一种用于多种挥发性有机物检测的电子鼻系统技术方案

本发明专利技术提供一种用于多种挥发性有机物检测的电子鼻系统，涉及气体检测技术领域，包括数据收集模块、数据传输模块以及数据展示模块，数据收集模块包括传感器阵列模块，传感器阵列模块包括了传感器以及印刷电路板，传感器包括湿度传感器、乙醇气体传感器、甲烷气体传感器以及VocsMEMS传感器，为实现工业挥发性有机物的检测，选择了多种气体传感器，再基于传感器的基本特性，设计合理的集成电路，制作气敏传感器阵列模块，实现数据收集，从而对多种气体进行采集，避免了因为传统单一性的气体数据采集的方式而造成的数据不准确的情况。据采集的方式而造成的数据不准确的情况。据采集的方式而造成的数据不准确的情况。

An electronic nose system for the detection of various volatile organic compounds

【技术实现步骤摘要】
一种用于多种挥发性有机物检测的电子鼻系统


[0001]本专利技术涉及气体检测
，尤其涉及一种用于多种挥发性有机物检测的电子鼻系统。

技术介绍

[0002]近年来，随着出口型工业的快速发展，国内能源消耗快速增长，汽车交通和其他排放密集的经济活动的增加，中国的多个区域都有着不同程度的空气污染问题。特别是石油化工工业的发展，燃油、橡胶、涂料、塑料制品等相关产品的大量生产，必然伴随着大量有害气体的排放。其中，对大气造成极大污染的VOCs(volatile organic compounds，挥发性有机化合物)气体是最为复杂的一种污染物，其不仅加速了且加重了大气中臭氧和雾霾的形成，还会引起人体的呼吸疾病、过敏反应、肝脏肾脏和中枢神经系统损害等，长期接触甚至引发癌症。
[0003]所以，对于大气污染物的检测是必不可少的工作，而电子鼻的出现则正是为了解决大气污染物检测这一问题。电子鼻是一种由具有部分选择性地化学传感器阵列、信号预处理模块和模式识别等部分组成、能够识别简单或复杂成分气体的仪器。是90年代发展起来的一种新颖的分析、识别和检测气体及大多数挥发性物质的仿生气体分析仪器，从其专利技术之日以来，一直被视为各个国家的重点研究项目；
[0004]现有技术中的电子鼻主要由多种传感器组成的气敏传感器阵列、信号采集处理及传输和气体识别并展示等部分组成。某种气体呈现在一种活性材料的传感器面前，传感器将化学输入转换成电压信号，再经过信号采集模块转换成数字信号，最后由模式识别单元给出判别结果。由多个传感器对一种气体的响应便构成了传感器阵列对该气味的响应谱，以对气体进行识别，电子鼻正是利用各个气敏器件对复杂成分气体都有响应却又互不相同这一特点，借助数据处理对多种气体进行识别；
[0005]目前市面上的电子鼻系统有些用途十分局限，只能检测单一气体的成分，而有些虽然功能强大，但是大都体积庞大、价格昂贵，既不便携，也不利于大面积推广和使用。另外，目前大多电子鼻在收集传感器数据并传输时仍然采用有线传输的方式，大大降低了电子鼻使用的便捷性，而且抗干扰能力弱，灵活性低，适用范围受限，无法满足我们对便捷性的要求。在现有的电子鼻系统中其可视化程度较低，结果展示不够直观，用户无法得到准确且直接的检测结果，体验感较差，因此本专利技术提出一种用于多种挥发性有机物检测的电子鼻系统。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，提出一种用于多种挥发性有机物检测的电子鼻系统。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种用于多种挥发性有机物检测的电子鼻系统，包括数据收集模块、数据传输模块以及数据展示模块，其特征在于，所述
数据收集模块包括传感器阵列模块和STC嵌入式单片机；
[0008]所述传感器阵列模块包括了传感器以及印刷电路板，传感器包括湿度传感器、乙醇气体传感器、甲烷气体传感器以及VocsMEMS传感器；
[0009]所述印刷电路板包括贴片电阻、可调电位器以及排针，湿度传感器、乙醇气体传感器、甲烷气体传感器以及VocsMEMS传感器均匀排布在印刷电路板上；
[0010]所述湿度传感器、乙醇气体传感器、甲烷气体传感器以及VocsMEMS传感器的各个接头所对应的信号线与STC嵌入式单片机的采集引脚相连接；
[0011]所述数据传输模块包括独立电源、51单片机、主蓝牙以及从蓝牙；
[0012]所述数据展示模块包括PC端、数据集导入模块以及可视化界面Web端。
[0013]作为一种优选的实施方式，所述湿度传感器配置用于环境湿度数据的检测；
[0014]所述乙醇气体传感器配置用于环境乙醇含量的检测；
[0015]所述甲烷气体传感器配置用于环境甲烷含量的检测；
[0016]所述VocsMEMS传感器配置用于环境VOC气体的检测，环境空气中有被检测的VOC气体存在时，VocsMEMS传感器的电导率发生正相关的变化，其中，该气体的浓度越高，传感器的电导率就越高，通过与串联的电阻进行分压，输出正相关浓度大小的电压信号，STC嵌入式单片机采用STC89C51系列单片机，通过C程序编程和硬件模块的组装配置用于模数信号的采样、数据预处理、数据存储以及数据发送。
