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(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長沙 410004)

0 引言

氣味檢測在食品工業(yè)領(lǐng)域具有重要意義，傳統(tǒng)鑒別食品及農(nóng)副產(chǎn)品氣味的方法主要包括感官評(píng)價(jià)和化學(xué)分析，其中感官評(píng)價(jià)結(jié)果容易受到個(gè)人主觀因素影響，準(zhǔn)確性低，重復(fù)性差；化學(xué)分析有質(zhì)譜法、氣相色譜法、火焰離子化檢測等，雖然上述檢測方法應(yīng)用廣泛，但是其檢測步驟繁瑣，儀器昂貴，很難適應(yīng)于快速、簡便、無損的行業(yè)要求[1]。隨著人類對(duì)鼻腔結(jié)構(gòu)、嗅覺識(shí)別過程研究的逐步深入以及傳感器技術(shù)的發(fā)展，仿生嗅覺檢測技術(shù)日趨成熟。根據(jù)文獻(xiàn)[2-6]，已有不少學(xué)者對(duì)仿生嗅覺技術(shù)作了深入的研究，并且經(jīng)多年發(fā)展，其已逐步應(yīng)用在食品、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。

在已有的仿生嗅覺檢測系統(tǒng)研究中，控制參數(shù)通常是固定不變的，事實(shí)上與仿生嗅覺檢測系統(tǒng)的性能密切相關(guān)，例如氣體體積分?jǐn)?shù)、濕度和傳感器陣列加熱電壓等[7-9]。待測對(duì)象或控制參數(shù)的不同都會(huì)引起傳感器陣列響應(yīng)的差異，進(jìn)而影響仿生嗅覺的檢測性能。房家驊等[10]研究表明在乙醇?xì)夥罩袀鞲衅黛`敏度隨著氣體體積分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)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?jǐn)?shù)范圍內(nèi)的氨氣時(shí)，其靈敏度和濕度呈正相關(guān)關(guān)系；薛嚴(yán)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(duì)仿生嗅覺檢測系統(tǒng)的控制參數(shù)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(shù)提供參考。

考慮到上述研究方法很少涉及同時(shí)優(yōu)化分析上述3個(gè)參數(shù)對(duì)仿生嗅覺檢測系統(tǒng)性能的影響，故本文設(shè)計(jì)了一種仿生嗅覺檢測系統(tǒng)，并提供氣體體積分?jǐn)?shù)、濕度和傳感器加熱電壓控制接口，通過試驗(yàn)分析上述因素對(duì)基于動(dòng)態(tài)配氣的檢測系統(tǒng)性能的影響，確立其較佳控制參數(shù)。

1 仿生嗅覺檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)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(biāo)氣源、質(zhì)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(jì)等部件；電路部分主要包括嗅覺信號(hào)采集及調(diào)理電路、電磁閥控制電路、數(shù)據(jù)采集卡、上位機(jī)等。當(dāng)需要加濕待測氣體時(shí)，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(shè)計(jì)框架

檢測系統(tǒng)主要包含2個(gè)工作過程：嗅覺檢測和氣味清洗。嗅覺檢測過程：調(diào)節(jié)通過2個(gè)質(zhì)量流量控制器的高壓載氣和乙烯標(biāo)氣的流量，得到一定體積分?jǐn)?shù)的待測氣體，導(dǎo)通電磁閥2并關(guān)閉電磁閥1、3，使得待測氣體到達(dá)嗅覺檢測室，檢測室內(nèi)的傳感器陣列吸附一定量的待測氣體，進(jìn)而改變其導(dǎo)電率，并且通過嗅覺信號(hào)采集及調(diào)理單元采集、調(diào)理變化信號(hào)并將其傳送給計(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；氣味清洗過程：關(guān)閉電磁閥2并導(dǎo)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(nèi)的殘留氣體。

