電子鼻——多氣體檢測儀在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中的應(yīng)用
摘要：電子鼻是一臺儀器，它是由一個具有部分專一性的電子化學傳感器陣列和一個合適的模式識別系統(tǒng)組成，能夠識別單一的或復(fù)合的氣味，還能夠用于識別單一成分的氣體、蒸汽或其混合物。它是當今快速發(fā)展起來的一種分析、識別和檢測復(fù)雜嗅味和大多數(shù)揮發(fā)性氣體的仿生檢測儀器。
關(guān)鍵字：電子鼻
電子鼻是一臺儀器，它是由一個具有部分專一性的電子化學傳感器陣列和一個合適的模式識別系統(tǒng)組成，能夠識別單一的或復(fù)合的氣味，還能夠用于識別單一成分的氣體、蒸汽或其混合物。它是當今快速發(fā)展起來的一種分析、識別和檢測復(fù)雜嗅味和大多數(shù)揮發(fā)性氣體的仿生檢測儀器。而且電子鼻得到的信息代表樣品中全部揮發(fā)物的總體分布，而不是常規(guī)儀器的分析測得的某種或某幾種具體組成的含量。這些信息作為樣品的特征“指紋”，存儲在數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境對電子鼻加以訓(xùn)練，以識別有害化學物質(zhì)和氣味，故可用于氣味監(jiān)控、鑒別產(chǎn)品的真?zhèn)、原料質(zhì)量是否合格、生產(chǎn)工藝流程運行是否正常。
一、電子鼻在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用
在人們的生活環(huán)境中，總是會存在一些有害氣體，如H2S、SO2、CO、NO2、H2、CH4、C2H2和一些有機揮發(fā)性物質(zhì)，如苯、甲醛等。這些有毒有害氣體的存在對人體的健康有著一定的影響甚至會發(fā)生爆炸，所以就需要有效地檢測這些氣體的濃度，從而把它們控制在適當?shù)臐舛确秶畠?nèi)。而傳統(tǒng)的氣體監(jiān)測方法是其傳感器易發(fā)生氣體交叉敏感而產(chǎn)生誤報，且無法進行在線監(jiān)測，但利用電子鼻則能較好地解決單個傳感器對氣體發(fā)生交叉敏感問題，準確識別出其氣體種類和濃度。如美國環(huán)保局曾用電子鼻測定了沿海海域油船泄漏的原油，找到了肇事者。
北京康而興公司研制一款可用于對多種有毒有害氣體進行偵檢的電子鼻，它使用對氣體相應(yīng)線性度很好的電化學傳感器和半導(dǎo)體傳感器組成的陣列設(shè)計，在實現(xiàn)了對多類氣體的定性識別后還能給出準確的定量描述。
其基本組成包括：
1 硬件部分：采樣系統(tǒng)，內(nèi)含電化學傳感器和半導(dǎo)體傳感器組成的傳感器陣列氣室，信號采集電路、放大、A/D轉(zhuǎn)換電路，單片機及外圍電路等。
2 軟件部分：軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計，將程序分成幾個主要的功能模塊，由主程序和各個模塊子程序組成。子程序模塊主要包括硬件系統(tǒng)的初始化和功能子程序模塊，且可以根據(jù)需要添加相應(yīng)的功能。象信號的預(yù)處理、模式識別等都編程為功能子程序模塊固化在單片機中，在使用時直接調(diào)用。
當出現(xiàn)有毒有害氣體時，氣體與傳感器陣列響應(yīng)，由多個傳感器對一種氣味的響應(yīng)便構(gòu)成了傳感器陣列對該氣味的響應(yīng)譜，利用模式識別數(shù)據(jù)處理程序?qū)υ擁憫?yīng)譜進行處理，可以準確的分辨出氣體的類別，并得到氣體的濃度，這種方法快速、準確，檢測范圍大，具有很廣泛的應(yīng)用前景。