[0017]作为一种优选的实施方式，所述独立电源配置用于系统的供电；
[0018]所述51单片机配置用于数据传输过程中的数据处理；
[0019]所述主蓝牙以及从蓝牙配置用于数据的传输。
[0020]作为一种优选的实施方式，所述主蓝牙以及从蓝牙通过串口连接有通讯模块HC
‑
05，通讯模块HC
‑
05的最大传输速率为2Mbps。
[0021]作为一种优选的实施方式，所述印刷电路板中将STC单片机与主蓝牙以及从蓝牙的引脚进行硬连接，接通数据引脚，同时依靠嵌入式单片机的电源为其供电。
[0022]作为一种优选的实施方式，所述数据展示模块的展示过程为：
[0023]S1、首先利用Z
‑
score标准化方法，将不同传感器的信号数据转化为同一量度的分值进行比较，基于Python搭建三阶巴特沃斯滤波器去除干扰信号和异常；
[0024]S2、之后特征提取和降维部分，通过PCA主成分分析法进行降维处理能够有效地进行信号特征的提取，得到数据主成分；
[0025]S3、随后将数据的主成分权值计算出的信息作为该样本的坐标、不同主成分线性组合得到的PC作为坐标轴进行图像绘制得到可视化数据，在从图像中能够明显探究出不同种类液体的分布存在的规律，借助该规律进行样本特征的提取，且在特征分类上基于传感器阵列模块利用多目标识别算法进行数据融合和处理，将数值模拟和人工神经网络相结合，达到对不同气体的精准分类和识别，最终将数据集在Web端为用户进行可视化呈现，展示识别结果与关键数据，如气体浓度变化趋势、气体模式识别结果。
[0026]采用上述进一步方案的有益效果是：使用可视化界面进行数据展示，方便直观地向客户展现了检测结果，改善客户体验。
[0027]作为一种优选的实施方式，所述数据收集模块的收集过程具体为：将样本气体与传感器阵列模块接触后输出电压信号，经由嵌入式单片机在引脚处采集信号将模拟信号转
换为该采样率下的数字信号，交由通讯模块HC
‑
05进行传输到性能较强的通用计算机作为客户端进行数据分析部分的工作，当传感器所处环境中存在乙醇气体、甲烷气体时，传感器的电导率随空气中关键气体浓度的增加而增大，该部分电阻值发生变化，使用分压电路可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的电压输出信号，基于MEMS的VOC气体传感器利用MEMS工艺的硅基微热板和在洁净空气中电导率较低的金属氧化物半导体材料组成，当环境空气中有被检测的VOC气体存在时，传感器的电导率发生正相关的变化，通过与串联的电阻进行分压，就能输出正相关浓度大小的电压信号。
[0028]采用上述进一步方案的有益效果是：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于多种挥发性有机物检测的电子鼻系统，包括数据收集模块、数据传输模块以及数据展示模块，其特征在于，所述数据收集模块包括传感器阵列模块和STC嵌入式单片机；所述传感器阵列模块包括了传感器以及印刷电路板，传感器包括湿度传感器、乙醇气体传感器、甲烷气体传感器以及VocsMEMS传感器；所述印刷电路板包括贴片电阻、可调电位器以及排针，湿度传感器、乙醇气体传感器、甲烷气体传感器以及VocsMEMS传感器均匀排布在印刷电路板上；所述湿度传感器、乙醇气体传感器、甲烷气体传感器以及VocsMEMS传感器的各个接头所对应的信号线与STC嵌入式单片机的采集引脚相连接；所述数据传输模块包括独立电源、51单片机、主蓝牙以及从蓝牙；所述数据展示模块包括PC端、数据集导入模块以及可视化界面Web端。2.根据权利要求1所述的一种用于多种挥发性有机物检测的电子鼻系统，其特征在于：所述湿度传感器配置用于环境湿度数据的检测；所述乙醇气体传感器配置用于环境乙醇含量的检测；所述甲烷气体传感器配置用于环境甲烷含量的检测；所述VocsMEMS传感器配置用于环境VOC气体的检测，环境空气中有被检测的VOC气体存在时，VocsMEMS传感器的电导率发生正相关的变化，其中，该气体的浓度越高，传感器的电导率就越高，通过与串联的电阻进行分压，输出正相关浓度大小的电压信号，通过C程序编程和硬件模块的组装配置用于模数信号的采样、数据预处理、数据存储以及数据发送。3.根据权利要求1所述的一种用于多种挥发性有机物检测的电子鼻系统，其特征在于：所述独立电源配置用于系统的供电；所述51单片机配置用于数据传输过程中的数据处理；所述主蓝牙以及从蓝牙配置用于数据的传输。4.根据权利要求1所述的一种用于多种挥发性有机物检测的电子鼻系统，其特征在于：所述主蓝牙以及从蓝牙通过串口连接有通讯模块HC
‑
05，所述通讯模块HC
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05的最大传输速率为2Mbps。5.根据权利要求1所述的一种用于多种挥发性有机物检测的电子鼻系统，其特征在于：所述印刷电路板中将...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈佳杨，刘童，廖婧如，杨嘉琦，何姿仪，凌娜，王竹卿，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：