一种嗅觉模拟仪器和多种气味定性定量同时分析方法

摘要

本发明一种嗅觉模拟仪器和多种气味定性定量同时分析方法，特点之一是，仪器由测试箱、顶空气体发生装置、计算机、洁净空气瓶所组成；特点之二是，气敏传感器阵列工作室、被测样品与顶空挥发气恒温温度为55±0.1℃，恒温过程只加热，不制冷，顶空挥发气容积为180毫升；特点之三是，气体顶空采样由测试箱的微型真空泵、电磁阀、节流阀、进样针、自动进样升降装置和计算机在5秒钟内自动完成；特点之四是，进样针孔直接与气敏传感器阵列工作室进气孔相通；特点之五是，多种气味定性定量同时分析方法由结构化的神经网络模块实现。本发明的嗅觉模拟仪器配置6个顶空气体发生装置，1小时可测量6个样品，具有自动化程度高、操作简便、测试成本低的优点。

说明书

技术领域

本发明—一种嗅觉模拟仪器与多种气味定性定量同时分析方法，涉及计算机、精密测量、自动控制、精密机械、分析化学、香料、食品领域。本发明主要解决气敏传感器阵列工作室和被测样品及其顶空挥发气精密恒温、大容量顶空挥发气产生、自动顶空采样、多种气味同时识别与浓度估计问题。

背景技术

嗅觉模拟仪器主要用于气味识别、气味强度定量分析及其关键成分浓度估计。

一个敏感的气敏传感器足以完成对一种单一气味的定性甚至定量分析任务。然而，只对一种气体敏感的气敏传感器时不存在的，现实世界里存在成千上万种气味，再考虑到环境温湿度的千变万化，使得多种气味的定性与定量分析成为一个亟待解决的难题。这方面的研究具有重要的理论意义和实用价值。从某种意义上讲，嗅觉模拟理论与实现方法，尤其是核心的气敏传感器阵列技术，就是为解决多种气味的同时定性与定量分析而提出的。

除良好的选择性之外，嗅觉模拟仪器必须具有必要的灵敏度、长期的重复性、长期的稳定性。研究表明，气敏传感器的灵敏度是一把双刃剑。灵敏度高固然可以对气味的微小变化产生较为明显的反映，但与此同时，环境变化及灵敏度过高产生的噪声也会大大影响气敏传感器感知结果的可信性。目前，单个气敏传感器最高灵敏度已达到亚ppb即10^-8级，这对常规测量已经够了。

随着气敏传感器阵列技术的出现，采用合适的模式识别方法，嗅觉模拟仪器可以具有良好的选择性。但是，嗅觉模拟实验研究目前只是对有限几种气味(更多的是2种)及其浓度的分析结果，与人们的要求和客观现实存在很大的差距。

长期重复性与长期稳定性是仪器的生命，一直是研究热点和难点。从某种意义上讲，我们宁愿牺牲一定程度的灵敏度，也要使仪器具有良好的长期重复性与长期稳定性。一种仪器如果没有长期重复性与长期稳定性，那么，所谓的灵敏度高也是假的。

本发明采用技术成熟、商品化程度高的，以SnO₂为代表的金属氧化物半导体(Metal oxidesemiconductor，MOS)型气敏传感器组成气敏传感器阵列。MOS型气敏传感器存在自身体积大、自身形成热源这两个主要缺点，这就意味着要着力解决大容量气体顶空采样装置的实现和气敏传感器阵列自身工作状态的稳定问题。

嗅觉模拟仪器对多种气味进行定性与定量分析的前提条件之一是，对某种液态、固态或膏状呈香物质，只要其成分与浓度不变，在任何环境下，其产生的顶空挥发气组成成分与浓度也应保持不变。一种呈香物质在低温下可能没有气味，当温度升高到一定程度时就有气味，这说明温度对气味强弱的影响很大。因此，要使液态、固态或膏状呈香物质在任何环境下产生的顶空挥发气成分及浓度保持不变，必须对顶空气体发生装置内部温度进行精密控制。

嗅觉模拟仪器对多种气味进行定性与定量分析的前提条件之二是，无论何人，无论何时何地，对同一种呈香物质进行多次测量，都应得到同样的结果。这一方面是要求尽量减少操作误差，另一面是要求尽量减少除气敏传感器自身原因之外的仪器内部的长期稳定性和误差。这就需要解决仪器内部尤其是气敏传感器阵列工作室内部工作状态的稳定性问题和自动顶空采样问题。

气相色谱仪目前主要靠人工注射进样，测试结果与操作人员的熟练程度关系很大。为了减少操作误差，国内外气相色谱仪生产厂家多年来一直致力于研制自动进样装置。气相色谱仪器分析气体样品的方法之一是采用顶空气体采样装置；方法之二是采用气态样品收集—富集—冷凝—注射器采样的预处理过程。专为气相色谱仪配套的商品化的顶空气体采样装置，如7694E、HS40X1等，其样品瓶最大容量仅20毫升，不能满足嗅觉模拟仪器的要求。样品瓶容积小，可被吸入到气敏传感器工作室内的有效气体量就小，其结果是气体在气敏传感器工作室内被大大稀释，相当于降低了气敏传感器的检测下限和灵敏度。商品化的顶空采样装置还存在价格高、结构复杂、体积大、操作繁琐问题，例如，7694E型顶空采样装置的单台售价10万人民币以上。从嗅觉模拟仪器自身的要求而言，自动顶空采样装置应是仪器的一个组成部分，只有这样，嗅觉模拟仪器才能实现实时化、现场化、对测试环境要求不高的初衷。

