CN1367381A - 一种嗅觉模拟装置及其嗅觉模拟测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种嗅觉模拟装置及其嗅觉模拟测试方法,其特点是,装置由主机箱、计算机处理部分、显示部分以及电源电路组成。嗅觉模拟的方法,包括以下步骤:a、微型隔膜泵将待测气味吸入环形测试箱,该气体迅速略过各传感器的敏感膜表面,然后从排气口排出;b、在气体流动过程中,待测气味经一个个气敏传感器产生的响应到数据采集卡经模/数转换器转换后通过待测气体存储器被记录下来,由此而得到一个多维响应信号;c、该多维响应信号经计算机数据处理后,即可得到待测气味的类别、整体强度或简单成分气体浓度估计值,通过显示器显示出来。本发明具有装置体积小,散热性好,对待测气味的浓度不降低,测试简便、精度高的优点。

Description

一种嗅觉模拟装置及其嗅觉模拟测试方法

技术领域

本发明涉及一种嗅觉模拟装置及其嗅觉模拟测试方法。

背景技术

气味是评价呈香制品内在质量和环境空气质量优劣的主要指标之一。迄今为止，对香料香精、卷烟、酒、茶、酱油、醋、化妆品等物品香气质量与风格的评定主要还是依靠人的嗅觉。由于受经验、情绪、环境等主客观因素以及疲劳、适应、习惯等生理因素的影响，从某种意义上讲，感官方法难以做到科学与客观，比物理、化学分析方法更难掌握，而且，靠人的感官对呈香物品生产过程进行质量监控更是一项既艰苦又繁琐的工作。

长期以来，人们一直企望通过测定化学组成来确定气味的质量，气相色谱、质谱等成分分析方法因而得到了较为广泛的应用。但是，气味的化学组成繁多，影响感官感受的大多属于微量、痕量乃至超痕量级；气味中有些成分不稳定、瞬息即变，难以有效地提取、浓缩和分离；有些化合物结构类似而气味品质却差异很大，即所谓“手性”现象；有些成分单独存在时有气味，与其他成分共同存在时又无气味；有些成分单独存在时无气味，与其他成分共同存在时又有气味；有些成分浓缩时气味并不强，冲淡后明显变强；有些成分浓缩时气味似乎很强，冲淡后明显减弱，等等。凡此种种现象说明，尽管随着分析仪器的日趋灵敏，人们从气味中发现了愈来愈多的化学成分，但从定性角度出发，那些对气味产生特殊影响的因子还很少被人们理解和掌握，因此，成分分析方法的作用是十分有限的。香料工作者在实践中经常遇到的问题是：同一种类不同批次的两瓶香料A、B，气相色谱分析结果是A的纯度比B要高许多，但感官评定结果却认为B的香气比A好。除此而外，企图在生产过程中通过测定所有化学成分来确定物品香气质量的想法在很多情况下是不现实的。例如，卷烟烟气的化学成分有4,000多种，这个数据是美国学者经过多年努力得到的，不可能经常测量之。人们期盼分析仪器所得到的不仅仅是化学组成与浓度，而是与人的感官感受相符的结果。正是在这种情况下，嗅觉模拟技术日益引起人们的重视。

电子鼻装置是一种具有识别简单和复杂气味的能力的仪器，其由多个性能彼此重叠的气敏传感器和适当的数据分析与处理方法所组成。它的长处在于能快速地对气味进行定性分析。对香料香精、食品、化妆品等呈香物质，它可以象人一样，凭气味确定其类别、质量等级、新鲜程度、产地，乃至辨别其真假。其在头香、体香和基香的测定中更是独具优势，甚至可以判断空气中甲醛、氨等有害成分的含量是否超过规定的标准，等等。利用电子鼻装置，公安交通部门可以凭气味判断某人是否携带危险品，医疗***门可以凭呼出的气味、体气或尿味判断病人是否患有某种疾病(如肾炎等)；除此之外，电子鼻还可用于化工、战争毒气检测等方面。其测试速度快，应用前景十分广阔。《经济日报》2000.1.14日报道，日本等西方发达国家已将嗅觉模拟技术列为高新技术近中期发展纲要的重要方向之一。

