本發(fā)明屬于氣體檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于voc及惡臭類氣體檢測的電子鼻系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

大氣污染是工業(yè)區(qū)污染的主要污染之一，其污染源主要是工業(yè)生產(chǎn)及采暖用鍋爐、污水處理廠、垃圾場等揮發(fā)氣體，其中voc(volatileorganiccompounds，揮發(fā)性有機(jī)化合物)是主要的大氣污染物，是空氣中三種有機(jī)污染物(多環(huán)芳烴、揮發(fā)性有機(jī)物和醛類化合物)中影響較為嚴(yán)重的一種。目前voc的檢測主要集中于室內(nèi)環(huán)境的評價，多采用熱解析/毛細(xì)管氣相色譜法(iso16017-1，gb50325-2006)以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展的gc/ms等方法。而基于光離子化檢測技術(shù)(pid)的便攜式voc檢測儀由于可以快速測定voc大致濃度，也有較廣泛的應(yīng)用。儀器分析法一般分析費用較高，分析時間也比較長，不適于現(xiàn)場使用。pid檢測技術(shù)需要昂貴的真空uv燈管和精密的檢測室設(shè)計，通常uv燈管的壽命較短，性價比較低。

電子鼻是一種模擬生物嗅覺工作原理的新穎仿生檢測儀器，通常由交叉敏感的化學(xué)傳感器陣列和適當(dāng)?shù)哪Ｊ阶R別算法組成，可用于檢測、分析和鑒別簡單或復(fù)雜氣味。從persaud和dodd的開創(chuàng)性工作至今，它以快速、簡單、客觀和廉價的特點，已經(jīng)在食品加工、公共安全和醫(yī)學(xué)診斷等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。第一個真正的電子鼻是由wilkens和hatman在1964年利用氣體分子在電極上的氧化-還原反應(yīng)研制的，這是關(guān)于電子鼻的最早報道。1965年，buck和dravieks等分別利用氣味調(diào)制電導(dǎo)和氣味調(diào)制接觸電勢的原理研制了電子鼻。1982年，英國warwick大學(xué)的persuad等人提出氣體傳感器陣列的概念，他們的電子鼻系統(tǒng)包括氣敏傳感器陣列和模式識別系統(tǒng)兩部分，其中傳感器陣列部分由三個半導(dǎo)體傳感器組成；這一簡單的系統(tǒng)可以分辨桉樹腦、玫瑰油、丁香牙油等揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)的氣味。

國內(nèi)對電子鼻的研究起步較晚，但也取得驕人的成果；張紅梅、王俊等人采用8個金屬氧化物傳感器(分別為：mq-3、tgs822、mq-7、tgs800、tgs824、tgs813、tgs880、tgs825)及相關(guān)信號調(diào)理電路和結(jié)合bp網(wǎng)絡(luò)算法的pc軟件組成的電子鼻系統(tǒng)，用于檢測谷物霉變程度。吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院的孫永海采用日本figaro公司生產(chǎn)的tgs822、tgs825、tgs826、tgs832、tgs2611氣敏傳感器及其調(diào)理電路結(jié)合遺傳算法優(yōu)化的組合徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的電子鼻系統(tǒng)，用于肉品品質(zhì)的檢測。

目前，為了改變傳統(tǒng)傳感器體積大、重量大、成本高的情況，全球的產(chǎn)業(yè)界正在積極推動傳感器的小型化發(fā)展；在精密加工、微電子等技術(shù)的支撐下，傳感器敏感元件的尺寸正在從微米級走向毫米級甚至納米級。同時，集成技術(shù)的快速發(fā)展也助推了傳感器的小型化趨勢，將微小的敏感元件、信號處理器、數(shù)據(jù)處理裝置封裝在一塊芯片上的集成傳感器技術(shù)正在不斷演進(jìn)，幫助傳感器“一瘦再瘦”，為研究便攜式的電子鼻系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展和微處理器的處理能力的增強(qiáng)，使得開發(fā)便攜式的氣體檢測儀器變的越來越容易實現(xiàn)。j.getino等人的基于一只錫氧化合物的voc檢測，采用的是主成分分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正確率達(dá)到71％；田秀英等人的基于pca方法的帶魚和肉類新鮮度的電子鼻系統(tǒng)，采用半導(dǎo)體傳感器陣列檢測在5,10,15℃條件下，tvbn(揮發(fā)性鹽基總氮)的含量，采用pca算法對不同天數(shù)的魚和肉進(jìn)行了分類；z.haddi等人的大麻類藥物識別的電子鼻系統(tǒng)，采用6個半導(dǎo)體傳感器對5種藥物進(jìn)行分類，采用了非監(jiān)督模型pca和監(jiān)督模型svm(支持向量機(jī))，svm分類正確率為98.5％；西安理工大學(xué)的許燕文介紹了一種基于dsptms320c6713的便攜式電子鼻系統(tǒng)，系統(tǒng)中使用個8個tgs系列半導(dǎo)體傳感器，結(jié)合bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)嶒瀸μO果新鮮度的判斷；l.c.wang等介紹了一種基于fpga的便攜式電子鼻系統(tǒng)，采用炭黑導(dǎo)電聚合物傳感器和pca算法，能實現(xiàn)對3種氣體的區(qū)分。

