專利名稱：一種嵌入式仿生嗅覺氣味識別方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種模仿人類/動物的嗅覺功能，能夠識別、分析多成分混合 的揮發(fā)性氣體的嵌入式仿生嗅覺氣味識別方法及裝置，屬于嵌入式仿生嗅
覺氣味識別方法及裝置的創(chuàng)新技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著仿生學(xué)理論研究的深入和計算機技術(shù)的發(fā)展，人們從上世紀八十 年代開始進行仿生嗅覺、味覺系統(tǒng)的研究。特別是近年來，隨著材料科學(xué) 的發(fā)展和電子信息技術(shù)的發(fā)展，國際電子鼻的開發(fā)研制獲得快速發(fā)展并進 入實用階段。
目前，國內(nèi)大多食品企業(yè)對食品品質(zhì)和香氣質(zhì)量的最終鑒定主要還是 依靠人體感官的味覺和嗅覺進行評判。由于人體感官不可避免地要受到生 理、經(jīng)驗、情緒、環(huán)境等主觀和客觀因素的影響，因此，感官評定方法比 理化分析方法更難掌握。即使是一些很有經(jīng)驗的專家，有時在評價一種特 殊食品的香氣或味道時，也會產(chǎn)生很不一致的意見。因此，感官評定方法 難以做到準確、客觀。國內(nèi)也有部分企業(yè)借助儀器對食品氣味進行檢測和 分析，但大多仍停留在氣相色譜分析和單個氣敏傳感器分析的水平上。由 于氣相色譜分析所用設(shè)備復(fù)雜，操作難度大，準確度低，很難實現(xiàn)在線或 現(xiàn)場檢測分析；另外，由于食品的氣味和味道不是由某種單一成分所形成， 而是多種成分的綜合反映，而單個氣敏傳感器只能用來對單一成份氣體進 行傳感，不能對含有多種成份的食品進行整體成分有效檢測，因此，滿足不了對食品品質(zhì)和質(zhì)量安全進行快速檢測和評判的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于考慮上述問題而提供 一種能模仿人的鼻子功能，識 別、分析多成份混合的揮發(fā)性氣味的嵌入式仿生嗅覺氣味識別方法。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便的嵌入式仿生嗅 覺氣味識別裝置。
本發(fā)明的技術(shù)方案是
本發(fā)明嵌入式仿生嗅覺氣味識別方法，其包括有如下步驟
1) 用陣列傳感器測試盡可能多的已知氣味，獲得對各種氣味的響應(yīng) 模式，從而建立已知氣味的信息數(shù)據(jù)庫；
2) 對傳感器陣列檢測的待測氣味信息進行前處理，以達到漂移補償、 信息壓縮和噪聲濾波；
3) 對前處理的氣味信息進行后處理，提取待測氣味信息的特征，降 低測量空間維數(shù)并提取與模式識別有關(guān)的信息；
4) 對待識別氣味的氣味信息進行特征分類；
5) 將已獲得的待識別氣味的特征分類與數(shù)據(jù)庫中已知氣味特征信息 比較，給出識別結(jié)果。
上述步驟l)的傳感器為陣列式導(dǎo)電聚合物傳感器。
上述步驟4)釆用K近鄰分類法、Bayesian分類法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分
類法進行特征分類。
上述步驟2)對傳感器陣列檢測的待測氣味信息進行前處理的過程為
1) 用聚合物傳感器陣列在檢測到氣味后，其電導(dǎo)率發(fā)生變化，即電 阻值發(fā)生相對變化并帶有高頻噪音，用信號調(diào)理電路將該信號轉(zhuǎn)換為電流 或電壓變化；
2) 用微處理器對其釆樣，釆樣后的數(shù)據(jù)使用Savitsky-Golay方法對其進行數(shù)字過濾，以消除高頻噪聲；Savitsks. Golay濾波器可以通過多 項式近似平滑響應(yīng)曲線，通過設(shè)置過濾窗大小能夠使響應(yīng)曲線達到最佳的 平滑，而不出現(xiàn)較大的扭曲；
3 )濾波后的數(shù)據(jù)再用基線校正法降解，基線電阻的平均值R。由樣品釋 放前和排空后釆樣數(shù)點計算，樣品釋放過程中最大電阻的平均值i 皿由最