一个气敏传感器自身是一个热源，气敏传感器阵列是多个气敏传感器同时工作，也就是说，多个工作热源产生的热量将累积起来，从而造成机器嗅觉仪器工作状态的不稳定，这对保持机器嗅觉仪器的长期重复性与长期稳定性是十分不利的。在发明专利《一种机器嗅觉装置及其嗅觉模拟测试方法》(参见专利申请号：02111046.8)和发明专利《一种小型自动化机器嗅觉仪器与气味分析方法》(参见专利申请号：200710036260.4)里，我们已经指出，采用气敏传感器阵列环形工作室的优点是使得多个气敏传感器同时工作时热量分散。但是，直接将7芯陶瓷插座胶结在气敏传感器阵列环形工作室内部会致使环形工作室容积不能有效减小，去掉7芯陶瓷插座又会影响到气敏传感器自身的灵敏度和连接线路的可靠性。单个气敏传感器体积较大，气敏传感器阵列工作室容积应尽可能小和散热性尽可能好，如何解决这些矛盾，是本发明要解决的重要问题之一。

综上所述，本发明要解决的关键技术问题是，(1)如何以仪器内部的“不变”应对外部环境的“万变”，即如何实现仪器内部工作温度的精密控制；(2)大容量顶空挥发气发生装置的实现和被测样品与顶空挥发气的精确恒温；(3)研制自动顶空采样装置，以消除人为操作误差；(4)为配合仪器内部工作温度的精密控制，解决内部累积的热量的散发问题；(5)如何使气体流动管道尽可能短，减少气味分子的残留空间；(6)如何实现气味与气敏传感器敏感膜、气敏传感器工作室和管道内壁的瞬间接触，以便于气敏传感器的快速恢复和残留气味分子的去除；(7)多种气味定性定量同时分析的模式识别模型与程序实现方法。

发明内容

本发明是在现有的发明专利《一种小型自动化机器嗅觉仪器与气味分析方法》(参见专利申请号：200710036260.4)和《一种并—串联模式识别方法及其在机器嗅觉中的应用》(申请号：200710042607.6)的基础上，为使对多种液态、固态或膏状呈香物质的测试与分析结果具有良好的选择性、长期重复性与长期稳定性而提出的一种嗅觉模拟仪器与多种气味定性定量同时分析方法。本发明的嗅觉模拟仪器具有体积小、顶空挥发气体积大、恒温精度高、自动化程度高、长期重复性与长期稳定性好、分析速度快、使用简便的优点。

为了实现上述目的，本发明—一种嗅觉模拟仪器由测试箱、顶空气体发生装置、计算机、洁净空气瓶所组成。

测试箱与计算机通过信号传输与控制电缆相连接；测试箱与洁净空气瓶通过气体管道相连接；测试箱内的气敏传感器阵列感知气味的变化，得到多路模拟信号；计算机将气敏传感器阵列对气味感知产生的多路模拟信号转化成多路数字信号，据此对气味进行定性定量分析；洁净空气使气敏传感器阵列在稳定的气体状态基础上进行多次测量。

顶空气体发生装置通过电源和信号传输电缆与测试箱相连接，用于加热液态、固态或膏状被测样品以产生大容量顶空挥发气；在计算机和测试箱的控制下，被测样品和顶空挥发气的温度恒定在55±0.1℃。

气体顶空采样前，操作人员将顶空气体发生装置固定在测试箱内自动进样升降装置的支撑圆盘上；气体顶空采样时，顶空气体发生装置在自动进样升降装置的推动下上升，固定在测试箱内恒温箱上的进样针因而刺穿顶空气体发生装置的硅橡胶密封片而接触到顶空挥发气；气体顶空采样结束后，操作人员从支撑圆盘上松开并移走样品被测过的顶空气体发生装置，装入新的顶空气体发生装置，为下一次测量作准备。

测试箱由恒温箱、自动进样升降装置、真空泵、二位二通电磁阀3，二位二通电磁阀4、二位二通电磁阀5、流量计、四路直流稳压电源、驱动与控制电路、节流阀7、节流阀8所组成；其中，恒温箱由气敏传感器阵列、气敏传感器阵列环形工作室、进样针、进样针接头、外六角螺母、隔热圆盘、电阻加热丝、温度传感器、风扇、隔热层所组成；恒温箱固定在测试箱箱体上。

气敏传感器阵列由16个性能彼此重叠且互不相同的气敏传感器所组成，感知气味的变化，产生16路模拟响应电压信号；气敏传感器阵列环形工作室由传感器座和传感器盖通过内六角螺钉固定在一起而形成，并由2个O型密封圈形成封闭的环形内腔，放置16个气敏传感器；环形内腔平均直径为140毫米，断面尺寸为20毫米×16毫米；传感器座沿平均直径为140毫米的环形内腔均布有18个通孔，其中16个为7芯陶瓷插座的安装孔，2个为进气孔和出气孔；进气孔与出气孔相邻，中间由隔板隔开，从而强迫被测气体绕气敏传感器阵列环形工作室流动；商用的7芯陶瓷插座用无味粘合剂胶结在传感器座的安装孔上，并通过导线与测试箱的四路直流稳压电源和驱动与控制电路相连接；气敏传感器直接插在7芯陶瓷插座上。

进样针接头直接固定在气敏传感器阵列环形工作室进气孔下方；进样针为孔径为1.0毫米的医用注射针，通过外六角螺母固定在进样针接头上，达到进气气路尽可能短的目的；进样针与进样针接头之间通过锥度相互契合在一起；更换进样针的步骤为，①取下固定在恒温箱上的隔热圆盘，②拧下固定进样针的外六角螺母，③取下旧的进样针，④换上新的进样针，⑤拧上外六角螺母，⑥装上隔热圆盘。