1.2 嗅覺檢測腔結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)選用的傳感器陣列由8個(gè)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(duì)樣本氣體實(shí)施檢測的同步性和均勻性，同時(shí)，也為保證樣本氣體與傳感器充分接觸，減小響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間。嗅覺檢測腔的結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖2(a)為檢測腔的三維結(jié)構(gòu)，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(nèi)徑為4 mm，圖2(b)為三維結(jié)構(gòu)在A處的截面，樣本氣體由上通道(內(nèi)徑4 mm)進(jìn)入檢測腔，分成8個(gè)獨(dú)立支路(管道內(nèi)徑2 mm)流向各傳感器，與傳感器接觸反應(yīng)后通過導(dǎo)流通道(內(nèi)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(jié)構(gòu) (b)A處的橫截面

1.3 嗅覺信號(hào)采集及調(diào)理單元

本試驗(yàn)選用的氣敏傳感器分別為TGS2620、TGS2610、TGS2600和TGS2611，設(shè)計(jì)的嗅覺信號(hào)采集及調(diào)理單元的電路如圖3所示。

圖3 嗅覺信號(hào)采集及調(diào)理單元的電路

該電路主要包含3個(gè)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(shí)現(xiàn)電路的開啟和關(guān)閉，進(jìn)而改變傳感器的實(shí)際加熱電壓。匹配電路中敏感電阻RS值可以根據(jù)負(fù)載電阻RL的電壓測量值計(jì)算得到，即將不易測量的敏感電阻的變化信號(hào)轉(zhuǎn)換成容易測量的電信號(hào)，與負(fù)載電阻RL串聯(lián)的電容可以濾掉信號(hào)中的噪聲。電壓跟隨器電路可以實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)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(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用LabVIEW作為軟件開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集及存儲(chǔ)和特征參數(shù)提取等功能，其人機(jī)交互界面如圖4 所示，該人機(jī)交互界面主要包含按鍵控制、參數(shù)輸入和顯示部分，用戶可以設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)、選擇顯示的傳感器型號(hào)及數(shù)量，查看相應(yīng)的特征參數(shù)，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(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)因素選擇

為了分析氣體體積分?jǐn)?shù)、濕度及傳感器加熱電壓等因素對(duì)本檢測系統(tǒng)性能的影響，在本試驗(yàn)中，選用對(duì)傳感器陣列具有選擇性的乙烯氣體(標(biāo)氣)作為待測樣本以減少樣本的變異性。依據(jù)對(duì)選用的TGS系列氣敏傳感器的工況測試，在待測樣本體積分?jǐn)?shù)為0.002%～0.05%以及加熱電壓為3.0～5.0 V下，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)能有效檢測。選取氣體體積分?jǐn)?shù)、濕度及傳感器加熱電壓3個(gè)因素分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)，各因素取值如表1所示。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

乙烯氣體(標(biāo)氣)通過仿生嗅覺檢測系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)配氣部分被稀釋后，導(dǎo)通電磁閥2，關(guān)閉電磁閥1和3(圖1)，使稀釋后得到的待測氣體進(jìn)入嗅覺檢測腔，實(shí)現(xiàn)傳感器陣列對(duì)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(duì)連續(xù)90個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(時(shí)間間隔1 s)進(jìn)行擬合，倘若擬合數(shù)據(jù)的波動(dòng)量低于傳感器量程的5%有效檢測限，則結(jié)束嗅覺檢測過程，進(jìn)入氣味清洗過程，反之，則繼續(xù)。氣味清洗過程結(jié)束與否也采用上述方法確定。

本試驗(yàn)將氣體流量設(shè)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(diào)整的流量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)待測氣體的體積分?jǐn)?shù)較大范圍檢測。對(duì)氣體體積分?jǐn)?shù)、濕度以及傳感器陣列加熱電壓等進(jìn)行單因素試驗(yàn)，分析其對(duì)檢測系統(tǒng)性能的影響，優(yōu)選較佳試驗(yàn)控制參數(shù)。

2.3 檢測性能指標(biāo)及評(píng)價(jià)