大電阻的絕對值和樣品釋放過程中采樣點來計算，因此，傳感器的響應(yīng)值 定義為(")=，
及o
上述步驟3)對前處理的氣味信息進行后處理的過程為
1) 計算機系統(tǒng)在獲得陣列傳感器的響應(yīng)值后，將某種樣品或某種氣味 的響應(yīng)數(shù)據(jù)形成一種稱為嗅覺紋的圖形；
2) 使用加權(quán)法把陣列傳感器的響應(yīng)值按公式^="^^°)'、歸一化，
歸一化的數(shù)據(jù)然后進行自動分級。
上述步驟5)中的信號識別過程為
1 )先將已知氣味的 一組信號作為訓(xùn)練集，通過學(xué)習獲得該氣味的特征 模型；
2)用歸一化數(shù)據(jù)去識別一個未知氣味信號，其過程分特征提取、信號 分類和信號識別三個步驟。
本發(fā)明嵌入式仿生嗅覺氣味識別方法所用的裝置，包括有氣味進樣裝 置、導(dǎo)電聚合物嗅覺傳感器陣列、信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和進行信 息處理的嵌入式微型計算機系統(tǒng)，其中信號調(diào)理電路包括信號放大電路、 信號濾波電路，氣味進樣裝置的輸出端與導(dǎo)電聚合物嗅覺傳感器陣列的輸 入端連接，導(dǎo)電聚合物嗅覺傳感器陣列的輸出端與信號調(diào)理電路中的信 號放大電路的輸入端連接，信號放大電路的輸出端與信號濾波電路的輸入 端連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入端與信號濾波電路的輸出端連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸出端與進行信息處理的嵌入式微型計算機系統(tǒng)的輸入端連接。
本發(fā)明由于采用導(dǎo)電聚合物傳感器陣列釆集氣味信號，將多個不同氣 體傳感器集成在一塊硅片上，利用不同氣體傳感器對某氣體的靈敏度的交 叉效應(yīng)，實現(xiàn)對不同氣體的識別，解決了目前單個氣體傳感器無法解決的 選擇性問題；本發(fā)明的分析裝置具有寬廣的氣味圖譜敏感識別范圍，工作 時得到的不是被測樣品中某種或某幾種成分的定性或定量結(jié)果，而是給出 樣品揮發(fā)成分的整體信息。它可模仿人的鼻子功能，對檢測氣味對象進行 學(xué)習、記憶和識別，它不僅可以應(yīng)用于監(jiān)測、控制不同的單一成分或多成 分混合氣味，而且可以將檢測的氣味信號與學(xué)習時建立的"嗅覺紋"加以 比較，識別多成份混合氣味。同時該裝置具有體積小、操作方便、通用性 強等特點，能在工業(yè)、食品、醫(yī)療、環(huán)保、國防等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明嵌入式仿生嗅覺氣味識別方法的技術(shù)路線圖； 圖2為本發(fā)明嵌入式仿生嗅覺氣味識別方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖； 圖3為本發(fā)明嵌入式仿生嗅覺氣味識別裝置的硬件結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式
實施例
本發(fā)明的技術(shù)方案是
本發(fā)明嵌入式仿生嗅覺氣味識別方法，其包括有如下步驟
1) 用陣列傳感器測試盡可能多的已知氣味，獲得對各種氣味的響應(yīng) 模式，從而建立已知氣味的信息數(shù)據(jù)庫；
2) 對傳感器陣列檢測的待測氣味信息進行前處理，以達到漂移補償、 信息壓縮和噪聲濾波；
3) 對前處理的氣味信息進行后處理，提取待測氣味信息的特征，降 低測量空間維數(shù)并提取與模式識別有關(guān)的信息；4)對待識別氣味的氣味信息進行特征分類；
5 )將已獲得的待識別氣味的特征分類與數(shù)據(jù)庫中已知氣味特征信息 比較，給出識別結(jié)果。
上述步驟l)的傳感器為陣列式導(dǎo)電聚合物傳感器。
