手持式電子鼻的設(shè)計與實現(xiàn)

手持式電子鼻的設(shè)計與實現(xiàn)

一、電子鼻的功能電子鼻（electronicnose）是動物感知系統(tǒng)研究成果、傳感器技術(shù)與電子和計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，主要由選擇性傳感器矩陣和識別系統(tǒng)組成。在1994年,英國Warwick大學(xué)的Gardner和Southampton大學(xué)的Bartlett使用了“電子鼻”這一術(shù)語并給出了定義:“電子鼻是一種由具有部分選擇性的化學(xué)傳感器陣列和適當(dāng)?shù)哪Ｊ阶R別系統(tǒng)組成的,通過傳感器的部分專一性和系統(tǒng)的模式識別功能,來檢測簡單或復(fù)雜氣味的電子儀器”。電子鼻得到的信息代表所測樣品中全部揮發(fā)物的總體分布,而不是常規(guī)儀器的分析測得的某種或某幾種具體組成的含量。這些信息作為樣品的特征“指紋”,可用于鑒別產(chǎn)品的真?zhèn)?、原料質(zhì)量是否合格、生產(chǎn)工藝流程運行是否正常。因此,它可以廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)的各個部門,如煙草業(yè)、化妝品、食品工業(yè)、石油化工、糧食貯存與加工、酒類和飲料、環(huán)保監(jiān)測、臨床診斷。此外,電子鼻還用于商檢、微生物的鑒別、藥物的分類與判別、宇航等部門,以及檢查(旅客)行李中的爆炸物品、槍支彈藥、毒品與其它違禁物品等等。隨著傳感器技術(shù)、微電子及MEMS等技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用的需求,電子鼻的體積越做越小、成本也大幅度降低,從“臺式”到“便攜式”,到現(xiàn)在“手持式”電子鼻的出現(xiàn),價格也已經(jīng)從最初的十多萬美元但現(xiàn)在的不到一萬美元,美國的研究人員甚至提出并實現(xiàn)了“電子鼻芯片(Noseonachip)”的構(gòu)想,可以預(yù)料以后適合一般用戶的實用化微型電子鼻將會大量的進(jìn)入市場。二、氣體識別技術(shù)在其他食品中的應(yīng)用在過去的三、四十年中,許多研究人員一直活躍在電子鼻技術(shù)這一領(lǐng)域。在1964年,Wilkens和Hatman提出對嗅覺過程的電子模擬,這是有關(guān)電子鼻的最早報道,是利用氣味在電極上的氧化-還原反應(yīng)研制的第一個“電子鼻”[3.4]。1965年報道了Buck等人利用氣味調(diào)制電導(dǎo)和Dravieks等人利用氣味調(diào)制接觸電位研制的“電子鼻”。而電子鼻作為一種智能測試儀器對氣味的分類和識別則是直到80年代才真正出現(xiàn),1982年,英國Warwick大學(xué)的Persaud和Dodd提出了電子鼻的概念[6.7],其電子鼻系統(tǒng)包括氣敏傳感器陣列和模式識別系統(tǒng)兩部分,而前者由三個半導(dǎo)體氣敏傳感器組成。這一簡單的系統(tǒng)可以分辨桉樹腦、玫瑰油、丁香芽油等21種復(fù)雜的揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)的氣味,自此電子鼻研究得到快速發(fā)展。國外對電子鼻的研究異?；钴S,主要應(yīng)用是酒類、茶葉、魚和肉等食品揮發(fā)氣味的識別和分類,目的是對之進(jìn)行質(zhì)量分級和新鮮度判別;另外電子鼻的其他應(yīng)用還有環(huán)保監(jiān)測、臨床診斷、香水香型的判別等等。具體應(yīng)用研究如KyuchungLee等用金屬氧化物氣體傳感器陣列,用主成分分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別分析法,識別了12種氣體樣品(濃度為0.1～100ppm的CH3SH,(CH3)3N,C2H50H和CO氣體)和6種氣味樣品(胡蘿卜、洋蔥、女士香水、男士香水、25%的韓國Soju溶液和40%威士忌溶液),對12種氣體識別率為100%,而對6種樣品識別率達(dá)93%。C.DiNatale等用質(zhì)量氣體傳感器陣列組成的電子鼻對番茄漿和牛奶進(jìn)行新鮮度判別。