一种电子鼻仿生呼吸采样方法技术

本发明专利技术涉及一种电子鼻仿生呼吸采样方法，一个完整的采样循环包含3次采样循环，步骤如下：采样第一个循环开始，首先调节电磁阀接通吸入采样气路；打开可调速气泵开始第一次循环的吸入采样环节，通气时间为1秒；使蒸发气室和传感器气室相互独立并密闭，等待时间15秒；开始第一次循环的呼出环节，使蒸发气室与传感器气室接通，打开可调速气泵开始第一次呼出样本，通气时间为4秒；关闭可调速气泵，并同时关闭电磁阀之间通路，使蒸发气室和传感器气室相互独立并密闭，等待传感器达到新的稳态，第一次呼吸采样循环结束；第二和第三次循环采样的过程基本和第一次循环相同，参数有所不同。本发明专利技术可以实现电子鼻的快速采样。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于仪器与测量领域，具体涉及一种新颖的电子鼻仿生呼吸采样方法。
技术介绍
电子鼻，亦称为人工嗅觉系统，是一种现代仿生检测仪器，它能够模拟人类及哺乳动物嗅觉系统的结构与功能，实现对简单或复杂的气味的检测识别。电子鼻通常包括气体传感器阵列、信息预处理和模式识别三大部分。目前，电子鼻技术已广泛应用到食品安全、质量控制、环境监测和疾病诊断等各个领域。在电子鼻检测样本时，挥发性气味需与多个气敏传感器组成的阵列反应，将样品的化学信号转换成电信号，然后经过一系列信号调理、归一化等预处理过程，获取该样品所对应的综合“指纹”信息，再从中提取合适的特征(特征生成，特征选择，特征提取)输入到特定的模式识别算法，最终完成对样品的定性或定量辨识。因此，对电子鼻技术来说，样本的采集与测量是首要问题。由于气体传感器的响应特征易受外界环境的影响，因此为了保证电子鼻测试的可靠性和可重复性，电子鼻通常需要设计一个合适的气室(测试腔)用于容纳气体传感器阵列。而电子鼻对气体样本的采样指的就是设计适当的采样方法，将气体样本带入气室中与传感器阵列进行充分反应的过程。在电子鼻中，通常采用的采样方法有两大类：静态采样方法和动态采样方法。静态采样是将样本气体注射入到腔体中，随着气体的扩散(可以使用风扇加速扩散)使传感器阵列捕捉到气体分子并与之反应得到信号。静态采样方法简单易行，早期的电子鼻测试方式都是采用静态法测试。然而，由于静态采样中采样腔和测试腔为一体，因此体积较大，样本气体扩散过程比较缓慢，一般需要一段时间气体分子才可以与传感器进行响应。并且在开始阶段测试腔中浓度分布不均匀，对于传感器响应曲线中上升阶段的重复性较低。另外，由于整个腔体体积比较大，每次清洗测试腔也很耗时耗能。因此，此方法不适用于快速响应等实际应用的电子鼻系统中。专利号CN103558252A实现了一种基于电子鼻技术的葡萄酒分类方法，其中采用了静态采样方法。动态采样不同于静态采样，其需要通过载气将样本气体带入测试腔进行测试，整个测试过程气体是流动的。载气一般为洁净的空气或氮气，动力可由气泵提供。动态采样按照不同的采样策略又可分为：静态顶空法、动态顶空法和混合法。动态采样提高了测试的精度和可重复性，同时采样腔和测试腔分离，互不干扰，测试腔体积大大减小，同静态采样相比，气室清洗也更为方便。专利号CN102353701A实现一种利用挥发物的农作物虫害电子鼻诊断方法，专利号CN102297930A用电子鼻实现了对肉类新鲜度的识别与预测，其中均采用了静态顶空采样方法。专利号CN103116961A实现了一种基于电子鼻技术的密闭空间火灾探测报警系统及方法，其中采用了动态采样方法。专利号CN104535618A实现了一种基于电子鼻技术的白酒识别方法，其中采用了动态顶空采样方法。王玲采用动、静态结合的采样方法考察了传感器阵列的检测能力(王玲等.