專利名稱：兩類不同氣體傳感器陣列組合檢測氣味的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種針對氣味的檢測方法及裝置，特指一種基于金屬氧化物氣體傳感器陣列和色敏氣體傳感器陣列組合的氣味檢測方法和裝置。
背景技術(shù)：
目前，大多數(shù)商品化和正在研究的氣味檢測系統(tǒng)(電子鼻系統(tǒng))都是基于單一類型的傳統(tǒng)氣體傳感器陣列，如英國路易發(fā)展公司的電子鼻Aromascan是基于有機導(dǎo)電聚合物(PC)型氣體傳感器陣列，法國Alpha公司的FOX6000是基于金屬氧化物型半導(dǎo)體(MOS)型氣體傳感器陣列，意大利羅馬大學(xué)研制的電子鼻是基于質(zhì)量型氣體傳感器陣列，等等?；趩我活愋蜌怏w傳感器成陣列的電子鼻雖然在某些場合下能達到檢測要求，但所能檢測的氣味畢竟是有限，用單一類型的氣體傳感器組成的電子鼻分析某些香氣時會沒有響應(yīng)，或是有響應(yīng)，但區(qū)分的結(jié)果非常不理想。國內(nèi)還停留在單一類型的氣體傳感器組成的電子鼻系統(tǒng)研究上，如華東理工大學(xué)高大啟和復(fù)旦大學(xué)張良誼等用的是基于金屬氧化物型半導(dǎo)體(MOS)型氣體傳感器陣列，而西北工業(yè)大學(xué)楊建華等用的是集成金屬氧化物型半導(dǎo)體(MOSFET)型氣體傳感器陣列，等等。經(jīng)檢索，有相關(guān)中國專利，申請?zhí)?2111043.8“一種嗅覺模擬裝置及嗅覺模擬測試方法”，申請?zhí)?2111963.5“便攜式智能電子鼻及其制備方法”，申請?zhí)?127299.3“電子鼻報警控制器”，申請?zhí)?3131660.3“基于氣體傳感器陣列技術(shù)的食品氣味快速無損檢測方法及裝置”，這些專利都是用一種氣體傳感器陣列——金屬氧化物氣體傳感器陣列，該類傳感器對氧化還原氣體反應(yīng)靈敏，主要是通過電導(dǎo)率或電壓變化來獲取反應(yīng)的信息。美國伊利諾伊州立大學(xué)化學(xué)教授肯尼思·薩斯里克2000年在《Nature》雜志上發(fā)表了一篇名為“A colorimetric sensor array for odour visualization”(一種用于氣味可視化的色敏傳感器陣列)的文章，頁碼為710～713，提出了一種新的氣體傳感器——色敏氣體傳感器，該類傳感器利用傳感器與氣體反應(yīng)時顏色發(fā)生變化來檢測氣味，該類傳感器對有機氣體、尤其是胺類氣體比較靈敏。但該文只用了色敏氣體傳感器陣列顏色變化來判斷特定化合物的種類和濃度，識別氣味有限。
將不同類型的氣體傳感器組合起來進行氣體檢測是一個很好的思路，但是隨著氣體傳感器種類的增加，獲得的信息也就變得多樣化，如MOS型氣體傳感器的信息是通過一組隨時間而變的電導(dǎo)率值來表達；而色敏氣體傳感器的信息是通過顏色的灰度值變化來表達。這些信息不但數(shù)值不同，而且量綱也不同，所代表的物理意義也不同，怎樣將這多種類型的信息綜合在一起，并從中提取具有更多有價值信息是一大難題。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展情況，本發(fā)明的目的就是要提供一種基于金屬氧化物氣體傳感器陣列和色敏氣體傳感器陣列的氣味檢測方法和裝置。利用兩類傳感器(金屬氧化物氣體傳感器和色敏氣體傳感器)的傳感信息的融合，獲得更多更全面的有關(guān)被測對象氣味的描述信息，然后對這些信息進行合理支配和使用，并進行分析、綜合和平衡，綜合兩類傳感器的長處，并在此基礎(chǔ)上建立兼有穩(wěn)健性和準確性的融合算法和非線性識別模型，提高氣味檢測系統(tǒng)的精度和范圍。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下所述一種基于金屬氧化物氣體傳感器陣列和色敏氣體傳感器陣列的氣味檢測方法的裝置包括硬件和軟件兩部分組成。