气敏传感器阵列环形工作室的排气孔与二位二通电磁阀3和5、二位二通电磁阀5与洁净空气瓶、二位二通电磁阀3和真空泵、真空泵与节流阀7和二位二通电磁阀4、节流阀7和二位二通电磁阀4与流量计、二位二通电磁阀5与节流阀8、节流阀8与洁净空气瓶，均通过气体管道相连接；被测气体从进样针进入气敏传感器阵列环形工作室，并依次流过二位二通电磁阀3、真空泵、节流阀7、流量计，最后通过气体管道的废气排出口排出到大气中。

气敏传感器阵列环形工作室、一部分进样针均固定在温度为55±0.1℃的恒温箱内；恒温箱内部由电阻加热丝加热，风扇使箱内温度均匀，隔热层防止热量向外散发，温度传感器检测温度的变化；恒温箱的恒温过程只制热，不制冷。

自动进样升降装置由步进电机、齿轮29、齿轮30、螺母、螺杆、支撑圆盘、导向杆、球轴承、轴承座、底座、限位开关、内隔套、外隔套、内卡簧、外卡簧所组成，齿轮29固定在步进电机轴上，齿轮30与螺母固定在一起，螺杆与支撑圆盘固定在一起，轴承座固定在底座上，底座和限位开关固定在测试箱箱体上。

自动进样升降装置的齿轮29为45号优质碳素钢材料，齿轮30和螺杆为非金属材料，支撑圆盘和螺杆为铝合金材料；自动进样升降装置在长期工作过程中不加润滑油，不产生噪声。

在计算机的控制下，自动进样升降装置的步进电机通过齿轮29使齿轮30旋转，与齿轮30固定在一起的螺母因而旋转，从而使得螺杆和支持圆盘一起作上升下降运动；螺杆和螺母的螺距为3毫米，支撑圆盘在3秒钟内上升20毫米，在3秒钟内下降20毫米。

顶空气体发生装置由玻璃样品瓶、电阻加热丝、导热层、隔热层、2个温度传感器、杯盖、硅橡胶密封片、杯外套、杯底圆盘、卡爪、6芯电缆所组成；导热层由铝合金导热套和铝合金导热圆盘固定在一起而形成，电阻加热丝缠绕在铝合金导热圆盘底部和铝合金导热套上，铝合金导热圆盘下部铝合金导热套外表面上部分别固定一个温度传感器，玻璃样品瓶放置于导热层内部的铝合金导热圆盘之上；电阻加热丝产生的热量通过铝合金导热圆盘和铝合金导热套将玻璃样品瓶内的被测样品加热，隔热层和杯盖共同防止热量散发，硅橡胶密封片防止玻璃样品瓶内的顶空挥发气外泄。

顶空气体发生装置内被测样品和顶空挥发气恒温温度为55±0.1℃，固定于铝合金导热圆盘下部和铝合金导热套外表面上部的2个温度传感器检测玻璃样品瓶内的温度变化；若2个温度传感器的温度测量平均值高于55℃，则计算机通过信号传输与控制电缆使电阻加热丝断电；若该温度测量平均值低于55℃，则计算机通过信号传输与控制电缆使电阻加热丝通电；因此，即使环境温度达到45℃，该顶空气体发生装置仍只制热，不制冷。

容量为180毫升的玻璃样品瓶和硅橡胶密封片均从市场上购得，每个玻璃样品瓶和硅橡胶密封片只使用一次，不产生交叉感染。

顶空气体发生装置的杯底圆盘底部沿直径方向的2个卡爪与自动进样升降装置的支撑园盘沿直径方向的2个卡槽契合；气体顶空采样前，操作人员先将2个卡爪对准2个卡槽，然后旋转顶空气体发生装置5°，杯底圆盘就与支撑圆盘固定在一起，且两者垂直中心重合；反之，操作人员可快速从支撑圆盘上取走顶空气体发生装置；顶空气体发生装置与支撑圆盘的固定或取走过程均可在10秒内完成。

气体顶空采样时，在计算机的控制下，支撑圆盘与顶空气体发生装置一起做上升下降运动，最大垂直位移为20毫米；顶空气体发生装置上升时，固定在气敏传感器阵列环形工作室进气孔下方的进样针因而刺穿玻璃样品瓶上的硅橡胶密封片，从而接触到顶空挥发气。

四路直流稳压电源的电压分别为5V、10V、12V和36V；其中，5V为16个气敏传感器的加热电压，10V为气敏传感器的工作电压，12V为3个二位二通电磁阀、真空泵、风扇和步进电机的工作电压，36V为测试箱和顶空气体发生装置的加热电压；5V和10V为线性电源，12V和36V为开关电源。

真空泵以连续方式工作，计算机通过数据采集卡和信号传输与控制电缆控制二位二通电磁阀3、4和5的通电与断电，以分别控制气敏传感器阵列环形工作室与顶空挥发气、洁净空气和环境空气的通与断。

顶空挥发气采样体积为50毫升，由流量计和计算机精确计量；气体顶空采样时，在计算机、二位二通电磁阀3、4和5的作用下，洁净空气通道被断开，玻璃样品瓶内的顶空挥发气被真空泵抽吸，经由进样针，以600毫升/分钟的流量流经气敏传感器阵列环形工作室，然后从废气排出口排放到大气中。

