吹掃式仿生嗅覺(jué)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)

文 韜，鄭立章，龔中良，李立君，桑孟祥，董 帥

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吹掃式仿生嗅覺(jué)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)

文 韜，鄭立章，龔中良※，李立君，桑孟祥，董 帥

（中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004）

為研究仿生嗅覺(jué)檢測(cè)裝置的檢測(cè)性能，該文研制了一種吹掃式仿生嗅覺(jué)檢測(cè)裝置，選取傳感器陣列靈敏度、響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間作為裝置性能指標(biāo)，分析了傳感器加熱電壓、待檢氣體濕度以及流量等控制參數(shù)對(duì)嗅覺(jué)檢測(cè)性能的影響，并進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化控制參數(shù)的仿生嗅覺(jué)檢測(cè)裝置對(duì)氣味檢測(cè)的可行性和檢測(cè)性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：傳感器陣列靈敏度隨加熱電壓增大而增大，其響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間隨加熱電壓增大而減小，加熱電壓為5.0 V時(shí)，裝置性能較佳，其傳感器陣列靈敏度分布范圍為2.260～4.823，響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分布范圍分別為46～53 s、44～70 s；增加氣體濕度會(huì)使傳感器陣列靈敏度減小，同時(shí)也會(huì)延長(zhǎng)響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間，氣體相對(duì)濕度為30%時(shí)，裝置性能較佳；傳感器陣列靈敏度隨載氣流量的增加先遞增后減小，其響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間隨流量的增加先減小后遞增，流量為100 mL/min時(shí)，裝置性能較佳，其傳感器陣列靈敏度分布范圍為2.853～7.559，響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分布范圍分別為35～50 s、30～50 s；在優(yōu)化控制參數(shù)下，待檢氣體體積分?jǐn)?shù)范圍控制在0.002%～0.020%時(shí)，裝置檢測(cè)靈敏度較高，范圍為3 577.1～6 700.7；線性特性和重復(fù)性較好，決定系數(shù)范圍為0.901～0.997，變異系數(shù)范圍為0.832%～9.696%，能滿足仿生嗅覺(jué)氣味檢測(cè)的要求，可為后續(xù)開(kāi)展仿生嗅覺(jué)的應(yīng)用性研究提供數(shù)據(jù)參考與技術(shù)支撐。

傳感器；檢測(cè)；優(yōu)化；仿生嗅覺(jué)；吹掃式；傳感器陣列；控制參數(shù)；性能

0 引 言

仿生嗅覺(jué)是模擬生物嗅覺(jué)而設(shè)計(jì)的一種智能傳感技術(shù)，由能感知環(huán)境中某種氣體和體積分?jǐn)?shù)的氣體敏感元件、信號(hào)轉(zhuǎn)換單元和模式識(shí)別系統(tǒng)組成，專門(mén)用于檢測(cè)識(shí)別復(fù)雜的氣體揮發(fā)物[1-3]。隨著微電子、傳感器和模式識(shí)別等技術(shù)的快速發(fā)展，仿生嗅覺(jué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)得到了大量的探索與應(yīng)用。有的學(xué)者將仿生嗅覺(jué)技術(shù)應(yīng)用到芒果和香蕉成熟度、食用油摻假鑒別上[4-7]；有的學(xué)者開(kāi)展了仿生嗅覺(jué)技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)的應(yīng)用鑒別研究[8-11]，如肺部疾病、呼吸道疾病、胃炎以及癌癥等；有的學(xué)者利用仿生嗅覺(jué)技術(shù)對(duì)農(nóng)作物的病蟲(chóng)害進(jìn)行了預(yù)測(cè)[12-14]；還有的將仿生嗅覺(jué)技術(shù)與電子舌技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)紅茶品質(zhì)、橄欖油原產(chǎn)地的鑒別[15-16]。查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，目前仿生嗅覺(jué)的研究主要集中在模式識(shí)別和儀器應(yīng)用等層面，鮮有涉及對(duì)仿生嗅覺(jué)檢測(cè)性能的分析與評(píng)價(jià)，而仿生嗅覺(jué)檢測(cè)性能是開(kāi)展嗅覺(jué)模式識(shí)別和應(yīng)用研究的基礎(chǔ)。雖然李華曜[17]選用最低檢測(cè)限、準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性等指標(biāo)研究了仿生嗅覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)性能，但對(duì)影響檢測(cè)性能的傳感器加熱電壓（即傳感器工作溫度）[18-19]、氣體濕度[20-21]以及流量[22-23]等控制參數(shù)并未分析及優(yōu)化。進(jìn)一步查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)上述4類因素均會(huì)影響仿生嗅覺(jué)檢測(cè)中傳感器的檢測(cè)性能，如薛嚴(yán)冰等[24]研究提出傳感器存在最佳工作溫度使其靈敏度最大；房家驊等[25]研究表明傳感器靈敏度隨工作溫度的上升具有先遞增后減小的變化特征；Koziej等[26]研究顯示水分子會(huì)使傳感器靈敏度下降；梁宏增等[27]研究發(fā)現(xiàn)增加氣體流速可縮短傳感器響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間，也可提高靈敏度；但上述因素對(duì)傳感器陣列組成的仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)的檢測(cè)性能影響還需進(jìn)一步研究。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文旨在設(shè)計(jì)一種吹掃式仿生嗅覺(jué)檢測(cè)裝置，分析傳感器加熱電壓、待檢氣體相對(duì)濕度以及流量等控制參數(shù)對(duì)嗅覺(jué)檢測(cè)性能的影響，優(yōu)選仿生嗅覺(jué)檢測(cè)裝置的控制參數(shù)，驗(yàn)證優(yōu)化控制參數(shù)的仿生嗅覺(jué)檢測(cè)裝置對(duì)氣味檢測(cè)的可行性和檢測(cè)性能，以期為后續(xù)開(kāi)展仿生嗅覺(jué)的應(yīng)用性研究提供數(shù)據(jù)參考與技術(shù)支撐。

