面向车内气味评价的电子鼻富集装置研究

摘要

车内空气污染的主要来源是新车内饰释放的挥发性有机物（volatile organic compounds,VOCs）。目前车内气味检测方法存在成本高、检测速度慢等缺点，因此开发一套低成本且能够准确、快速检测车内气味的系统具有重要意义。电子鼻具有成本低、检测速度快等优点，但汽车内饰挥发的VOCs气体的浓度普遍低于目前电子鼻的检测下限。富集装置是一种将气体中目标物质的浓度提高一定倍数的仪器，配合电子鼻能够实现车内气味检测与评价。本文以车内气味评价为应用背景，对电子鼻富集装置进行了重点研究。本文完成的主要工作如下：　　（1）详细分析了富集的工作原理，设计并验证了富集装置气路结构。在对现有可行富集原理调研的基础上，选用了稳定可靠的吸附解吸附的方法，即通过低温吸附高温解吸附实现富集。采用的吸附剂是对VOCs敏感的活性炭和Tenax-TA的混合材料。设计了富集装置的气路结构，并通过计算流体力学仿真软件Fluent验证了其合理性。　　（2）搭建了富集装置的系统，并研究了富集后高温气体的降温方法。基于STM32系列微控制单元完成了富集装置软硬件系统搭建，实现了富集的功能，并能够与电子鼻配合运行。针对富集后气体温度过高的问题设计了散热铝管水冷降温模块，保证了电子鼻检测数据的准确性。同时提出了富集装置温度补偿方法，有利于仪器的便携性发展，从算法的角度实现了富集后高温气体的温度补偿。　　（3）针对具有富集功能的电子鼻设计了新型气室，并通过实验验证了其优越性。为了降低电子鼻气室中空气对富集后少量高浓度气体的稀释作用，在已有电子鼻气室的基础上根据传感器阵列的结构设计了新型气室，减小内部气流空间。通过Fluent对所设计的气室进行仿真验证，最后通过实验从电子鼻检测效果、气室重复性以及分类效果三个方面验证了新型气室优于传统气室。　　（4）基于主客观评价方法验证了具有富集功能的电子鼻用于车内气味评价的可行性。选用了6种主要引起车内气味的内饰材料进行了车内气味评价实验探索。基于气味等级主观评价标签、材料部件标签以及富集后电子鼻的检测数据建立车内气味评价数据库，并进行车内气味评价模型训练。最后验证了富集装置配合电子鼻用于车内气味评价具有较好的效果。

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