其中硬件裝置包括純凈氮氣、氧氣供給裝置、氣體產(chǎn)生室、色敏氣體傳感器陣列、金屬氧化物氣體傳感器陣列、反應(yīng)室A、反應(yīng)室B、圖像獲取裝置、信號采集裝置、計算機、恒溫裝置組成。純凈氮氣供給裝置由氮氣瓶、氮氣減壓閥、電磁閥A組成，氧氣供給裝置由氧氣瓶、氧氣減壓閥、電磁閥B組成。氮氣瓶中的氮氣經(jīng)氮氣減壓閥通過氣體管道與電磁閥A相連，氧氣瓶中的氧氣經(jīng)氧氣減壓閥通過氣體管道與電磁閥B相連；色敏氣體傳感器陣列置于反應(yīng)室A中，金屬氧化物氣體傳感器陣列置于反應(yīng)室B中；檢測時，電磁閥A控制氮氣經(jīng)氣體產(chǎn)生室后帶著要檢測的氣味到反應(yīng)室A，從反應(yīng)室A出來后與電磁閥B控制的氧氣按照(氮氣∶氧氣＝4∶1)比例混合，混合氣體通過反應(yīng)室B后排出；還原時，電磁閥控制氮氣直接進入反應(yīng)室。反應(yīng)室A為一底部透明的密閉空間，安裝在反應(yīng)室A下面的圖像獲取裝置獲取反應(yīng)室A內(nèi)色敏傳感器陣列的顏色變化情況，并傳入計算機；反應(yīng)室B中的金屬氧化物氣體傳感器陣列通過導(dǎo)線將其反應(yīng)的信號傳給信號采集裝置，然后再傳入計算機，氣體產(chǎn)生室和反應(yīng)室A、B位于恒溫裝置內(nèi)。所述的圖像獲取裝置為一高分辨率的掃描儀，可以獲得色敏氣體傳感器陣列顏色的微小變化。
軟件部分主要包括設(shè)備控制、信號采集、信號融合和處理、模式識別4大模塊組成。設(shè)備控制主要控制純凈氮氣、氧氣供給裝置中的電磁閥動作和恒溫裝置的溫度以及圖像獲取裝置動作；信號采集主要采集圖像獲取裝置傳送給計算機的圖像信息和信號采集裝置傳給計算機的傳感器信號，并進行顯示；信號融合和處理主要是進行兩類氣體傳感器陣列中各傳感器信號的預(yù)處理和特征提?。荒Ｊ阶R別主要是建立所提取的特征與所檢測氣味的種類、濃度等之間的關(guān)系。其中信號融合是通過在每類傳感器內(nèi)部采用原始數(shù)據(jù)層融合，而在兩類傳感器之間采用特征層數(shù)據(jù)融合，并通過馬氏距離去除各特征的量綱影響。
工作時，(1)將所測氣味收集到氣體產(chǎn)生室內(nèi)密閉；在此過程中純凈的氮氣經(jīng)氮氣供給裝置直接吹過反應(yīng)室A，然后與氧氣供給裝置供給的氧氣匯合形成模擬空氣吹過反應(yīng)室B，使色敏氣體傳感器陣列顏色穩(wěn)定以及金屬氧化物氣體傳感器陣列反應(yīng)電壓穩(wěn)定；圖像獲取裝置動作，攝取此時的色敏氣體傳感器陣列初始圖像并傳入計算機，并從此時開始采集金屬氧化物傳感器陣列的反應(yīng)電壓值。(2)轉(zhuǎn)換電磁閥A使氮氣先經(jīng)氣體產(chǎn)生室，帶有氣味的氮氣吹過反應(yīng)室A，氣味與色敏氣體傳感器陣列發(fā)生反應(yīng)，然后與氧氣供給裝置供給的氧氣匯合吹過反應(yīng)室B，氣味再與金屬氧化物傳感器陣列發(fā)生反應(yīng)；2min后圖像或缺裝置動作，攝取反應(yīng)后的色敏氣體傳感器圖像并傳入計算機，并停止采集金屬氧化物傳感器陣列的反應(yīng)電壓值。(3)計算機中的軟件部分通過對兩類氣體傳感器陣列的反應(yīng)信息進行處理和模式識別得到所檢測氣味的種類、濃度等。(4)轉(zhuǎn)換電磁閥，使氮氣不經(jīng)過氣體產(chǎn)生室直接進入反應(yīng)室A，對兩類氣體傳感器進行還原，使兩類傳感器陣列恢復(fù)到原始狀態(tài)，此次檢測結(jié)束。重復(fù)(1)～(4)可進行多次檢測。