但總體來講，目前電子鼻檢測技術(shù)仍存在以下不足：(1)體積較大，不便于攜帶到現(xiàn)場和移動測試；(2)采用的數(shù)據(jù)分類模型單一且不能達(dá)到很高的分類準(zhǔn)確率；(3)傳感器的種類單一，造成所獲取的信息量單一不利于分析；(4)成本高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于上述，本發(fā)明提供了一種用于voc及惡臭類氣體檢測的電子鼻系統(tǒng)，其具有多類傳感器以及多個模型，能夠很好地利用各種傳感器收集的信息，提高氣體識別的準(zhǔn)確率。

一種用于voc及惡臭類氣體檢測的電子鼻系統(tǒng)，包括氣體富集模塊、氣室氣路模塊、傳感器陣列、信號調(diào)理預(yù)處理模塊、嵌入式處理模塊和pc機(jī)；其中：

所述氣體富集模塊用于對低濃度氣體進(jìn)行富集；

所述氣室氣路模塊與氣體富集模塊連接，由氣管、泵、電磁閥、轉(zhuǎn)向接頭以及氣室組成，用于對氣體流向進(jìn)行控制，通過改變泵閥狀態(tài)完成采氣、檢測及沖洗過程；

所述傳感器陣列與氣室氣路模塊連接，用于對氣室中的氣體進(jìn)行采集，并生成相應(yīng)電信號；

所述信號調(diào)理預(yù)處理模塊用于對傳感器陣列所產(chǎn)生的電信號進(jìn)行調(diào)理、濾波以及模數(shù)轉(zhuǎn)換后提供給嵌入式處理模塊；

所述嵌入式處理模塊用于對信號調(diào)理預(yù)處理模塊的輸出信號進(jìn)行處理、顯示和存儲；

所述pc機(jī)搭載有多個分類模型，通過信息融合的模式識別技術(shù)對嵌入式處理模塊處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行識別分類。

所述氣體富集模塊包含若干三通閥以及待測氣體儲氣瓶，其通過調(diào)整三通閥的不同組合控制儲氣瓶的開關(guān)狀態(tài)，使得待測氣體富集后進(jìn)入氣室。

所述傳感器陣列包含有電化學(xué)傳感器、pid(photoionizationdetector)傳感器以及半導(dǎo)體傳感器；其中電化學(xué)傳感器有3個，分別對氨氣、硫化氫和甲醛進(jìn)行采集；半導(dǎo)體傳感器有7個，用于對乙醇、voc以及有機(jī)氣體進(jìn)行采集；pid傳感器有1個，用于對dmf(dimethylformamide，二甲基甲酰胺)等其他污染氣體進(jìn)行采集。

所述氣室有三個，分別放置電化學(xué)傳感器、pid傳感器以及半導(dǎo)體傳感器；其中放置半導(dǎo)體傳感器的氣室內(nèi)還放置有溫濕度傳感器(由于溫濕度的變化會影響半導(dǎo)體傳感器的輸出，故需檢測氣室溫濕度的變化)。

所述信號調(diào)理預(yù)處理模塊包括濾波電路、放大電路和a/d轉(zhuǎn)換電路，傳感器陣列將待測氣體的成分及濃度轉(zhuǎn)換為電信號后通過濾波電路進(jìn)行低通濾波，濾波后的電信號再經(jīng)放大電路適當(dāng)放大后傳輸至a/d轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終使轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號傳輸至嵌入式處理模塊。

