一種嗅覺模擬儀器和多種氣味定性定量同時分析方法

2023-05-12 06:36:41

專利名稱：一種嗅覺模擬儀器和多種氣味定性定量同時分析方法
技術領域：
本發明一一種嗅覺模擬儀器與多種氣味定性定量同時分析方法，涉及計算機、精密測量、自動控制、精密機械、分析化學、香料、食品領域。本發明主要解決氣敏傳感器陣列 工作室和被測樣品及其頂空揮發氣精密恆溫、大容量頂空揮發氣產生、自動頂空採樣、多種 氣味同時識別與濃度估計問題。
背景技術：
嗅覺模擬儀器主要用於氣味識別、氣味強度定量分析及其關鍵成分濃度估計。一個敏感的氣敏傳感器足以完成對一種單一氣味的定性甚至定量分析任務。然 而，只對一種氣體敏感的氣敏傳感器時不存在的，現實世界裡存在成千上萬種氣味，再考慮 到環境溫溼度的千變萬化，使得多種氣味的定性與定量分析成為一個亟待解決的難題。這 方面的研究具有重要的理論意義和實用價值。從某種意義上講，嗅覺模擬理論與實現方法， 尤其是核心的氣敏傳感器陣列技術，就是為解決多種氣味的同時定性與定量分析而提出 的。除良好的選擇性之外，嗅覺模擬儀器必須具有必要的靈敏度、長期的重複性、長期 的穩定性。研究表明，氣敏傳感器的靈敏度是一把雙刃劍。靈敏度高固然可以對氣味的微 小變化產生較為明顯的反映，但與此同時，環境變化及靈敏度過高產生的噪聲也會大大影 響氣敏傳感器感知結果的可信性。目前，單個氣敏傳感器最高靈敏度已達到亞PPb即10_8 級，這對常規測量已經夠了。隨著氣敏傳感器陣列技術的出現，採用合適的模式識別方法，嗅覺模擬儀器可以 具有良好的選擇性。但是，嗅覺模擬實驗研究目前只是對有限幾種氣味(更多的是2種) 及其濃度的分析結果，與人們的要求和客觀現實存在很大的差距。長期重複性與長期穩定性是儀器的生命，一直是研究熱點和難點。從某種意義上 講，我們寧願犧牲一定程度的靈敏度，也要使儀器具有良好的長期重複性與長期穩定性。一 種儀器如果沒有長期重複性與長期穩定性，那麼，所謂的靈敏度高也是假的。本發明採用技術成熟、商品化程度高的，以SnO2為代表的金屬氧化物半導體 (Metal oxidesemiconductor,MOS)型氣敏傳感器組成氣敏傳感器陣列。MOS型氣敏傳感器 存在自身體積大、自身形成熱源這兩個主要缺點，這就意味著要著力解決大容量氣體頂空 採樣裝置的實現和氣敏傳感器陣列自身工作狀態的穩定問題。嗅覺模擬儀器對多種氣味進行定性與定量分析的前提條件之一是，對某種液態、 固態或膏狀呈香物質，只要其成分與濃度不變，在任何環境下，其產生的頂空揮發氣組成成 分與濃度也應保持不變。一種呈香物質在低溫下可能沒有氣味，當溫度升高到一定程度時 就有氣味，這說明溫度對氣味強弱的影響很大。因此，要使液態、固態或膏狀呈香物質在任 何環境下產生的頂空揮發氣成分及濃度保持不變，必須對頂空氣體發生裝置內部溫度進行 精密控制。嗅覺模擬儀器對多種氣味進行定性與定量分析的前提條件之二是，無論何人，無論何時何地，對同一種呈香物質進行多次測量，都應得到同樣的結果。這一方面是要求儘量 減少操作誤差，另一面是要求儘量減少除氣敏傳感器自身原因之外的儀器內部的長期穩定 性和誤差。這就需要解決儀器內部尤其是氣敏傳感器陣列工作室內部工作狀態的穩定性問 題和自動頂空採樣問題。氣相色譜儀目前主要靠人工注射進樣，測試結果與操作人員的熟練程度關係很 大。為了減少操作誤差，國內外氣相色譜儀生產廠家多年來一直致力於研製自動進樣裝置。 氣相色譜儀器分析氣體樣品的方法之一是採用頂空氣體採樣裝置；方法之二是採用氣態樣 品收集一富集一冷凝一注射器採樣的預處理過程。專為氣相色譜儀配套的商品化的頂空氣 體採樣裝置，如7694E、HS40X1等，其樣品瓶最大容量僅20毫升，不能滿足嗅覺模擬儀器的 要求。樣品瓶容積小，可被吸入到氣敏傳感器工作室內的有效氣體量就小，其結果是氣體在 氣敏傳感器工作室內被大大稀釋，相當於降低了氣敏傳感器的檢測下限和靈敏度。商品化 的頂空採樣裝置還存在價格高、結構複雜、體積大、操作繁瑣問題，例如，7694E型頂空採樣 裝置的單臺售價10萬人民幣以上。從嗅覺模擬儀器自身的要求而言，自動頂空採樣裝置應 是儀器的一個組成部分，只有這樣，嗅覺模擬儀器才能實現實時化、現場化、對測試環境要 求不高的初衷。一個氣敏傳感器自身是一個熱源，氣敏傳感器陣列是多個氣敏傳感器同時工作， 也就是說，多個工作熱源產生的熱量將累積起來，從而造成機器嗅覺儀器工作狀態的不穩 定，這對保持機器嗅覺儀器的長期重複性與長期穩定性是十分不利的。在發明專利《一種機 器嗅覺裝置及其嗅覺模擬測試方法》(參見專利申請號=02111046. 8)和發明專利《一種小 型自動化機器嗅覺儀器與氣味分析方法》(參見專利申請號=200710036260. 4)裡，我們已 經指出，採用氣敏傳感器陣列環形工作室的優點是使得多個氣敏傳感器同時工作時熱量分 散。但是，直接將7芯陶瓷插座膠結在氣敏傳感器陣列環形工作室內部會致使環形工作室 容積不能有效減小，去掉7芯陶瓷插座又會影響到氣敏傳感器自身的靈敏度和連接線路的 可靠性。單個氣敏傳感器體積較大，氣敏傳感器陣列工作室容積應儘可能小和散熱性盡可 能好，如何解決這些矛盾，是本發明要解決的重要問題之一。綜上所述，本發明要解決的關鍵技術問題是，(1)如何以儀器內部的「不變」應對外 部環境的「萬變」，即如何實現儀器內部工作溫度的精密控制；(2)大容量頂空揮發氣發生 裝置的實現和被測樣品與頂空揮發氣的精確恆溫；(3)研製自動頂空採樣裝置，以消除人 為操作誤差；(4)為配合儀器內部工作溫度的精密控制，解決內部累積的熱量的散發問題； (5)如何使氣體流動管道儘可能短，減少氣味分子的殘留空間；(6)如何實現氣味與氣敏傳 感器敏感膜、氣敏傳感器工作室和管道內壁的瞬間接觸，以便於氣敏傳感器的快速恢復和 殘留氣味分子的去除；(7)多種氣味定性定量同時分析的模式識別模型與程序實現方法。

發明內容