與普通氣體檢測儀相比，它具有如下突出的優(yōu)點：
⑴樣品不需要預(yù)先處理，能準確快速偵檢，不易受其他雜氣的影響。抗干擾能力強，體積小，操作簡單。
⑵在一臺儀器上，能自動分辨、測量幾十種不同氣體，即可定性又可定量測量。
⑶運用了特定模式識別計算方法及專用氣體數(shù)據(jù)庫，且系統(tǒng)擴充性強？赏ㄟ^增加檢測氣體特性圖譜、擴充專用氣體的數(shù)據(jù)庫，使儀器的識別氣體種類的能力不斷增強，可達到識別并測量幾十種甚至上百種氣體的能力。
⑷能自動實時監(jiān)測，并可與上位機相連，實現(xiàn)遠程通信和遠程控制。
二、電子鼻的原理
1． 工作原理
電子鼻是模擬生物嗅覺系統(tǒng)。由生物嗅覺系統(tǒng)的神經(jīng)生理結(jié)構(gòu)和嗅覺的生物化學機理的理解決定了電子鼻系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。在人和動物的鼻腔內(nèi)有大約10億多個嗅覺氣泡。當有氣味物質(zhì)的分子吸附上時，會使細胞膜電位發(fā)生變化，產(chǎn)生不同的響應(yīng)。這些復(fù)雜的響應(yīng)信號先通過嗅泡這種特殊細胞預(yù)先處理，然后由神經(jīng)系統(tǒng)傳遞到大腦嗅覺中樞，再經(jīng)過復(fù)雜的思維識別，從而確定氣體的種類和濃度。像人腦的識別功能是由孩提時代至長大過程中不斷與外界接觸經(jīng)過學習、記憶、積累、總結(jié)而形成的，當再嗅到氣味時，信號經(jīng)嗅泡處理后送入大腦嗅覺中樞來判別給出結(jié)果。由此可以判斷出人和動物的嗅覺系統(tǒng)中存在著初級嗅覺神經(jīng)元、二級神經(jīng)元（嗅泡）和大腦嗅覺中樞三層結(jié)構(gòu)。
目前較成熟的電子鼻主要由三大部分組成：傳感器陣列、信號預(yù)處理電路、計算機模式識別系統(tǒng)。其中傳感器陣列相當于人的嗅覺細胞，調(diào)離電路如同嗅泡，模式識別系統(tǒng)是整個電子鼻的核心相當于大腦嗅覺中樞。其判別流程大致為：某種氣味呈現(xiàn)在一種活性材料的傳感器面前，首先氣味分子被電子鼻的傳感器吸附，產(chǎn)生響應(yīng)，傳感器將響應(yīng)信號轉(zhuǎn)換成電信號，由多個傳感器對一種氣味的響應(yīng)便構(gòu)成了傳感器陣列對該氣味的響應(yīng)譜。顯然，氣味中的各種化學成分均會與敏感材料發(fā)生作用，所以這種響應(yīng)譜作為該氣味的廣譜響應(yīng)譜。為實現(xiàn)氣味的定量或定性分析，必須將傳感器的信號進行適當?shù)念A(yù)處理（如濾波去干擾、特征提取、信號放大等）后采用合適的模式識別分析方法對其進行處理。理論上，每種氣味都會有它的特征響應(yīng)譜，根據(jù)其特征響應(yīng)譜可區(qū)分不同的氣味，利用傳感器陣列對多種氣體的交叉敏感性進行測量，通過適當?shù)姆治龇椒ǎ瑢崿F(xiàn)混合氣體的定性、定量分析。電子鼻有兩種輸出方式：①直接輸出識別或分類結(jié)果，適用于完全用電子鼻來做決策的情況。②輸出被測物的數(shù)字指紋（特征值），供人或分布電子鼻系統(tǒng)中的主機系統(tǒng)作為參考依據(jù)。我們可以根據(jù)實際需要選擇合適的輸出。下面是電子鼻系統(tǒng)與動物的嗅覺系統(tǒng)的比較：
電子鼻檢測系統(tǒng)：
檢測氣體→傳感器陣列→預(yù)處理電路→模式識別→判別結(jié)果
嗅覺系統(tǒng)：
檢測氣體→嗅覺細胞→嗅泡→嗅覺中樞→判別結(jié)果
2． 基本組成
1）傳感器陣列