在计算机的控制下，通过二位二通电磁阀3、4与5和节流阀7与8的转换与控制，使得玻璃样品瓶内顶空挥发气采样流量为600毫升/分钟，洁净空气流量为600毫升/分钟，环境空气流量分别为600毫升/分钟和6000毫升/分钟；流量为6000毫升/分钟的环境空气冲洗，一是使气敏传感器快速初步恢复；二是带走气敏传感器阵列环形工作室内16个气敏传感器同时工作时累积产生的热量；三是冲走吸附在气敏传感器阵列环形工作室和气体管道内壁上的气味分子。

洁净空气以600毫升/分钟，通过气体管道、节流阀8和二位二通电磁阀5从出气孔反向吹入气敏传感器阵列环形工作室，并最终从进样针排出到大气中，从而使16个气敏传感器在多次采样时均处在重复的稳定状态。

插在计算机主板上的数据采集卡用16位A/D转换将气敏传感器阵列对气味感知得到的16路模拟信号转换为16路数字信号；这16路数字信号作为一个数据文件保存在计算机硬盘上，是嗅觉模拟仪器对气味进行定性定量分析的依据；被记录数据的时间长度为60秒。

计算机用结构化的神经网络模块软件对多种气味同时进行定性定量分析；一个样本是一个气味样品的数字化特征表示，是气敏传感器阵列的响应；一个神经网络模块的结构是单输出单隐层的；一对神经网络模块代表一种气味，其中，前一个神经网络模块负责识别一个样本是否来自所代表的气味，在确认“是”的前提下，后一个对应的神经网络模块负责估计该样本的强度和浓度；神经网络模块的对数等于气味的类别数，一一对应；决策时，负责识别的所有神经网络模块中，输出值最大的神经网络模块决定着一个样本及其对应的气味样品的类别。

嗅觉模拟仪器对多种气味进行定性定量同时分析，包括以下步骤：

(1)、开机，仪器预热30分钟，二位二通电磁阀3和4接通，二位二通电磁阀5断开，在真空泵的抽吸作用下，环境空气通过进样针以6000毫升/分钟的流量流过气敏传感器阵列环形工作室；计算机将第30分钟末时气敏传感器阵列对环境空气的响应记为初始状态；

(2)、操作人员先将10毫升液态、固态或膏状被测样品放入容积为180毫升的玻璃样品瓶内，然后将该玻璃样品瓶放入顶空气体发生装置的导热套内，盖上硅橡胶密封片，然后拧紧杯盖；按下计算机键盘上的确认键，被测样品开始被加热，恒温开始计时；被测样品在电阻加热丝通过铝合金导热圆盘和铝合金导热套散发的热量的作用下，精确恒温30分钟；在此段时间内，操作人员将顶空气体发生装置固定在自动进样升降装置的支撑圆盘上；

(3)、在被测样品恒温30分钟后，二位二通电磁阀5接通，二位二通电磁阀3和4断开，洁净空气以600毫升/分钟的流量从排气孔倒流入气敏传感器阵列环形工作室，然后从进样针排出到大气中，历时40秒；在此过程中，气敏传感器阵列得以用洁净空气进行精确标定；

(4)、二位二通电磁阀3、4和5均断开，气敏传感器阵列进入5秒钟的平衡期；在此期间，气敏传感器阵列环形工作室内的气体处于静止状态，测试箱的自动进样升降装置在3秒钟内使顶空气体发生装置上升20毫米，固定在气敏传感器阵列环形工作室下方的进样针因此穿过硅橡胶密封片，接触到玻璃样品瓶内的顶空挥发气；

(5)、二位二通电磁阀3接通，二位二通电磁阀4和5均断开，真空泵将顶空挥发气以600毫升/分钟的流量经由进样针吸入气敏传感器阵列环形工作室，使之迅速掠过气敏传感器敏感膜表面，然后经过节流阀7从废气排出口排放到大气中；当顶空挥发气采样累积达到50毫升时，气体顶空采样过程结束；这一过程历时5秒钟；

(6)、在顶空挥发气流经气敏传感器阵列环形工作室的过程中，各个气敏传感器对被测气味产生敏感响应，这些敏感响应通过信号传输与控制电缆传送到计算机；计算机通过16位的数据采集卡得到一个16维响应向量，经结构化的神经网络模块软件分析处理后，10秒之内可得到被测气味样品类别、强度或关键成分浓度估计值，并通过计算机的显示器显示出来；

(7)、气体顶空采样过程结束后，气敏传感器阵列进入顶空挥发气流量逐渐减小与环境空气流量逐渐增大的过渡期，历时5秒；顶空气体发生装置在自动进样升降装置的作用下在3秒钟之内下降20毫米，进样针最终完全退出玻璃样品瓶；二位二通电磁阀3仍接通，二位二通电磁阀4和5仍均断开，真空泵将气体从进样针吸入气敏传感器阵列环形工作室；气体从最初600毫升/分钟的顶空挥发气逐渐过渡到最终600毫升/分钟的环境空气；

(8)、顶空挥发气逐渐减小与环境空气逐渐增大的过渡期结束后，二位二通电磁阀3和4接通，二位二通电磁阀5断开，真空泵以6000毫升/分钟的流量将环境空气从进样针吸入气敏传感器阵列环形工作室，历时240秒；在此期间内，操作人员取走样品被测过的顶空气体发生装置，更换样品和玻璃样品瓶，放置新的顶空气体发生装置；

(9)、重复(2)～(8)，进行多次采样，一个完整的采样过程持续295秒；

除步骤(2)和(8)外，整个过程在计算机的控制下由嗅觉模拟仪器自动完成。

一种嗅觉模拟仪器配置6个顶空气体发生装置，在1小时内测量6个样品。

与发明《一种小型自动化机器嗅觉仪器与气味分析方法》(参见专利申请号：200710036260.4)相比，本发明的嗅觉模拟仪器和多种气味定性定量同时分析方法具有结构更加简洁、气路更短、电磁阀从4个减少为3个、进样针孔直接与气敏传感器阵列环形工作室进气孔相通、6000毫升/分钟的环境空气冲洗时间更长、气体顶空采样自动化程度更高的特点。