1 吹掃式仿生嗅覺(jué)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

本文研制的吹掃式仿生嗅覺(jué)檢測(cè)裝置主要結(jié)構(gòu)由氣體傳輸及流量控制管路、仿生嗅覺(jué)測(cè)控單元和仿生嗅覺(jué)檢測(cè)分析軟件組成。其中，氣體傳輸及流量控制管路是仿生嗅覺(jué)氣體傳輸?shù)妮d體，仿生嗅覺(jué)測(cè)控單元完成對(duì)待檢氣體傳輸控制信號(hào)的輸出轉(zhuǎn)換和檢測(cè)信號(hào)的采集調(diào)理，仿生嗅覺(jué)檢測(cè)分析軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)嗅覺(jué)檢測(cè)的參數(shù)設(shè)置與過(guò)程控制，并對(duì)采集數(shù)據(jù)實(shí)施預(yù)處理、特征提取和模式識(shí)別分析。該檢測(cè)裝置的控制方式主要包括軟件自動(dòng)控制和手動(dòng)控制，如圖1所示。

1. 軟件自動(dòng)控制面板 2. 手動(dòng)控制面板

該檢測(cè)裝置工作原理為：待檢樣本通過(guò)人工放置于樣本氣體生成室密閉一段時(shí)間后，生成室內(nèi)頂空氣體通過(guò)外部高壓載氣吹掃至嗅覺(jué)檢測(cè)室中，室內(nèi)傳感器陣列吸附一定量的揮發(fā)性物質(zhì)使其電導(dǎo)率發(fā)生變化，該變化的信號(hào)被信號(hào)采集調(diào)理模塊捕獲并傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與模式分析。采樣完成后，外部載氣重新通入檢測(cè)裝置，對(duì)樣本氣體生成室、嗅覺(jué)檢測(cè)室進(jìn)行清洗使其恢復(fù)至初始狀態(tài)。

2 吹掃式仿生嗅覺(jué)檢測(cè)裝置搭建

2.1 氣體傳輸及流量控制管路設(shè)計(jì)

氣體傳輸及流量控制管路按其主功能可劃分為動(dòng)態(tài)配氣和嗅覺(jué)檢測(cè)2部分，主要組成部件包括高壓載氣源、質(zhì)量流量控制器（mass fluid controller，MFC）、兩位三通閥、單向?qū)姶砰y、加濕器、樣品氣體生成室、嗅覺(jué)檢測(cè)室、氣體流量計(jì)等，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該檢測(cè)裝置動(dòng)態(tài)配氣時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)2個(gè)量程分別為0～5、0～500 mL/min MFC（LF-5，LF-500，Chengdu Laifeng Technology Corporation，China）的流量比控制進(jìn)樣氣體流量和混合氣體的體積分?jǐn)?shù)，如圖2所示。該裝置實(shí)施嗅覺(jué)檢測(cè)包括嗅覺(jué)采樣和氣味清洗2個(gè)工作過(guò)程，嗅覺(jué)采樣時(shí)，導(dǎo)通電磁閥8，關(guān)閉電磁閥7、9，在外部載氣的作用下將帶有樣品揮發(fā)性成分的氣體吹掃至嗅覺(jué)檢測(cè)室11，氣體進(jìn)樣流量可調(diào)范圍0～500 mL/min，待檢氣體最終從嗅覺(jué)檢測(cè)室尾部排出；氣味清洗時(shí)，導(dǎo)通電磁閥7、9，關(guān)閉電磁閥8，通入外部清潔載氣分別清洗樣品室和嗅覺(jué)檢測(cè)室內(nèi)的殘余氣體，避免殘余氣體對(duì)下一次采樣過(guò)程的影響，如圖2所示。

1. 配氣支路 1-1. 待測(cè)氣源 1-2. 截止閥 1-3.質(zhì)量流量控制器 1-4. 單向閥 2. 載氣輸送支路 2-1. 載氣氣源 2-2. 截止閥 2-3.質(zhì)量流量控制器 2-4. 單向閥3. 兩位三通閥4. 干燥支路 4-1. 單向閥 5. 加濕支路5-1. 加濕器5-2. 截止閥6. 樣品室 7、8、9. 電磁閥10. 流量計(jì) 11. 檢測(cè)室 12.溫濕度傳感器 13. 單向閥

2.2 仿生嗅覺(jué)測(cè)控單元設(shè)計(jì)

仿生嗅覺(jué)測(cè)控單元硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。本測(cè)控單元以計(jì)算機(jī)作為數(shù)據(jù)測(cè)控的終端，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡（PCIe-6353，National Instruments，TX，USA）生成氣路控制元件受控的電壓信號(hào)和脈沖信號(hào)，其中，電壓信號(hào)一部分經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大輸出至氣體質(zhì)量流量控制器，完成檢測(cè)氣體的進(jìn)樣流量控制，另一部分經(jīng)脈寬調(diào)制電路輸出至傳感器陣列加熱控制端設(shè)置不同的工作電壓；脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)放大處理輸出至氣體傳輸回路中電磁閥實(shí)現(xiàn)不同功能氣路切換；部署在嗅覺(jué)檢測(cè)室的傳感器陣列感知揮發(fā)物物質(zhì)和氣體體積分?jǐn)?shù)的變化，并通過(guò)阻抗匹配電路變送至數(shù)據(jù)采集卡PCIe-6353，將采集信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)。同時(shí)，在嗅覺(jué)檢測(cè)過(guò)程中氣路中溫濕度變化，通過(guò)內(nèi)嵌于檢測(cè)管路中的溫濕度傳感器進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，并由數(shù)據(jù)采集卡把采集信號(hào)反饋給計(jì)算機(jī)。

圖3 仿生嗅覺(jué)測(cè)控單元硬件結(jié)構(gòu)

2.3 仿生嗅覺(jué)檢測(cè)分析軟件設(shè)計(jì)

本檢測(cè)裝置選用LabVIEW圖形化編程環(huán)境作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，程序架構(gòu)采用模塊化編程思想，設(shè)計(jì)的功能模塊包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集及存儲(chǔ)、特征參數(shù)提取、數(shù)據(jù)處理與分析、模式識(shí)別等模塊，其人機(jī)交互界面如圖4所示，在該界面中，主要包括按鍵控制、輸入和顯示部分，用戶可以自定義顯示采集的傳感器響應(yīng)曲線和選擇查看相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，該檢測(cè)分析軟件的工作流程如圖5所示。

圖4 仿生嗅覺(jué)檢測(cè)分析軟件

圖5 檢測(cè)裝置軟件的工作流程

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

3.1 仿生嗅覺(jué)檢測(cè)裝置的控制參數(shù)性能分析試驗(yàn)

為了分析傳感器加熱電壓、氣體濕度以及流量等控制參數(shù)對(duì)該裝置嗅覺(jué)傳感器陣列檢測(cè)性能的影響，從而優(yōu)選出檢測(cè)裝置的控制參數(shù)。本試驗(yàn)選取對(duì)嗅覺(jué)傳感器陣列（TGS2620、TGS2610、TGS2600、TGS2610-D00和TGS2611）具有選擇性的乙烯氣體（標(biāo)氣）作為待測(cè)氣體，減少樣本的變異性。依據(jù)仿生嗅覺(jué)檢測(cè)實(shí)際工況的要求，分別對(duì)上述因素設(shè)置成不同的水平進(jìn)行單因素試驗(yàn)，其中傳感器加熱電壓取值為3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 V，氣體相對(duì)濕度取值為30%和75%，氣體流量取值為50、100、150、200、250、300 mL/min。

試驗(yàn)前，利用該裝置的動(dòng)態(tài)配氣部分對(duì)體積分?jǐn)?shù)含量較高的乙烯氣體進(jìn)行稀釋，試驗(yàn)時(shí)導(dǎo)通電磁閥8，關(guān)閉電磁閥7、9，使樣本氣體進(jìn)入嗅覺(jué)檢測(cè)室內(nèi)與傳感器陣列發(fā)生反應(yīng)。檢測(cè)分析軟件每1 s記錄1次數(shù)據(jù)，采樣時(shí)間為：選取連續(xù)90個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合，若擬合數(shù)據(jù)的波動(dòng)量小于傳感器量程的5%有效檢測(cè)限，則采樣結(jié)束，反之，繼續(xù)；采樣結(jié)束后，進(jìn)行氣味清洗，確定清洗時(shí)間的方法同采樣過(guò)程一致。

采集完嗅覺(jué)信號(hào)后，為了減少噪聲及環(huán)境因素的影響，采用Savitzky-Golay平滑進(jìn)行預(yù)處理。為了優(yōu)選出檢測(cè)裝置的控制參數(shù)，本文選擇嗅覺(jué)傳感器響應(yīng)曲線的響應(yīng)時(shí)間res恢復(fù)時(shí)間rec和靈敏度等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[28]。其中，傳感器陣列靈敏度的計(jì)算公式如（1）[29]所示：

式中C為采樣回路電壓，V；N2為通入氮?dú)鈺r(shí)傳感器的響應(yīng)值，即基線值，V；gas為通入氮?dú)?乙烯混合氣體時(shí)傳感器的穩(wěn)定響應(yīng)值，即穩(wěn)定值，V；傳感器響應(yīng)值達(dá)到穩(wěn)定值與基線值之差的10%～90%所用時(shí)間為響應(yīng)時(shí)間res，s；傳感器響應(yīng)值達(dá)到穩(wěn)定值與基線值之差的90%～10% 所用時(shí)間為恢復(fù)時(shí)間rec，s。

res和rec越短，說(shuō)明在所選控制參數(shù)下裝置檢測(cè)周期越短；越高，說(shuō)明在所選控制參數(shù)下裝置對(duì)待測(cè)氣體越敏感，選擇性越好。

3.2 仿生嗅覺(jué)檢測(cè)裝置在優(yōu)化控制參數(shù)下的氣味檢測(cè)試驗(yàn)

為了進(jìn)一步研究研制檢測(cè)裝置在優(yōu)化控制參數(shù)下對(duì)氣味的檢測(cè)性能，選取檢測(cè)裝置的靈敏度、決定系數(shù)和變異系數(shù)等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。上述指標(biāo)的試驗(yàn)方法為：將檢測(cè)裝置的控制參數(shù)設(shè)置為優(yōu)化參數(shù)，然后利用裝置對(duì)體積分?jǐn)?shù)為0.002%、0.004%、0.006%、0.010%、0.020%、0.030%、0.040%、0.050%的乙烯氣體進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置和檢測(cè)，數(shù)據(jù)采集的過(guò)程與控制參數(shù)性能試驗(yàn)一致；分析靈敏度和決定系數(shù)時(shí)，每個(gè)氣體體積分?jǐn)?shù)的樣本采集3次，取均值作為最終數(shù)據(jù)；分析檢測(cè)裝置變異系數(shù)時(shí)，每天采集8個(gè)氣體體積分?jǐn)?shù)的樣本，時(shí)間間隔為1 d，共檢測(cè)8次。上述指標(biāo)的計(jì)算公式如（2～4）所示：

（3）

（4）

式中為裝置靈敏度；2為決定系數(shù)；CV為變異系數(shù)；?(?)為傳感器電壓響應(yīng)差值（?=gas-N2）的變化量，V；?為輸入氣體體積分?jǐn)?shù)的變化量；為氣體體積分?jǐn)?shù)的樣本數(shù)；y為樣本實(shí)測(cè)的電壓響應(yīng)差值，V；y為通過(guò)線性擬合直線預(yù)測(cè)的樣本電壓響應(yīng)差值，V；為樣本實(shí)測(cè)的電壓響應(yīng)差值的均值，V；σ?V、分別為傳感器電壓響應(yīng)差值的標(biāo)準(zhǔn)差和均值，V。

裝置靈敏度越大，說(shuō)明其能感知的被測(cè)量越小，精度越高；裝置決定系數(shù)2越大說(shuō)明其輸入輸出的相關(guān)性越好；裝置變異系數(shù)CV越小說(shuō)明其重復(fù)性越好，采集的數(shù)據(jù)越可靠。