上述步驟4)采用K近鄰分類法、Bayesian分類法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分
類法進行特征分類。
上述步驟2 )對傳感器陣列檢測的待測氣味信息進行前處理的過程為
1) 用聚合物傳感器陣列在檢測到氣味后，其電導(dǎo)率發(fā)生變化，即電 阻值發(fā)生相對變化并帶有高頻噪音，用信號調(diào)理電路將該信號轉(zhuǎn)換為電流 或電壓變化；
2) 用微處理器對其采樣，采樣后的數(shù)據(jù)使用Savitsky-Golay方法對 其進行數(shù)字過濾，以消除高頻噪聲；Savitsks. Golay濾波器可以通過多 項式近似平滑響應(yīng)曲線，通過設(shè)置過濾窗大小能夠使響應(yīng)曲線達到最佳的 平滑，而不出現(xiàn)較大的扭曲；
3 )濾波后的數(shù)據(jù)再用基線校正法降解，基線電阻的平均值R。由樣品釋 放前和排空后采樣數(shù)點計算，樣品釋放過程中最大電阻的平均值由最
大電阻的絕對值和樣品釋放過程中釆樣點來計算，因此，傳感器的響應(yīng)值
及。 及o
上述步驟3)對前處理的氣味信息進行后處理的過程為 l)計算機系統(tǒng)在獲得陣列傳感器的響應(yīng)值后，將某種樣品或某種氣味 的響應(yīng)數(shù)據(jù)形成一種稱為嗅覺紋的圖形；
2 )使用加權(quán)法把陣列傳感器的響應(yīng)值按公式# = J"'、歸 一 化，
歸 一 化的數(shù)據(jù)然后進行自動分級。
上述步驟5)中的信號識別過程為1) 先將已知氣味的一組信號作為訓(xùn)練集，通過學(xué)習獲得該氣味的特征 模型；
2) 用歸一化數(shù)據(jù)去識別一個未知氣味信號，其過程分特征提取、信號 分類和信號識別三個步驟。
本發(fā)明嵌入式仿生嗅覺氣味識別方法所用的裝置，包括有氣味進樣裝
置1、導(dǎo)電聚合物嗅覺傳感器陣列2、信號調(diào)理電路3、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路4 和進行信息處理的嵌入式微型計算機系統(tǒng)5,其中信號調(diào)理電路3包括信 號放大電路31、信號濾波電路32,氣味進樣裝置1的輸出端與導(dǎo)電聚合 物嗅覺傳感器陣列2的輸入端連接，導(dǎo)電聚合物嗅覺傳感器陣列2的輸出 端與信號調(diào)理電路3中的信號放大電路31的輸入端連接，信號放大電路 31的輸出端與信號濾波電路32的輸入端連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路4的輸入端 與信號濾波電路32的輸出端連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路4的輸出端與進行信息處 理的嵌入式微型計算機系統(tǒng)5的輸入端連接。
本發(fā)明對固體和液體樣品基本無須前處理，在手動進樣時，只需將秤 重后的固體樣品或恒定體積的液體樣品放進樣品瓶(總體積不超過半瓶)。 然后放入進樣器烘箱中對樣品瓶振動及加溫，產(chǎn)生具有重復(fù)性的頂空樣品， 然后手動進樣到傳感器陣列即可；在自動進樣條件下將秤重后的固體樣 品或恒定體積的液體樣品放進具有32個釆樣瓶的自動進樣器，自動進樣器 將對其樣品瓶自行振動及加溫，產(chǎn)生具有重復(fù)性的頂空樣品，然后自動進 樣到傳感器矩陣室內(nèi)。
本發(fā)明中所使用的導(dǎo)電聚合物傳感器是非專一性傳感器，它對于許多 引起人鼻響應(yīng)的分子有較高的靈敏度。這種傳感器一般包括一種聚合物、 一種平衡離子和一種溶劑，它們能隨氣味的變化而產(chǎn)生響應(yīng)，當分析物與 此材料反應(yīng)并引起聚合物中的"雜質(zhì)"變化時，其導(dǎo)電性就發(fā)生了變化。 氣體與導(dǎo)電聚合物反應(yīng)引起傳導(dǎo)性發(fā)生變化，這個響應(yīng)取決于氣體成分與聚合物之間的復(fù)雜關(guān)系，因為每一種傳感器均以單獨的方式對各種成分產(chǎn) 生響應(yīng)。
