基于载气模式的电子鼻系统构建及应用研究

摘要

电子鼻技术是近年来发展起来的一个科研领域，它涉及化学、材料学、电子技术、多信息融合、模式识别和计算机技术等多种学科，它由气体传感器阵列、信号处理系统和模式识别系统组成，具有识别单一气体和复杂气味的能力，电子鼻的研究与应用一直是一个热点。
　　本课题以电子鼻稳定性改进为目标，从气体进样方式的优化出发，设计了一套基于载气模式的电子鼻系统（以下简称载气模式电子鼻）。本文从载气模式电子鼻的构建、优化和应用三个方面进行讨论。
　　(1)载气模式电子鼻的构建包括硬件设计和软件设计两个方面。在硬件设计方面可以分为载气进样气路系统、气敏传感器气室、测试电路和信号采集系统这四部分。具有稳压稳流作用的载气进样气路系统的搭建、传感器气腔的优化、气敏传感器阵列的选择、测试电路的构建和信号采集系统的构建是载气模式电子鼻硬件系统构建的主要内容。在软件设计方面，设计了一个基于Matlab为开发平台的智能感官分析检测软件，该软件可以实现载气模式电子鼻信号的采集、显示、存储。
　　(2)载气模式电子鼻性能参数的优化，主要包括清洗、操作参数和数据预处理三个方面的优化。
　　从清洗优化的角度来说，使用了溶剂法对载气模式电子鼻进行清洗。这种清洗优化方式在基线信号的稳定性和响应信号的稳定性上明显优于以前的清洗方式，并在一定程度上节约了清洗时间，提高了载气模式电子鼻的使用效率。
　　在参数优化方面，采用全因子实验设计和内切中心复合设计探讨了在一定范围内的三个操作参数对响应信号和变异系数的影响。最终确定确定载气模式电子鼻的操作参数为进样量5ml、载气流速0.25L/min、载气气路温度75℃，其中进样量参数也可以根据实际样品情况进行适当调整。
　　在数据预处理方法优化上，采用基线处理方法和归一化处理对响应信号的稳定性与对样品的区分程度进行了讨论。最终确定了电压峰值相对法Vdata/Vo作为载气模式电子鼻的数据预处理方法。该数据预处理方法使响应信号具有较好的稳定性，同时对不同种类样品的区分程度也良好。
　　(3)在载气模式电子鼻的应用方面，为了验证载气模式电子鼻在检测实际样品时的可行性和可靠性，分别对标准气体样品、黄酒样品和奶制品样品进行了区分辨识度实验。在区分各类样品方面，结合主成分分析和DI值对区分效果进行判断。同时也比较了抽气式电子鼻与载气模式电子鼻对实际样品的区分效果。最后简单探讨了载气模式电子鼻与含有不同极性填充柱的载气模式电子鼻对实际样品的区分效果。

目录

摘要

第1章 引言

1．1 研究背景

1．2 电子鼻概述

1．2．1 电子鼻研究进展

1．2．2 电子鼻的仿生原理

1．2．3 电子鼻的关键技术

1．2．4 电子鼻在食品分析中的应用

1．3 课题来源、研究内容

1．3．1 课题来源

1．3．2 研究内容

第2章 载气模式电子鼻的构建

2．1 载气模式电子鼻的硬件设计

2．1．1 载气进样气路系统

2．1．2 气敏传感器气室

2．1．3 测试电路

2．1．4 信号采集系统

2．2 载气模式电子鼻的软件设计

2．3 载气模式电子鼻操作过程

2．4 载气模式电子鼻瞬态响应分析

2．5 本章小结

第3章 载气模式电子鼻的优化

3．1 实验背景

3．1．1 清洗对检测的影响

3．1．2 操作参数对检测的影响

3．1．3 基线信号的不稳定现象

3．1．4 响应信号的波动现象

3．2 实验材料和方法

3．2．1 实验设备

3．2．2 实验材料

3．2．3 实验样品制备

3．2．4 实验步骤

3．3 载气模式电子鼻的清洗优化

3．3．1 实验设计方法

3．3．2 清洗优化结果与讨论

3．4 载气模式电子鼻的操作参数优化

3．4．1 实验设计方法

3．4．2 操作参数优化结果与讨论

3．5 载气模式电子鼻的数据预处理优化

3．5．1 数据预处理方法

3．5．2 实验方法

3．5．3 数据预处理优化结果与讨论

3．6 本章小结

第4章 载气模式电子鼻的应用

4．1 实验材料与方法

4．1．1 实验设备

4．1．2 实验材料

4．1．3 实验样品制备

4．1．4 实验参数设置

4．1．5 实验步骤

4．2 数据处理方法

4．3 载气模式电子鼻的区分评价

4．4 抽气式电子鼻与载气模式电子鼻的比较

4．5 不同极性填充柱的载气模式电子鼻比较

4．5．1 含有填充柱的载气模式电子鼻搭建

4．5．2 结果与讨论

4．6 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

声明