电子鼻在危险爆炸物检测中的应用研究[J]传感技术学报,2015,20(1):42-45.)。对电子鼻来说，一种好的采样方法应该能够在尽可能短的采样时间内，获取气体样本尽可能多的有用稳态/动态信息。好的采样方法不仅能够优化电子鼻系统的设计，而且可以提高电子鼻系统的采样精度和识别能力。目前存在的电子鼻采样方法各具特色，并且现有动态采样方法已被绝大多数电子鼻系统采用并证明有效。但现有采样方法，尤其是动态采样方法仍存在以下缺陷和不足之处：(1)静态采样法，体积较大，所需反应时间较长，且可重复性较低，不易清洗。(2)现有动态采样法，与静态法相比，虽体积较小且采样时间得以缩短。但现有动态采样法，由于需要获取完整恢复阶段曲线，所以采样时间仍然较长。尤其对一些较难从传感器表面解吸附的样本，如酒类及精油类等样本，其恢复阶段时间更长。(3)现有动态采样法，通常采用典型的三段式采样策略，即上升阶段、稳态阶段和恢复阶段。若上升阶段吸入样本浓度过高，而使气体传感器阵列较长时间处于较高浓度的样本气体当中，容易出现传感器的中毒现象。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是克服现有技术手段的不足，提供一种能够快速采样的电子鼻采样方法。本专利技术采用仿生设计，通过模拟连续多次短呼吸的生理过程，解决现有电子鼻采样方法由于恢复阶段曲线较长导致采样时间较长的问题，实现电子鼻的快速采样。本专利技术的技术方案如下：一种电子鼻仿生呼吸采样方法，所采用的电子鼻包括通过电磁阀相连的可调速气泵、蒸发气室和传感器气室，一个完整的采样循环包含3次采样循环，步骤如下：(1)电子鼻系统上电，使得气体样本在蒸发气室中充分蒸发；(2)仿生呼吸采样第一个循环开始，首先调节电磁阀接通吸入采样气路，使蒸发气室与传感器气室接通；(3)打开可调速气泵开始第一次循环的吸入采样环节，通过过滤后的洁净空气将气体样本沿采样气路带入传感器气室，通气时间为1秒，控制可调速气泵转速的PWM波占空比设为55000/125000；(4)关闭可调速气泵并调节电磁阀，使蒸发气室和传感器气室相互独立并密闭，等待传感器与样本反应达到稳态，等待时间15秒；(5)开始第一次循环的呼出环节，首先调节电磁阀实现呼出气路，使使蒸发气室与传感器气室接通，并将与传感器气室的出气口相连的电磁阀作为清洗口(2)与外界接通；(6)打开可调速气泵开始第一次呼出样本，通过过滤后的洁净空气将传感器气室中的样本混合气由清洗口(2)呼出，通气时间为4秒，PWM占空比为125000/12500；(7)接着关闭可调速气泵，并同时关闭电磁阀之间通路，使蒸发气室和传感器气室相互独立并密闭，等待传感器达到新的稳态，等待时间12秒，至此第一次呼吸采样循环结束；(8)第二和第三次循环采样的过程基本和第一次循环相同，不同之处如下：第二次循环吸入采样环节PWM波占空比为70000/125000，时间仍为1秒；第二次循环呼出环节的通气时间为2秒；(9)第三次循环吸入采样环节PWM波占空比为125000/125000，时间仍为1秒；第三次循环呼出环节的通气时间为1秒。与现有技术相比，本专利技术技术特点与效果：(1)快速性，与现有动态采样方法相比，所提仿生呼吸采样方法能够更快速完成采样过程。(2)仿生多段循环采样，所提仿生呼吸采样方法模拟了连续多次短呼吸的生理过程，能够避免气体传感器长时间暴露于较高浓度的样本气氛中，也有利于每次采样完成后快速清洗气室。(3)采样特征丰富性，仿生呼吸采样包含多个连续子循环，并且每个子循环又由相同的采样策略完成，即吸入、暂停、呼出和暂停四个阶段。这种采样策略包含了多个循环，能够带来比现有动态采样方法更为丰富的稳态/动态特征。