所述嵌入式處理模塊包括嵌入式處理器、觸控顯示電路、數(shù)據(jù)存儲器以及數(shù)據(jù)傳輸電路；其中嵌入式處理器通過內(nèi)置軟件程序?qū)π盘栒{(diào)理預(yù)處理模塊的輸出信號進(jìn)行特征提取以及歸一化處理，生成關(guān)于氣體含量、濃度的數(shù)據(jù)結(jié)果；觸控顯示電路用于對所述數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行顯示并接受外部的參數(shù)設(shè)定；數(shù)據(jù)存儲器用于對所述數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行存儲；數(shù)據(jù)傳輸電路包括兩個傳輸接口：一個為與信號調(diào)理預(yù)處理模塊通信的串口，另一個為與pc機(jī)通信的以太網(wǎng)接口。

所述pc機(jī)內(nèi)部搭載有線性判別式分析算法模型、pca(principalcomponentanalysis，主成分分析)算法模型、多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、粒子群優(yōu)化算法模型以及基于遺傳算法優(yōu)化的支持向量機(jī)模型，因此有多個模型可供選擇，通過信息融合的模式識別技術(shù)，能夠很好地利用各種傳感器收集的信息，提高識別的正確率。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果如下：

(1)本發(fā)明在傳感器陣列設(shè)計上，采用多種檢測原理傳感器嵌在氣室表面，感應(yīng)氣體，這樣有利于在檢測多種voc或惡臭混合氣體時，避免出現(xiàn)單一原理傳感器對某一類氣體沒有響應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)錯誤，增強(qiáng)了系統(tǒng)的容錯性。

(2)本發(fā)明在氣路設(shè)計上，通過三通閥串聯(lián)組合控制，既能夠?qū)崿F(xiàn)一種氣體精確濃度配比，達(dá)到精確基線標(biāo)定目的，又能夠?qū)崿F(xiàn)兩三種氣體混合。

(3)本發(fā)明在算法上，為提高實際在線測試中的分類準(zhǔn)確率，嵌入了非監(jiān)督模型pca、監(jiān)督模型lda、多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、基于粒子群優(yōu)化算法和基于遺傳算法優(yōu)化的支持向量機(jī)模型，這樣保證系統(tǒng)有更強(qiáng)的兼容性。

綜上所述，本發(fā)明電子鼻系統(tǒng)的價值在于，能根據(jù)工業(yè)園區(qū)的污染氣體排放，實現(xiàn)多種混合氣體的高準(zhǔn)確率分類和工業(yè)園區(qū)氣體溯源。

附圖說明

圖1為本發(fā)明電子鼻系統(tǒng)氣體采集的氣路示意圖。

圖2為本發(fā)明電子鼻系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為關(guān)于氨氣濃度的半導(dǎo)體傳感器響應(yīng)曲線示意圖。

圖4為關(guān)于乙醇濃度的半導(dǎo)體傳感器響應(yīng)曲線示意圖。

圖5為關(guān)于氨氣濃度的電化學(xué)傳感器響應(yīng)曲線示意圖。

圖6為本發(fā)明電子鼻系統(tǒng)的線性判別式分析結(jié)果示意圖。

圖7為本發(fā)明電子鼻系統(tǒng)的pca分類得分示意圖。

具體實施方式

為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明電子鼻系統(tǒng)包括：一主要完成對低濃度氣味收集的氣體富集模塊、一主要把氣體氣味信號轉(zhuǎn)化為電信號的氣室氣路模塊和傳感器陣列、一主要把傳感器陣列輸出信號進(jìn)行濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換的信號調(diào)理預(yù)處理模塊、一對信號進(jìn)行處理、顯示和一定存儲功能的嵌入式處理模塊以及一帶有多個算法分類模型的計算機(jī)系統(tǒng)；其中：

傳感器陣列包含的傳感器有電化學(xué)傳感器、pid傳感器、半導(dǎo)體傳感器，其中電化學(xué)傳感器有3個，分別對氨氣、硫化氫和甲醛進(jìn)行采集；半導(dǎo)體傳感器有7個，用于對乙醇、voc以及有機(jī)氣體進(jìn)行采集；pid傳感器有1個，用于對dmf等其他污染氣體進(jìn)行采集。

氣路氣室模塊由氣管、泵、電磁閥、轉(zhuǎn)向接頭以及氣室組成，主要完成對氣體流向控制，氣室有3個，分別安裝不同種類的傳感器，通過改變泵閥狀態(tài)，完成采氣，檢測和沖洗等過程。

信號調(diào)理預(yù)處理模塊由信號濾波和放大電路、數(shù)據(jù)傳輸電路和a/d模塊組成，主要完成對傳感器信號的采集、簡單處理和傳輸；傳感器把待檢測的氣體成分及濃度轉(zhuǎn)換為電信號傳輸?shù)臑V波電路，由于傳感器信號一般變化比較緩慢，所以采用低通濾波；濾波后的信號經(jīng)過適當(dāng)?shù)姆糯髠鬏數(shù)絘/d模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)角度胧教幚砟K。