本發明是在現有的發明專利《一種小型自動化機器嗅覺儀器與氣味分析方法》(參 見專利申請號=200710036260. 4)和《一種並一串聯模式識別方法及其在機器嗅覺中的應 用》(申請號=200710042607. 6)的基礎上，為使對多種液態、固態或膏狀呈香物質的測試與 分析結果具有良好的選擇性、長期重複性與長期穩定性而提出的一種嗅覺模擬儀器與多種 氣味定性定量同時分析方法。本發明的嗅覺模擬儀器具有體積小、頂空揮發氣體積大、恆溫精度高、自動化程度高、長期重複性與長期穩定性好、分析速度快、使用簡便的優點。為了實現上述目的，本發明一一種嗅覺模擬儀器由測試箱、頂空氣體發生裝置、計 算機、潔淨空氣瓶所組成。測試箱與計算機通過信號傳輸與控制電纜相連接；測試箱與潔淨空氣瓶通過氣體 管道相連接；測試箱內的氣敏傳感器陣列感知氣味的變化，得到多路模擬信號；計算機將 氣敏傳感器陣列對氣味感知產生的多路模擬信號轉化成多路數位訊號，據此對氣味進行定 性定量分析；潔淨空氣使氣敏傳感器陣列在穩定的氣體狀態基礎上進行多次測量。頂空氣體發生裝置通過電源和信號傳輸電纜與測試箱相連接，用於加熱液態、固 態或膏狀被測樣品以產生大容量頂空揮發氣；在計算機和測試箱的控制下，被測樣品和頂 空揮發氣的溫度恆定在55 士 0. 1°C。氣體頂空採樣前，操作人員將頂空氣體發生裝置固定在測試箱內自動進樣升降裝 置的支撐圓盤上；氣體頂空採樣時，頂空氣體發生裝置在自動進樣升降裝置的推動下上升， 固定在測試箱內恆溫箱上的進樣針因而刺穿頂空氣體發生裝置的矽橡膠密封片而接觸到 頂空揮發氣；氣體頂空採樣結束後，操作人員從支撐圓盤上鬆開並移走樣品被測過的頂空 氣體發生裝置，裝入新的頂空氣體發生裝置，為下一次測量作準備。測試箱由恆溫箱、自動進樣升降裝置、真空泵、二位二通電磁閥3，二位二通電磁閥 4、二位二通電磁閥5、流量計、四路直流穩壓電源、驅動與控制電路、節流閥7、節流閥8所組 成；其中，恆溫箱由氣敏傳感器陣列、氣敏傳感器陣列環形工作室、進樣針、進樣針接頭、外 六角螺母、隔熱圓盤、電阻加熱絲、溫度傳感器、風扇、隔熱層所組成；恆溫箱固定在測試箱 箱體上。氣敏傳感器陣列由16個性能彼此重疊且互不相同的氣敏傳感器所組成，感知氣 味的變化，產生16路模擬響應電壓信號；氣敏傳感器陣列環形工作室由傳感器座和傳感器 蓋通過內六角螺釘固定在一起而形成，並由2個0型密封圈形成封閉的環形內腔，放置16 個氣敏傳感器；環形內腔平均直徑為140毫米，斷面尺寸為20毫米X16毫米；傳感器座沿 平均直徑為140毫米的環形內腔均布有18個通孔，其中16個為7芯陶瓷插座的安裝孔， 2個為進氣孔和出氣孔；進氣孔與出氣孔相鄰，中間由隔板隔開，從而強迫被測氣體繞氣敏 傳感器陣列環形工作室流動；商用的7芯陶瓷插座用無味粘合劑膠結在傳感器座的安裝孔 上，並通過導線與測試箱的四路直流穩壓電源和驅動與控制電路相連接；氣敏傳感器直接 插在7芯陶瓷插座上。進樣針接頭直接固定在氣敏傳感器陣列環形工作室進氣孔下方；進樣針為孔徑為 1. 0毫米的醫用注射針，通過外六角螺母固定在進樣針接頭上，達到進氣氣路儘可能短的目 的；進樣針與進樣針接頭之間通過錐度相互契合在一起；更換進樣針的步驟為，①取下固 定在恆溫箱上的隔熱圓盤，②擰下固定進樣針的外六角螺母，③取下舊的進樣針，④換上新 的進樣針，⑤擰上外六角螺母，⑥裝上隔熱圓盤。氣敏傳感器陣列環形工作室的排氣孔與二位二通電磁閥3和5、二位二通電磁閥 5與潔淨空氣瓶、二位二通電磁閥3和真空泵、真空泵與節流閥7和二位二通電磁閥4、節 流閥7和二位二通電磁閥4與流量計、二位二通電磁閥5與節流閥8、節流閥8與潔淨空氣 瓶，均通過氣體管道相連接；被測氣體從進樣針進入氣敏傳感器陣列環形工作室，並依次流 過二位二通電磁閥3、真空泵、節流閥7、流量計，最後通過氣體管道的廢氣排出口排出到大
8氣中。氣敏傳感器陣列環形工作室、一部分進樣針均固定在溫度為55士0. 1°C的恆溫箱 內；恆溫箱內部由電阻加熱絲加熱，風扇使箱內溫度均勻，隔熱層防止熱量向外散發，溫度 傳感器檢測溫度的變化；恆溫箱的恆溫過程只制熱，不製冷。自動進樣升降裝置由步進電機、齒輪29、齒輪30、螺母、螺杆、支撐圓盤、導向杆、 球軸承、軸承座、底座、限位開關、內隔套、外隔套、內卡簧、外卡簧所組成，齒輪29固定在步 進電機軸上，齒輪30與螺母固定在一起，螺杆與支撐圓盤固定在一起，軸承座固定在底座 上，底座和限位開關固定在測試箱箱體上。自動進樣升降裝置的齒輪29為45號優質碳素鋼材料，齒輪30和螺杆為非金屬材 料，支撐圓盤和螺杆為鋁合金材料；自動進樣升降裝置在長期工作過程中不加潤滑油，不產
生噪聲。在計算機的控制下，自動進樣升降裝置的步進電機通過齒輪29使齒輪30旋轉，與 齒輪30固定在一起的螺母因而旋轉，從而使得螺杆和支持圓盤一起作上升下降運動；螺杆 和螺母的螺距為3毫米，支撐圓盤在3秒鐘內上升20毫米，在3秒鐘內下降20毫米。頂空氣體發生裝置由玻璃樣品瓶、電阻加熱絲、導熱層、隔熱層、2個溫度傳感器、 杯蓋、矽橡膠密封片、杯外套、杯底圓盤、卡爪、6芯電纜所組成；導熱層由鋁合金導熱套和 鋁合金導熱圓盤固定在一起而形成，電阻加熱絲纏繞在鋁合金導熱圓盤底部和鋁合金導熱 套上，鋁合金導熱圓盤下部鋁合金導熱套外表面上部分別固定一個溫度傳感器，玻璃樣品 瓶放置於導熱層內部的鋁合金導熱圓盤之上；電阻加熱絲產生的熱量通過鋁合金導熱圓盤 和鋁合金導熱套將玻璃樣品瓶內的被測樣品加熱，隔熱層和杯蓋共同防止熱量散發，矽橡 膠密封片防止玻璃樣品瓶內的頂空揮發氣外洩。頂空氣體發生裝置內被測樣品和頂空揮發氣恆溫溫度為55士0. 1°C，固定於鋁合 金導熱圓盤下部和鋁合金導熱套外表面上部的2個溫度傳感器檢測玻璃樣品瓶內的溫度 變化；若2個溫度傳感器的溫度測量平均值高於55°C，則計算機通過信號傳輸與控制電纜 使電阻加熱絲斷電；若該溫度測量平均值低於55°C，則計算機通過信號傳輸與控制電纜使 電阻加熱絲通電；因此，即使環境溫度達到45°C，該頂空氣體發生裝置仍只制熱，不製冷。容量為180毫升的玻璃樣品瓶和矽橡膠密封片均從市場上購得，每個玻璃樣品瓶 和矽橡膠密封片只使用一次，不產生交叉感染。頂空氣體發生裝置的杯底圓盤底部沿直徑方向的2個卡爪與自動進樣升降裝置 的支撐園盤沿直徑方向的2個卡槽契合；氣體頂空採樣前，操作人員先將2個卡爪對準2個 卡槽，然後旋轉頂空氣體發生裝置5°，杯底圓盤就與支撐圓盤固定在一起，且兩者垂直中 心重合；反之，操作人員可快速從支撐圓盤上取走頂空氣體發生裝置；頂空氣體發生裝置 與支撐圓盤的固定或取走過程均可在10秒內完成。氣體頂空採樣時，在計算機的控制下，支撐圓盤與頂空氣體發生裝置一起做上升 下降運動，最大垂直位移為20毫米；頂空氣體發生裝置上升時，固定在氣敏傳感器陣列環 形工作室進氣孔下方的進樣針因而刺穿玻璃樣品瓶上的矽橡膠密封片，從而接觸到頂空揮 發氣。四路直流穩壓電源的電壓分別為5V、10V、12V和36V ；其中，5V為16個氣敏傳感器 的加熱電壓，10V為氣敏傳感器的工作電壓，12V為3個二位二通電磁閥、真空泵、風扇和步
