本發(fā)明屬于氣體檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于voc及惡臭類氣體檢測(cè)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(chǎng)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(cè)主要集中于室內(nèi)環(huán)境的評(píng)價(jià)，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(cè)技術(shù)(pid)的便攜式voc檢測(cè)儀由于可以快速測(cè)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(fèi)用較高，分析時(shí)間也比較長(zhǎng)，不適于現(xiàn)場(chǎng)使用。pid檢測(cè)技術(shù)需要昂貴的真空uv燈管和精密的檢測(cè)室設(shè)計(jì)，通常uv燈管的壽命較短，性價(jià)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(cè)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(shí)別算法組成，可用于檢測(cè)、分析和鑒別簡(jiǎn)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(jiǎn)單、客觀和廉價(jià)的特點(diǎn)，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(gè)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(bào)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(shì)的原理研制了電子鼻。1982年，英國(guó)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(shí)別系統(tǒng)兩部分，其中傳感器陣列部分由三個(gè)半導(dǎo)體傳感器組成；這一簡(jiǎn)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(guó)內(nèi)對(duì)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(gè)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(hào)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(cè)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(cè)。

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(dòng)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(jí)走向毫米級(jí)甚至納米級(jí)。同時(shí)，集成技術(shù)的快速發(fā)展也助推了傳感器的小型化趨勢(shì)，將微小的敏感元件、信號(hào)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(cè)儀器變的越來(lái)越容易實(shí)現(xiàn)。j.getino等人的基于一只錫氧化合物的voc檢測(cè)，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(cè)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(duì)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(shí)別的電子鼻系統(tǒng)，采用6個(gè)半導(dǎo)體傳感器對(duì)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(gè)8個(gè)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?yàn)對(duì)蘋果新鮮度的判斷；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(shí)現(xiàn)對(duì)3種氣體的區(qū)分。

但總體來(lái)講，目前電子鼻檢測(cè)技術(shù)仍存在以下不足：(1)體積較大，不便于攜帶到現(xiàn)場(chǎng)和移動(dòng)測(cè)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(shí)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(cè)的電子鼻系統(tǒng)，其具有多類傳感器以及多個(gè)模型，能夠很好地利用各種傳感器收集的信息，提高氣體識(shí)別的準(zhǔn)確率。

一種用于voc及惡臭類氣體檢測(cè)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(hào)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(duì)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(duì)氣體流向進(jìn)行控制，通過(guò)改變泵閥狀態(tài)完成采氣、檢測(cè)及沖洗過(guò)程；

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

所述信號(hào)調(diào)理預(yù)處理模塊用于對(duì)傳感器陣列所產(chǎn)生的電信號(hào)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(duì)信號(hào)調(diào)理預(yù)處理模塊的輸出信號(hào)進(jìn)行處理、顯示和存儲(chǔ)；

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

所述氣體富集模塊包含若干三通閥以及待測(cè)氣體儲(chǔ)氣瓶，其通過(guò)調(diào)整三通閥的不同組合控制儲(chǔ)氣瓶的開關(guān)狀態(tài)，使得待測(cè)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(gè)，分別對(duì)氨氣、硫化氫和甲醛進(jìn)行采集；半導(dǎo)體傳感器有7個(gè)，用于對(duì)乙醇、voc以及有機(jī)氣體進(jìn)行采集；pid傳感器有1個(gè)，用于對(duì)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(gè)，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(huì)影響半導(dǎo)體傳感器的輸出，故需檢測(cè)氣室溫濕度的變化)。

所述信號(hào)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(cè)氣體的成分及濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后通過(guò)濾波電路進(jìn)行低通濾波，濾波后的電信號(hào)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(hào)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(chǔ)器以及數(shù)據(jù)傳輸電路；其中嵌入式處理器通過(guò)內(nèi)置軟件程序?qū)π盘?hào)調(diào)理預(yù)處理模塊的輸出信號(hào)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(duì)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(chǔ)器用于對(duì)所述數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)；數(shù)據(jù)傳輸電路包括兩個(gè)傳輸接口：一個(gè)為與信號(hào)調(diào)理預(yù)處理模塊通信的串口，另一個(gè)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(gè)模型可供選擇，通過(guò)信息融合的模式識(shí)別技術(shù)，能夠很好地利用各種傳感器收集的信息，提高識(shí)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(jì)上，采用多種檢測(cè)原理傳感器嵌在氣室表面，感應(yīng)氣體，這樣有利于在檢測(cè)多種voc或惡臭混合氣體時(shí)，避免出現(xiàn)單一原理傳感器對(duì)某一類氣體沒(méi)有響應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤，增強(qiáng)了系統(tǒng)的容錯(cuò)性。