本發(fā)明的效果是本發(fā)明采用金屬氧化物氣體傳感器陣列和色敏氣體傳感器陣列兩類傳感器組成氣味檢測系統(tǒng)，與現(xiàn)有的基于單一傳感機理的氣味檢測系統(tǒng)相比，不但檢測氣味的范圍更寬，而且精度更高、魯棒性更強。


圖1本發(fā)明的基于金屬氧化物氣體傳感器陣列和色敏氣體傳感器陣列的氣味檢測硬件裝置示意2本發(fā)明的軟件結(jié)構(gòu)框3本發(fā)明實施例的數(shù)據(jù)處理軟件界面。
圖4本發(fā)明實施例中檢測甲醇、乙醇、異丙醇、正丁醇、異丁醇、仲丁醇主成分分析數(shù)據(jù)處理方法的結(jié)果。
圖5本發(fā)明實施例中檢測甲醇、乙醇、異丙醇、正丁醇、異丁醇、仲丁醇聚類分析數(shù)據(jù)處理方法的結(jié)果。
其中1-氮氣瓶，2-氮氣減壓閥，3-氮氣流量計，4-電磁閥A，5-氣體產(chǎn)生室，6-電磁閥C，7-計算機，8-圖像獲取裝置，9-電磁閥B，10-信號采集裝置，11-反應(yīng)室B，12-金屬氧化物氣體傳感器陣列，13-氧氣流量計，14-氧氣減壓閥，15-氧氣瓶，16-反應(yīng)室A，17-色敏氣體傳感器陣列，18-恒溫裝置具體實施方式
圖1為本發(fā)明所述基于金屬氧化物氣體傳感器陣列和色敏氣體傳感器陣列的氣味檢測裝置示意圖，主要由氮氣瓶1、氮氣減壓閥2、氮氣流量計3、電磁閥A4、氣體產(chǎn)生室5、電磁閥C6、計算機7、圖像獲取裝置8、電磁閥B9、信號采集裝置10、反應(yīng)室B11、金屬氧化物氣體傳感器陣列12、氧氣流量計13、氧氣減壓閥14、氧氣瓶15、反應(yīng)室A16、色敏氣體傳感器陣列17、恒溫裝置18組成。氮氣瓶1中的氮氣經(jīng)氮氣減壓閥2、通過氣體管道和氮氣流量計3與電磁閥A4相連；檢測時，電磁閥A4和電磁閥C6控制氮氣經(jīng)氣體產(chǎn)生室5后帶著待檢測的氣味到反應(yīng)室A16；還原時，電磁閥A4和電磁閥C6控制氮氣作為還原氣體直接進入反應(yīng)室A16。色敏氣體傳感器陣列17置于反應(yīng)室A16內(nèi)，反應(yīng)室A16為一底部透明的密閉空間置于圖像獲取裝置8的上面，裝置8可以隨時方便的獲取反應(yīng)室A16內(nèi)色敏氣體傳感器陣列17的顏色變化情況，并傳入計算機7；從反應(yīng)室A16出來后的氣體與電磁閥B9控制的氧氣按照4∶1的比例混合，混合氣體通過反應(yīng)室B11后排出；反應(yīng)室B11中的金屬氧化物氣體傳感器陣列12通過導(dǎo)線將其反應(yīng)的信號傳給信號采集裝置10，然后再傳入計算機7，由計算機對兩類傳感器陣列的信號進行處理和識別。氣體產(chǎn)生室5和反應(yīng)室A16、B11位于恒溫裝置18內(nèi)。氧氣由氧氣瓶15、氧氣減壓閥14和氧氣流量計13控制輸出。所述的圖像獲取裝置8為一高分辨率的掃描儀，可以獲得色敏氣體傳感器陣列17顏色的微小變化。