9進電機的工作電壓，36V為測試箱和頂空氣體發生裝置的加熱電壓；5V和10V為線性電源， 12V和36V為開關電源。真空泵以連續方式工作，計算機通過數據採集卡和信號傳輸與控制電纜控制二位 二通電磁閥3、4和5的通電與斷電，以分別控制氣敏傳感器陣列環形工作室與頂空揮發氣、 潔淨空氣和環境空氣的通與斷。頂空揮發氣採樣體積為50毫升，由流量計和計算機精確計量；氣體頂空採樣時， 在計算機、二位二通電磁閥3、4和5的作用下，潔淨空氣通道被斷開，玻璃樣品瓶內的頂空 揮發氣被真空泵抽吸，經由進樣針，以600毫升/分鐘的流量流經氣敏傳感器陣列環形工作 室，然後從廢氣排出口排放到大氣中。在計算機的控制下，通過二位二通電磁閥3、4與5和節流閥7與8的轉換與控制， 使得玻璃樣品瓶內頂空揮發氣採樣流量為600毫升/分鐘，潔淨空氣流量為600毫升/分 鍾，環境空氣流量分別為600毫升/分鐘和6000毫升/分鐘；流量為6000毫升/分鐘的環 境空氣衝洗，一是使氣敏傳感器快速初步恢復；二是帶走氣敏傳感器陣列環形工作室內16 個氣敏傳感器同時工作時累積產生的熱量；三是衝走吸附在氣敏傳感器陣列環形工作室和 氣體管道內壁上的氣味分子。潔淨空氣以600毫升/分鐘，通過氣體管道、節流閥8和二位二通電磁閥5從出氣 孔反向吹入氣敏傳感器陣列環形工作室，並最終從進樣針排出到大氣中，從而使16個氣敏 傳感器在多次採樣時均處在重複的穩定狀態。插在計算機主板上的數據採集卡用16位A/D轉換將氣敏傳感器陣列對氣味感知 得到的16路模擬信號轉換為16路數位訊號；這16路數位訊號作為一個數據文件保存在計 算機硬碟上，是嗅覺模擬儀器對氣味進行定性定量分析的依據；被記錄數據的時間長度為 60秒。計算機用結構化的神經網絡模塊軟體對多種氣味同時進行定性定量分析；一個樣 本是一個氣味樣品的數位化特徵表示，是氣敏傳感器陣列的響應；一個神經網絡模塊的結 構是單輸出單隱層的；一對神經網絡模塊代表一種氣味，其中，前一個神經網絡模塊負責識 別一個樣本是否來自所代表的氣味，在確認「是」的前提下，後一個對應的神經網絡模塊負 責估計該樣本的強度和濃度；神經網絡模塊的對數等於氣味的類別數，一一對應；決策時， 負責識別的所有神經網絡模塊中，輸出值最大的神經網絡模塊決定著一個樣本及其對應的 氣味樣品的類別。 嗅覺模擬儀器對多種氣味進行定性定量同時分析，包括以下步驟(1)、開機，儀器預熱30分鐘，二位二通電磁閥3和4接通，二位二通電磁閥5斷開， 在真空泵的抽吸作用下，環境空氣通過進樣針以6000毫升/分鐘的流量流過氣敏傳感器陣 列環形工作室；計算機將第30分鐘末時氣敏傳感器陣列對環境空氣的響應記為初始狀態；(2)、操作人員先將10毫升液態、固態或膏狀被測樣品放入容積為180毫升的玻 璃樣品瓶內，然後將該玻璃樣品瓶放入頂空氣體發生裝置的導熱套內，蓋上矽橡膠密封片， 然後擰緊杯蓋；按下計算機鍵盤上的確認鍵，被測樣品開始被加熱，恆溫開始計時；被測樣 品在電阻加熱絲通過鋁合金導熱圓盤和鋁合金導熱套散發的熱量的作用下，精確恆溫30 分鐘；在此段時間內，操作人員將頂空氣體發生裝置固定在自動進樣升降裝置的支撐圓盤 上；
(3)、在被測樣品恆溫30分鐘後，二位二通電磁閥5接通，二位二通電磁閥3和4 斷開，潔淨空氣以600毫升/分鐘的流量從排氣孔倒流入氣敏傳感器陣列環形工作室，然後 從進樣針排出到大氣中，歷時40秒；在此過程中，氣敏傳感器陣列得以用潔淨空氣進行精 確標定；(4)、二位二通電磁閥3、4和5均斷開，氣敏傳感器陣列進入5秒鐘的平衡期；在此 期間，氣敏傳感器陣列環形工作室內的氣體處於靜止狀態，測試箱的自動進樣升降裝置在3 秒鐘內使頂空氣體發生裝置上升20毫米，固定在氣敏傳感器陣列環形工作室下方的進樣 針因此穿過矽橡膠密封片，接觸到玻璃樣品瓶內的頂空揮發氣；(5)、二位二通電磁閥3接通，二位二通電磁閥4和5均斷開，真空泵將頂空揮發氣 以600毫升/分鐘的流量經由進樣針吸入氣敏傳感器陣列環形工作室，使之迅速掠過氣敏 傳感器敏感膜表面，然後經過節流閥7從廢氣排出口排放到大氣中；當頂空揮發氣採樣累 積達到50毫升時，氣體頂空採樣過程結束；這一過程歷時5秒鐘；(6)、在頂空揮發氣流經氣敏傳感器陣列環形工作室的過程中，各個氣敏傳感器對 被測氣味產生敏感響應，這些敏感響應通過信號傳輸與控制電纜傳送到計算機；計算機通 過16位的數據採集卡得到一個16維響應向量，經結構化的神經網絡模塊軟體分析處理後， 10秒之內可得到被測氣味樣品類別、強度或關鍵成分濃度估計值，並通過計算機的顯示器 顯示出來；(7)、氣體頂空採樣過程結束後，氣敏傳感器陣列進入頂空揮發氣流量逐漸減小與 環境空氣流量逐漸增大的過渡期，歷時5秒；頂空氣體發生裝置在自動進樣升降裝置的作 用下在3秒鐘之內下降20毫米，進樣針最終完全退出玻璃樣品瓶；二位二通電磁閥3仍接 通，二位二通電磁閥4和5仍均斷開，真空泵將氣體從進樣針吸入氣敏傳感器陣列環形工作 室；氣體從最初600毫升/分鐘的頂空揮發氣逐漸過渡到最終600毫升/分鐘的環境空氣；(8)、頂空揮發氣逐漸減小與環境空氣逐漸增大的過渡期結束後，二位二通電磁閥 3和4接通，二位二通電磁閥5斷開，真空泵以6000毫升/分鐘的流量將環境空氣從進樣針 吸入氣敏傳感器陣列環形工作室，歷時240秒；在此期間內，操作人員取走樣品被測過的頂 空氣體發生裝置，更換樣品和玻璃樣品瓶，放置新的頂空氣體發生裝置；(9)、重複(2) (8)，進行多次採樣，一個完整的採樣過程持續295秒；除步驟(2)和(8)外，整個過程在計算機的控制下由嗅覺模擬儀器自動完成。一種嗅覺模擬儀器配置6個頂空氣體發生裝置，在1小時內測量6個樣品。與發明《一種小型自動化機器嗅覺儀器與氣味分析方法》(參見專利申請號 200710036260. 4)相比，本發明的嗅覺模擬儀器和多種氣味定性定量同時分析方法具有結 構更加簡潔、氣路更短、電磁閥從4個減少為3個、進樣針孔直接與氣敏傳感器陣列環形工 作室進氣孔相通、6000毫升/分鐘的環境空氣衝洗時間更長、氣體頂空採樣自動化程度更 高的特點。


圖1是本發明一一種嗅覺模擬儀器與多種氣味定性定量同時分析方法一不採樣 時，嗅覺模擬儀器組成單元示意圖。圖2是本發明一一種嗅覺模擬儀器與多種氣味定性定量同時分析方法一採樣時，嗅覺模擬儀器組成單元示意圖。圖3是本發明一一種嗅覺模擬儀器與多種氣味定性定量同時分析方法一嗅覺模 擬儀器工作原理圖。圖4是本發明一一種嗅覺模擬儀器一測試箱結構原理圖。圖5是本發明一一種嗅覺模擬儀器與多種氣味定性定量同時分析方法一在一個 工作周期內，氣體流量和氣敏傳感器響應變化情況圖。圖6是本發明一一種嗅覺模擬儀器一自動進樣升降裝置結構圖。圖7是本發明一一種嗅覺模擬儀器一頂空氣體發生裝置結構示意圖。圖8是本發明一一種嗅覺模擬儀器一頂空氣體發生裝置組成元件相互位置示意 圖。圖9是本發明一一種嗅覺模擬儀器一氣敏傳感器陣列環形工作室2的氣敏傳感器 安裝剖面圖。圖10是本發明一一種嗅覺模擬儀器一氣敏傳感器陣列環形工作室、進樣針、圖6 所示的自動進樣升降裝置、圖7所示的頂空氣體發生裝置在氣體頂空採樣時的位置與連接 關係圖。圖11是本發明一一種嗅覺模擬儀器一進樣針更換方法示意圖。圖12是本發明一一種嗅覺模擬儀器和多種氣味定性定量同時分析方法一結構化 的神經網絡模塊實現方法示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步的詳細描述。本發明一一種嗅覺模擬儀器不採樣時的組成單元如附圖1所示，其特點是，該儀 器的4大組成單元為測試箱I、頂空氣體發生裝置II、計算機III、潔淨空氣瓶IV ；測試箱I 與頂空氣體發生裝置II之間通過6芯電纜相連接，其中2根為電源線，4根為信號傳輸線； 測試箱I與計算機III之間通過37芯扁平電纜相連接，用於傳輸氣敏傳感器陣列的響應信 號和計算機III通過數據採集卡發出的控制信號；測試箱I與潔淨空氣瓶IV之間通過氣體 管道相連接。本發明一一種嗅覺模擬儀器採樣時的組成單元如附圖2所示，這時，一個頂空氣 體發生裝置II固定在測試箱I內自動採樣升降裝置的支撐圓盤上，其它頂空氣體發生裝置 II正處在被測樣品和頂空揮發氣的恆溫過程中。本發明一 一種嗅覺模擬儀器與多種氣味定性定量同時分析方法一嗅覺模擬儀器 工作原理圖如附圖3所示，儀器的具體組成單元為，氣敏傳感器陣列1，氣敏傳感器陣列環 形工作室2，二位二通電磁閥3，二位二通電磁閥4，二位二通電磁閥5，進樣針6，節流閥7， 節流閥8，流量計9，真空泵10，隔板11，電阻加熱絲12，溫度傳感器13，風扇14，隔熱層15， 高精度四路直流穩壓電源16，驅動與控制電路17，自動進樣升降裝置18、頂空氣體發生裝 置19，箱體20 ；計算機主機21、插在計算機主板上的數據採集卡22、顯示器23、潔淨空氣瓶 24、氣體管道25、用於電源與信號傳輸的6芯電纜26、用於信號傳輸與控制的37芯扁平電 纜27為商用標準部件。氣敏傳感器陣列環形工作室均布有18個通孔，其中16個為7芯陶 瓷插座的安裝孔，2個為進氣孔和出氣孔；進氣孔與出氣孔相鄰，中間由隔板隔開，從而強迫被測氣體繞氣敏傳感器陣列環形工作室流動；氣敏傳感器直接插在7芯陶瓷插座上；附圖4給出的嗅覺模擬儀器一測試箱的結構原理圖說明，恆溫箱是測試箱的一個 部件，由氣敏傳感器陣列1、氣敏傳感器陣列環形工作室2、隔板11、電阻加熱絲12、溫度傳 感器13、風扇14，隔熱層15所組成，電阻加熱絲12、溫度傳感器13、風扇14和進樣針6的 一部分位於由隔熱層形成的恆溫箱內。考慮到環境溫度最高時不需要製冷和電磁閥與粘合劑工作溫度不宜太高這兩 個因素，恆溫箱內部恆溫溫度設定為55°C。溫度傳感器13的測量範圍及其靈敏度為 0-100士0. 1°C。當恆溫箱內部溫度超過55°C時，根據計算機21通過數據採集卡22和37芯 扁平電纜27發出的指令，電阻加熱絲12斷電，恆溫箱內部溫度因而下降；反之，電阻加熱絲 12通電，恆溫箱內部溫度因而上升。因此，不論外部環境如何變化，恆溫箱內部工作溫度始 終恆定為55士0. 1°C。風扇14的作用是使得恆溫箱內溫度均勻，防止產生溫度梯度。附圖5說明，本發明一一種嗅覺模擬儀器與多種氣味定性定量同時分析方法，在 一個工作周期內，氣體流量和傳感器響應變化情況如下①環境空氣初步恢復階段一在流量為6000毫升/分鐘的環境空氣的衝洗作用下， 歷時192秒，氣敏傳感器初步恢復到基準狀態，操作人員在這段時間內向玻璃樣品瓶注入 被測樣品，蓋上矽橡膠密封片，擰緊杯蓋，移走舊的並固定新的頂空氣體發生裝置；②潔淨空氣標定階段一流量為600毫升/分鐘的潔淨空氣歷時40秒的衝洗，使氣 敏傳感器精確恢復到基準狀態；③平衡階段一氣敏傳感器陣列環形工作室內氣體不流動，歷時5秒鐘，頂空氣體 發生裝置上升20毫米，進樣針接觸到頂空揮發氣；④氣體頂空採樣階段一頂空揮發氣以600毫升/分鐘的流量掠過氣敏傳感器敏感 膜表面，氣敏傳感器因此產生敏感響應，歷時5秒鐘；⑤過渡階段一頂空氣體發生裝置下降，進樣針退出並逐漸脫離與頂空揮發氣的接 觸，與此同時，環境空氣從進樣針進入氣敏傳感器環形工作室的流量從零逐漸加大到600
毫升/分鐘；⑥環境空氣衝洗階段一在進樣針完全脫離與頂空揮發氣接觸後，環境空氣的流量 從600毫升/分鐘增加到6000毫升/分鐘，氣體管道和氣敏傳感器環形工作室內壁上殘留 的氣味分子被衝走，氣敏傳感器陣列累積散發的熱量被帶走，氣敏傳感器初步恢復；與此同 時，計算機給出被測氣味類別、強度及關鍵成分含量的分析結果，操作人員為下一次測量作 準備。附圖6給出了自動進樣升降裝置18的組成單元，包括步進電機28，齒輪29，齒輪 30，螺杆31，螺母32，支撐圓盤33、導向杆34、球軸承35、軸承座36、底座37、限位開關38、 內隔套39、外隔套40、內卡簧41、外卡簧42所組成，齒輪29固定在步進電機29的軸上，齒 輪30與螺母32為同一個零件，螺杆31與支撐圓盤33為同一個零件，軸承座36固定在底 座37上，底座37和限位開關38固定在測試箱箱體20上；導向杆34使支撐圓盤33隻做上 升下降運動，內隔套39、外隔套40、內卡簧41和外卡簧42使2個球軸承在固定位置旋轉， 軸承座36通過底座37與測試箱箱體20固定在一起；步進電機29也固定在底座37上，底 座37的兩個中心孔確定了齒輪29與齒輪30的中心距為45毫米；螺杆31與支撐圓盤33 的最大垂直位移為20毫米。
齒輪29與齒輪30的模數為1，齒數分別為17和73，齒數比為17 73，從而使得 步進電機29能以較小的力矩驅動螺母32旋轉並推動支撐圓盤33上升；螺杆31與螺母32 的螺距為3毫米，支撐圓盤33可以在3秒鐘內垂直移動20毫米；齒輪29為45號優質碳素 鋼材料，齒輪30和螺杆為非金屬材料，支撐圓盤和螺杆為鋁合金材料；自動進樣升降裝置 18在長期工作過程中不加潤滑油，不產生噪聲。請參見附圖7，本發明一一種嗅覺模擬儀器一頂空氣體發生裝置19的組成單元 為，容積為180毫升且為廣口的玻璃樣品瓶43，被測樣品44，矽橡膠密封片45，電阻加熱絲 46，鋁合金導熱底盤47，鋁合金導熱套48，隔熱層49，杯蓋50，溫度傳感器51，杯外套52、卡 爪53、杯底圓盤54、6芯電纜與插頭26 ；被測液態、固態或膏狀樣品44在玻璃樣品瓶43內 產生頂空揮發氣；杯底圓盤54固定在杯外套52的內側，2個卡爪53沿直徑方向焊接在杯 底圓盤54上，2個卡爪與自動進樣升降裝置的支撐園盤沿直徑方向的2個卡槽契合，用於使 頂空氣體發生裝置19與自動進樣升降裝置18的支撐圓盤33的快速固定與脫開；氣體頂空 採樣前，操作人員先將2個卡爪對準2個卡槽，然後旋轉頂空氣體發生裝置5°，杯底圓盤就 與支撐圓盤固定在一起，且兩者垂直中心重合；反之，操作人員反向旋轉頂空氣體發生裝置 5°，可從支撐圓盤上快速鬆開並取走它；頂空氣體發生裝置與支撐圓盤的固定或取走過程 均可在10秒內完成；頂空氣體發生裝置19通過6芯電纜26與測試箱相連接，測試箱的36V直流電源 產生的電能通過電阻加熱絲46轉換為熱能；這些熱能通過鋁合金導熱底盤47和鋁合金導 熱套48傳遞給玻璃樣品瓶43和被測樣品44，兩個溫度傳感器51感知被測樣品的溫度，溫 度的實時變化通過6芯電纜26、測試箱的驅動與控制電路17、37芯扁平電纜27和數據採集 卡22傳遞到計算機21，計算機21據此對玻璃樣品瓶43和被測樣品44以及頂空揮發氣的 溫度實施精密控制。本發明採用商品化的180毫升的玻璃樣品瓶和矽橡膠密封片，一次性使用，避免 重複使用產生的交叉汙染。考慮到環境溫度最高時不需製冷這一前提條件，被測樣品恆溫 溫度設定為55士0. 1°C。被測樣品44恆溫過程中產生的頂空揮發氣由矽橡膠密封片45防 止洩漏；氣體頂空採樣時，玻璃樣品瓶43由自動進樣升降裝置18推動上升，固定在氣敏傳 感器陣列環形工作室進氣孔下方的進樣針6因而穿矽橡膠密封片45接觸到玻璃樣品瓶43 內的頂空揮發氣；被測樣品44的恆溫時間同樣由計算機21實施精密控制。附圖8顯示了本發明一一種嗅覺模擬儀器一頂空氣體發生裝置19組成元件相互 位置示意圖；測試前，操作人員先將10毫升被測樣品44移入廣口的玻璃樣品瓶43，並將玻 璃樣品瓶43放入鋁合金導熱底盤47之上即鋁合金導熱套48之內，再蓋上矽橡膠密封片 45，然後擰緊杯蓋50，接通電源，恆溫30分鐘，最後將整個頂空氣體發生裝置19通過2個卡 爪53固定在自動進樣升降裝置18的支撐圓盤33上。請參見附圖9，本發明一一種嗅覺模擬儀器一氣敏傳感器陣列環形工作室2的氣 敏傳感器安裝剖面圖，其組成單元為傳感器座55，傳感器蓋56，7芯陶瓷插座57，內六角螺 釘58，0型密封圈59，0型密封圈60，無味粘合劑61。氣敏傳感器陣列工作室2為環形，內 腔平均直徑為 140毫米，內腔斷面尺寸為20毫米X 16毫米；7芯陶瓷插座57通過無味 粘合劑61粘結在材料為不鏽鋼的傳感器座55上；內六角螺釘58將傳感器座55、材料同樣 為不鏽鋼的傳感器蓋56、0形密封圈59和60連接在一起，再加上無味粘合劑61將7芯陶
14瓷插座57的引腳端全部封死，從而形成密封的氣敏傳感器陣列環形工作室。儘管氣敏傳感器陣列由性能彼此重疊的16個TGS800系列的氣敏傳感器所組成，具體型號為 TGS800、816、821、823、825、826、830、831、832、883T、812、813、822、824、842、 880 ；但從幾何形狀看，該系列的氣敏傳感器只有2種尺寸；附圖9上圖的左剖面是金屬外 殼的耐熱型的氣敏傳感器安裝剖面，安裝TGS800，816，821，823，825，826，830，831，832， 883T;附圖9上圖的右剖面是塑料外殼的普通型氣敏傳感器安裝剖面，安裝TGS812，813， 822，824，842，880 ；附圖9上圖左剖面的7芯陶瓷插座57是將右剖面商用的7芯陶瓷插座 57的臺階磨掉後而得到，附圖9下圖給出了 7芯陶瓷插座57改造前和改造後的結構，所以， 傳感器座55上的16個陶瓷插座安裝孔的直徑均為Φ 16毫米，請參見附圖3。氣敏傳感器 陣列環形工作室內壁拋光，以有效減少氣味分子附著的可能性。圖10給出了氣敏傳感器陣列環形工作室2、進樣針6、圖6所示的自動進樣升降裝 置18和圖7所示的頂空氣體發生裝置19在氣體頂空採樣時的位置與連接關係圖；進樣針6 由外六角螺母62固定在與傳感器座55焊接在一起的進樣針接頭63上，進樣針6與進樣針 接頭63之間通過錐度相互契合在一起，從而實現了本發明提出「針不動瓶動」的採樣方式； 這種採樣方式不僅使得自動採樣裝置的結構大大簡化，而且使從進樣針針口到氣敏傳感器 陣列環形工作室的氣路長度有效縮短，實現了採樣過程的自動化；為方便進樣針6的更換， 本發明在恆溫箱隔熱層15的底部增加的一個隔熱圓盤64。請參見附圖3、附圖6、附圖7和附圖10，自動進樣升降裝置18使頂空氣體發生裝 置19整體上升20毫米，固定在氣敏傳感器陣列環形工作室2進氣孔下方的進樣針6刺穿 玻璃樣品瓶43上的矽橡膠密封片45而接觸到頂空揮發氣；在真空泵10的抽吸作用下，頂 空揮發氣流經氣敏傳感器陣列環形工作室2 ；氣敏傳感器陣列1因而產生16路模擬信號， 經計算機21主板上的高精度16位且16路的數據採集卡22的A/D轉換，計算機21得到代 表氣味特徵的16路數位訊號；計算機21的結構化神經網絡模塊軟體據此作出氣味類別、強 度或關鍵成分濃度的決策，並通過顯示器23顯示出來。為避免反覆開與關而造成流量波動和影響壽命，真空泵10採用連續工作方式。二 位三通電磁閥3、4和5分別控制頂空揮發氣、潔淨空氣、環境空氣的開與斷，從而控制氣體 流量的大小。當氣體頂空採樣時，潔淨空氣入口通過二位二通電磁閥5斷開，二位二通電磁 閥4也處於斷開狀態，二位二通電磁閥3接通，從而迫使頂空揮發氣流經節流閥7 ；這時，在 真空泵10的作用下，頂空揮發氣以600毫升/分鐘的流量流經進樣針6、進氣孔、氣敏傳感 器陣列環形工作室2、氣敏傳感器陣列1、出氣孔、二位二通電磁閥3、節流閥7、流量計9，最 後從氣體管道25的廢氣排出口排入大氣。氣體頂空採樣過程結束後，整個儀器進入過渡狀態，請參見附圖3、附圖5和附圖 10，三個二位二通電磁閥保持不變，頂空氣體發生裝置19在自動進樣升降裝置18的作用下 在3秒鐘之內下降20毫米，直至進樣針完全退出玻璃樣品瓶，脫離與頂空揮發氣的接觸；在 這個過程中，氣體流量仍為600毫升/分鐘，但真空泵10抽取的頂空揮發氣越來越少，環境 空氣越來越多，直至完全為環境空氣；這一轉換過程得以實現，完全是由於實施了計算機精 密控制技術。請參見附圖3和附圖5，由於被測頂空揮發氣只是瞬間流過進樣針6、氣敏傳感器 陣列環形工作室2和氣體管道25，在歷時均為5秒的氣體頂空採樣過程和過渡過程結束後，二位二通電磁閥4也接通，這時，環境空氣以6000毫升/分鐘的流量仍從進樣針口流過氣 敏傳感器陣列環形工作室，二位二通電磁閥3，二位二通電磁閥4，流量計7，最後通過氣體 管道25的廢氣排出口又排入到大氣中，這一過程持續240秒。這樣做的目的一是氣敏傳感 器的快速恢復，二是進樣針6、氣體管道25和氣敏傳感器陣列環形工作室2內壁殘留氣味分 子的衝洗，三是氣敏傳感器累積熱量的帶走。操作人員應在這段時間內將被測過的樣品移 開，就是移走舊的頂空氣體發生裝置19，並換上新的，進行新樣品的測量。 附圖11給出了本發明一一種嗅覺模擬儀器進樣針更換方法示意圖。在工作一段 時間後，或由於氣味殘留過多、或由於針口磨損不夠鋒利，進樣針需要定時更換。這時，操作 人員可以依次取下隔熱圓盤64、外六角螺母62和舊的進樣針6，並換上新的進樣針，然後再 擰緊六角螺母62，固定好隔熱圓盤64即可。進樣針的更換過程就像醫生更換注射器的針頭 一樣方便快捷。請參見圖12，一種嗅覺模擬儀器和多種氣味定性定量同時分析方法一結構化的神 經網絡模塊由兩列單輸出單隱層的神經網絡所組成，用於對多種氣味進行定性定量分析； 從水平方向看，一對神經網絡模塊代表一種氣味，其中，前一個神經網絡模塊隱層節點數為 S1，負責識別一個樣本是否來自所代表的氣味，在確認「是」的前提下，後一個神經網絡模 塊隱層節點數s2，負責估計該樣本的強度和濃度；神經網絡模塊的對數等於氣味的類別數， 一一對應；神經網絡模塊的基本學習算法為誤差反傳算法；負責氣味定性分析的神經網絡 模塊的學習樣本子集由局部化的「一對所有」(One-against-alLOAA)分解方法產生，只有 決策邊界附近的訓練樣本參加學習；負責氣味定量分析的神經網絡模塊的學習子集只由所 代表的訓練樣本參加學習；學習因子為樣本數的倒數，隱層節點數S1和S2在5 8之間選 擇；從垂直方向看，結構化神經網絡模塊由多個用於氣味識別的神經網絡模塊列一第一列 和多個用於氣味濃度量化的神經網絡模塊列一第二列所組成；為了確定一個待定氣味樣本 的類別和濃度，第一列多個用於氣味識別的所有神經網絡模塊均須參加決策，其中輸出最 大的神經網絡模塊決定了樣本的類別，然而，只須與第一列輸出最大的神經網絡模塊對應 的第二列中的那個神經網絡模塊來量化氣味樣本的濃度與強度。請參見附圖5，本發明的一個完整的採樣過程包括如下步驟(1)、開機，儀器預熱30分鐘，二位二通電磁閥3和4接通，二位二通電磁閥5斷開， 在真空泵10的抽吸作用下，環境空氣通過進樣針6以6000毫升/分鐘的流量流過氣敏傳 感器陣列環形工作室2 ；計算機21將第30分鐘末這一時刻的氣敏傳感器陣列1對環境空 氣的響應記為初始狀態； (2)、操作人員先將10毫升液態、固態或膏狀被測樣品44放入容積為180毫升的 玻璃樣品瓶43內，然後將該玻璃樣品瓶放入頂空氣體發生裝置19的導熱套48內，蓋上矽 橡膠密封片45，然後擰緊杯蓋50 ；按下計算機21鍵盤上的確認鍵，被測樣品44開始被加 熱，計算機21開始計算恆溫時間；被測樣品44在電阻加熱絲46通過鋁合金導熱圓盤47和 鋁合金導熱套48散發的熱量的作用下，精確恆溫30分鐘；在此段時間內，操作人員將頂空 氣體發生裝置19固定在自動進樣升降裝置18的支撐圓盤33上；(3)、在被測樣品恆溫30分鐘後，二位二通電磁閥5接通，二位二通電磁閥3和4 斷開，潔淨空氣以600毫升/分鐘的流量從排氣孔倒流入氣敏傳感器陣列環形工作室2，然 後從進樣針6排出到大氣中，歷時40秒；在此過程中，氣敏傳感器陣列1得以用潔淨空氣進行精確標定；(4)、在5秒鐘的平衡期內，二位二通電磁閥3、4和5均斷開，氣敏傳感器陣列環形工作室2內的氣體處於靜止狀態，測試箱的自動進樣升降裝置18在3秒鐘內使頂空氣體發 生裝置19上升20毫米，固定在氣敏傳感器陣列環形工作室2進氣孔下方的進樣針6因此 穿過玻璃樣品瓶43上的矽橡膠密封片45，接觸到玻璃樣品瓶43內的頂空揮發氣；(5)、二位二通電磁閥3接通，二位二通電磁閥4和5均斷開，真空泵10將頂空揮發氣以600毫升/分鐘的流量經由進樣針6吸入氣敏傳感器陣列環形工作室2，使之迅速掠 過氣敏傳感器陣列1的敏感膜表面，然後經過二位二通電磁閥3、節流閥7、流量計9，從氣體 管道25的廢氣排出口排出到大氣中；當頂空揮發氣累積採樣達到50毫升時，氣體頂空採樣 過程結束；這一過程歷時5秒鐘；(6)、在頂空揮發氣流經氣敏傳感器陣列環形工作室2的過程中，組成氣敏傳感器 陣列1的各個氣敏傳感器對被測氣味產生敏感響應，這些敏感響應通過用於信號傳輸與控 制的37芯扁平電纜27傳遞到計算機21 ；計算機21通過16位數據採集卡22得到一個16 維的響應向量，經結構化的神經網絡模塊軟體分析處理後，10秒之內可得到被測氣味樣品 類別、強度或關鍵成分濃度估計值，並通過計算機的顯示器23顯示出來；(7)、氣體頂空採樣過程結束後，氣敏傳感器陣列1進入歷時5秒的頂空揮發氣與 環境空氣交替的過渡期；頂空氣體發生裝置19在自動進樣升降裝置18的作用下在3秒鐘 之內下降20毫米，採樣針6因此逐漸退出玻璃樣品瓶43 ；二位二通電磁閥3仍接通，二位 二通電磁閥4和5仍均斷開，真空泵10以600毫升/分鐘的流量將頂空揮發氣和環境空氣 從進樣針吸入氣敏傳感器陣列環形工作室2 ；這一過程是頂空揮發氣逐漸減少、環境空氣 逐漸增多的過程，氣體從最初600毫升/分鐘的頂空揮發氣逐漸過渡到最終600毫升/分 鐘的環境空氣；(8)、頂空揮發氣逐漸減小與環境空氣逐漸增大的過渡期結束後，二位二通電磁閥 3和4接通，二位二通電磁閥保持5斷開，真空泵10以6000毫升/分鐘的流量將環境空氣 從進樣針6吸入氣敏傳感器陣列環形工作室2，歷時240秒；在此期間內，操作人員取走被 測過的頂空氣體發生裝置19，更換樣品44和玻璃樣品瓶43，放置新的頂空氣體發生裝置 19 ；(9)、重複(2) (8)，進行多次採樣，一個完整的採樣過程持續295秒；除步驟(2)和(8)外，整個過程在計算機控制下由嗅覺模擬儀器自動完成。一種嗅覺模擬儀器配置6個頂空氣體發生裝置19，在1小時內可測量6個樣品。
權利要求
一種嗅覺模擬儀器，其特徵在於，由測試箱、頂空氣體發生裝置、計算機、潔淨空氣瓶所組成；所述的測試箱與計算機通過信號傳輸與控制電纜相連接；測試箱與潔淨空氣瓶通過氣體管道相連接；測試箱內的氣敏傳感器陣列感知氣味的變化，得到多路模擬信號；計算機將氣敏傳感器陣列對氣味感知產生的多路模擬信號轉化成多路數位訊號，據此對氣味進行定性定量分析；潔淨空氣使氣敏傳感器陣列在穩定的氣體狀態基礎上進行多次測量；所述的頂空氣體發生裝置通過電源和信號傳輸電纜與測試箱相連接，用於加熱液態、固態或膏狀被測樣品以產生大容量頂空揮發氣；在計算機和測試箱的控制下，被測樣品和頂空揮發氣的溫度恆定在55±0.1℃；氣體頂空採樣前，操作人員將頂空氣體發生裝置固定在測試箱內自動進樣升降裝置的支撐圓盤上；氣體頂空採樣時，頂空氣體發生裝置在自動進樣升降裝置的推動下上升，固定在測試箱內恆溫箱上的進樣針因而刺穿頂空氣體發生裝置的矽橡膠密封片而接觸到頂空揮發氣；氣體頂空採樣結束後，操作人員從支撐圓盤上鬆開並移走樣品被測過的頂空氣體發生裝置，裝入新的頂空氣體發生裝置，為下一次測量作準備。
2.根據權利要求1所述的測試箱，其特徵在於，由恆溫箱、自動進樣升降裝置、真空泵、 二位二通電磁閥3，二位二通電磁閥4、二位二通電磁閥5、流量計、四路直流穩壓電源、驅動 與控制電路、節流閥7、節流閥8所組成。
3.根據權利要求2所述的恆溫箱，其特徵在於，由氣敏傳感器陣列、氣敏傳感器陣列環 形工作室、進樣針、進樣針接頭、外六角螺母、隔熱圓盤、電阻加熱絲、溫度傳感器、風扇、隔 熱層所組成；恆溫箱固定在測試箱箱體上。
4.根據權利要求3所述的恆溫箱，其特徵在於，氣敏傳感器陣列由16個性能彼此重疊 且互不相同的氣敏傳感器所組成，感知氣味的變化，產生16路模擬響應電壓信號。
5.根據權利要求3所述的氣敏傳感器陣列環形工作室，其特徵在於，由傳感器座和傳 感器蓋通過內六角螺釘固定在一起而形成，並由2個O型密封圈形成封閉的環形內腔，放置 16個氣敏傳感器；環形內腔平均直徑為140毫米，斷面尺寸為20毫米X 16毫米；傳感器座 沿平均直徑為140毫米的環形內腔均布有18個通孔，其中16個為7芯陶瓷插座的安裝孔，2 個為進氣孔和出氣孔；進氣孔與出氣孔相鄰，中間由隔板隔開，從而強迫被測氣體繞氣敏傳 感器陣列環形工作室流動；商用的7芯陶瓷插座一部分經過改造，用無味粘合劑膠結在傳 感器座的安裝孔上，並通過導線與測試箱的四路直流穩壓電源和驅動與控制電路相連接； 氣敏傳感器直接插在7芯陶瓷插座上。
6.根據權利要求3所述的恆溫箱，其特徵在於，進樣針接頭直接固定在氣敏傳感器陣 列環形工作室進氣孔下方；進樣針為孔徑為1.0毫米的醫用注射針，通過外六角螺母固定 在進樣針接頭上，達到進氣氣路儘可能短的目的；進樣針與進樣針接頭之間通過錐度相互 契合在一起；更換進樣針的步驟為，①取下固定在恆溫箱上的隔熱圓盤，②擰下固定進樣針 的外六角螺母，③取下舊的進樣針，④換上新的進樣針，⑤擰上外六角螺母，⑥裝上隔熱圓盤。
7.根據權利要求2所述的測試箱，其特徵在於，氣敏傳感器陣列環形工作室的排氣孔 與二位二通電磁閥3和5、二位二通電磁閥5與潔淨空氣瓶、二位二通電磁閥3和真空泵、真 空泵與節流閥7和二位二通電磁閥4、節流閥7和二位二通電磁閥4與流量計、二位二通電磁閥5與節流閥8、節流閥8與潔淨空氣瓶，均通過氣體管道相連接；被測氣體從進樣針進 入氣敏傳感器陣列環形工作室，並依次流過二位二通電磁閥3、真空泵、節流閥7、流量計， 最後通過氣體管道的廢氣排出口排出到大氣中。
8.根據權利要求3所述的恆溫箱，其特徵在於，氣敏傳感器陣列環形工作室、一部分進 樣針均固定在溫度為55 士 0. 1°C的恆溫箱內；恆溫箱內部由電阻加熱絲加熱，風扇使箱內 溫度均勻，隔熱層防止熱量向外散發，溫度傳感器檢測溫度的變化；恆溫箱的恆溫過程只制 熱，不製冷。
9.根據權利要求2所述的自動進樣升降裝置，其特徵在於，由步進電機、齒輪29、齒 輪30、螺母、螺杆、支撐圓盤、導向杆、球軸承、軸承座、底座、限位開關、內隔套、外隔套、內卡 簧、外卡簧所組成，齒輪29固定在步進電機軸上，齒輪30與螺母固定在一起，螺杆與支撐圓 盤固定在一起，軸承座固定在底座上，底座和限位開關固定在測試箱箱體上。
10.根據權利要求2所述的自動進樣升降裝置，其特徵在於，齒輪29為45號優質碳素 鋼材料，齒輪30和螺杆為非金屬材料，支撐圓盤和螺杆為鋁合金材料；自動進樣升降裝置 在長期工作過程中不加潤滑油，不產生噪聲。
11.根據權利要求2所述的自動進樣升降裝置，其特徵在於，在計算機的控制下，步進 電機通過齒輪29使齒輪30旋轉，與齒輪30固定在一起的螺母因而旋轉，從而使得螺杆和 支持圓盤一起作上升下降運動；螺杆和螺母的螺距為3毫米，支撐圓盤在3秒鐘內上升20 毫米，在3秒鐘內下降20毫米。
12.根據權利要求1所述的頂空氣體發生裝置，其特徵在於，由玻璃樣品瓶、電阻加熱 絲、導熱層、隔熱層、2個溫度傳感器、杯蓋、矽橡膠密封片、杯外套、杯底圓盤、卡爪、6芯電 纜所組成；導熱層由鋁合金導熱套和鋁合金導熱圓盤固定在一起而形成，電阻加熱絲纏繞 在鋁合金導熱圓盤底部和鋁合金導熱套上，鋁合金導熱圓盤下部鋁合金導熱套外表面上部 分別固定一個溫度傳感器，玻璃樣品瓶放置於導熱層內部的鋁合金導熱圓盤之上；電阻加 熱絲產生的熱量通過鋁合金導熱圓盤和鋁合金導熱套將玻璃樣品瓶內的被測樣品加熱，隔 熱層和杯蓋共同防止熱量散發，矽橡膠密封片防止玻璃樣品瓶內的頂空揮發氣外洩。
13.根據權利要求1所述的頂空氣體發生裝置，其特徵在於，被測樣品和頂空揮發氣恆 溫溫度為55士0. 1°C，固定於鋁合金導熱圓盤下部和鋁合金導熱套外表面上部的2個溫度 傳感器檢測玻璃樣品瓶內的溫度變化；若2個溫度傳感器的溫度測量平均值高於55°C，則 計算機通過信號傳輸與控制電纜使電阻加熱絲斷電；若該溫度測量平均值低於55°C，則計 算機通過信號傳輸與控制電纜使電阻加熱絲通電；因此，即使環境溫度達到45°C，該頂空 氣體發生裝置仍只制熱，不製冷。
14.根據權利要求1所述的頂空氣體發生裝置，其特徵在於，容量為180毫升的玻璃樣 品瓶和矽橡膠密封片均從市場上購得，每個玻璃樣品瓶和矽橡膠密封片只使用一次，不產 生交叉感染。
15.根據權利要求1所述的頂空氣體發生裝置和權利要求2所述的自動進樣升降裝置， 其特徵在於，頂空氣體發生裝置的杯底圓盤底部沿直徑方向的2個卡爪與自動進樣升降裝 置的支撐園盤沿直徑方向的2個卡槽契合；氣體頂空採樣前，操作人員先將2個卡爪對準2 個卡槽，然後旋轉頂空氣體發生裝置5°，杯底圓盤就與支撐圓盤固定在一起，且兩者垂直 中心重合；反之，操作人員可快速從支撐圓盤上取走頂空氣體發生裝置；頂空氣體發生裝置與支撐圓盤的固定或取走過程均可在10秒內完成。
16.根據權利要求1所述的頂空氣體發生裝置和權利要求2所述的自動進樣升降裝置， 其特徵在於，氣體頂空採樣時，在計算機的控制下，支撐圓盤與頂空氣體發生裝置一起做上 升下降運動，最大垂直位移為20毫米。
17.根據權利要求1所述的頂空氣體發生裝置和權利要求2所述的測試箱，其特徵在 於，頂空氣體發生裝置上升時，固定在恆溫箱內氣敏傳感器陣列環形工作室進氣孔下方的 進樣針因而刺穿玻璃樣品瓶上的矽橡膠密封片，從而接觸到頂空揮發氣。
18.根據權利要求2所述的測試箱，其特徵在於，四路直流穩壓電源的電壓分別為5V、 10VU2V和36V ；其中，5V為16個氣敏傳感器的加熱電壓，IOV為氣敏傳感器的工作電壓， 12V為3個二位二通電磁閥、真空泵、風扇和步進電機的工作電壓，36V為測試箱和頂空氣體 發生裝置的加熱電壓；5V和IOV為線性電源，12V和36V為開關電源。
19.根據權利要求2所述的測試箱，其特徵在於，真空泵以連續方式工作，計算機通過 數據採集卡和信號傳輸與控制電纜控制二位二通電磁閥3、4和5的通電與斷電，以分別控 制氣敏傳感器陣列環形工作室與頂空揮發氣、潔淨空氣和環境空氣的通與斷。
