專利名稱：用于香蕉品質檢測的電子鼻系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種農產品品質的檢測儀器，特別涉及一種用于香蕉品質檢測的電子
鼻系統。
背景技術：
我國的農產品流通主要以未經加工的鮮活產品為主，但由于在物流過程中缺乏對 農產品品質的有效監控，導致我國農產品產后物流過程中的損失較大。據統計，我國果蔬在 物流環節中的損失率為20% -30%，年損失近1000億元人民幣，而發達國家果蔬采后損失 率則在5%以下；我國糧食損失占總產量的12%-15%，相當于8000萬人口的年消費量；因 此，研究農產品品質檢測手段，對于減少我國農產品的損失，促進農村經濟發展和農民增收 具有十分重要的意義。現階段農產品品質檢測技術主要有電磁特性檢測技術、光學特性 檢測技術、聲波振動特性檢測技術、機器視覺檢測技術和電子鼻技術等，其中，電子鼻檢測 是一種無損的、快速的農產品品質檢測方法，吸引了眾多研究者的目光，具有較好的應用前景。目前，還沒有專用于農產品品質檢測的電子鼻系統，且大多數電子鼻系統結構笨 重，不能脫離電腦使用，不適宜現場快速檢測。另外，電子鼻所用的傳感器對環境的溫濕度 變化敏感，而大多數電子鼻系統沒有對傳感器工作環境的溫濕度進行控制，導致檢測的精 度與重復性不夠高。
發明內容
本發明的目的是提供一種用于香蕉品質檢測的電子鼻系統，提供一種設有系統工 作環境溫度控制模塊和經過小型化設計的傳感器陣列的電子鼻系統，既提高了檢測精度， 又能使檢測儀器小型化，制成便攜式檢測儀器。一種用于香蕉品質檢測的電子鼻系統，其特征在于該系統由控制器1、氣室2、氣 路控制模塊3、溫度控制模塊4、氣體傳感器陣列5、溫濕度傳感器6、信號采集模塊7、按鍵 8、顯示屏9、數據存儲模塊10和通訊接口 11構成，控制器1通過氣路控制模塊3將香蕉的 特征氣體送入氣室2，控制器1通過溫度控制模塊4控制氣室2中的溫度，氣體傳感器陣列 5和溫濕度傳感器6布置在氣室2內，信號采集模塊7分別采集氣體傳感器陣列5提供的 氣體特征信息和溫濕度傳感器6提供的溫濕度信息，并且傳輸給控制器1，系統通過按鍵8 控制操作，檢測結果由顯示屏9顯示；且控制器1分別與數據存儲模塊10和通訊接口 11連 接；氣路控制模塊3由氣室2、樣品室2’、進氣口 31、出氣口 32、第一干燥管G1、第二干燥管 G2、氣泵35、以及閥門Kl K4組成，由氣泵35控制氣室中的氣體的流動，而閥門Kl K4 控制氣體的流動路徑，控制氣室2中的氣體的濕度由第一干燥管Gl和第二干燥管G2控制； 溫度控制模塊4由氣室2、溫濕度傳感器6、PID控制器42、極性控制電路43和半導體制冷 片44構成，由溫濕度傳感器6采集氣室2的溫度，傳遞給PID控制器42，PID控制器42計 算出控制參數，然后通過極性控制電路43控制半導體制冷片44工作，從而控制氣室中的溫度。一種用于香蕉品質檢測的電子鼻系統，所用的識別算法包括數據預處理、特征提 取、降維處理和識別算法四部分。其中數據預處理采用傳感器歸一化技術；特征提取采用 的是最大值特征；降維處理采用線性判別分析算法；識別算法則采用BP神經網絡識別算法。同現有技術相比較，本發明具有以下積極效果1)由于采用了便攜化設計，系統 可脫離電腦獨立工作；2)本發明加入了傳感器工作腔的溫濕度控制模塊，穩定了其工作環 境，提高了檢測精度；3)本發明采用了預處理技術與BP神經網絡的組合識別算法，提高了 系統識別率。