嵌入式處理模塊由嵌入式處理核心、觸控與顯示電路、數(shù)據(jù)存儲電路和數(shù)據(jù)傳輸電路組成；其中嵌入式處理核心通過軟件對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和簡單的歸一化處理，嵌入式處理模塊的數(shù)據(jù)傳輸口有兩個：一個是串口，用于信號調(diào)理電路通信；另一個是以太網(wǎng)接口，用于和pc機(jī)通信。嵌入式系統(tǒng)主要完成對數(shù)據(jù)的顯示和存儲，pc機(jī)主要完成模型搭建完成后數(shù)據(jù)的分類。

pc機(jī)的模式識別采用信息融合技術(shù)，由于本系統(tǒng)采用較多的傳感器，簡單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無法很好的利用各種傳感器的信息，因此pc機(jī)搭載多個模型可供選擇，包括線性判別式分析、多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和粒子群、遺傳算法優(yōu)化的支持向量機(jī)模型。pc機(jī)通過信息融合的模式識別技術(shù)，能夠很好地利用各種傳感器收集的信息，提高識別正確率。

如圖1所示，本實施方式系統(tǒng)氣路設(shè)計為：9是待測氣體，10是沖洗氣體，11(1)、11(2)和11(3)為三通閥，12(1)和12(2)為四通接頭，13(1)、13(2)和13(3)分別為半導(dǎo)體氣體傳感器氣室、電化學(xué)氣體傳感器氣室和pid傳感器氣室，14是氣體采樣泵，15是三個兩通閥，16是帶閥流量計。氣室113(1)主要放置半導(dǎo)體氣體傳感器，由于溫濕度的變化會影響半導(dǎo)體氣體傳感器的輸出，所以氣室1也會放置溫濕度傳感器檢測氣室溫濕度的變化；氣室213(2)主要放置電化學(xué)氣體傳感器，其中電化學(xué)氣體傳感器是根據(jù)待測氣體的成分或者需要提前了解指定氣體的情況，放置對應(yīng)的電化學(xué)氣體傳感器，一般大于等于3個；氣室313(3)主要放置pid傳感器，主要用來輔助檢測voc類氣體。

氣路工作流程為：系統(tǒng)開機(jī)后通過調(diào)整三通閥的狀態(tài)，使沖洗氣體進(jìn)入氣室，待傳感器輸出穩(wěn)定后切換三通閥，使待測氣體進(jìn)入氣室；如需對氣體進(jìn)行富集，則可通過調(diào)整11(1)、11(2)和11(3)三個三通閥的不同組合待測氣體富集后進(jìn)入氣室，提取完信息后重新切換至沖洗狀態(tài)，使氣體恢復(fù)到待測前狀態(tài)，整個過程泵一直打開。

如圖2所示，17(1)、17(2)和17(3)分別為電化學(xué)傳感器、光離子傳感器、半導(dǎo)體傳感器，18(1)、18(2)和18(3)分別為電化學(xué)傳感器信號調(diào)理電路、光離子傳感器信號調(diào)理電路、半導(dǎo)體傳感器信號調(diào)理電路，19是信號濾波電路，20是信號放大電路，21是ad轉(zhuǎn)換電路，傳感器輸出信號依次經(jīng)調(diào)理、濾波、放大、轉(zhuǎn)換后傳給22，22是cpumsp430f5438，23為泵閥電路板，經(jīng)cpu實現(xiàn)對泵24和閥25的控制。

圖3為取8個不同的氨氣濃度，7個半導(dǎo)體傳感器的響應(yīng)曲線；圖4為取8個不同的乙醇濃度，7個半導(dǎo)體傳感器的響應(yīng)曲線；圖5為電化學(xué)傳感器nh3/cr-200隨氨氣濃度的響應(yīng)曲線。

圖6為本發(fā)明采用線性判別式分析對氨氣、乙醇以及氨氣&乙醇三類氣體的分類分析；從結(jié)果來看，線性判別式分析法能很好地將三類氣體分開。

圖7為本發(fā)明采用主成分分析對氨氣、乙醇以及氨氣&乙醇三類氣體的pca分類得分情況，從結(jié)果來看，主成分分析法也能很好地將三類氣體分開。

上述對實施例的描述是為便于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對上述實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于上述實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。