本發(fā)明中所使用的導(dǎo)電聚合物傳感器同時也是一種聚合物復(fù)合型傳感
器，該復(fù)合傳感器是一個由32個傳感器組成的陣列。每個傳感器有一對 電接觸點與一個復(fù)合膜相連，傳感器的膜是由一種非導(dǎo)電聚合物和導(dǎo)電炭 粒組成的復(fù)合材料，當膜吸收被測物揮發(fā)性氣體并溶漲時，膜上的導(dǎo)電通 道被切斷，復(fù)合膜的電阻發(fā)生變化。接觸點之間的電阻變化被用作傳感器 的輸出。由于在陣列中的每一個傳感器都有一個獨特的聚合物，因此，每 一種氣體混合物都有一個可重現(xiàn)的電阻組合或"嗅覺紋"。選擇具有一定性 能的聚合物便能用傳感器陣列來區(qū)別許多不同類型的氣體。
本發(fā)明對不同樣品的氣味品質(zhì)數(shù)據(jù)進行處理并形成氣味指紋圖。每個 氣味傳感器的輸出都以電阻或電導(dǎo)表示，以便研究氣味的強度，然后將電 阻或電導(dǎo)歸一化，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫中的信息則應(yīng)用化學(xué)統(tǒng)計學(xué) (Chemometrics)方法對其進行模式分析，包括嗅覺指紋圖(Fingerprint )、 主要成份分析(PCA)圖、判別分析(DFA)圖、優(yōu)劣判定(SIMCA)圖、質(zhì)量監(jiān)控 (SQC)圖和最小二乘法定量分析(PLS)圖以及相關(guān)的數(shù)據(jù)表格。系統(tǒng)經(jīng)過對 樣品的學(xué)習后既具備了記憶、分析能力，便可對氣味性質(zhì)和特征進行分析 和識別。系統(tǒng)軟件還具備測試數(shù)據(jù)上傳和下載等管理功能。
本發(fā)明在建立數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，對氣味信號直接進行圖象(二維、三維 以至多維)識別和數(shù)據(jù)計算，可得到相應(yīng)的"氣味指紋圖"，并將待測樣本 "指紋"和標準樣本"指紋"進行比較，然后給出分析結(jié)果。輸出形式可 以是圖形、表格或文字。它既可以簡單地給出最終的決策(如合格或不合 格)，也可以給出氣味"指紋"的文本信息(如文字、表格)或可視化信息(如 直方圖等)。輸出內(nèi)容包括電子指紋相似性指數(shù)、樣品濃度、區(qū)分指數(shù)等等， 所有的圖表可根據(jù)用戶需要存儲或打印。
權(quán)利要求
1、一種嵌入式仿生嗅覺氣味識別方法，其特征在于包括有如下步驟1)用陣列傳感器測試盡可能多的已知氣味，獲得對各種氣味的響應(yīng)模式，從而建立已知氣味的信息數(shù)據(jù)庫；2)對傳感器陣列檢測的待測氣味信息進行前處理，以達到漂移補償、信號壓縮和噪聲濾波；3)對前處理的氣味信息進行后處理，提取待測氣味信息的特征，降低測量空間維數(shù)并提取與模式識別有關(guān)的信息；4)對待識別氣味的氣味信息進行特征分類；5)將已獲得的待識別氣味的特征分類與數(shù)據(jù)庫中已知氣味特征信息比較，給出識別結(jié)果。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的嵌入式仿生嗅覺氣味識別方法，其特征在于 上述步驟l)的傳感器為陣列式導(dǎo)電聚合物傳感器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的嵌入式仿生嗅覺氣味識別方法，其特征在于 上述步驟4)釆用K近鄰分類法、Bayesian分類法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類法進行特征分類。