国外在80年代初开始电子鼻技术的研究，90年代中期开始出现商品化装置，如法国的智能鼻(FOX系列)、英国的气味扫描仪(Aromascan)等几种。目前，电子鼻技术主要用于预测CO、乙醇、CH4等简单气体及其混合物的类别和浓度，酒、牛奶、咖啡、橄榄油的类别与产地，肉制品和水产品的新鲜程度，水果的成熟程度等。《解放日报》2001.1.10日报道，美国将考虑用电子鼻来依气味搜索***的藏身之地。但是，现有文献报道几乎都是10类以下的类别判断，每一类仅采集十数个乃至几个样本进行分析，与实际应用要求相去甚远。1998年英国的气味扫描仪和1999年法国的智能鼻进入中国市场后没有站住脚，究其原因，存在以下几个有待解决的主要问题：

1、测试箱体积过大。考虑散热、搅拌等因素，人们往往采用大容积测试箱(通常1～5升)。这样一来，若用载气，气体进入测试箱后将被大大稀释，等于大幅降低了传感器的灵敏度和感知下限；不仅如此，若传感器直接置于液体和固体的顶空，由于挥发气平衡时间很长，使传感器接触气体的时间增加，还原时间相应延长。这与现场实时监测、测试装置体积小的要求背道而驰。

2、特征提取方式过于单一。几乎所有方法都仅利用气敏传感器的稳态响应。由于气味中某些化合物是不稳定的、瞬息即变的，气味的强度也是随时间而变化的；由于环境温湿度和传感器漂移等因素的影响，绝对的稳态并不存在。因此，取稳态值的方法不利于提高和改善传感器的灵敏度、重复性。例如，“稳态”值相同的两条响应曲线其积分值可能相差很大。

3、气味顶空取样方式过于复杂，取样重复性差。例如，英国的BH114型电子鼻装置试图使待测气味与大气环境完全隔离，既与人感知气味的方式完全不同，应用范围又受到很大限制。

4、数据分析与处理方法远不能满足电子鼻的选择性与重复性要求。为了感知气味强度的微小变化，单纯追求单个气敏器件的高灵敏度是远远不够的，在很大程度上，还取决于测试电路的精确度与抗干扰能力，数据分析方法的精度、容错性和推广能力。另外，数据处理方法还应具有对传感器漂移的补偿能力。与此同时，如何在很强的背景“噪声”下提取和分析多维微小有用信号是嗅觉模拟装置走向实用的必要条件。

5、由于立体异构、手性、极性、官能团等现象的存在，结构相似的成分可能有完全不同的气味，反之亦然。也就是说，测量空间相邻的样本可能属于完全不同的类别，测量空间相距很远的样本又有可能属于同一类别。这些高维空间的复杂模式分类与映射问题对统计分析方法提出了挑战。常用的一般前向神经网络学习过程中易陷入局部极小，学习时间长，结构凭经验确定，对此类复杂问题同样不能给出令人满意的结果。类别越多，维数越高，嗅觉模拟***中数据处理方法的缺陷就越明显。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有嗅觉模拟***的缺点，而提出的一种采用环形气敏传感器阵列进行气体测试的新型嗅觉模拟装置及其嗅觉模拟测试的方法，本发明具有装置体积小、散热性能好、不降低待测气味的浓度、测试简便、精度高的优点。

为了实现本发明的目的，本发明采取的技术方案是：一种嗅觉模拟装置，其特点是，由主机箱、计算机处理部分、显示部分以及电源电路组成；

所述的主机箱内设有环形测试箱，该环形测试箱一侧设有隔板，隔板两侧分别设有进气口和出气口，该进气口和出气口上分别贯设进气管道和出气管道；进气管道上顺序设有控制待测气体通断的第二电磁阀和控制恢复气体一氧气通断的第一电磁阀，其第一电磁阀通过管道连通氧气或洁净空气，第二电磁阀通过管道连通待测样品；出气管道上顺序设有控制废气排放的第三电磁阀、流量调节阀、流量计、隔膜泵；所述的环形测试箱内间隔排列设有多个气敏传感器，形成气敏传感器阵列；

所述的计算机处理部分包括与环形测试箱内的各个气敏传感器的输出相连接的高精度数据采集卡，以及与该高精度数据采集卡双向连接的计算机数据处理部分；

所述的显示部分包括与计算机输出信号连接的显示驱动电路以及与该显示驱动电路连接的显示器；

所述的电源电路包括一可输出三路高精度直流电的稳压电源。

上述嗅觉模拟装置，其中，所述的数据采集卡由模/数转换器、待测气体多维响应信号的存储器和预先记忆的各种气体数据的存储器；所述的模/数转换器与各气敏传感器的输出端连接，待测气体多维响应信号的存储器和预先记忆的各种气体数据的存储器分别与计算机数据处理部分的输入端连接。