圖2為本發(fā)明的軟件結(jié)構(gòu)框圖，軟件部分主要由設(shè)備控制、信號采集、信號融合和處理、模式識別4大模塊組成。設(shè)備控制主要控制純凈氮氣、氧氣供給裝置中的電磁閥A3、電磁閥B9、電磁閥C6的動作和恒溫裝置18的溫度以及圖像獲取裝置8、信號采集裝置10的動作；信號采集主要采集圖像獲取裝置8和信號采集裝置10傳送給計算機7的傳感器陣列反應(yīng)信息，并進行顯示；信號融合和處理主要是對獲得的兩類氣體傳感器陣列中各傳感器信號的預(yù)處理和特征提取；模式識別主要是建立所提取的特征與所檢測氣味的種類、濃度等之間的關(guān)系。其中信號融合是通過在每類傳感器內(nèi)部采用原始數(shù)據(jù)層融合，而在兩類傳感器之間采用特征層數(shù)據(jù)融合，并通過馬氏距離去除各特征的量綱影響。所編寫的軟件界面如圖3所示。
工作時，打開檢測裝置，調(diào)節(jié)恒溫裝置18，使其到達預(yù)定的溫度。(1)將待測的氣體收集到氣體產(chǎn)生室5內(nèi)；在此過程中氮氣瓶1中純凈的氮氣經(jīng)氮氣減壓閥2、氮氣流量計3，并由電磁閥A4和電磁閥C6控制直接吹過反應(yīng)室A16，然后與氧氣供給裝置供給的氧氣匯合形成模擬空氣吹過反應(yīng)室B11，使色敏氣體傳感器陣列17顏色穩(wěn)定以及金屬氧化物氣體傳感器陣列12反應(yīng)電壓穩(wěn)定；圖像獲取裝置8動作，攝取此時的色敏氣體傳感器陣列17初始圖像并傳入計算機7，并從此時開始采集金屬氧化物傳感器陣列12的反應(yīng)電壓值傳人計算機7。(2)轉(zhuǎn)換電磁閥A4和電磁閥C6使氮氣先經(jīng)氣體產(chǎn)生室5，帶有氣味的氮氣吹過反應(yīng)室A16，氣味與色敏氣體傳感器陣列17發(fā)生反應(yīng)，然后與氧氣供給裝置供給的氧氣匯合吹過反應(yīng)室B11，氣味再與金屬氧化物傳感器陣列12發(fā)生反應(yīng)；2min后圖像獲取裝置8動作，或缺取反應(yīng)后的色敏氣體傳感器陣列17圖像并傳入計算機7，并停止采集金屬氧化物傳感器陣列12的反應(yīng)電壓值。(3)計算機7中的軟件部分通過對兩類氣體傳感器陣列的反應(yīng)信息進行處理和模式識別得到所檢測氣味的種類、濃度等。(4)轉(zhuǎn)換電磁閥A4、C6，使氮氣不經(jīng)過氣體產(chǎn)生室5直接進入反應(yīng)室A16，對兩類氣體傳感器進行還原，使兩類傳感器陣列恢復(fù)到原始狀態(tài)，此次檢測結(jié)束。重復(fù)(1)～(4)可進行多次檢測。
權(quán)利要求
1.兩類不同氣體傳感器陣列組合檢測氣味的裝置，其特征在于包括硬件和軟件兩部分組成；其中硬件裝置包括純凈氮氣、氧氣供給裝置、氣體產(chǎn)生室、色敏氣體傳感器陣列、金屬氧化物氣體傳感器陣列、反應(yīng)室A、反應(yīng)室B、圖像獲取裝置、信號采集裝置、計算機、恒溫裝置；純凈氮氣供給裝置由氮氣瓶(1)、氮氣減壓閥(2)、電磁閥A(4)組成，氧氣供給裝置由氧氣瓶(15)、氧氣減壓閥(14)、電磁閥B(9)組成；氮氣瓶中的氮氣經(jīng)氮氣減壓閥(2)通過氣體管道與電磁閥A(4)相連，氧氣瓶中的氧氣經(jīng)氧氣減壓閥(14)通過氣體管道與電磁閥B(9)相連；色敏氣體傳感器陣列(17)置于反應(yīng)室A(16)中，金屬氧化物氣體傳感器陣列(12)置于反應(yīng)室B(11)中；反應(yīng)室A(16)為一底部透明的密閉空間，圖像獲取裝置(8)安裝在反應(yīng)室A(16)下面，其經(jīng)導(dǎo)線與計算機相連；反應(yīng)室B(11)中的金屬氧化物氣體傳感器陣列(12)通過導(dǎo)線將其反應(yīng)的信號傳給信號采集裝置(10)，然后再傳入計算機(7)，氣體產(chǎn)生室和反應(yīng)室A、B位于恒溫裝置(18)內(nèi)；所述的圖像獲取裝置為一高分辨率的掃描儀；軟件部分包括設(shè)備控制、信號采集、信號融合和處理、模式識別4大模塊；設(shè)備控制完成純凈氮氣、氧氣供給裝置中的電磁閥動作和恒溫裝置的溫度以及圖像獲取裝置動作的控制；信號采集完成圖像獲取裝置傳送給計算機的圖像信息和信號采集裝置傳給計算機的傳感器信號的采集，并進行顯示；信號融合和處理進行兩類氣體傳感器陣列中各傳感器信號的預(yù)處理和特征提?。