HidehitoNanto用石英振蕩傳感器陣列,用主成分分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法,對三種酒(紅酒、白酒和玫瑰酒)進(jìn)行分類,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識別率達(dá)到100%。MartinHolmberg等解決氣體傳感器陣列中傳感器零點漂移現(xiàn)象,從而識別那些傳統(tǒng)識別技術(shù)所識別不了的氣體,如牛奶變質(zhì)產(chǎn)生的氣味。而比較而言,國內(nèi)的電子鼻研究工作則起步較晚,且大多是采用國外的電子鼻系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)開發(fā),如黃駿雄和蔣弘江等于2000年采用英國AromaScan公司生產(chǎn)的LabStation電子鼻儀器對幾種國產(chǎn)香煙的質(zhì)量鑒別進(jìn)行了初步的研究。研究發(fā)現(xiàn),電子鼻不僅可以區(qū)分不同的煙草,還能區(qū)別不同等級的香煙及判別其產(chǎn)品的真?zhèn)?。秦樹基和黃林于2000年開發(fā)了一個能識別酒類的電子嗅覺系統(tǒng)。該系統(tǒng)能成功地識別酒精、烈性酒、葡萄酒和啤酒,其識別率可達(dá)95%。鄒小波和趙杰文于2002年研制了一套能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地檢測飲料散發(fā)氣味的電子鼻系統(tǒng),并應(yīng)用該系統(tǒng)對可樂、橙汁、雪碧等幾種常見的飲料進(jìn)行了快速、實時的區(qū)分。結(jié)果表明,其識別率高達(dá)95%。國外在1994年就出現(xiàn)商品化的電子鼻儀器,銷售電子鼻產(chǎn)品的公司主要有AromascanPlc(英國)、AlphaMOSSA(法國)、NeotronicsScientificLtd(英國)、LennartzElectronicGmbH(德國)和CyranoSciencesInc(美國)等十幾家公司,如英國Aromascan公司的“數(shù)字氣味分析系統(tǒng)”,法國Alpha-MOSSA公司的FOX2000系統(tǒng)、德國研制的PEN2型電子鼻和英國NeotronicsScientificLtd公司的NOSE系統(tǒng)都已經(jīng)作為產(chǎn)品進(jìn)入市場。并在英國的威士忌酒及煙草的檢測、日本清酒的質(zhì)量評定、意大利橄欖油的質(zhì)量等級判別、食品的新鮮度等方面得到了大量的應(yīng)用。如圖1(a)、(b)分別是德國研制的PEN2型電子鼻、法國Alpha-MOS的桌面型FOX電子鼻,如PEN2型電子鼻是一種用來檢測氣體和蒸汽的小巧、快捷、高效的監(jiān)測系統(tǒng),它經(jīng)過訓(xùn)練后可以很快辨別單一化合物或混合氣體。通過不同的模式識別可以應(yīng)用在:過程控制、食品生產(chǎn)中添加劑的用量、工業(yè)清洗過程的控制、發(fā)酵過程控制、自然氣體中人造氣體的量、食品工業(yè)中包裝物的生產(chǎn)控制、質(zhì)量控制、食品的新鮮度、包裝物的外散氣體、飲料的香氣等。但這些商品化的電子鼻主要應(yīng)用在食品和飲料行業(yè)、空氣監(jiān)測等領(lǐng)域,其應(yīng)用領(lǐng)域還不夠廣泛、沒有得到普及使用,主要原因在于它的尺寸和價格。如圖中的PEN2型電子鼻、桌面型FOX電子鼻,體積較大不方便攜帶,而且這些電子鼻市場報價在10萬美元元以上,這些都阻礙了電子鼻的應(yīng)用普及。近些年隨著傳感器技術(shù)、微制造技術(shù)的發(fā)展,微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器也隨之問世,并通過采用微電子及微機(jī)械加工(MEMS)技術(shù)研制出微型金屬氧化物氣敏元件及其陣列,使得傳感器成本降低,而且這種集成化傳感器陣列體積小、功耗低使得電子鼻系統(tǒng)也向微型化發(fā)展、智能化發(fā)展。