上述嗅觉模拟装置，其中，所述的电源电路包括一可分别输出12V、5V和10V的三路高精度直流稳压电源；其中：5V和10V电源供气敏传感器工作；12V电源供其他元器件工作。

上述嗅觉模拟装置，其中，所述的待测样品设在样品瓶中，该样品瓶设在恒温水中。

根据上述嗅觉模拟装置进行嗅觉模拟测试的方法，其中，包括以下步骤：

a、将待测气体的液体或固体装在样品瓶中，置于进口管的进口处；

b、微型隔膜泵将液体或固体中的待测气味吸入环形测试箱，该气体迅速略过各传感器的敏感膜表面，然后从排气口排出；

c、在气体流动过程中，待测气味经一个个气敏传感器产生的响应到数据采集卡经模/数转换器转换后通过待测气体数据存储器被记录下来，由此而得到一个多维响应信号；

d、该多维响应信号经计算机数据处理后，即可得到待测气味的类别、整体强度或气体成分的浓度估计值，并通过显示器显示出来，本轮测试结束；

e、前次测试结束后，在开始新一轮测试的a步骤前先通入环境空气到环形测试箱内，使各气体传感器初步回复到初始状态，然后通入氧气或洁净空气到环形测试箱内，使各气体传感器精确回复到初始状态；

f、重复a～e步骤，进行多次测试。

上述嗅觉模拟装置，其中，所述的待测样品设在样品瓶中，该样品瓶设在恒温水中。

由于本发明采用了以上的技术方案，因此具有以下的效果：

1、容积小于200ml的环形测试箱内设置环形气敏传感器阵列。这种结构的优点是体积小，散热性好，对待测气味的浓度基本没有降低。

2、气体进样不用惰性气体作载气，因为载气会降低待测气味的浓度。

3、单个气敏传感器接触待测气味的时间很短，一般只有数秒钟。这样，可以大大缩短传感器的恢复时间，减少其“中毒”的机会，从而有效地提高了嗅觉模拟装置的测试速度。

4、利用廉价的氧气作为恢复气体，排除环境温度、湿度以及环境空气中干扰气体对测试结果的影响，以保证多次测量的基准一致。

5、用超级恒温水浴作为关键部件，置于嗅觉模拟装置的外部，恒定温度为25±0.1℃。将待测液体或固体置于恒温水浴内约30分钟，以保证待测气味的浓度一致，从而使测试误差≤3％RSD(相对标准差)。

6、同时取传感器响应的最大值、传感器达到最大值之前的平均斜率、积分值作为输入模式的特征(输入分量)，以提高测试***的灵敏度和选择性。

附图说明

本发明的具体结构特征由以下的实施例及其附图进一步给出。

图1是本发明嗅觉模拟装置的结构示意图。

图2是本发明单个传感器电路工作原理图。

图3是本发明嗅觉模拟测试方法的原理示意图。

图4是本发明气体质量分析状态之三(空气恢复)的流程示意图。

图5是本发明气体质量分析状态之二(氧气还原)的流程示意图。

图6是本发明气体质量分析状态之一(进样、传感器产生响应)的流程示意图。

具体实施方式

请参阅图1。本发明嗅觉模拟装置一种嗅觉模拟装置，其特点是，由主机箱1、计算机处理部分2、显示部分3以及电源电路4组成。

主机箱1内设有环形测试箱11，该环形测试箱一侧设有隔板12，隔板的作用是将进气口与出气口隔开，强迫气体绕环行测试箱一周。隔板两侧分别设有进气口和出气口，该进气口和出气口上分别贯设进气管道13和出气管道14。进气管道上设有控制测试气体通断的第二电磁阀16和控制恢复气体通断的第一电磁阀15，其第一电磁阀通过管道连通氧气或洁净空气5，第二电磁阀通过管道连通待测样品6；出气管道上顺序设有控制废气排放的第三电磁阀17、流量计18、隔膜泵19；为方便气体采集与废气排放。本装置采用的隔膜泵为专用微型气体采样泵，重量约为0.1kg，每分钟采样量为1.5L，泵置于气路后端，既可用于将待测气体吸入测试箱内，又可用于将箱内废气排出。环形测试箱内间隔排列设有多个气敏传感器7，形成气敏传感器阵列。测试箱采用不锈钢材料制成。不使气味浓度过度稀释，等价于提高气敏传感器的检测下限，因此，设计中使测试箱体积尽可能小，实际容积约为200ml。测试箱的另一个主要特点是，待测气味从进气口进入测试箱，以25ml/s的速度略过传感器敏感膜表面，然后从排气口排出。在气体流动过程中，一个个气敏传感器产生的响应通过精密测试电路被记录下来。该测试箱具有体积比较小、便于气体循环与流通、便于传感器散热、重量较轻、密封性能好等优点。