圖1為用于香蕉品質檢測的電子鼻系統框圖。圖2為氣路控制模塊示意圖。圖3為溫度控制模塊示意圖。圖4為溫度控制模塊的極性控制電路原理圖。圖5為電子鼻系統的識別算法的拓撲結構圖。
具體實施例方式實施例1 一種用于香蕉品質檢測的電子鼻系統框圖，如圖1所示。本電子鼻系統包括傳感器陣列、信號采集模塊、溫度控制模塊、氣路控制模塊、按 鍵、顯示屏、數據存儲模塊、通訊接口和控制器。其工作流程如下由氣路控制模塊將樣品的 特征氣體采集進入氣室，經傳感器陣列轉化為電壓信號，再經過信號采集模塊轉換成數字 信號，最后由模式識別單元給出判別結果。本發明選用了 8種傳感器優化組成了電子鼻的檢測陣列，它們的型號及性能描述 如表1所示。當樣氣被采集進入氣室后，會發生擴散稀釋，導致濃度變低，有可能超出傳感器的 檢測范圍，因而，應盡量減小氣室的體積，降低氣室體積對樣氣濃度的影響。本發明通過對 傳感器陣列的小型化設計，可大大縮減系統的檢測氣室腔體，內部容積僅12ml，從而有效減 小樣氣進入氣室后的擴散時間，使特征氣體能迅速擴散至傳感器上并減少了在氣室腔中的 濃度降低，進而提高傳感器陣列的檢測精度與響應速度。表1傳感器型號及性能特點 圖2為本發明所用的氣路控制示意圖，使用了 4個電磁閥及1個氣泵，定義了三種 狀態靜置、清洗和混合；靜置是關閉氣泵和所有的閥，使氣室保持在一個穩定的狀態中， 從而得到一個準確的測量結果；清洗是打開閥1和閥3，關閉閥2和閥4，并打開氣泵，使干 燥的清洗氣體流過氣室，使傳感器都恢復到初始狀態；混合則是打開閥2和閥4，關閉閥1 和閥3，并打開氣泵，令氣室與樣品室相通，并在氣泵的作用下樣品室中的特征氣體不斷流 過氣室，最終達到一個平衡狀態。進氣口處的第二干燥管用來控制環境濕度。測試中的特 征氣體在一個封閉的氣路中不斷通過第二干燥管，水蒸氣被干燥劑所吸附，最終氣室中的 樣氣的濕度將控制在10%以下，較好地避免了水蒸汽對傳感器陣列的影響。經反復實驗，測 試時氣室的平均濕度為6. 1%，標準差為1. 1%。本發明使用了數字溫濕度傳感器SHT71來監測傳感器的工作環境，可實時動態觀 測到氣室中的溫濕度。PID溫度控制器的控溫精度能達到0.5°C，控溫范圍為20-70°C ；而 環境濕度控制則由在進氣口處的第一和第二干燥管來完成。圖3為本發明所用的溫度控制模塊示意圖，由SHT71傳感器采集氣室中的溫度，傳 遞給PID控制器計算控制參數，然后輸出PWM控制H橋路極性控制電路，由H橋路極性控制 電路控制半導體制冷片中的電流方向及通電時間，實現其加熱或制冷功率的控制。圖4為H橋電路原理圖，使用四只MOS管搭建了一個H橋路電路，用于控制流過半 導體制冷片的電流方向，即控制制冷片的加熱或制冷，同時由于其工作電流比較大，為了不 對其他電路造成影響，使用兩只光耦進行隔離；當Heat端為高電平、Cool端為低電平時，光 耦U8導通，U9截止，從而MOS管Q2和Q3導通，Ql和Q4截止，流過半導體制冷片的電流為 正向電流，此時其工作在加熱狀態；反之，當Heat端為低電平、Cool端為高電平時，半導體 制冷片工作在制冷狀態。當兩端電平相同時，半導體制冷片停止工作。圖中R43、R44、R45 和R47為電阻。圖5為電子鼻系統的識別算法的拓撲結構圖，包括數據預處理、特征提取、降維 處理和識別算法四部分。