附图说明

图1是本发明—一种嗅觉模拟仪器与多种气味定性定量同时分析方法—不采样时，嗅觉模拟仪器组成单元示意图。

图2是本发明—一种嗅觉模拟仪器与多种气味定性定量同时分析方法—采样时，嗅觉模拟仪器组成单元示意图。

图3是本发明—一种嗅觉模拟仪器与多种气味定性定量同时分析方法—嗅觉模拟仪器工作原理图。

图4是本发明—一种嗅觉模拟仪器—测试箱结构原理图。

图5是本发明—一种嗅觉模拟仪器与多种气味定性定量同时分析方法—在一个工作周期内，气体流量和气敏传感器响应变化情况图。

图6是本发明—一种嗅觉模拟仪器—自动进样升降装置结构图。

图7是本发明—一种嗅觉模拟仪器—顶空气体发生装置结构示意图。

图8是本发明—一种嗅觉模拟仪器—顶空气体发生装置组成元件相互位置示意图。

图9是本发明—一种嗅觉模拟仪器—气敏传感器阵列环形工作室2的气敏传感器安装剖面图。

图10是本发明—一种嗅觉模拟仪器—气敏传感器阵列环形工作室、进样针、图6所示的自动进样升降装置、图7所示的顶空气体发生装置在气体顶空采样时的位置与连接关系图。

图11是本发明—一种嗅觉模拟仪器—进样针更换方法示意图。

图12是本发明—一种嗅觉模拟仪器和多种气味定性定量同时分析方法—结构化的神经网络模块实现方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本发明—一种嗅觉模拟仪器不采样时的组成单元如附图1所示，其特点是，该仪器的4大组成单元为测试箱I、顶空气体发生装置II、计算机III、洁净空气瓶IV；测试箱I与顶空气体发生装置II之间通过6芯电缆相连接，其中2根为电源线，4根为信号传输线；测试箱I与计算机III之间通过37芯扁平电缆相连接，用于传输气敏传感器阵列的响应信号和计算机III通过数据采集卡发出的控制信号；测试箱I与洁净空气瓶IV之间通过气体管道相连接。

本发明—一种嗅觉模拟仪器采样时的组成单元如附图2所示，这时，一个顶空气体发生装置II固定在测试箱I内自动采样升降装置的支撑圆盘上，其它顶空气体发生装置II正处在被测样品和顶空挥发气的恒温过程中。

本发明—一种嗅觉模拟仪器与多种气味定性定量同时分析方法—嗅觉模拟仪器工作原理图如附图3所示，仪器的具体组成单元为，气敏传感器阵列1，气敏传感器阵列环形工作室2，二位二通电磁阀3，二位二通电磁阀4，二位二通电磁阀5，进样针6，节流阀7，节流阀8，流量计9，真空泵10，隔板11，电阻加热丝12，温度传感器13，风扇14，隔热层15，高精度四路直流稳压电源16，驱动与控制电路17，自动进样升降装置18、顶空气体发生装置19，箱体20；计算机主机21、插在计算机主板上的数据采集卡22、显示器23、洁净空气瓶24、气体管道25、用于电源与信号传输的6芯电缆26、用于信号传输与控制的37芯扁平电缆27为商用标准部件。气敏传感器阵列环形工作室均布有18个通孔，其中16个为7芯陶瓷插座的安装孔，2个为进气孔和出气孔；进气孔与出气孔相邻，中间由隔板隔开，从而强迫被测气体绕气敏传感器阵列环形工作室流动；气敏传感器直接插在7芯陶瓷插座上；

附图4给出的嗅觉模拟仪器—测试箱的结构原理图说明，恒温箱是测试箱的一个部件，由气敏传感器阵列1、气敏传感器阵列环形工作室2、隔板11、电阻加热丝12、温度传感器13、风扇14，隔热层15所组成，电阻加热丝12、温度传感器13、风扇14和进样针6的一部分位于由隔热层形成的恒温箱内。

考虑到环境温度最高时不需要制冷和电磁阀与粘合剂工作温度不宜太高这两个因素，恒温箱内部恒温温度设定为55℃。温度传感器13的测量范围及其灵敏度为0-100±0.1℃。当恒温箱内部温度超过55℃时，根据计算机21通过数据采集卡22和37芯扁平电缆27发出的指令，电阻加热丝12断电，恒温箱内部温度因而下降；反之，电阻加热丝12通电，恒温箱内部温度因而上升。因此，不论外部环境如何变化，恒温箱内部工作温度始终恒定为55±0.1℃。风扇14的作用是使得恒温箱内温度均匀，防止产生温度梯度。

附图5说明，本发明—一种嗅觉模拟仪器与多种气味定性定量同时分析方法，在一个工作周期内，气体流量和传感器响应变化情况如下：

①环境空气初步恢复阶段—在流量为6000毫升/分钟的环境空气的冲洗作用下，历时192秒，气敏传感器初步恢复到基准状态，操作人员在这段时间内向玻璃样品瓶注入被测样品，盖上硅橡胶密封片，拧紧杯盖，移走旧的并固定新的顶空气体发生装置；