如圖1(c)是美國研制的Cyranose230型電子鼻,由32個傳感器組成的單元,能嗅出稻米的種類和產(chǎn)地,其價格大幅度降低,售價在8000美元左右,當(dāng)然其功能也單一化,但我們可以根據(jù)具體需要在計算機(jī)上訓(xùn)練其相應(yīng)的功能,正是這種具有低價格、低功耗、便于攜帶、通用性好、能夠現(xiàn)場進(jìn)行即時的檢測等特點的手持式電子鼻,在一般的用戶中有大量的潛在需求,有很好的發(fā)展前景。因此,在保持靈敏度的前提下,實現(xiàn)滿足特定需要功能、體積小、成本低的手持式電子鼻,是電子鼻技術(shù)能廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。而國內(nèi)的電子鼻技術(shù)到目前為止還主要處在實驗室階段,在商品化電子鼻方面還是空白。目前,國內(nèi)市場上銷售的這類儀器主要是代理國外的產(chǎn)品。因此,如何使電子鼻商品化,使電子鼻成本低、體積小、攜帶方便也應(yīng)重視。下面我們重點介紹如何實現(xiàn)手持式的電子鼻。三、仿生動物嗅泡系統(tǒng)的構(gòu)建目前成熟的電子鼻主要是由三大部分組成:傳感器陣列、信號預(yù)處理電路、計算機(jī)模式識別系統(tǒng)。電子鼻的工作原理與動物的嗅覺相似,如圖2所示,動物的鼻子之所以能完成這么復(fù)雜的功能,是因為鼻腔內(nèi)有大約10億多個嗅覺氣泡。當(dāng)有氣味物質(zhì)的分子吸附上時,會使細(xì)胞膜電位發(fā)生變化,產(chǎn)生不同的響應(yīng)。這些復(fù)雜的響應(yīng)信號先通過嗅泡這種特殊細(xì)胞預(yù)先處理,然后由神經(jīng)系統(tǒng)傳遞到大腦嗅覺中樞,再經(jīng)過復(fù)雜的思維識別,從而確定氣體的種類和濃度。電子鼻系統(tǒng)是仿生動物嗅覺系統(tǒng)的,其中傳感器陣列宛如人的嗅覺細(xì)胞,調(diào)理電路如同嗅泡,模式識別系統(tǒng)是整個電子鼻的核心相當(dāng)于大腦嗅覺中樞。某種氣味呈現(xiàn)在一種活性材料的傳感器面前,傳感器將化學(xué)輸入轉(zhuǎn)換成電信號,由多個傳感器對一種氣味的響應(yīng)便構(gòu)成了傳感器陣列對該氣味的響應(yīng)譜。顯然,氣味中的各種化學(xué)成分均會與敏感材料發(fā)生作用,所以這種響應(yīng)譜作為該氣味的廣譜響應(yīng)譜。為實現(xiàn)氣味的定量或定性分析,必須將傳感器的信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理(濾波去干擾、特征提取、信號放大等)后采用合適的模式識別分析方法對其進(jìn)行處理。理論上,每種氣味都會有它的特征響應(yīng)譜,根據(jù)其特征響應(yīng)譜可區(qū)分不同的氣味,利用傳感器陣列對多種氣體的交叉敏感性進(jìn)行測量,通過適當(dāng)?shù)姆治龇椒?實現(xiàn)混合氣體的定性、定量分析。四、用戶模式轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號法手持式電子鼻也是基于電子鼻的三大組成部分采用大規(guī)模集成電路,借鑒智能儀器的設(shè)計經(jīng)驗來實現(xiàn)。圖3是手持式電子鼻的硬件結(jié)構(gòu)組成[18.19]。工作步驟可概括為:被測氣體與傳感器陣列響應(yīng)、傳感器陣列拾取被測參量的信息并轉(zhuǎn)換成電信號(將傳感器對被測氣體的響應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀诇y量的電信號:電壓或電流),經(jīng)濾波去除干擾后經(jīng)放大器放大到A/D轉(zhuǎn)換的范圍進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換(將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｊ阶R別所需要的數(shù)字信號),然后送入單片機(jī)中等待處理;單片機(jī)根據(jù)事先寫進(jìn)的程序進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)運算和處理(如非線性校正、傳感器歸一化等);然后進(jìn)入模式識別判斷,獲得所測氣體的組分信息和濃度信息;最后在液晶顯示器LCD上顯示模式識別的結(jié)果及其濃度。同時還可根據(jù)運算結(jié)果和控制要求,輸出相應(yīng)的控制信號(如報警裝置觸發(fā)、繼電器觸點等外設(shè))。