潔空氣吹掃，並顯示吹掃中當前階段、已花費時間、當前階段剩餘時間、剩餘總時間的信息；步驟四、檢測採樣氣體中基線段、測試段、吹掃段完成後，對過程中的數據儲存，或重新返回步驟一。氣敏傳感器採用的時分復用方法為：氣敏傳感器穩定閾值θ的學習：在進行基線檢測時，對於一個由N個氣敏傳感器組成的傳感器陣列，若第i個氣敏傳感器t時刻的響應值為xi(t)，其中i∈{1，2，…，N}，當t＝1時，令：ximin=xi(1)ximax=xi(1),]]>其中分別表示第i個氣敏傳感器影響波動最小值與最大值，當t≠1時，令：ximin=xi(t),xi(t)ximax,]]>當基線檢測完成時，計算第i個氣敏傳感器穩定閾值：θi=ximax-ximin;]]>基於氣敏傳感器穩定閾值θ的氣敏傳感器加熱電壓控制：在被測氣體測試階段，對於一個由N個氣敏傳感器組成的傳感器陣列，若第i個氣敏傳感器t時刻的響應值為xi(t)，其中i∈{1，2，…，N}，令濾波平滑後的輸出x′i(t)為：xi′(t)=αxi′(t-1)+(1-a)xi(t),t>1xi′(t)=xi(t),t=1,]]>其中a為平滑因子且a∈(0，1)；若輸出x′i(t)滿足條件：|x′i(t)-x′i(t-1)|≤θi，則將x′i(t)記為第i個傳感器的有效響應值yi，當前時刻為ti，令t0＝max(ti)，則：Controli(t)=1,t(t0+(i-1)KT,t0+iKT)Controli(t)=0,otherwise,---(1)]]>其中Controli(t)表示第i個氣敏傳感器t時刻的加熱控制變量，「1」表示加熱，「0」表示不加熱；T為單個氣敏傳感器一次加熱時間，人工設置；K為自然數；對於響應值穩健性，使用以下公式對第i個氣敏傳感器的響應值yi進行迭代：yi=βyi+(1-β)yi′,t(t0+(i-1)KT,t0+iKT)yi=yi,otherwise,---(2)]]>其中y′i為加熱過程中獲得的當前第i個氣敏傳感器的有效響應值，β為遺忘因子；通過式(1)使氣敏傳感器的加熱電壓在t0時刻以後交替產生，降低了系統功耗；通過式(2)使氣敏傳感器響應值在加熱電壓作用時讀取，通過引入β使響應值具有穩健性；氣壓傳感器+可調速真空泵的穩壓方法為：本可攜式電子鼻系統使用壓力傳感器模塊將氣室內的實時氣壓值通過串行接口發送給單片機，單片機將當前氣壓加權均值與設定氣壓閾值進行比較，根據比較結果改變PWM信號的周期和頻率，以此調節真空泵電機的轉速，達到穩壓的目的；具體為：將t時刻密閉測試腔內的實時氣壓值記為x(t)，令：xi′(t)=γxi′(t-1)+(1-γ)xi(t),t>1xi′(t)=xi(t),t=1,]]>其中γ為氣壓平滑係數，將x′i(t)與設定的氣壓閾值進行比較，根據比較結果進行電機轉速控制：speed=up,xi′(t)>θgas+δspeed=down,xi′(t)其中up代表增速、down代表降速，θgas代表設定的氣壓閾值，δ表示氣壓控制誤差。下面結合具體實施例對本實用新型進一步說明。實施例測試對象：重量分別為0.5g、1g和2g的綠茶、紅茶、烏龍茶和普洱茶。測試方式：對每個測試對象進行6次實驗，其中3次採用採用時分復用方式加熱方式、3次採用正常方式，總計72次測試。每次測試基線階段採集時間為5分鐘，被測氣體採集階段時間為15分鐘，吹掃階段採集時間為10分鐘。識別算法：KNN(k近鄰法)；訓練與測試樣本：對於時分復用加熱方式：隨機抽取每個測試對象中的兩次實驗結果作為訓練樣本，剩餘的一次為測試樣本；對於正常加熱方式，採用相同方法產生訓練與測試樣本。參數設置：α＝β＝γ＝0.5，θgas＝0.9×1個標準大氣壓，δ＝0.05×1個標準大氣壓，傳感器個數N＝12，加熱時間T＝30S。測試結果如下表所示正常加熱時分復用加熱測試樣本識別正確率100％100％被測氣體階段系統功耗43.1W29.6W氣壓值最大偏差(％)7.8％8.1％下面結合具體應用對本實用新型進一步說明。本實用新型提供一種可攜式電子鼻系統在傷口檢測電子鼻上的應用；本實用新型提供一種可攜式電子鼻系統在甲醛檢測電子鼻上的應用。本實用新型提供一種可攜式電子鼻系統在空氣品質檢測電子鼻上的應用。下面結合原理分析對本實用新型的作進一步描述。傳感器陣列中氣敏傳感器的數量精簡和功耗減小：電子鼻系統通常使用金屬氧化物型傳感器作為傳感器陣列的基本組成元素，由於該類傳感器響應具有廣譜效應，理論上，不同選擇性的氣敏傳感器越多，則不同氣味的「圖譜」差異越明顯，但該類氣敏傳感器存在發熱較高、功耗較大的缺點，因此需要較大的氣室避免「溫室效應」；另一方面，高功率的電源使得電源部分體積較大。