張銳敏　盧佩　周濤　鐘福如

摘 要：在研究電子鼻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，文中利用金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器組成傳感器陣列，結(jié)合虛擬儀器LabVIEW平臺(tái)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和分析功能，設(shè)計(jì)了一種性價(jià)比較高的電子鼻系統(tǒng)。完成了以傳感器陣列為基礎(chǔ)的采集電路設(shè)計(jì)，及基于NI數(shù)據(jù)采集卡、虛擬儀器數(shù)據(jù)采集和分析平臺(tái)的設(shè)計(jì)。最后利用電子鼻系統(tǒng)對(duì)蔬菜白粉虱病害進(jìn)行了測(cè)試。

關(guān)鍵詞：電子鼻；傳感器陣列；虛擬儀器；數(shù)據(jù)采集卡

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）03-0-02

0 引 言

電子鼻是根據(jù)仿生學(xué)原理，由傳感器陣列、檢測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)化模式識(shí)別系統(tǒng)所組成的電子儀器[1]。該儀器能夠分析、識(shí)別和檢測(cè)復(fù)雜氣味和大多數(shù)揮發(fā)性成分。由電子鼻檢測(cè)得到的不是被測(cè)樣品中某種或某幾種成分的定性與定量結(jié)果，而是得出樣品中揮發(fā)性成分的整體信息，這些信息被稱為樣品的“指紋”數(shù)據(jù)。利用電子鼻既能檢測(cè)特定氣體，又能評(píng)價(jià)混合氣體或揮發(fā)性化學(xué)成分。因?yàn)槠渚哂性诰€檢測(cè)速度快、靈敏度高、不會(huì)發(fā)生嗅覺疲勞、對(duì)樣品無(wú)需預(yù)處理、操作簡(jiǎn)單，并能夠得出樣品客觀的檢測(cè)結(jié)果等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已發(fā)展成為環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品質(zhì)量檢測(cè)、飲料以及農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)和加工等領(lǐng)域一項(xiàng)便捷的檢測(cè)技術(shù)[2]。

近年來(lái)，電子鼻技術(shù)受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。程紹明利用電子鼻對(duì)番茄苗的早疫病病害進(jìn)行了檢測(cè)和分析[1]。朱娜 等[3]利用電子鼻對(duì)草莓貯藏期常見的霉菌感染進(jìn)行了檢測(cè)。陳辰星等[4]利用傳感器、單片機(jī)搭建的電子鼻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)冰箱貯存食品新鮮度的檢測(cè)和識(shí)別。吳文娟等[5]利用傳感器陣列建立的電子鼻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)豬肉新鮮度的快速分類。因此，電子鼻在農(nóng)作物蟲害檢測(cè)、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)方面具有巨大的應(yīng)用潛力。目前，進(jìn)口的電子鼻產(chǎn)品價(jià)格昂貴，因此設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單、實(shí)用、低成本的電子鼻系統(tǒng)意義重大。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

電子鼻系統(tǒng)如圖1所示，主要由采集電路、信號(hào)處理電路、數(shù)據(jù)測(cè)量分析軟件三部分構(gòu)成[5]。

采集電路主要用來(lái)采集樣品的氣味信息，由傳感器陣列組成，在此我們選用了六種金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器。信號(hào)處理電路中主要利用金屬氧化物傳感器與待測(cè)樣品氣體接觸時(shí)電阻發(fā)生變化的特性，匹配電阻測(cè)量傳感器的響應(yīng)變化。響應(yīng)后的電壓值通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集，數(shù)據(jù)采集卡選用美國(guó)NI公司研發(fā)的16通道高速PCI采集卡6023E。采用NI的LabVIEW2015開發(fā)平臺(tái)開發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)測(cè)量平臺(tái)軟件。

2 硬件設(shè)計(jì)

氣體采集單元選擇六種MOS傳感器組成的傳感器陣列，型號(hào)和性能特點(diǎn)見表1所列。

3 軟件設(shè)計(jì)

為縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，并方便觀察以及對(duì)數(shù)據(jù)的后續(xù)處理，系統(tǒng)軟件采用LabVIEW開發(fā)平臺(tái)。LabVIEW不僅為數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析和處理等提供了方便快捷的函數(shù)，同時(shí)也為數(shù)據(jù)保存提供了多種格式的數(shù)據(jù)保存方案。

電子鼻數(shù)據(jù)測(cè)量分析軟件的主要功能是設(shè)置數(shù)據(jù)采集參數(shù)，包括采樣信號(hào)幅值，采樣通道，采樣周期，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置等參數(shù)的設(shè)定。此外，還可對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，包括數(shù)值顯示和曲線顯示?？紤]到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，在設(shè)計(jì)中設(shè)置了八個(gè)通道的數(shù)據(jù)采集和顯示功能。軟件設(shè)計(jì)前面板和程序框圖如圖3和圖4所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

電子鼻系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后對(duì)感染了白粉虱病害的蔬菜苗進(jìn)行了檢測(cè)和分析，共進(jìn)行了3批次共計(jì)30個(gè)樣品的檢測(cè)。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，系統(tǒng)比較穩(wěn)定，操作方便。能夠完成對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，并可將實(shí)時(shí)采集的信號(hào)以圖形化方式顯示，保存數(shù)據(jù)。這為進(jìn)一步利用模式識(shí)別方法對(duì)蔬菜病害分類提供了基礎(chǔ)[6，7]，可進(jìn)行基于電子鼻技術(shù)的蔬菜病害無(wú)損檢測(cè)方法的研究。

參考文獻(xiàn)

[1]程紹明.基于電子鼻技術(shù)檢測(cè)番茄種子發(fā)芽率和種苗病害的可行性研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2011.

[2]朱娜，毛淑波，潘磊慶，等.電子鼻對(duì)草莓采后貯藏早期霉菌感染的檢測(cè)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（5）：266-273.

[3]張嘉琪，冀大選，李杰一，等.基于LabVIEW平臺(tái)的電子鼻系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015，34（5）：92-94.

[4]陳辰星，鄒瑩暢，張希，等.冰箱貯存食品新鮮度檢測(cè)與識(shí)別的智能電子鼻設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41（4）：77-80.

[5]吳文娟，方向生，蔡強(qiáng)，等.基于氣敏傳感器陣列和PCA的豬肉新鮮度快速分類方法[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23（11）：1536-1540.

[6]趙萬(wàn)，梅笑冬，朱哲，等.基于LabVIEW和PCA分析方法的電子鼻設(shè)計(jì)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2013，31（2）：147-151.

[7]梁子躍，楊昊，黃燦燦，等.電子鼻的混合氣體分類研究[J].中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，28（3）：388-393.

[8]于慧春，彭盼盼，殷勇，等.電子鼻融合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)玉米赤霉烯酮和黃曲霉毒素B1含量模型研究[J].中國(guó)糧油學(xué)報(bào)，2017，32（5）：117-121.