20.根據權利要求2所述的測試箱，其特徵在於，頂空揮發氣採樣體積為50毫升，由流 量計和計算機精確計量；氣體頂空採樣時，在計算機、二位二通電磁閥3、4和5的作用下，潔 淨空氣通道被斷開，玻璃樣品瓶內的頂空揮發氣被真空泵抽吸，經由進樣針，以600毫升/ 分鐘的流量流經氣敏傳感器陣列環形工作室，然後從廢氣排出口排放到大氣中。
21.根據權利要求2所述的測試箱，其特徵在於，通過二位二通電磁閥3、4與5和節流 閥7與8的轉換與控制，使得玻璃樣品瓶內頂空揮發氣採樣流量為600毫升/分鐘，潔淨空 氣流量為600毫升/分鐘，環境空氣流量分別為600毫升/分鐘和6000毫升/分鐘；流量 為6000毫升/分鐘的環境空氣衝洗，一是使氣敏傳感器快速初步恢復；二是帶走氣敏傳感 器陣列環形工作室內16個氣敏傳感器同時工作時累積產生的熱量；三是衝走吸附在氣敏 傳感器陣列環形工作室和氣體管道內壁上的氣味分子。
22.根據權利要求1所述的潔淨空氣瓶和權利要求2所述的測試箱，其特徵在於，潔淨 空氣以600毫升/分鐘，通過氣體管道、節流閥8和二位二通電磁閥5從出氣孔反向吹入氣 敏傳感器陣列環形工作室，並最終從進樣針排出到大氣中，從而使16個氣敏傳感器在多次 採樣時均處在重複的穩定狀態。
23.根據權利要求1所述的計算機，其特徵在於，插在計算機主板上的數據採集卡用16 位A/D轉換將氣敏傳感器陣列對氣味感知得到的16路模擬信號轉換為16路數位訊號；這 16路數位訊號作為一個數據文件保存在計算機硬碟上，是嗅覺模擬儀器對氣味進行定性定 量分析的依據；被記錄數據的時間長度為60秒。
24.根據權利要求1所述的計算機，其特徵在於，用結構化的神經網絡模塊軟體對多種 氣味同時進行定性定量分析；一個樣本是一個氣味樣品的數位化特徵表示，是氣敏傳感器 陣列的響應；一個神經網絡模塊的結構是單輸出單隱層的；一對神經網絡模塊代表一種氣 味，其中，前一個神經網絡模塊負責識別一個樣本是否來自所代表的氣味，在確認「是」的前 提下，後一個對應的神經網絡模塊負責估計該樣本的強度和濃度；神經網絡模塊的對數等 於氣味的類別數，一一對應；決策時，負責識別的所有神經網絡模塊中，輸出值最大的神經 網絡模塊決定著一個樣本及其對應的氣味樣品的類別。
25.採用權利要求1的嗅覺模擬儀器對多種氣味進行定性定量同時分析，其特徵在於， 包括以下步驟(1)開機，儀器預熱30分鐘，二位二通電磁閥3和4接通，二位二通電磁閥5斷開，在真 空泵的抽吸作用下，環境空氣通過進樣針以6000毫升/分鐘的流量流過氣敏傳感器陣列環 形工作室；計算機將第30分鐘末時氣敏傳感器陣列對環境空氣的響應記為初始狀態；(2)操作人員先將10毫升液態、固態或膏狀被測樣品放入容積為180毫升的玻璃樣品 瓶內，然後將該玻璃樣品瓶放入頂空氣體發生裝置的導熱套內，蓋上矽橡膠密封片，然後擰 緊杯蓋；按下計算機鍵盤上的確認鍵，被測樣品開始被加熱，恆溫開始計時；被測樣品在電 阻加熱絲通過鋁合金導熱圓盤和鋁合金導熱套散發的熱量的作用下，精確恆溫30分鐘；在 此段時間內，操作人員將頂空氣體發生裝置固定在自動進樣升降裝置的支撐圓盤上；(3)在被測樣品恆溫30分鐘後，二位二通電磁閥5接通，二位二通電磁閥3和4斷開， 潔淨空氣以600毫升/分鐘的流量從排氣孔倒流入氣敏傳感器陣列環形工作室，然後從進 樣針排出到大氣中，歷時40秒；在此過程中，氣敏傳感器陣列得以用潔淨空氣進行精確標 定；(4)二位二通電磁閥3、4和5均斷開，氣敏傳感器陣列進入5秒鐘的平衡期；在此期間， 氣敏傳感器陣列環形工作室內的氣體處於靜止狀態，測試箱的自動進樣升降裝置在3秒鐘 內使頂空氣體發生裝置上升20毫米，固定在氣敏傳感器陣列環形工作室下方的進樣針因 此穿過矽橡膠密封片，接觸到玻璃樣品瓶內的頂空揮發氣；(5)二位二通電磁閥3接通，二位二通電磁閥4和5均斷開，真空泵將頂空揮發氣以600 毫升/分鐘的流量經由進樣針吸入氣敏傳感器陣列環形工作室，使之迅速掠過氣敏傳感器 敏感膜表面，然後經過節流閥7從廢氣排出口排放到大氣中；當頂空揮發氣採樣累積達到 50毫升時，氣體頂空採樣過程結束；這一過程歷時5秒鐘；(6)在頂空揮發氣流經氣敏傳感器陣列環形工作室的過程中，各個氣敏傳感器對被測 氣味產生敏感響應，這些敏感響應通過信號傳輸與控制電纜傳送到計算機；計算機通過16 位的數據採集卡得到一個16維響應向量，經結構化的神經網絡模塊軟體分析處理後，10秒 之內可得到被測氣味樣品類別、強度或關鍵成分濃度估計值，並通過計算機的顯示器顯示 出來；(7)氣體頂空採樣過程結束後，氣敏傳感器陣列進入頂空揮發氣流量逐漸減小與環境 空氣流量逐漸增大的過渡期，歷時5秒；頂空氣體發生裝置在自動進樣升降裝置的作用下 在3秒鐘之內下降20毫米，進樣針最終完全退出玻璃樣品瓶；二位二通電磁閥3仍接通，二 位二通電磁閥4和5仍均斷開，真空泵將氣體從進樣針吸入氣敏傳感器陣列環形工作室；氣 體從最初600毫升/分鐘的頂空揮發氣逐漸過渡到最終600毫升/分鐘的環境空氣；(8)頂空揮發氣逐漸減小與環境空氣逐漸增大的過渡期結束後，二位二通電磁閥3和4 接通，二位二通電磁閥5斷開，真空泵以6000毫升/分鐘的流量將環境空氣從進樣針吸入 氣敏傳感器陣列環形工作室，歷時240秒；在此期間內，操作人員取走樣品被測過的頂空氣 體發生裝置，更換樣品和玻璃樣品瓶，放置新的頂空氣體發生裝置；(9)重複(2) (8)，進行多次採樣，一個完整的採樣過程持續295秒；除步驟(2)和(8)外，整個過程在計算機的控制下由嗅覺模擬儀器自動完成。
26.一種嗅覺模擬儀器配置6個頂空氣體發生裝置，在1小時內測量6個樣品。
全文摘要
本發明一種嗅覺模擬儀器和多種氣味定性定量同時分析方法，特點之一是，儀器由測試箱、頂空氣體發生裝置、計算機、潔淨空氣瓶所組成；特點之二是，氣敏傳感器陣列工作室、被測樣品與頂空揮發氣恆溫溫度為55±0.1℃，恆溫過程只加熱，不製冷，頂空揮發氣容積為180毫升；特點之三是，氣體頂空採樣由測試箱的微型真空泵、電磁閥、節流閥、進樣針、自動進樣升降裝置和計算機在5秒鐘內自動完成；特點之四是，進樣針孔直接與氣敏傳感器陣列工作室進氣孔相通；特點之五是，多種氣味定性定量同時分析方法由結構化的神經網絡模塊實現。本發明的嗅覺模擬儀器配置6個頂空氣體發生裝置，1小時可測量6個樣品，具有自動化程度高、操作簡便、測試成本低的優點。
文檔編號G06N3/02GK101806763SQ20101011502
公開日2010年8月18日 申請日期2010年2月26日 優先權日2010年2月26日
發明者劉芳君, 楊澤平, 陳志華, 高大啟 申請人:華東理工大學