荒Ｊ阶R別建立所提取的特征與所檢測氣味的種類、濃度之間的關(guān)系。
2.基于權(quán)利要求1所述的兩類不同氣體傳感器陣列組合檢測氣味的裝置的檢測方法，其特征是(1)將所測氣味收集到氣體產(chǎn)生室內(nèi)密閉；純凈的氮氣經(jīng)氮氣供給裝置直接吹過反應(yīng)室A，然后與氧氣供給裝置供給的氧氣匯合形成模擬空氣吹過反應(yīng)室B；圖像獲取裝置動作，攝取此時的色敏氣體傳感器陣列初始圖像并傳入計算機，并從此時開始采集金屬氧化物傳感器陣列的反應(yīng)電壓值；(2)轉(zhuǎn)換電磁閥A使氮氣先經(jīng)氣體產(chǎn)生室，帶有氣味的氮氣吹過反應(yīng)室A，氣味與色敏氣體傳感器陣列發(fā)生反應(yīng)，然后與氧氣供給裝置供給的氧氣匯合吹過反應(yīng)室B，氣味再與金屬氧化物傳感器陣列發(fā)生反應(yīng)；攝取反應(yīng)后的色敏氣體傳感器圖像并傳入計算機，并停止采集金屬氧化物傳感器陣列的反應(yīng)電壓值；(3)計算機中的軟件部分進行信號融合和處理、模式識別，通過對兩類氣體傳感器陣列的反應(yīng)信息進行處理和模式識別得到所檢測氣味的種類、濃度等；(4)轉(zhuǎn)換電磁閥，使氮氣不經(jīng)過氣體產(chǎn)生室直接進入反應(yīng)室A，對兩類氣體傳感器進行還原，使兩類傳感器陣列恢復(fù)到原始狀態(tài)，此次檢測結(jié)束。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的檢測方法，其特征是所述的信號融合是通過在每類傳感器內(nèi)部采用原始數(shù)據(jù)層融合，而在兩類傳感器之間采用特征層數(shù)據(jù)融合，并通過馬氏距離去除各特征的量綱影響。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種針對氣味的檢測方法及裝置，其包括硬件和軟件兩部分組成；其中硬件裝置包括純凈氮氣、氧氣供給裝置、氣體產(chǎn)生室、色敏氣體傳感器陣列、金屬氧化物氣體傳感器陣列、反應(yīng)室A、反應(yīng)室B、圖像獲取裝置、信號采集裝置、計算機、恒溫裝置組成。軟件部分主要包括設(shè)備控制、信號采集、信號融合和處理、模式識別4大模塊組成。利用兩類傳感器(金屬氧化物氣體傳感器和色敏氣體傳感器)的傳感信息的融合，獲得更多更全面的有關(guān)被測對象氣味的描述信息，然后對這些信息進行合理支配和使用，并進行分析、綜合和平衡，綜合兩類傳感器的長處，并在此基礎(chǔ)上建立兼有穩(wěn)健性和準確性的融合算法和非線性識別模型，提高氣味檢測系統(tǒng)的精度和范圍。
文檔編號G01N21/25GK101074947SQ20071002469
公開日2007年11月21日 申請日期2007年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月27日
發(fā)明者鄒小波, 趙杰文, 蔡健榮, 黃星奕, 陳全勝 申請人:江蘇大學(xué)