4 結(jié)果與分析

4.1 仿生嗅覺(jué)檢測(cè)氣體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析

如圖6為仿生嗅覺(jué)檢測(cè)裝置采集數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，試驗(yàn)參數(shù)為：載氣流量50 mL/min，氣體體積分?jǐn)?shù)0.002%，相對(duì)濕度30%，傳感器加熱電壓3.5 V。測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，先通入載氣（氮?dú)猓┮孕?zhǔn)傳感器陣列基值，由圖6可知傳感器陣列的基值范圍為0.176～0.421 V，噪聲波動(dòng)范圍為0.001～0.032 V，因?yàn)榈獨(dú)馀c傳感器陣列的敏感材料發(fā)生吸附作用，導(dǎo)致電導(dǎo)率改變，但這種變化量很小，說(shuō)明傳感器陣列對(duì)氮?dú)饷舾行暂^低；當(dāng)?shù)獨(dú)馀c乙烯混合氣體通入檢測(cè)裝置時(shí)，傳感器陣列輸出電壓值遞增，增幅為0.033～0.931 V，表明傳感器陣列對(duì)乙烯氣體具有較好的敏感特性，當(dāng)再次通入氮?dú)鈱?duì)裝置管路進(jìn)行清洗時(shí)，傳感器陣列的電壓值遞減，其再生基線范圍為0.179～0.538 V，噪聲波動(dòng)范圍為0.001～0.184 V，表明乙烯氣體分子與傳感器敏感材料發(fā)生解吸附，最終使得傳感器陣列響應(yīng)再生值接近初始基值。因此，研制的檢測(cè)裝置檢測(cè)乙烯氣體具有一定可行性。

圖6 仿生嗅覺(jué)檢測(cè)裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

4.2 仿生嗅覺(jué)檢測(cè)裝置的控制參數(shù)性能分析

4.2.1 傳感器加熱電壓對(duì)嗅覺(jué)檢測(cè)性能的影響

圖7為不同加熱電壓時(shí)傳感器陣列靈敏度、響應(yīng)時(shí)間res和恢復(fù)時(shí)間rec的變化情況，其試驗(yàn)參數(shù)為：氣體體積分?jǐn)?shù)0.002%，相對(duì)濕度30%，載氣流量50 mL/min。

由圖7a可知，TGS2620、TGS2610、TGS2600以及TGS2611傳感器的靈敏度隨加熱電壓增大而增大，當(dāng)加熱電壓為5.0 V時(shí)，上述傳感器最大，分布范圍為2.309～4.823，僅TGS2610-D00傳感器隨加熱電壓的增加先遞增后減小，加熱電壓為4.0 V時(shí)達(dá)到極值（2.708）。由圖7b、7c可知，TGS2610、TGS2600和TGS2610-D00傳感器的響應(yīng)時(shí)間res和恢復(fù)時(shí)間rec隨加熱電壓增大而減小，加熱電壓為5.0 V時(shí)，其res和rec均最短。而TGS2620、TGS2611傳感器加熱電壓設(shè)置低于4.5 V和3.5 V時(shí)，其res和rec均為0，說(shuō)明上述傳感器檢測(cè)穩(wěn)定值相對(duì)基線值增量范圍（0.003～ 0.090 V、0.101～0.186 V）均小于傳感器量程的5%有效檢測(cè)限，可認(rèn)為上述傳感器加熱電壓設(shè)置在該范圍無(wú)法正常檢測(cè)，故上述傳感器在加熱電壓為5.0 V時(shí)，res和rec最短。因此，傳感器陣列加熱電壓為5.0 V時(shí)，檢測(cè)裝置性能較佳，其傳感器陣列靈敏度分布范圍為2.260～4.823，res和rec分布范圍分別為46～53、44～70 s。

圖7 不同加熱電壓時(shí)傳感器靈敏度、響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間分布

4.2.2 氣體濕度對(duì)嗅覺(jué)檢測(cè)性能的影響

在加熱電壓為5.0 V下，為了進(jìn)一步研究裝置氣體濕度變化對(duì)嗅覺(jué)檢測(cè)性能的影響，試驗(yàn)通過(guò)將相對(duì)濕度為30%的氣體通入設(shè)計(jì)裝置的加濕氣路使相對(duì)濕度增大為75%，并分析上述 2種相對(duì)氣體濕度對(duì)嗅覺(jué)檢測(cè)的響應(yīng)情況，其試驗(yàn)參數(shù)：乙烯氣體體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為0.002%、0.020%、0.050%，載氣流量50 mL/min，其加濕前后傳感器陣列的靈敏度、響應(yīng)時(shí)間res和恢復(fù)時(shí)間rec的相對(duì)變化情況如表1所示。

由表1可知，在上述3個(gè)氣體體積分?jǐn)?shù)水平下，TGS2610-D00傳感器的靈敏度變化量均小于0，說(shuō)明氣體加濕后其存在上升趨勢(shì)，但其余4個(gè)傳感器的靈敏度變化量均大于0，表明氣體加濕后其均具有下降趨勢(shì)，并且5個(gè)傳感器的響應(yīng)時(shí)間變化量res和恢復(fù)時(shí)間變化量rec均小于0，說(shuō)明氣體加濕后傳感器陣列的響應(yīng)時(shí)間res和恢復(fù)時(shí)間rec均存在延長(zhǎng)，可能因?yàn)樗肿油郎y(cè)氣體在敏感材料表面上的吸附、解吸附存在競(jìng)爭(zhēng)，而水分子處于主導(dǎo)地位，導(dǎo)致待測(cè)氣體分子與敏感材料的吸附和解吸附滯后。故氣體相對(duì)濕度為30%時(shí)，檢測(cè)裝置的性能較佳。

4.2.3 氣體流量對(duì)嗅覺(jué)檢測(cè)性能的影響

在加熱電壓為5.0 V和相對(duì)濕度30%下，進(jìn)一步分析不同載氣流量對(duì)嗅覺(jué)傳感器陣列靈敏度、響應(yīng)時(shí)間res和恢復(fù)時(shí)間rec的影響，參數(shù)具體變化趨勢(shì)如圖8所示，試驗(yàn)參數(shù)為：氣體體積分?jǐn)?shù)0.002%。

由圖8a可知，傳感器陣列的靈敏度隨載氣流量的增加先遞增后減小，其中TGS2610-D00工作在流量 100 mL/min時(shí)達(dá)到極值（2.946），而其余傳感器在流量150 mL/min時(shí)達(dá)到極值，分布范圍為2.854～8.362。由圖8b、8c可知，陣列響應(yīng)時(shí)間res和恢復(fù)時(shí)間rec均隨載氣流量的增加先減小后遞增，由于傳感器頂面與氣流方向平行，當(dāng)載氣流量較小時(shí)，待測(cè)氣體分子主要靠氣體自由擴(kuò)散至傳感器敏感元件表面，表現(xiàn)為res和rec較長(zhǎng)；隨著載氣流量的遞增，待測(cè)氣體被載氣吹掃至傳感器敏感元件表面，導(dǎo)致res和rec縮短；當(dāng)載氣流量超過(guò)一定范圍繼續(xù)增大時(shí)，由于載氣流速過(guò)快，待測(cè)氣體分子被快速吹掃至傳感器敏感元件表面，大量氣體分子剛接觸敏感材料還未完成吸附和反應(yīng)，就被載氣帶離了傳感器感應(yīng)表面，導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)吸附于敏感元件表面的氣體體積分?jǐn)?shù)含量過(guò)低，表現(xiàn)為res和rec延長(zhǎng)。傳感器工作在流量100 mL/min時(shí)res最短，分布范圍為35～50 s。TGS2610、TGS2600、TGS2610-D00傳感器工作在流量100 mL/min時(shí)rec最短，分別為48、30、39 s，TGS2620和TGS2611傳感器工作在流量150 mL/min時(shí)rec最短，分別為45、38 s。綜合考慮傳感器陣列、res和rec，故在流量100 mL/min時(shí)，檢測(cè)裝置檢測(cè)效果較佳，其傳感器陣列靈敏度范圍為2.853～7.559，res和rec分布范圍分別為35～50、30～50 s。

表1 氣體加濕前后傳感器陣列靈敏度、響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間的相對(duì)變化情況

注：、res、rec分別為氣體相對(duì)濕度為30%時(shí)的、res、rec與相對(duì)濕度為75%時(shí)相應(yīng)值之差.

Note: Difference of、res、recbetweengas with a relative humidity of 30% and gas with a relative humidity of 75% respectively were、res、rec.

4.3 仿生嗅覺(jué)檢測(cè)裝置在優(yōu)化控制參數(shù)下的氣味檢測(cè)分析

由上述分析可知，研制裝置的優(yōu)化控制參數(shù)為：傳感器加熱電壓為5.0 V，相對(duì)濕度30%，載氣流量 100 mL/min。為了進(jìn)一步分析裝置在優(yōu)化控制參數(shù)下對(duì)氣味的檢測(cè)性能，本裝置動(dòng)態(tài)配制了不同體積分?jǐn)?shù)含量的乙烯氣體并進(jìn)行檢測(cè)，如圖9為乙烯體積分?jǐn)?shù)與電壓響應(yīng)差值?之間的關(guān)系。

圖8 不同載氣流量時(shí)嗅覺(jué)傳感器靈敏度、響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間

由圖9可知，傳感器陣列的電壓響應(yīng)差值?隨乙烯體積分?jǐn)?shù)的增大而增大，并且響應(yīng)差值?在體積分?jǐn)?shù)為0.020%處出現(xiàn)拐點(diǎn)，體積分?jǐn)?shù)低于0.020%時(shí)響應(yīng)差值?增幅較大，分布范圍為0.660～1.190 V；體積分?jǐn)?shù)高于0.020%時(shí)響應(yīng)差值?增幅較小，分布范圍為0.098～0.444 V。為了分析裝置靈敏度和輸入輸出的線性相關(guān)性，采用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出體積分?jǐn)?shù)在0.002%～0.050%內(nèi)的裝置靈敏度范圍為1 303.2～3 611.5，決定系數(shù)2范圍為0.757～0.899；但在體積分?jǐn)?shù)為0.002%～0.020%內(nèi)，氣體體積分?jǐn)?shù)與響應(yīng)差值?具有較好的線性關(guān)系，經(jīng)計(jì)算該范圍內(nèi)的裝置靈敏度范圍為3 577.1～6 700.7，2范圍為0.901～0.997。綜合考慮裝置應(yīng)具有較好的靈敏度和線性特性，故該檢測(cè)裝置可檢測(cè)氣體的有效體積分?jǐn)?shù)范圍為0.002%～0.020%，能滿足仿生嗅覺(jué)氣體檢測(cè)的要求。

圖9 不同體積分?jǐn)?shù)時(shí)傳感器陣列的電壓響應(yīng)值差值

變異系數(shù)是表征裝置對(duì)一系列檢測(cè)結(jié)果的重復(fù)程度，表2為有效體積分?jǐn)?shù)下裝置檢測(cè)結(jié)果變異系數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表2 有效體積分?jǐn)?shù)下裝置檢測(cè)結(jié)果的變異系數(shù)

由表2可知，在有效體積分?jǐn)?shù)下上述傳感器陣列的變異系數(shù)范圍為0.832%～9.696%，與文獻(xiàn)[30]研究結(jié)果接近。但不同傳感器的重復(fù)性存在一定差別，其中TGS2610- D00的變異系數(shù)范圍為3.192%～9.696%，在同一氣體體積分?jǐn)?shù)下該值均大于其他傳感器變異系數(shù)，故該傳感器與其他傳感器相比重復(fù)性較差。同時(shí)對(duì)比不同氣體體積分?jǐn)?shù)下的變異系數(shù)，發(fā)現(xiàn)裝置對(duì)體積分?jǐn)?shù)為0.002%樣本檢測(cè)重復(fù)性較差，變異系數(shù)范圍為3.476%～9.696%，對(duì)體積分?jǐn)?shù)大于0.002%樣本檢測(cè)重復(fù)性較好，變異系數(shù)范圍為0.832%～6.857%，因?yàn)榕渲企w積分?jǐn)?shù)為0.002%樣本時(shí)，樣本量較少，導(dǎo)致氣體體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)性較大。

5 結(jié) 論

為了研究仿生嗅覺(jué)檢測(cè)裝置的性能，本文研制了一種吹掃式仿生嗅覺(jué)檢測(cè)裝置，利用乙烯氣體（標(biāo)氣）對(duì)裝置檢測(cè)氣味的可行性和影響檢測(cè)性能的控制參數(shù)進(jìn)行了分析與優(yōu)化，具體結(jié)論如下：

1）研制的裝置檢測(cè)氮?dú)鈺r(shí)，傳感器陣列基值范圍為0.176～0.421 V，通入混合氣體后，傳感器陣列的電壓值上升，增幅為0.033～0.931 V，再次通入氮?dú)馇逑礆饴泛?，傳感器陣列的電壓值下降，其再生基值?.179～0.538 V，故該裝置檢測(cè)乙烯氣體具有可行性。

2）加熱電壓為5.0 V時(shí)，嗅覺(jué)傳感器陣列的靈敏度最大，分布范圍為2.260～4.823；而響應(yīng)時(shí)間res和恢復(fù)時(shí)間rec最短，分布范圍分別為46～53、44～70 s，故此時(shí)檢測(cè)裝置性能較佳。

3）增加氣體濕度會(huì)使傳感器陣列的靈敏度減小，同時(shí)也會(huì)延長(zhǎng)其響應(yīng)時(shí)間res和恢復(fù)時(shí)間rec，故氣體相對(duì)濕度為30%時(shí)，檢測(cè)裝置性能較佳。

4）載氣流量設(shè)置在100 mL/min時(shí)，嗅覺(jué)傳感器陣列的靈敏度最大，分布范圍為2.853～7.559；響應(yīng)時(shí)間res和恢復(fù)時(shí)間rec最短，分布范圍分別為35～50、30～50 s。故此時(shí)檢測(cè)裝置性能較佳。

5）在優(yōu)化控制參數(shù)下，檢測(cè)裝置在氣體體積分?jǐn)?shù)為0.002%～0.020%時(shí)可進(jìn)行有效檢測(cè)，此時(shí)裝置檢測(cè)靈敏度范圍為3 577.1～6 700.7，決定系數(shù)范圍為0.901～0.997，變異系數(shù)范圍為0.832%～9.696%。該檢測(cè)裝置在仿生嗅覺(jué)氣味檢測(cè)上具有可行性，可為后續(xù)仿生嗅覺(jué)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用性研究提供一定的技術(shù)支撐。