圖中Χη···Χ1η、Χ21···Χ2η、…、XfX9n為原始數據，X11-Xln> X21-x2n>…、XfX9n為預處理后得到的數據，X1 > X2>…、X9是提取的最大值特征，LD1和LD2為 經過LDA處理后所得的第1分量和第2分量，I1和I2為BP神經網絡的輸入層神經元，H1,H2, -H8為BP神經網絡的隱含層神經元，O1^O2,…、O5為BP神經網絡的輸出層神經元。首先，本發明使用了傳感器歸一化公式對數據進行預處理，公式如下Xi = (Xi -^min)/ (^inax - J^min)其中Amax為響應最大值Xmin為響應最小值成為響應某一時刻值。本發明提取了每路傳感器響應信號的最大值作為特征值，組成1X9的樣品特征 矩陣。然后，使用線性判別分析LDA方法對特征數據進行了降維處理。最后，本發明使用BP神經網絡對降維后的數據進行分類判別，達到了較好的分類 效果，其對香蕉的四種品質狀態的識別率達到100%。
權利要求
一種用于香蕉品質檢測的電子鼻系統，其特征在于該系統由控制器(1)、氣室(2)、氣路控制模塊(3)、溫度控制模塊(4)、氣體傳感器陣列(5)、溫濕度傳感器(6)、信號采集模塊(7)、按鍵(8)、顯示屏(9)、數據存儲模塊(10)和通訊接口(11)構成，控制器(1)通過氣路控制模塊(3)將香蕉的特征氣體送入氣室(2)，控制器(1)通過溫度控制模塊(4)控制氣室(2)中的溫度，氣體傳感器陣列(5)和溫濕度傳感器(6)布置在氣室(2)內，信號采集模塊(7)分別采集氣體傳感器陣列(5)提供的氣體特征信息和溫濕度傳感器(6)提供的溫濕度信息，并且傳輸給控制器(1)，系統通過按鍵(8)控制操作，檢測結果由顯示屏(9)顯示；且控制器(1)分別與數據存儲模塊(10)和通訊接口(11)連接。
2.根據權利要求1所述的用于香蕉品質檢測的電子鼻系統，其特征在于氣路控制模 塊(3)由氣室(2)、樣品室(2’)、進氣口(31)、出氣口(32)、第一干燥管(Gl)、第二干燥管 (G2)、氣泵(35)、以及閥門(Kl K4)組成，由氣泵(35)控制氣室中的氣體的流動，而閥門 (Kl K4)控制氣體的流動路徑，控制氣室(2)中的氣體的濕度由第一干燥管(Gl)和第二 干燥管(G2)控制。
3.根據權利要求1所述的用于香蕉品質檢測的電子鼻系統，其特征在于溫度控制模 塊(4)由氣室(2)、溫濕度傳感器(6)、PID控制器(42)、極性控制電路(43)和半導體制冷 片(44)構成，由溫濕度傳感器(6)采集氣室(2)的溫度，傳遞給PID控制器(42)，PID控制 器(42)計算出控制參數，然后通過極性控制電路(43)控制半導體制冷片(44)工作，從而 控制氣室中的溫度。
全文摘要
一種用于香蕉品質檢測的電子鼻系統。包括傳感器陣列、信號采集模塊、溫度控制模塊、氣路控制模塊、按鍵、顯示屏、數據存儲模塊、通訊接口和控制器，由氣路控制模塊將樣品的特征氣體采集進入氣室，經傳感器陣列轉化為電壓信號，再經過信號采集模塊轉換成數字信號，最后由模式識別單元給出判別結果。同現有技術相比較，本發明具有以下積極效果1)由于采用了便攜化設計，系統可脫離電腦獨立工作；2)本發明加入了傳感器工作腔的溫濕度控制模塊，穩定了其工作環境，提高了檢測精度；3)本發明采用了預處理技術與BP神經網絡的組合識別算法，提高了系統識別率。
文檔編號G01N27/00GK101893591SQ201010208239
公開日2010年11月24日 申請日期2010年6月24日 優先權日2010年6月24日
發明者李洪濤, 楊昊, 潘敏, 陳瑋, 陳裕泉 申請人:浙江大學