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的嵌入式仿生嗅覺氣味識別方法，其特征在于 上述步驟2 )對傳感器陣列檢測的待測氣味信息進行前處理的過程為(1)用聚合物傳感器陣列在檢測到氣味后，其電導(dǎo)率發(fā)生變化，即電阻 值發(fā)生相對變化并帶有高頻噪音，用信號調(diào)理電路將該信號轉(zhuǎn)換為電流或電 壓變化；(2)用微處理器對其釆樣，釆樣后的數(shù)據(jù)進行數(shù)字過濾，以消除高頻噪聲；(3 )濾波后的數(shù)據(jù)再用基線校正法降解，基線電阻的平均值R。由樣品釋 放前和排空后采樣數(shù)點計算，樣品釋放過程中最大電阻的平均值i ^由最大電阻的絕對值和樣品釋放過程中釆樣點來計算，因此，傳感器的響應(yīng)值定義 ^。 A
5、根據(jù)權(quán)利要求l所述的嵌入式仿生嗅覺氣味識別方法，其特征在于 上述步驟3)對前處理的氣味信息進行后處理的過程為1)計算機系統(tǒng)在獲得陣列傳感器的響應(yīng)值后，將某種樣品或某種氣味 的響應(yīng)數(shù)據(jù)形成一種稱為嗅覺紋的圖形；2 )使用加權(quán)法把陣列傳感器的響應(yīng)值按公式^ = " 〔 '、歸 一化，歸一化的數(shù)據(jù)然后進行自動分級。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的嵌入式仿生嗅覺氣味識別方法及裝置，其特 征在于上述步驟5)中的信號識別過程為1) 先將已知氣味的一組信號作為訓(xùn)練集，通過學(xué)習獲得該氣味的特征 模型；2) 用歸一化數(shù)據(jù)去識別一個未知氣味信號，其過程分特征提取、信號 分類和信號識別三個步驟。
7、 一種根據(jù)權(quán)利要求1所述嵌入式仿生嗅覺氣味識別方法所用的裝置， 其特征在于包括有氣味進樣裝置(l)、導(dǎo)電聚合物嗅覺傳感器陣列(2)、信 號調(diào)理電路(3)、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(4)和進行信息處理的嵌入式微型計算機 系統(tǒng)O),其中信號調(diào)理電路(3)包括信號放大電路(31)、信號濾波電路(32 ),其中氣味進樣裝置(1)的輸出端與導(dǎo)電聚合物嗅覺傳感器陣列(2)的 輸入端連接，導(dǎo)電聚合物嗅覺傳感器陣列(2)的輸出端與信號調(diào)理電路(3 ) 中的信號放大電路(31)的輸入端連接，信號放大電路(31)的輸出端與信 號濾波電路(32)的輸入端連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(4)的輸入端與信號濾波 電路(32)的輸出端連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(4)的輸出端與進行信息處理的 嵌入式微型計算機系統(tǒng)(5)的輸入端連接。
全文摘要
本發(fā)明是一種模仿人類/動物的嗅覺功能，能夠識別、分析多成分混合的揮發(fā)性氣體的嵌入式仿生嗅覺氣味識別方法及裝置。包括有如下步驟1)用陣列傳感器測試盡可能多的已知氣味，獲得對各種氣味的響應(yīng)模式，從而建立已知氣味的信息數(shù)據(jù)庫；2)對傳感器陣列檢測的待測氣味信息進行前處理，以達到漂移補償、信息壓縮和噪聲濾波；3)對前處理的氣味信息進行后處理，提取待測氣味信息的特征，降低測量空間維數(shù)并提取與模式識別有關(guān)的信息；4)對待識別氣味的氣味信息進行特征分類；5)將已獲得的待識別氣味的特征分類與數(shù)據(jù)庫中已知氣味特征信息比較，給出識別結(jié)果。本發(fā)明可實現(xiàn)對不同氣體的識別，解決了目前單個氣體傳感器無法解決的選擇性問題；此外，本發(fā)明的分析裝置具有寬廣的氣味圖譜敏感識別范圍。
文檔編號G01N35/00GK101470121SQ20071003299
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月29日
發(fā)明者軍 汪, 鄒宇華, 駱德漢 申請人:廣東工業(yè)大學(xué);佛山市順德區(qū)瑞德電子實業(yè)有限公司