②洁净空气标定阶段—流量为600毫升/分钟的洁净空气历时40秒的冲洗，使气敏传感器精确恢复到基准状态；

③平衡阶段—气敏传感器阵列环形工作室内气体不流动，历时5秒钟，顶空气体发生装置上升20毫米，进样针接触到顶空挥发气；

④气体顶空采样阶段—顶空挥发气以600毫升/分钟的流量掠过气敏传感器敏感膜表面，气敏传感器因此产生敏感响应，历时5秒钟；

⑤过渡阶段—顶空气体发生装置下降，进样针退出并逐渐脱离与顶空挥发气的接触，与此同时，环境空气从进样针进入气敏传感器环形工作室的流量从零逐渐加大到600毫升/分钟；

⑥环境空气冲洗阶段—在进样针完全脱离与顶空挥发气接触后，环境空气的流量从600毫升/分钟增加到6000毫升/分钟，气体管道和气敏传感器环形工作室内壁上残留的气味分子被冲走，气敏传感器阵列累积散发的热量被带走，气敏传感器初步恢复；与此同时，计算机给出被测气味类别、强度及关键成分含量的分析结果，操作人员为下一次测量作准备。

附图6给出了自动进样升降装置18的组成单元，包括步进电机28，齿轮29，齿轮30，螺杆31，螺母32，支撑圆盘33、导向杆34、球轴承35、轴承座36、底座37、限位开关38、内隔套39、外隔套40、内卡簧41、外卡簧42所组成，齿轮29固定在步进电机29的轴上，齿轮30与螺母32为同一个零件，螺杆31与支撑圆盘33为同一个零件，轴承座36固定在底座37上，底座37和限位开关38固定在测试箱箱体20上；导向杆34使支撑圆盘33只做上升下降运动，内隔套39、外隔套40、内卡簧41和外卡簧42使2个球轴承在固定位置旋转，轴承座36通过底座37与测试箱箱体20固定在一起；步进电机29也固定在底座37上，底座37的两个中心孔确定了齿轮29与齿轮30的中心距为45毫米；螺杆31与支撑圆盘33的最大垂直位移为20毫米。

齿轮29与齿轮30的模数为1，齿数分别为17和73，齿数比为17∶73，从而使得步进电机29能以较小的力矩驱动螺母32旋转并推动支撑圆盘33上升；螺杆31与螺母32的螺距为3毫米，支撑圆盘33可以在3秒钟内垂直移动20毫米；齿轮29为45号优质碳素钢材料，齿轮30和螺杆为非金属材料，支撑圆盘和螺杆为铝合金材料；自动进样升降装置18在长期工作过程中不加润滑油，不产生噪声。

请参见附图7，本发明—一种嗅觉模拟仪器—顶空气体发生装置19的组成单元为，容积为180毫升且为广口的玻璃样品瓶43，被测样品44，硅橡胶密封片45，电阻加热丝46，铝合金导热底盘47，铝合金导热套48，隔热层49，杯盖50，温度传感器51，杯外套52、卡爪53、杯底圆盘54、6芯电缆与插头26；被测液态、固态或膏状样品44在玻璃样品瓶43内产生顶空挥发气；杯底圆盘54固定在杯外套52的内侧，2个卡爪53沿直径方向焊接在杯底圆盘54上，2个卡爪与自动进样升降装置的支撑园盘沿直径方向的2个卡槽契合，用于使顶空气体发生装置19与自动进样升降装置18的支撑圆盘33的快速固定与脱开；气体顶空采样前，操作人员先将2个卡爪对准2个卡槽，然后旋转顶空气体发生装置5°，杯底圆盘就与支撑圆盘固定在一起，且两者垂直中心重合；反之，操作人员反向旋转顶空气体发生装置5°，可从支撑圆盘上快速松开并取走它；顶空气体发生装置与支撑圆盘的固定或取走过程均可在10秒内完成；

顶空气体发生装置19通过6芯电缆26与测试箱相连接，测试箱的36V直流电源产生的电能通过电阻加热丝46转换为热能；这些热能通过铝合金导热底盘47和铝合金导热套48传递给玻璃样品瓶43和被测样品44，两个温度传感器51感知被测样品的温度，温度的实时变化通过6芯电缆26、测试箱的驱动与控制电路17、37芯扁平电缆27和数据采集卡22传递到计算机21，计算机21据此对玻璃样品瓶43和被测样品44以及顶空挥发气的温度实施精密控制。

本发明采用商品化的180毫升的玻璃样品瓶和硅橡胶密封片，一次性使用，避免重复使用产生的交叉污染。考虑到环境温度最高时不需制冷这一前提条件，被测样品恒温温度设定为55±0.1℃。被测样品44恒温过程中产生的顶空挥发气由硅橡胶密封片45防止泄漏；气体顶空采样时，玻璃样品瓶43由自动进样升降装置18推动上升，固定在气敏传感器阵列环形工作室进气孔下方的进样针6因而穿硅橡胶密封片45接触到玻璃样品瓶43内的顶空挥发气；被测样品44的恒温时间同样由计算机21实施精密控制。

附图8显示了本发明—一种嗅觉模拟仪器—顶空气体发生装置19组成元件相互位置示意图；测试前，操作人员先将10毫升被测样品44移入广口的玻璃样品瓶43，并将玻璃样品瓶43放入铝合金导热底盘47之上即铝合金导热套48之内，再盖上硅橡胶密封片45，然后拧紧杯盖50，接通电源，恒温30分钟，最后将整个顶空气体发生装置19通过2个卡爪53固定在自动进样升降装置18的支撑圆盘33上。