(2)本發(fā)明在氣路設(shè)計(jì)上，通過(guò)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(shí)際在線測(cè)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(jià)值在于，能根據(jù)工業(yè)園區(qū)的污染氣體排放，實(shí)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(shuō)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(shí)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(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明電子鼻系統(tǒng)包括：一主要完成對(duì)低濃度氣味收集的氣體富集模塊、一主要把氣體氣味信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)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(hào)進(jìn)行濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換的信號(hào)調(diào)理預(yù)處理模塊、一對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、顯示和一定存儲(chǔ)功能的嵌入式處理模塊以及一帶有多個(gè)算法分類模型的計(jì)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(gè)，分別對(duì)氨氣、硫化氫和甲醛進(jìn)行采集；半導(dǎo)體傳感器有7個(gè)，用于對(duì)乙醇、voc以及有機(jī)氣體進(jìn)行采集；pid傳感器有1個(gè)，用于對(duì)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(duì)氣體流向控制，氣室有3個(gè)，分別安裝不同種類的傳感器，通過(guò)改變泵閥狀態(tài)，完成采氣，檢測(cè)和沖洗等過(guò)程。

信號(hào)調(diào)理預(yù)處理模塊由信號(hào)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(duì)傳感器信號(hào)的采集、簡(jiǎn)單處理和傳輸；傳感器把待檢測(cè)的氣體成分及濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸?shù)臑V波電路，由于傳感器信號(hào)一般變化比較緩慢，所以采用低通濾波；濾波后的信號(hào)經(jīng)過(guò)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(chǔ)電路和數(shù)據(jù)傳輸電路組成；其中嵌入式處理核心通過(guò)軟件對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和簡(jiǎn)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(gè)：一個(gè)是串口，用于信號(hào)調(diào)理電路通信；另一個(gè)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(duì)數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)，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(shí)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(jiǎn)單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法很好的利用各種傳感器的信息，因此pc機(jī)搭載多個(gè)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(guò)信息融合的模式識(shí)別技術(shù)，能夠很好地利用各種傳感器收集的信息，提高識(shí)別正確率。

如圖1所示，本實(shí)施方式系統(tǒng)氣路設(shè)計(jì)為：9是待測(cè)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(gè)兩通閥，16是帶閥流量計(jì)。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(huì)影響半導(dǎo)體氣體傳感器的輸出，所以氣室1也會(huì)放置溫濕度傳感器檢測(cè)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(cè)氣體的成分或者需要提前了解指定氣體的情況，放置對(duì)應(yīng)的電化學(xué)氣體傳感器，一般大于等于3個(gè)；氣室313(3)主要放置pid傳感器，主要用來(lái)輔助檢測(cè)voc類氣體。

氣路工作流程為：系統(tǒng)開機(jī)后通過(guò)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(cè)氣體進(jìn)入氣室；如需對(duì)氣體進(jìn)行富集，則可通過(guò)調(diào)整11(1)、11(2)和11(3)三個(gè)三通閥的不同組合待測(cè)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(cè)前狀態(tài)，整個(gè)過(guò)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(hào)調(diào)理電路、光離子傳感器信號(hào)調(diào)理電路、半導(dǎo)體傳感器信號(hào)調(diào)理電路，19是信號(hào)濾波電路，20是信號(hào)放大電路，21是ad轉(zhuǎn)換電路，傳感器輸出信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)泵24和閥25的控制。

圖3為取8個(gè)不同的氨氣濃度，7個(gè)半導(dǎo)體傳感器的響應(yīng)曲線；圖4為取8個(gè)不同的乙醇濃度，7個(gè)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(duì)氨氣、乙醇以及氨氣&乙醇三類氣體的分類分析；從結(jié)果來(lái)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(duì)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(lái)看，主成分分析法也能很好地將三類氣體分開。

上述對(duì)實(shí)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(duì)上述實(shí)施例做出各種修改，并把在此說(shuō)明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對(duì)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)。