響應(yīng)曲線雖能全面反映樣本的化學(xué)信息，但其維數(shù)高、不易量化[13]，故本試驗(yàn)采用基線值VN2、穩(wěn)定值Vgas、靈敏度S、響應(yīng)時(shí)間tres和恢復(fù)時(shí)間trec等特征參數(shù)來量化各傳感器之間的差異，圖6為嗅覺傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線及特征參數(shù)。圖6中基線值VN2是通入氮?dú)鈺r(shí)的傳感器響應(yīng)值，V；穩(wěn)定值Vgas是通入氮-乙烯混合氣體時(shí)的傳感器響應(yīng)值，V；響應(yīng)時(shí)間tres是通入氮-乙烯混合氣體后傳感器響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定值和基線值之差的10%～90%所需的時(shí)間，s；恢復(fù)時(shí)間trec是通入氮?dú)夂髠鞲衅黜憫?yīng)達(dá)到穩(wěn)定值和基線值之差的90%～10%所需的時(shí)間，s。

圖6 嗅覺傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線及特征參數(shù)

傳感器檢測性能評(píng)價(jià)指標(biāo)包含靈敏度S、響應(yīng)時(shí)間tres和恢復(fù)時(shí)間trec，靈敏度S計(jì)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(duì)待測氣體越敏感，選擇性越好；響應(yīng)時(shí)間tres和恢復(fù)時(shí)間trec越短，說明其響應(yīng)越迅速，可縮短測試周期。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 氣體體積分?jǐn)?shù)對(duì)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(duì)濕度30%的條件下不同氣體體積分?jǐn)?shù)時(shí)的傳感器靈敏度S變化曲線。

圖7 不同體積分?jǐn)?shù)時(shí)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?jǐn)?shù)呈正相關(guān)關(guān)系，其隨體積分?jǐn)?shù)的遞增呈非線性分布。其中，TGS2620傳感器工作在氣體體積分?jǐn)?shù)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(duì)氣體體積分?jǐn)?shù)變化較敏感；TGS2600傳感器在體積分?jǐn)?shù)0.002%～0.01%范圍，S上升速率較快，增幅為7.037，在體積分?jǐn)?shù)0.01%～0.05%，S上升緩慢，增幅為1.494，說明該傳感器對(duì)氣體體積分?jǐn)?shù)具有選擇性；TGS2610、TGS2611傳感器在上述氣體體積分?jǐn)?shù)范圍，其S變化在氣體體積分?jǐn)?shù)0.004%處出現(xiàn)拐點(diǎn)，體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)變化對(duì)其靈敏度S影響較小。在體積分?jǐn)?shù)0.05%時(shí)，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?jǐn)?shù)的變化對(duì)傳感器靈敏度S是否具有顯著影響，本試驗(yàn)對(duì)S進(jìn)行顯著水平P=0.05的單因素方差分析，分析結(jié)果顯示乙烯體積分?jǐn)?shù)的改變對(duì)傳感器靈敏度S具有顯著性影響(P<0.05)。

3.2 加熱電壓對(duì)嗅覺檢測性能的分析

乙烯體積分?jǐn)?shù)為0.05%下，為了研究傳感器加熱電壓對(duì)嗅覺檢測性能的影響，選取5個(gè)水平的傳感器加熱電壓進(jìn)行試驗(yàn)。圖8是在載氣流量50 mL/min，氣體相對(duì)濕度30%的條件下，不同加熱電壓對(duì)傳感器靈敏度S，響應(yīng)時(shí)間tres和恢復(fù)時(shí)間trec的影響。