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Design and performance experiment of bionic olfactory detection device using purging method

Wen Tao, Zheng Lizhang, Gong Zhongliang※, Li Lijun, Sang Mengxiang, Dong Shuai

(410004,)

In order to study the performance of bionic olfactory detection device, the bionic olfactory detection device was designed using purging method in this research This detection device consisted of the gas transmission and flow control pipes, the bionic olfactory control unit and the software of bionic olfactory detection analysis. The gas transmission and flow control pipes were the carrier of bionic olfactory gas transmission, and the bionic olfactory control unit completed the signal output and sensor signal acquisition, the software of bionic olfactory detection analysis could not only complete setting up parameters in the process of olfactory detection analysis and controlling working process, but also complete data preprocessing, feature extraction and pattern recognition. According to current documents, the heating voltage of sensor array, gas humidity and gas flow have an effect on the performance of this device. In order to study the effect of these control parameters on the performance of detection device, the ethylene and nitrogen gas were respectively selected as testing sample and carrier gas, and each of the control parameters was studied with single factor experiment. Then, according to the sensibility, response time, recovery time of sensor array, the optimal control parameters of this device were selected. Furthermore, the feasibility and performance of the bionic olfactory detection device were verified under optimized control parameters. The results of experiment showed that the sensitivity of the sensor array increased with the increase of heating voltage. When the heating voltage of sensor was 5.0 V, the sensibility of the sensor array was the maximum, which ranged from 2.260 to 4.823, and the response and recovery time of the sensor array were both the minimum, which ranged from 46 to 53 s and from 44 to 70 s, respectively. So when the heating voltage of sensor was 5.0 V, the detection device could get a better performance. When the humidity increased, the sensibility of the sensor array decreased, and the response time and recovery time of the sensor array were both lengthened. So, when the relative humidity of the gas was 30%, the detection device could get a better performance. The sensibility of the sensor array firstly increased and then decreased with the increment of the gas flow; the response time and recovery time of the sensor array firstly decreased and then increased with the increment of the flow. If the sensitivity, recovery time and recovery time of the sensor array were comprehensively considered, when the flow was 100 mL/min, the sensibility of the sensor array was the maximum, which ranged from 2.853 to 7.559, the response and the recovery time of the sensor array were the minimum, which ranged from 35 to 50 s and from 30 to 50 s, respectively. So, when the flow was 100 mL/min, the detection device could get a better performance. Therefore, when the heating voltage of sensor was 5.0 V, the relative humidity of the gas was 30%, and the flow was 100 mL/min, these control parameters were the optimal control parameters. The detection device adopted the optimized control parameters, and then the device was used to detect the ethylene gas with the volume fraction of 0.002%, 0.004%, 0.006%, 0.010%, 0.020%, 0.030%, 0.040% and 0.050%. The results showed that when the volume fraction was controlled in the range of 0.002%-0.020%, the sensibility of the device was higher, which ranged from 3 577.1 to 6 700.7, and the linearity and repeatability of the device were both better, whose coefficient of determination was from 0.901 to 0.997, and coefficient of variation ranged from 0.832% to 9.696%. So, the device can meet the requirements of odor detection, and also can provide data reference and technical support for the further research on the application of bionic olfaction.

sensors; detection; optimization; bionic olfactory; purging method; sensor array; control parameters; performance

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.034

TP216

A

1002-6819(2017)-08-0251-08

2016-08-26

2017-03-21

國(guó)家自然科學(xué)基金（31401281）；湖南省自然科學(xué)基金（14JJ3115）；湖南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃（2014207）；湖南省科技計(jì)劃重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2016NK2151）

文 韜，男，湖南長(zhǎng)沙人，博士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)工程、機(jī)電一體化和信息技術(shù)應(yīng)用研究。長(zhǎng)沙 中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，410004。Email:wt207@sina.com

龔中良，男，湖北監(jiān)利人，博士，教授，主要從事機(jī)電一體化技術(shù)及應(yīng)用研究。長(zhǎng)沙 中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 410004。 Email：gzlaa@163.com

中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員：文韜（E041200816S）

文 韜，鄭立章，龔中良，李立君，桑孟祥，董 帥.吹掃式仿生嗅覺(jué)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(8)：251－258. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.034 http://www.tcsae.org

Wen Tao, Zheng Lizhang, Gong Zhongliang, Li Lijun, Sang Mengxiang, Dong Shuai.Design and performance experiment of bionic olfactory detection device using purging method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 251－258. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.034 http://www.tcsae.org