计算机处理部分2包括与环形测试箱内的各个气敏传感器的输出连接的高精度数据采集卡21，以及与该高精度数据采集卡双向连接的计算机数据处理部分22；数据采集卡由模/数转换器、待测气体存储器和预先记忆的各种气体数据的存储器构成，其型号为PIC816A，16位A/D分辨率，100ks/s采样速率；模/数转换器与各气敏传感器的输出端连接，待测气体存储器和预先记忆的各种气体数据的存储器分别与计算机数据处理部分的输入端连接。

显示部分3包括与计算机输出信号连接的显示驱动电路以及与该显示驱动电路连接的显示器；

电源电路4包括一可输出三路高精度直流电的稳压电源。电源电路包括一可分别输出12V、5V和10V的三路高精度直流电压的稳压电源；其中：5V和10V电源供气敏传感器工作；12V电源供其他元器件工作。因为气味检测的特点之一是影响待测气味特征的微量成分浓度很低，往往为ppm级甚至更低，由此引起的电压变化也许只有几个毫伏甚至更低，这就要求采用高精度稳压电源。本实施例选择的三路高精度稳压电源，其电压稳定程度可达0.01mV。

请参见图2，这是本发明单个气敏传感器7的电连接示意图。5V电源与该单个气敏传感器的电阻丝两端连接，10V电源与该单个气敏传感器的测试回路两端连接，输出端连接一分压电阻(称之为负载电阻)，其输出的响应信号(电压值)与数据采集卡的输入端连接。

该单个气敏传感器的工作原理是：1、还原阶段：当空气或氧气的以一定的速度略过传感器敏感膜表面时，敏感膜中处于游离状态的负电子与氧分子靠电子亲和力结合在一起，形成一个势垒，导致传感器电阻的增加；2、工作阶段：在工作电压保持不变的前提下，传感器接触待测气体后，敏感膜两端的电阻发送变化，与传感器串联的电阻两端的电压就相应地发生变化，此即为气敏传感器对气味的响应。

气敏传感器的类型有金属氧化物半导体、有机聚合物、声表面波、石英晶振等许多种，本实施例选择日本Figaro公司生产的TGS-8系列气敏传感器共16个组成气敏传感器阵列，具体型号为TGS800、812、813、816、821、822、823、824、825、826、830、831、832、842、880、883T。

请参见图3。本发明进行嗅觉模拟测试的方法是：微型隔膜泵将待测气味(气体或液体与固体挥发气)吸入环形测试箱，这时气体以25ml/s的速度略过传感器敏感膜表面，然后从排气口排出。在气体流动过程中，一个个气敏传感器产生的响应到数据采集卡经模/数转换器转换后通过待测气体存储器被记录下来，由此而得到一个多维响应信号；

由于本装置由16个气敏传感器组成的阵列，因此，响应信号的维数为16。这一16维电压响应信号经计算机数据处理后，即可得到待测气味的类别、整体强度或气体成分浓度估计值等与人的感官感受相一致的结果，并通过显示器显示出来。

本发明利用氧气消除环境对测量精度的影响，进行氧气还原处理，该氧气还原处理为：前次测试结束后，在开始新一轮测试的a步骤前先通入环境空气到环形测试箱内，使各气体传感器初步回复到初始状态，然后通入氧气或洁净空气到环形测试箱内，使各气体传感器精确回复到初始状态；然后进行下一轮测试。这样可加快气敏传感器的恢复速度，使多次测量在同一基础上进行。

本发明共有三个工作阶段，其原理如图4～6所示。

1、空气恢复阶段。如图4所示，第一电磁阀15关闭，第二电磁阀16打开。在隔膜泵的作用下，环境空气流经不锈钢管道、第二电磁阀16、进气口、环形测试箱11、出气口、第三电磁阀17、流量调节阀20、流量计18，最后排入大气。由于不同时间和地点的环境空气的温度、湿度、成分不可能完全一样，这一过程约需240s，主要目的是使传感器大致恢复到接触气体前的状态。