请参见附图9，本发明—一种嗅觉模拟仪器—气敏传感器阵列环形工作室2的气敏传感器安装剖面图，其组成单元为传感器座55，传感器盖56，7芯陶瓷插座57，内六角螺钉58，O型密封圈59，O型密封圈60，无味粘合剂61。气敏传感器阵列工作室2为环形，内腔平均直径为φ140毫米，内腔断面尺寸为20毫米×16毫米；7芯陶瓷插座57通过无味粘合剂61粘结在材料为不锈钢的传感器座55上；内六角螺钉58将传感器座55、材料同样为不锈钢的传感器盖56、O形密封圈59和60连接在一起，再加上无味粘合剂61将7芯陶瓷插座57的引脚端全部封死，从而形成密封的气敏传感器阵列环形工作室。

尽管气敏传感器阵列由性能彼此重叠的16个TGS800系列的气敏传感器所组成，具体型号为TGS800、816、821、823、825、826、830、831、832、883T、812、813、822、824、842、880；但从几何形状看，该系列的气敏传感器只有2种尺寸；附图9上图的左剖面是金属外壳的耐热型的气敏传感器安装剖面，安装TGS800，816，821，823，825，826，830，831，832，883T；附图9上图的右剖面是塑料外壳的普通型气敏传感器安装剖面，安装TGS812，813，822，824，842，880；附图9上图左剖面的7芯陶瓷插座57是将右剖面商用的7芯陶瓷插座57的台阶磨掉后而得到，附图9下图给出了7芯陶瓷插座57改造前和改造后的结构，所以，传感器座55上的16个陶瓷插座安装孔的直径均为φ16毫米，请参见附图3。气敏传感器阵列环形工作室内壁抛光，以有效减少气味分子附着的可能性。

图10给出了气敏传感器阵列环形工作室2、进样针6、图6所示的自动进样升降装置18和图7所示的顶空气体发生装置19在气体顶空采样时的位置与连接关系图；进样针6由外六角螺母62固定在与传感器座55焊接在一起的进样针接头63上，进样针6与进样针接头63之间通过锥度相互契合在一起，从而实现了本发明提出“针不动瓶动”的采样方式；这种采样方式不仅使得自动采样装置的结构大大简化，而且使从进样针针口到气敏传感器阵列环形工作室的气路长度有效缩短，实现了采样过程的自动化；为方便进样针6的更换，本发明在恒温箱隔热层15的底部增加的一个隔热圆盘64。

请参见附图3、附图6、附图7和附图10，自动进样升降装置18使顶空气体发生装置19整体上升20毫米，固定在气敏传感器阵列环形工作室2进气孔下方的进样针6刺穿玻璃样品瓶43上的硅橡胶密封片45而接触到顶空挥发气；在真空泵10的抽吸作用下，顶空挥发气流经气敏传感器阵列环形工作室2；气敏传感器阵列1因而产生16路模拟信号，经计算机21主板上的高精度16位且16路的数据采集卡22的A/D转换，计算机21得到代表气味特征的16路数字信号；计算机21的结构化神经网络模块软件据此作出气味类别、强度或关键成分浓度的决策，并通过显示器23显示出来。

为避免反复开与关而造成流量波动和影响寿命，真空泵10采用连续工作方式。二位三通电磁阀3、4和5分别控制顶空挥发气、洁净空气、环境空气的开与断，从而控制气体流量的大小。当气体顶空采样时，洁净空气入口通过二位二通电磁阀5断开，二位二通电磁阀4也处于断开状态，二位二通电磁阀3接通，从而迫使顶空挥发气流经节流阀7；这时，在真空泵10的作用下，顶空挥发气以600毫升/分钟的流量流经进样针6、进气孔、气敏传感器阵列环形工作室2、气敏传感器阵列1、出气孔、二位二通电磁阀3、节流阀7、流量计9，最后从气体管道25的废气排出口排入大气。

气体顶空采样过程结束后，整个仪器进入过渡状态，请参见附图3、附图5和附图10，三个二位二通电磁阀保持不变，顶空气体发生装置19在自动进样升降装置18的作用下在3秒钟之内下降20毫米，直至进样针完全退出玻璃样品瓶，脱离与顶空挥发气的接触；在这个过程中，气体流量仍为600毫升/分钟，但真空泵10抽取的顶空挥发气越来越少，环境空气越来越多，直至完全为环境空气；这一转换过程得以实现，完全是由于实施了计算机精密控制技术。

请参见附图3和附图5，由于被测顶空挥发气只是瞬间流过进样针6、气敏传感器阵列环形工作室2和气体管道25，在历时均为5秒的气体顶空采样过程和过渡过程结束后，二位二通电磁阀4也接通，这时，环境空气以6000毫升/分钟的流量仍从进样针口流过气敏传感器阵列环形工作室，二位二通电磁阀3，二位二通电磁阀4，流量计7，最后通过气体管道25的废气排出口又排入到大气中，这一过程持续240秒。这样做的目的一是气敏传感器的快速恢复，二是进样针6、气体管道25和气敏传感器阵列环形工作室2内壁残留气味分子的冲洗，三是气敏传感器累积热量的带走。操作人员应在这段时间内将被测过的样品移开，就是移走旧的顶空气体发生装置19，并换上新的，进行新样品的测量。

附图11给出了本发明—一种嗅觉模拟仪器进样针更换方法示意图。在工作一段时间后，或由于气味残留过多、或由于针口磨损不够锋利，进样针需要定时更换。这时，操作人员可以依次取下隔热圆盘64、外六角螺母62和旧的进样针6，并换上新的进样针，然后再拧紧六角螺母62，固定好隔热圆盘64即可。进样针的更换过程就像医生更换注射器的针头一样方便快捷。