1、氣敏傳感器陣列傳感器是決定系統(tǒng)精度的關(guān)鍵元件。傳感器的選擇主要依據(jù)所測氣體、工作環(huán)境、體積大小、功耗、測量精度、靈敏度、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度等。傳感器陣列是電子鼻系統(tǒng)的基礎(chǔ),是由具有廣譜響應(yīng)特性、較大的交叉靈敏度以及對不同氣體具有不同靈敏度的氣敏元件組成。相當(dāng)于初級嗅覺神經(jīng)元,可以對被測氣體(包括干擾氣體)作出響應(yīng)。通常,氣敏傳感器陣列可以采用數(shù)個單獨的氣敏傳感器組合而成;但由于手持式電子鼻對功耗的嚴(yán)格要求,可以采用集成工藝制作的專用氣敏傳感器陣列,這種傳感器陣列體積小、功耗低、便于信號的集中采集與處理。且單個氣敏傳感器與傳感器陣列在特性上有質(zhì)的區(qū)別,單個氣敏傳感器對氣味/氣體的響應(yīng)可用強(qiáng)度來表示,而氣敏傳感器陣列接受的不是單一的信號,而是多維的信號矢量。這正是電子鼻能對多種氣味和氣體進(jìn)行辨識的關(guān)鍵。目前關(guān)于低功耗氣敏傳感技術(shù)研究,一方面采用微電子及微機(jī)械加工(MEMS)技術(shù)研制微型金屬氧化物氣敏元件及其陣列;另一方面則探索工作溫度低的新型氣敏材料,如導(dǎo)電聚合物等。當(dāng)然金屬氧化物半導(dǎo)體型氣敏元件是目前電子鼻中應(yīng)用最多的,它具有較高的靈敏度.制作簡單,價格便宜,響應(yīng)速度快,但選擇性差,元件參數(shù)分散,必須加熱,易中毒等。若研制出常溫下就能工作的金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器,則省卻了加熱電路使得功耗進(jìn)一步降低,而且可以用在一些易燃易爆的氣體的檢測,消除了安全的隱患。2、傳感器信號采集電路b在手持式電子鼻中,信號采集與調(diào)理電路本質(zhì)上是一種接口電路,設(shè)計時要考慮輸出信號本身的精度和動態(tài)范圍的同時,也要考慮ADC的輸入范圍和量化精度以及后續(xù)處理的進(jìn)一步要求。如圖4是通常采用的幾種典型的單路傳感器信號采集電路,電壓Vout為傳感器輸出的電壓值送入單片機(jī)作為響應(yīng)信號。設(shè)計時通過具體的要求來選擇合適的信號采集電路。采用傳感器陣列時可將圖中的電路并聯(lián)即可。3、soc/區(qū)域顯示模塊單片機(jī)是手持式電子鼻的核心,它控制傳感器信號的采集、信號的A/D轉(zhuǎn)換、模式識別以及結(jié)果的顯示、電子鼻的系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整等各個過程。一般單片機(jī)的存儲空間最大為64KB,若存儲空間不夠,還需要擴(kuò)展存儲空間。近年來由于半導(dǎo)體技術(shù)和工藝的快速發(fā)展,又出現(xiàn)把FLASH存儲器和各種功能部件(包括ADC、I2C、PWM、看門狗電路、可編程邏輯器件等)集成在一起的片上系統(tǒng)SOC(SystemOnChip)單片機(jī),如μPSD32XX系列單片機(jī)、CygnalC8051F020單片機(jī)等,采用這種單片機(jī)使得硬件設(shè)計難度大大降低,采用的外圍器件芯片減少,從而減小了PCB板面積和硬件空間體積,同時大大提高了系統(tǒng)的可靠性,使成本大幅度降低。良好的顯示、友好的操作界面是系統(tǒng)所必需的。液晶顯示器LCD以其微功耗、小體積、重量輕等優(yōu)點,在儀器、儀表和低功耗系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。在系統(tǒng)中可以采用目前比較成熟的液晶顯示模塊,如香港精電公司的MGLS-12032點陣圖形式液晶模塊,來作為顯示屏幕,顯示操作提示和處理結(jié)果,使結(jié)果即能字符顯示又能以形象的曲線顯示。為了滿足手持式便于攜帶需要用干電池或充電池供電,還需要設(shè)計電源管理模塊,使電池電壓轉(zhuǎn)換為能供系統(tǒng)使用的電壓并對電源進(jìn)行監(jiān)控,如采用Maxin的MAX625、MAX783等電壓芯片;轉(zhuǎn)換后的電壓供單片機(jī)、液晶、鍵盤、傳感器等模塊工作。