因而，在不降低系統識別效能的前提下，減小氣敏傳感器所佔空間和功耗是可攜式電子鼻無法迴避的問題。氣動元件的精簡與小型化：電子鼻中，為了保證檢測結果的可重複性，往往要求被測氣體的進樣速度、氣路壓力等條件保持恆定，因此會用到穩壓閥、穩流閥等氣動元件，而這些氣動元件往往體積、重量較大，不便於小型化。因此在保證環境條件穩定的前提下，氣動元件的精簡與小型化是實現可攜式電子鼻系統的又一難點。「即插即用」和「時分復用」式傳感器陣列。「即插即用」是指在傳感器陣列板上設計有限個氣敏傳感器插槽及其信號調理電路並滿足一定的兼容性要求。根據電子鼻的使用場景靈活選取不同特性的傳感器組成傳感器陣列。「時分復用」是指將氣敏傳感器進行分組，在同一時刻，有的組上電工作、有的組關電休息。採取交替工作的方式，達到降低功耗的目的。「氣壓傳感器+可調速真空泵」實現氣路穩壓：傳統氣路中使用「穩壓閥+真空泵」的方式保持氣路中氣壓穩定，其中穩壓閥的存在對於系統的便攜化和智能化是不利的。本發明擬使用「氣壓傳感器+可調速真空泵」方案，該方案中：氣壓傳感器實時監測氣路氣壓並實時發往單片機，單片機根據當前氣路氣壓大小實時控制真空泵電機轉速，以保證氣路氣壓的恆定。本發明所涉方案具有體積小、無須人工操作的優點。下面結合附圖和設計原理對本實用新型進一步說明。進樣系統設計：通過質量流量控制器(MFC)使測試氣體流速恆定，另一路「空氣和氮氣」用作吹掃時的載氣，通過三通閥可以對這兩路氣體進行選擇。乾燥器用於濾除氣體中的水蒸氣，使「密閉測試腔」中的溼度保持恆定。密閉測試腔選用不鏽鋼製成，為減小氣體分子的吸附作用，其內壁表面為特氟龍塗層。腔中的加熱器受單片機控制，其控制依據是溫度傳感器實時感知的腔中氣體溫度，通過這樣方式可以保持「密閉測試腔」中的溫度恆定。氣壓傳感器輸出與單片機相連，單片機通過感知腔中可調速真空泵的電機轉速，達到穩壓的目的。2、氣敏傳感器陣列及其調理電路如圖2所示：氣敏傳感器陣列將進行PCB製版，製成的PCB板作為「密閉測試腔」的一面對腔體進行密封，傳感器陣列包括：8-12個通用傳感器插口、1個溫度傳感器插口和1個氣壓傳感器插口。氣敏傳感器輸出信號進入AD轉換器之前，往往需要進行信號調理以實現阻抗轉換、信號放大等。需要兼容不同型號氣敏傳感器的信號調理電路。按照通常金屬氧化物傳感器調理電路的要求，擬採用電壓跟隨器或者同向比例運算電路的形式設計調理電路。3、單片機及其外圍電路：單片機外圍電路包括：電源電路、ADC數據採集、人機互動(液晶顯示與按鍵)、PWM真空泵轉速控制、流速控制(質量流量控制器接口)、加熱控制、數據存儲電路等,單片機擬採用具有ARM內核的STM32F103系列單片機，該系列單片性價比高，功耗低，內部集成ADC、DAC、PWM、USB、I2C等接口或控制器，以及32-512KB的FLASH和最大64KB的SRAM。硬體結構框圖如圖3所示。傳感器陣列由溫度、氣壓和氣敏傳感器組成，所有傳感器的輸出均為模擬量，通過單片機自帶的12位ADC進行採集。質量流量控制器(MFC)、加熱器、可調速真空泵均受單片機控制，用於實現氣路的恆流、恆溫和恆壓。與此同時，單片機還控制液晶屏並接受按鍵指示，實現人機互動。經ADC採集到的數據可暫存在數據存儲電路(FLASH或RAM)中，用於數據分析。單片機最小系統電路：根據性能要求，需具有適宜的單片機調試接口、復位電路、存儲器電路，合適的晶振頻率。4、單片機軟體：單片機軟體以設計STM32單片機程序為主。開機後，通過液晶顯示屏和按鍵需要輸入採樣個階段(基線段-測試段-吹掃段)的時間、溫度和氣壓設定值。輸入完成後，即進入正常工作狀態，對應三個不同的階段，液晶顯示屏可以顯示與當前工作階段相關的信息，如：工作階段名稱、剩餘時間、已用時間、腔內實時溫度和氣壓、傳感器實時響應曲線等。當三個階段工作完成後，單片機需要將暫存的數據存儲在指定的介質(如U盤、SD卡或者上位機)上。完成以上步驟後，軟體將回到參數設置以進行下一次數據採集。基本功能包括：基本控制程序、氣壓檢測與PWM氣壓控制、氣體流速調節、溫度檢測與控制、數據採集與存儲等。圖4是本發明實施例提供的壓力補償電路圖，通過單片機採集壓力傳感模塊數據，根據當前密閉測試腔內的壓力值，改變單片機PWM信號頻率並控制真空調速泵實現。圖5是本發明實施例提供的加熱控制電路圖，加熱器連接外部220伏電源，通過繼電器與單片機連接，從而實現單片機對加熱器的控制。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp