基于動態(tài)配氣的仿生嗅覺檢測系統(tǒng)設計與優(yōu)化

桑孟祥，文 韜，鄭立章，龔中良，湯小紅，李立君，董 帥

(中南林業(yè)科技大學機電工程學院，湖南長沙 410004)

0 引言

氣味檢測在食品工業(yè)領域具有重要意義，傳統(tǒng)鑒別食品及農副產品氣味的方法主要包括感官評價和化學分析，其中感官評價結果容易受到個人主觀因素影響，準確性低，重復性差；化學分析有質譜法、氣相色譜法、火焰離子化檢測等，雖然上述檢測方法應用廣泛，但是其檢測步驟繁瑣，儀器昂貴，很難適應于快速、簡便、無損的行業(yè)要求[1]。隨著人類對鼻腔結構、嗅覺識別過程研究的逐步深入以及傳感器技術的發(fā)展，仿生嗅覺檢測技術日趨成熟。根據文獻[2-6]，已有不少學者對仿生嗅覺技術作了深入的研究，并且經多年發(fā)展，其已逐步應用在食品、農業(yè)等領域。

在已有的仿生嗅覺檢測系統(tǒng)研究中，控制參數通常是固定不變的，事實上與仿生嗅覺檢測系統(tǒng)的性能密切相關，例如氣體體積分數、濕度和傳感器陣列加熱電壓等[7-9]。待測對象或控制參數的不同都會引起傳感器陣列響應的差異，進而影響仿生嗅覺的檢測性能。房家驊等[10]研究表明在乙醇氣氛中傳感器靈敏度隨著氣體體積分數的增加呈現非線性遞增的變化趨勢；鞠洪巖等[11]研究表明聚苯胺氨氣傳感器在檢測一定體積分數范圍內的氨氣時，其靈敏度和濕度呈正相關關系；薛嚴冰等[12]研究提出改變傳感器陣列環(huán)境溫度，可改善傳感器的選擇性和靈敏度。因此，檢測前對仿生嗅覺檢測系統(tǒng)的控制參數優(yōu)化具有重要意義，其可為提高仿生嗅覺檢測系統(tǒng)性能和優(yōu)化其控制參數提供參考。

考慮到上述研究方法很少涉及同時優(yōu)化分析上述3個參數對仿生嗅覺檢測系統(tǒng)性能的影響，故本文設計了一種仿生嗅覺檢測系統(tǒng)，并提供氣體體積分數、濕度和傳感器加熱電壓控制接口，通過試驗分析上述因素對基于動態(tài)配氣的檢測系統(tǒng)性能的影響，確立其較佳控制參數。

1 仿生嗅覺檢測系統(tǒng)設計

1.1 檢測系統(tǒng)的組成及工作原理

本系統(tǒng)由氣路部分和電路部分組成，其整體設計框架如圖1所示。其中，氣路部分主要包括高壓載氣源、乙烯標氣源、質量流量控制器、兩位三通閥、單向電磁閥、加濕器、截止閥、電磁閥、樣品氣體生成室、嗅覺檢測室、氣體流量計等部件；電路部分主要包括嗅覺信號采集及調理電路、電磁閥控制電路、數據采集卡、上位機等。當需要加濕待測氣體時，切換兩位三通閥狀態(tài)并打開截止閥，使得待測氣體通過加濕器。

圖1 系統(tǒng)整體設計框架

檢測系統(tǒng)主要包含2個工作過程：嗅覺檢測和氣味清洗。嗅覺檢測過程：調節(jié)通過2個質量流量控制器的高壓載氣和乙烯標氣的流量，得到一定體積分數的待測氣體，導通電磁閥2并關閉電磁閥1、3，使得待測氣體到達嗅覺檢測室，檢測室內的傳感器陣列吸附一定量的待測氣體，進而改變其導電率，并且通過嗅覺信號采集及調理單元采集、調理變化信號并將其傳送給計算機，進行數據處理；氣味清洗過程：關閉電磁閥2并導通電磁閥1、3，使得外部高壓載氣分成兩條氣路，分別清洗樣品氣體生成室和嗅覺檢測室內的殘留氣體。

1.2 嗅覺檢測腔結構

本系統(tǒng)選用的傳感器陣列由8個氣敏傳感器組成，為了保證各傳感器之間互不干擾，提高各傳感器對樣本氣體實施檢測的同步性和均勻性，同時，也為保證樣本氣體與傳感器充分接觸，減小響應和恢復時間。嗅覺檢測腔的結構如圖2所示，圖2(a)為檢測腔的三維結構，其中傳感器陣列采用圓周均布方式安裝于半徑30 mm的圓周上，其安裝孔內徑為4 mm，圖2(b)為三維結構在A處的截面，樣本氣體由上通道(內徑4 mm)進入檢測腔，分成8個獨立支路(管道內徑2 mm)流向各傳感器，與傳感器接觸反應后通過導流通道(內徑4 mm)流出檢測腔，該檢測腔的體積僅為0.007 6 L，有效減小了體積。

(a)檢測腔三維結構 (b)A處的橫截面

1.3 嗅覺信號采集及調理單元

本試驗選用的氣敏傳感器分別為TGS2620、TGS2610、TGS2600和TGS2611，設計的嗅覺信號采集及調理單元的電路如圖3所示。

圖3 嗅覺信號采集及調理單元的電路

該電路主要包含3個部分，分別是加熱電壓控制電路、匹配電路和電壓跟隨器電路。加熱電壓控制電路可以通過改變VB的高低電平實現電路的開啟和關閉，進而改變傳感器的實際加熱電壓。匹配電路中敏感電阻RS值可以根據負載電阻RL的電壓測量值計算得到，即將不易測量的敏感電阻的變化信號轉換成容易測量的電信號，與負載電阻RL串聯(lián)的電容可以濾掉信號中的噪聲。電壓跟隨器電路可以實現電壓信號的高阻抗輸入和低阻抗輸出。

1.4 仿生嗅覺檢測系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)采用LabVIEW作為軟件開發(fā)平臺，設計了人機交互界面，實現了系統(tǒng)參數設置、數據實時采集及存儲和特征參數提取等功能，其人機交互界面如圖4 所示，該人機交互界面主要包含按鍵控制、參數輸入和顯示部分，用戶可以設置系統(tǒng)參數、選擇顯示的傳感器型號及數量，查看相應的特征參數，該系統(tǒng)的工作流程如圖5 所示。

圖4 仿生嗅覺檢測系統(tǒng)軟件

圖5 仿生嗅覺檢測系統(tǒng)工作流程

2 試驗材料與方法

2.1 試驗因素選擇

為了分析氣體體積分數、濕度及傳感器加熱電壓等因素對本檢測系統(tǒng)性能的影響，在本試驗中，選用對傳感器陣列具有選擇性的乙烯氣體(標氣)作為待測樣本以減少樣本的變異性。依據對選用的TGS系列氣敏傳感器的工況測試，在待測樣本體積分數為0.002%～0.05%以及加熱電壓為3.0～5.0 V下，該設計系統(tǒng)能有效檢測。選取氣體體積分數、濕度及傳感器加熱電壓3個因素分別進行單因素試驗，各因素取值如表1所示。

2.2 試驗設備及方法

乙烯氣體(標氣)通過仿生嗅覺檢測系統(tǒng)中的動態(tài)配氣部分被稀釋后，導通電磁閥2，關閉電磁閥1和3(圖1)，使稀釋后得到的待測氣體進入嗅覺檢測腔，實現傳感器陣列對乙烯氣體的檢測。

表1 影響檢測系統(tǒng)性能的因素取值

嗅覺檢測過程中利用最小二乘擬合對連續(xù)90個實驗數據(時間間隔1 s)進行擬合，倘若擬合數據的波動量低于傳感器量程的5%有效檢測限，則結束嗅覺檢測過程，進入氣味清洗過程，反之，則繼續(xù)。氣味清洗過程結束與否也采用上述方法確定。

本試驗將氣體流量設置為恒流模式，即50 mL/min，該流量下仿生嗅覺檢測系統(tǒng)能在可調整的流量范圍內實現對待測氣體的體積分數較大范圍檢測。對氣體體積分數、濕度以及傳感器陣列加熱電壓等進行單因素試驗，分析其對檢測系統(tǒng)性能的影響，優(yōu)選較佳試驗控制參數。

2.3 檢測性能指標及評價

響應曲線雖能全面反映樣本的化學信息，但其維數高、不易量化[13]，故本試驗采用基線值VN2、穩(wěn)定值Vgas、靈敏度S、響應時間tres和恢復時間trec等特征參數來量化各傳感器之間的差異，圖6為嗅覺傳感器動態(tài)響應曲線及特征參數。圖6中基線值VN2是通入氮氣時的傳感器響應值，V；穩(wěn)定值Vgas是通入氮-乙烯混合氣體時的傳感器響應值，V；響應時間tres是通入氮-乙烯混合氣體后傳感器響應達到穩(wěn)定值和基線值之差的10%～90%所需的時間，s；恢復時間trec是通入氮氣后傳感器響應達到穩(wěn)定值和基線值之差的90%～10%所需的時間，s。

圖6 嗅覺傳感器動態(tài)響應曲線及特征參數

傳感器檢測性能評價指標包含靈敏度S、響應時間tres和恢復時間trec，靈敏度S計算公式[14]如下：

(1)

式中VC為采樣回路的電壓，V。

靈敏度S越高，說明其對待測氣體越敏感，選擇性越好；響應時間tres和恢復時間trec越短，說明其響應越迅速，可縮短測試周期。

3 試驗結果與分析

3.1 氣體體積分數對嗅覺檢測性能的分析

圖7是在載氣流量50 mL/min，傳感器加熱電壓5.0 V，氣體相對濕度30%的條件下不同氣體體積分數時的傳感器靈敏度S變化曲線。

圖7 不同體積分數時嗅覺傳感器的靈敏度分布

由圖7可知，該檢測系統(tǒng)的靈敏度S與氣體體積分數呈正相關關系，其隨體積分數的遞增呈非線性分布。其中，TGS2620傳感器工作在氣體體積分數0.002%～0.05%范圍，S上升趨勢明顯，增幅為10.704，表明該傳感器對氣體體積分數變化較敏感；TGS2600傳感器在體積分數0.002%～0.01%范圍，S上升速率較快，增幅為7.037，在體積分數0.01%～0.05%，S上升緩慢，增幅為1.494，說明該傳感器對氣體體積分數具有選擇性；TGS2610、TGS2611傳感器在上述氣體體積分數范圍，其S變化在氣體體積分數0.004%處出現拐點，體積分數低于0.004%上升較快，S增幅分別為2.484、1.091，高于0.004%趨于平緩，增幅分別為0.744、1.636，說明氣體體積分數變化對其靈敏度S影響較小。在體積分數0.05%時，該檢測系統(tǒng)的S最大，分布范圍為5.036～13.604。為了分析氣體體積分數的變化對傳感器靈敏度S是否具有顯著影響，本試驗對S進行顯著水平P=0.05的單因素方差分析，分析結果顯示乙烯體積分數的改變對傳感器靈敏度S具有顯著性影響(P<0.05)。

3.2 加熱電壓對嗅覺檢測性能的分析

乙烯體積分數為0.05%下，為了研究傳感器加熱電壓對嗅覺檢測性能的影響，選取5個水平的傳感器加熱電壓進行試驗。圖8是在載氣流量50 mL/min，氣體相對濕度30%的條件下，不同加熱電壓對傳感器靈敏度S，響應時間tres和恢復時間trec的影響。

(a)靈敏度

(b)響應時間

(c)恢復時間

由圖8(a)可知，該檢測系統(tǒng)的S與傳感器加熱電壓呈正相關關系，TGS2620、TGS2600傳感器工作在加熱電壓3.0～5.0 V范圍，S上升趨勢明顯，增幅分別為12.378、11.730；TGS2610、TGS2611傳感器在上述加熱電壓范圍，S上升幅度較小，增幅分別為2.276、2.398。加熱電壓為5.0 V時，該檢測系統(tǒng)的S最大，分布范圍為5.036～13.604。由圖8(b)和圖8(c)可知，響應時間tres和恢復時間trec與加熱電壓呈負相關關系，加熱電壓為5.0 V時，tres和trec最短，分布范圍分別為22～32 s、41～56 s。當加熱電壓為3.0 V時，TGS2620傳感器的tres和trec均為0，表示該傳感器檢測穩(wěn)定值相對檢測基線值增量傳感器量程的5%有效檢測限，可以認為在加熱電壓下無法正常檢測，因此當傳感器加熱電壓為5.0 V時，嗅覺檢測性能較好。當加熱電壓從3.0 V增加至5.0 V時，反應溫度逐漸升高，氣體與氣敏材料上吸附的負氧離子的化學反應速率增加，并且負氧離子的消耗增加?；瘜W反應速率增加會導致傳感器響應時間tres和恢復時間trec縮短，負氧離子的消耗增加會導致靈敏度S增加[15]。

為了分析傳感器加熱電壓的變化對靈敏度S、響應時間tres和恢復時間trec是否具有顯著影響，本試驗對上述特征參數進行單因素方差分析(顯著水平P=0.05)，其檢驗結果如表2所示。由表2可知，傳感器加熱電壓的改變對上述3個特征參數均具有顯著性影響(P<0.05)。

表2 單因素方差分析的檢驗結果

3.3 氣體濕度對嗅覺檢測性能的分析

在乙烯體積分數為0.05%和傳感器加熱電壓為5.0 V的條件下，為了研究氣體濕度對嗅覺檢測性能的影響，將相對濕度30%的氣體通入加濕器使其相對濕度增大至75%。表3是在載氣流速50 mL/min，加熱電壓5.0 V的條件下，加濕前后傳感器靈敏度S、響應時間tres和恢復時間trec的相對變化。

表3 氣體加濕前后傳感器靈敏度、響應時間和恢復時間的相對變化

由表3可知，樣本氣體經加濕后，傳感器靈敏度S均存在下降趨勢，其中，TGS2620降幅最大(5.310)，TGS2600降幅最小(1.354)。由參考文獻[16]可知，在敏感材料表面氧吸附點數量一定的情況下，水分子和待測氣體分子在表面上的吸附、解吸附存在競爭關系，因此樣本氣體相對濕度由30%增加至75%后，傳感器響應時間tres和恢復時間trec延長。

為了分析傳感器工作在體積分數為0.05%時，氣體加濕前后的靈敏度S、響應時間tres和恢復時間trec是否具有顯著性差異，本試驗對上述特征參數進行配對T檢驗(顯著水平P=0.05)，其檢驗結果如表4所示，由表4可知，加濕前后的傳感器靈敏度S、恢復時間trec均具有顯著性差異(P<0.05)，但響應時間tres不具有顯著性差異(P>0.05)，濕度對嗅覺檢測的S和trec的影響必須考慮，但對tres的影響可忽略。

表4 加濕前后傳感器靈敏度、響應和恢復時間的配對T檢驗P值統(tǒng)計結果

4 結束語

本文研制的仿生嗅覺檢測系統(tǒng)，可實現對嗅覺檢測工作參數的設置和過程控制，利用該檢測系統(tǒng)對影響系統(tǒng)性能的氣體體積分數、傳感器加熱電壓以及氣體濕度等控制參數進行了分析，其中檢測系統(tǒng)的靈敏度與氣體體積分數呈正相關關系，隨氣體體積分數的遞增呈非線性分布；檢測系統(tǒng)的靈敏度與傳感器加熱電壓呈正相關關系，響應時間和恢復時間與加熱電壓呈負相關關系；增加氣體濕度會降低檢測系統(tǒng)的靈敏度，并且還會延長響應時間和恢復時間。故該檢測系統(tǒng)工作在氣體體積分數為0.05%，傳感器陣列加熱電壓為5.0 V和氣體相對濕度為30%時，系統(tǒng)的性能較好。

綜上所述，優(yōu)化試驗控制參數不僅可以提高基于恒流的仿生嗅覺檢測系統(tǒng)的靈敏度，也可以縮短樣本測試周期。該研究可為仿生嗅覺檢測系統(tǒng)的應用提供一定的技術支撐，另外，本研究所選濕度只有30%和75%兩種狀態(tài)，其不同梯度的濕度對嗅覺檢測響應的影響有待進一步研究。