(a)靈敏度

(b)響應(yīng)時(shí)間

(c)恢復(fù)時(shí)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(guān)關(guān)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(shí)，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(yīng)時(shí)間tres和恢復(fù)時(shí)間trec與加熱電壓呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，加熱電壓為5.0 V時(shí)，tres和trec最短，分布范圍分別為22～32 s、41～56 s。當(dāng)加熱電壓為3.0 V時(shí)，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(duì)檢測基線值增量傳感器量程的5%有效檢測限，可以認(rèn)為在加熱電壓下無法正常檢測，因此當(dāng)傳感器加熱電壓為5.0 V時(shí)，嗅覺檢測性能較好。當(dāng)加熱電壓從3.0 V增加至5.0 V時(shí)，反應(yīng)溫度逐漸升高，氣體與氣敏材料上吸附的負(fù)氧離子的化學(xué)反應(yīng)速率增加，并且負(fù)氧離子的消耗增加?；瘜W(xué)反應(yīng)速率增加會(huì)導(dǎo)致傳感器響應(yīng)時(shí)間tres和恢復(fù)時(shí)間trec縮短，負(fù)氧離子的消耗增加會(huì)導(dǎo)致靈敏度S增加[15]。

為了分析傳感器加熱電壓的變化對(duì)靈敏度S、響應(yīng)時(shí)間tres和恢復(fù)時(shí)間trec是否具有顯著影響，本試驗(yàn)對(duì)上述特征參數(shù)進(jìn)行單因素方差分析(顯著水平P=0.05)，其檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知，傳感器加熱電壓的改變對(duì)上述3個(gè)特征參數(shù)均具有顯著性影響(P<0.05)。

表2 單因素方差分析的檢驗(yàn)結(jié)果

3.3 氣體濕度對(duì)嗅覺檢測性能的分析

在乙烯體積分?jǐn)?shù)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(duì)嗅覺檢測性能的影響，將相對(duì)濕度30%的氣體通入加濕器使其相對(duì)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(yīng)時(shí)間tres和恢復(fù)時(shí)間trec的相對(duì)變化。

表3 氣體加濕前后傳感器靈敏度、響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間的相對(duì)變化

由表3可知，樣本氣體經(jīng)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(xiàn)[16]可知，在敏感材料表面氧吸附點(diǎn)數(shù)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(guān)系，因此樣本氣體相對(duì)濕度由30%增加至75%后，傳感器響應(yīng)時(shí)間tres和恢復(fù)時(shí)間trec延長。

為了分析傳感器工作在體積分?jǐn)?shù)為0.05%時(shí)，氣體加濕前后的靈敏度S、響應(yīng)時(shí)間tres和恢復(fù)時(shí)間trec是否具有顯著性差異，本試驗(yàn)對(duì)上述特征參數(shù)進(jìn)行配對(duì)T檢驗(yàn)(顯著水平P=0.05)，其檢驗(yàn)結(jié)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(fù)時(shí)間trec均具有顯著性差異(P<0.05)，但響應(yīng)時(shí)間tres不具有顯著性差異(P>0.05)，濕度對(duì)嗅覺檢測的S和trec的影響必須考慮，但對(duì)tres的影響可忽略。

表4 加濕前后傳感器靈敏度、響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間的配對(duì)T檢驗(yàn)P值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié)束語

本文研制的仿生嗅覺檢測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)嗅覺檢測工作參數(shù)的設(shè)置和過程控制，利用該檢測系統(tǒng)對(duì)影響系統(tǒng)性能的氣體體積分?jǐn)?shù)、傳感器加熱電壓以及氣體濕度等控制參數(shù)進(jìn)行了分析，其中檢測系統(tǒng)的靈敏度與氣體體積分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)關(guān)系，隨氣體體積分?jǐn)?shù)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(guān)關(guān)系，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間與加熱電壓呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；增加氣體濕度會(huì)降低檢測系統(tǒng)的靈敏度，并且還會(huì)延長響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間。故該檢測系統(tǒng)工作在氣體體積分?jǐn)?shù)為0.05%，傳感器陣列加熱電壓為5.0 V和氣體相對(duì)濕度為30%時(shí)，系統(tǒng)的性能較好。

綜上所述，優(yōu)化試驗(yàn)控制參數(shù)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(yīng)用提供一定的技術(shù)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(duì)嗅覺檢測響應(yīng)的影響有待進(jìn)一步研究。