附图说明图1为本专利技术所采用电子鼻结构框图和工作流程图图2为本专利技术所述现有电子鼻动态采样方法采样控制策略图3为本专利技术所述电子鼻仿生呼吸采样方法采样控制策略图4为本专利技术所述现有电子鼻动态采样单传感器结果曲线图5为本专利技术所述电子鼻仿生呼吸采样单传感器结果曲线图6为本专利技术所述预处理后的仿生呼吸采样阵列曲线具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行说明。本专利技术所采用的电子鼻结构如图1所示，该电子鼻不仅可直接检测气体样本，还可用于检测白酒等液体样本。该电子鼻主要包括蒸发及采样装置，传感器气室反应装置，以及控制和数据采集预处理系统三大部分。本专利技术涉及本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电子鼻仿生呼吸采样方法，所采用的电子鼻包括通过电磁阀相连的可调速气泵、蒸发气室和传感器气室，一个完整的采样循环包含3次采样循环，步骤如下：(1)电子鼻系统上电，使得气体样本在蒸发气室中充分蒸发；(2)仿生呼吸采样第一个循环开始，首先调节电磁阀接通吸入采样气路，使蒸发气室与传感器气室接通；(3)打开可调速气泵开始第一次循环的吸入采样环节，通过过滤后的洁净空气将气体样本沿采样气路带入传感器气室，通气时间为1秒，控制可调速气泵转速的PWM波占空比设为55000/125000；(4)关闭可调速气泵并调节电磁阀，使蒸发气室和传感器气室相互独立并密闭，等待传感器与样本反应达到稳态，等待时间15秒；(5)开始第一次循环的呼出环节，首先调节电磁阀实现呼出气路，使使蒸发气室与传感器气室接通，并将与传感器气室的出气口相连的电磁阀作为清洗口(2)与外界接通；(6)打开可调速气泵开始第一次呼出样本，通过过滤后的洁净空气将传感器气室中的样本混合气由清洗口(2)呼出，通气时间为4秒，PWM占空比为125000/12500；(7)接着关闭可调速气泵，并同时关闭电磁阀之间通路，使蒸发气室和传感器气室相互独立并密闭，等待传感器达到新的稳态，等待时间12秒，至此第一次呼吸采样循环结束；(8)第二和第三次循环采样的过程基本和第一次循环相同，不同之处如下：第二次循环吸入采样环节PWM波占空比为70000/125000，时间仍为1秒；第二次循环呼出环节的通气时间为2秒；(9)第三次循环吸入采样环节PWM波占空比为125000/125000，时间仍为1秒；第三次循环呼出环节的通气时间为1秒。...

【技术特征摘要】
1.一种电子鼻仿生呼吸采样方法，所采用的电子鼻包括通过电磁阀相连的可调速气泵、蒸发气室和传感器气室，一个完整的采样循环包含3次采样循环，步骤如下：(1)电子鼻系统上电，使得气体样本在蒸发气室中充分蒸发；(2)仿生呼吸采样第一个循环开始，首先调节电磁阀接通吸入采样气路，使蒸发气室与传感器气室接通；(3)打开可调速气泵开始第一次循环的吸入采样环节，通过过滤后的洁净空气将气体样本沿采样气路带入传感器气室，通气时间为1秒，控制可调速气泵转速的PWM波占空比设为55000/125000；(4)关闭可调速气泵并调节电磁阀，使蒸发气室和传感器气室相互独立并密闭，等待传感器与样本反应达到稳态，等待时间15秒；(5)开始第一次循环的呼出环节，首先调节电磁阀实现呼出气路，使使蒸发气室与传感器气室接通，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟庆浩，亓培锋，曾明，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12