2、氧气恢复阶段。如图5所示，第一电磁阀15打开，第二电磁阀16关闭，隔膜泵停止运转。氧气经第一电磁阀15、第二电磁阀16、进气口、环形测试箱、出气口、第三电磁阀17、流量调节阀、流量计，最后排入大气。这一过程约为40s，主要目的是使多次测量时，传感器的初始状态相同，消除环境因素的影响。

3、进样、数据采集与处理阶段。如图6所示，第一电磁阀15关闭，第二电磁阀16打开。在隔膜泵的作用下，三角烧瓶顶空的液体或固体挥发气流经不锈钢管道、第二电磁阀、进气口、环形测试箱、出气口、第三电磁阀、流量调节阀、流量计，最后被排入大气。在气味以25ml/s的速度略过传感器敏感膜时，传感器的响应(模拟量)经高精度数据卡被转换为数字信号，并被送入计算机存储或处理。计算机在10s以内将给出待测气味的类别、某些成分的浓度或香气强度等结果。这一过程约需10s。在用静态顶空法抽取三角烧瓶内的挥发气5s之后，第二电磁阀又被关闭。待操作人员取出三角烧瓶之后，仪器随即转入空气恢复阶段。

本发明在对环境温度稍加控制的基础上，可使气体采样数据的重复性达到95％以上。

Claims (6)

1、一种嗅觉模拟装置，其特征在于，由主机箱、计算机处理部分、显示部分以及电源电路组成；

所述的主机箱内设有环形测试箱，该环形测试箱一侧设有隔板，隔板两侧分别设有进气口和出气口，该进气口和出气口上分别贯设进气管道和出气管道；进气管道上顺序设有控制待测气体通断的第二电磁阀和控制恢复气体——氧气或洁净空气通断的第一电磁阀，其第一电磁阀通过管道连通氧气或洁净空气，第二电磁阀通过管道连通待测样品；出气管道上顺序设有控制废气排放的第三电磁阀、流量调节阀、流量计、隔膜泵；所述的环形测试箱内间隔排列设有多个气敏传感器，形成气敏传感器阵列；

所述的计算机处理部分包括与环形测试箱内的各个气敏传感器的输出相连接的高精度数据采集卡，以及与该高精度数据采集卡双向连接的计算机数据处理部分；

所述的显示部分包括与计算机输出信号连接的显示驱动电路以及与该显示驱动电路连接的显示器；

所述的电源电路包括一可输出三路高精度直流电的稳压电源。

2、根据权利要求1所述的嗅觉模拟装置，其特征在于，所述的数据采集卡由模/数转换器、待测气体多维响应信号的存储器和预先记忆的各种气体数据的存储器；所述的模/数转换器与各气敏传感器的输出端连接，待测气体多维响应信号的存储器和预先记忆的各种气体数据的存储器分别与计算机数据处理部分的输入端连接。

3、根据权利要求1所述的嗅觉模拟装置，其特征在于，所述的电源电路包括一输出电压分别为12V、5V和10V的三路高精度直流稳压电源；其中：5V和10V电源供气敏传感器工作；12V电源供其他元器件工作。

4、根据权利要求1所述的嗅觉模拟装置，其特征在于，所述的待测样品设在样品瓶中，该样品瓶设在恒温水中。

5、采用权利要求1的装置进行嗅觉模拟测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、将待测气体的液体或固体装在样品瓶中，置于进口管的进口处；

b、微型隔膜泵将液体或固体中的待测气味吸入环形测试箱，该气体迅速略过各传感器的敏感膜表面，然后从排气口排出；

c、在气体流动过程中，待测气味经一个个气敏传感器产生的响应到数据采集卡经模/数转换器转换后通过待测气体数据存储器被记录下来，由此而得到一个多维响应信号；

d、该多维响应信号经计算机数据处理后，即可得到待测气味的类别、整体强度或气体成分的浓度估计值，并通过显示器显示出来，本轮测试结束；

e、前次测试结束后，在开始新一轮测试的a步骤前先通入环境空气到环形测试箱内，使各气体传感器初步回复到初始状态，然后通入氧气或洁净空气到环形测试箱内，使各气体传感器精确回复到初始状态；

f、重复a～e步骤，进行多次测试。

6、根据权利要求5所述的嗅觉模拟测试方法，其特征在于，所述的待测样品设在样品瓶中，该样品瓶设在恒温水中。

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