此外,還可以根據(jù)更具體的應(yīng)用來增加電子鼻系統(tǒng)的功能,如要與計算機(jī)通信需要設(shè)計串行口、要設(shè)置報警需要增加運放和報警器等。在系統(tǒng)開發(fā)時采用目前應(yīng)用比較多的芯片,有可以借鑒的開發(fā)經(jīng)驗,能使系統(tǒng)的硬件設(shè)計難度降低。五、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的定量分析電子鼻必須有軟、硬件的良好配合的功能實現(xiàn)。軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計,將程序分成幾個主要的功能模塊,由主程序和各個模塊子程序組成。子程序模塊主要包括系統(tǒng)初始化子程序(硬件系統(tǒng)的初始化,如單片機(jī)、模數(shù)轉(zhuǎn)換、液晶顯示模塊的初始化等)和功能子程序模塊(像信號的預(yù)處理、模式識別等都編程為功能子程序模塊固化在單片機(jī)中),其中功能子程序模塊更重要,它是電子鼻能實現(xiàn)的關(guān)鍵。把顯示界面設(shè)置成多層選擇菜單模式,通過鍵盤輸入進(jìn)行菜單的選擇方式進(jìn)行各種操作。其中模式識別算法是軟件的核心,在電子鼻的應(yīng)用中有著重要的地位。目前電子鼻中常用的模式識別算法中:定性識別可以采用最近鄰法(NN)、判別函數(shù)法(DA)、主元分析法(PCA)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)、概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(PNN)、學(xué)習(xí)向量量化(LVQ)、自組織映射(SOM)等;而定量分析能采用的方法不多,除傳統(tǒng)的多元線性回歸(MLR)、主成分回歸(PCR)、偏最小二乘法(PLS)等一些線性回歸方法外,目前定量分析效果最好的還是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于能處理非線性數(shù)據(jù),容許傳感器漂移和噪聲,具有很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力和對環(huán)境的自適應(yīng)能力;網(wǎng)絡(luò)一旦被訓(xùn)練好后具有快速操作性能等優(yōu)點,在手持式電子鼻中有很好的應(yīng)用前景。而且采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來對氣體進(jìn)行定量檢測可以不需要建立精確的氣體反應(yīng)方程式,具有很好的識別效果。目前在實際應(yīng)用中,80%～90%的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型是采用反向傳播網(wǎng)絡(luò)(BackPropagationNetwork,簡稱BP網(wǎng)絡(luò))或它的變化形式。如圖5是一種BP網(wǎng)絡(luò)模型,由輸入層、隱含層以及輸出層組成。其中X為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入變量,輸入層的神經(jīng)元個數(shù)傳感器陣列的個數(shù)決定;Y為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出變量,由期望的輸出個數(shù)決定;隱含層的選擇非常重要,決定著訓(xùn)練得速度和是否陷入局部極小值,是影響系統(tǒng)性能的可能因素,隱含層數(shù)過多會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)時間過長,隱含層數(shù)太少,網(wǎng)絡(luò)所形成的非線性關(guān)系的復(fù)雜性有限,不能保證逼近精度,因此應(yīng)該優(yōu)化選擇BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù),確定隱含層的個數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中,通過不斷