请参见图12，一种嗅觉模拟仪器和多种气味定性定量同时分析方法—结构化的神经网络模块由两列单输出单隐层的神经网络所组成，用于对多种气味进行定性定量分析；从水平方向看，一对神经网络模块代表一种气味，其中，前一个神经网络模块隐层节点数为s₁，负责识别一个样本是否来自所代表的气味，在确认“是”的前提下，后一个神经网络模块隐层节点数s₂，负责估计该样本的强度和浓度；神经网络模块的对数等于气味的类别数，一一对应；神经网络模块的基本学习算法为误差反传算法；负责气味定性分析的神经网络模块的学习样本子集由局部化的“一对所有”(One-against-all，OAA)分解方法产生，只有决策边界附近的训练样本参加学习；负责气味定量分析的神经网络模块的学习子集只由所代表的训练样本参加学习；学习因子为样本数的倒数，隐层节点数s₁和s₂在5～8之间选择；从垂直方向看，结构化神经网络模块由多个用于气味识别的神经网络模块列—第一列和多个用于气味浓度量化的神经网络模块列—第二列所组成；为了确定一个待定气味样本的类别和浓度，第一列多个用于气味识别的所有神经网络模块均须参加决策，其中输出最大的神经网络模块决定了样本的类别，然而，只须与第一列输出最大的神经网络模块对应的第二列中的那个神经网络模块来量化气味样本的浓度与强度。

请参见附图5，本发明的一个完整的采样过程包括如下步骤：

(1)、开机，仪器预热30分钟，二位二通电磁阀3和4接通，二位二通电磁阀5断开，在真空泵10的抽吸作用下，环境空气通过进样针6以6000毫升/分钟的流量流过气敏传感器阵列环形工作室2；计算机21将第30分钟末这一时刻的气敏传感器阵列1对环境空气的响应记为初始状态；

(2)、操作人员先将10毫升液态、固态或膏状被测样品44放入容积为180毫升的玻璃样品瓶43内，然后将该玻璃样品瓶放入顶空气体发生装置19的导热套48内，盖上硅橡胶密封片45，然后拧紧杯盖50；按下计算机21键盘上的确认键，被测样品44开始被加热，计算机21开始计算恒温时间；被测样品44在电阻加热丝46通过铝合金导热圆盘47和铝合金导热套48散发的热量的作用下，精确恒温30分钟；在此段时间内，操作人员将顶空气体发生装置19固定在自动进样升降装置18的支撑圆盘33上；

(3)、在被测样品恒温30分钟后，二位二通电磁阀5接通，二位二通电磁阀3和4断开，洁净空气以600毫升/分钟的流量从排气孔倒流入气敏传感器阵列环形工作室2，然后从进样针6排出到大气中，历时40秒；在此过程中，气敏传感器阵列1得以用洁净空气进行精确标定；

(4)、在5秒钟的平衡期内，二位二通电磁阀3、4和5均断开，气敏传感器阵列环形工作室2内的气体处于静止状态，测试箱的自动进样升降装置18在3秒钟内使顶空气体发生装置19上升20毫米，固定在气敏传感器阵列环形工作室2进气孔下方的进样针6因此穿过玻璃样品瓶43上的硅橡胶密封片45，接触到玻璃样品瓶43内的顶空挥发气；

(5)、二位二通电磁阀3接通，二位二通电磁阀4和5均断开，真空泵10将顶空挥发气以600毫升/分钟的流量经由进样针6吸入气敏传感器阵列环形工作室2，使之迅速掠过气敏传感器阵列1的敏感膜表面，然后经过二位二通电磁阀3、节流阀7、流量计9，从气体管道25的废气排出口排出到大气中；当顶空挥发气累积采样达到50毫升时，气体顶空采样过程结束；这一过程历时5秒钟；

(6)、在顶空挥发气流经气敏传感器阵列环形工作室2的过程中，组成气敏传感器阵列1的各个气敏传感器对被测气味产生敏感响应，这些敏感响应通过用于信号传输与控制的37芯扁平电缆27传递到计算机21；计算机21通过16位数据采集卡22得到一个16维的响应向量，经结构化的神经网络模块软件分析处理后，10秒之内可得到被测气味样品类别、强度或关键成分浓度估计值，并通过计算机的显示器23显示出来；

(7)、气体顶空采样过程结束后，气敏传感器阵列1进入历时5秒的顶空挥发气与环境空气交替的过渡期；顶空气体发生装置19在自动进样升降装置18的作用下在3秒钟之内下降20毫米，采样针6因此逐渐退出玻璃样品瓶43；二位二通电磁阀3仍接通，二位二通电磁阀4和5仍均断开，真空泵10以600毫升/分钟的流量将顶空挥发气和环境空气从进样针吸入气敏传感器阵列环形工作室2；这一过程是顶空挥发气逐渐减少、环境空气逐渐增多的过程，气体从最初600毫升/分钟的顶空挥发气逐渐过渡到最终600毫升/分钟的环境空气；

(8)、顶空挥发气逐渐减小与环境空气逐渐增大的过渡期结束后，二位二通电磁阀3和4接通，二位二通电磁阀保持5断开，真空泵10以6000毫升/分钟的流量将环境空气从进样针6吸入气敏传感器阵列环形工作室2，历时240秒；在此期间内，操作人员取走被测过的顶空气体发生装置19，更换样品44和玻璃样品瓶43，放置新的顶空气体发生装置19；

(9)、重复(2)～(8)，进行多次采样，一个完整的采样过程持续295秒；

除步骤(2)和(8)外，整个过程在计算机控制下由嗅觉模拟仪器自动完成。

一种嗅觉模拟仪器配置6个顶空气体发生装置19，在1小时内可测量6个样品。