傳感器陣列是電子鼻系統(tǒng)的基礎(chǔ)，合適的傳感器陣列對提高整個系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。一般是由具有廣譜響應(yīng)特性、較大的交叉靈敏度以及對不同氣體具有不同靈敏度的氣敏元件組成。它相當于初級嗅覺神經(jīng)元，可以對被測氣體（包括干擾氣體）作出響應(yīng)。然后結(jié)合模式識別技術(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)的選擇性并提高測量精度的。
在運用到具體的實際應(yīng)用時電子鼻選擇傳感器陣列的要求有以下幾個方面：
⑴在任何系統(tǒng)設(shè)計中，傳感器陣列的尺寸都是最重要的。
⑵檢測過程是可逆的，器件應(yīng)該性能穩(wěn)定，工作可靠，重復(fù)性好？紤]到有時需要更換傳感器，所以更加要求傳感器的一致性。
⑶具有光譜響應(yīng)的特性，對于不同種類的氣體，響應(yīng)程度不同？紤]到在生物嗅覺系統(tǒng)中，一個感受細胞可能不同程度地對十多種不同的氣味敏感，顯示出一種很寬的響應(yīng)譜。而系統(tǒng)的選擇性是通過整合來自多個交叉敏感的感受細胞的信號得到的。我們在構(gòu)造傳感器陣列時，盡量使各氣敏器件或單元有一定的交叉敏感性。這樣不僅降低了對傳感器的選擇性的要求，而且也有利于提高陣列的效率。
⑷器件的響應(yīng)時間和恢復(fù)時間短，這一點在數(shù)據(jù)采集階段尤為重要。
目前常用的氣敏傳感器有金屬氧化物半導(dǎo)體、電化學類和光學類（如光纖）氣敏傳感器、導(dǎo)電聚合物、場效應(yīng)（如MIS器件）類、質(zhì)量類（如QCM，SAW器件）等。一個陣列中可以采用同種傳感器通過選用不同敏感材料或不同工作溫度來實現(xiàn)交叉響應(yīng)，也可以采用不同種類的傳感器混雜使用。
2）數(shù)據(jù)處理及模式識別系統(tǒng)
數(shù)據(jù)處理及模式識別系統(tǒng)是人類模擬自身模式識別與分類能力設(shè)計出的計算機自動識別系統(tǒng)，它對傳感器采集的輸出信號進行適當?shù)奶幚恚⒆鞒鱿鄳?yīng)的決策，以獲得混合氣體的組分信息和濃度信息。傳感器陣列對氣味的響應(yīng)靈敏度僅部分取決于傳感器的質(zhì)量，信號處理方法的選擇也有十分重要的作用，它來實現(xiàn)對氣體的識別功能。
當被測氣體進入傳感器陣列室與傳感器短時間接觸，氣敏傳感器陣列產(chǎn)生響應(yīng)，有傳感器陣列產(chǎn)生的電信號經(jīng)電子線路濾波放大及A/D轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號輸入微處理器，對該響應(yīng)信號進行預(yù)處理，即特征提取，就是要從響應(yīng)曲線取出有用的信息，構(gòu)成在模式空間表達陣列響應(yīng)模式的特征矢量。信號預(yù)處理的方法根據(jù)實際使用的氣敏傳感器類型、模式識別方法和最終識別任務(wù)進行擇取。通常，電子鼻內(nèi)某一傳感器對氣味的響應(yīng)為一時變信號。但到目前為止，很少有人利用傳感器的瞬態(tài)信息進行信號預(yù)處理，都利用傳感器的穩(wěn)態(tài)信息進行信號預(yù)處理。其處理方法有差分法、相對差分法、分式差分法、對數(shù)法、傳感器歸一法、陣列歸一法等方法。
目前電子鼻中常用的模式識別方法分為統(tǒng)計模式識別和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩大類。統(tǒng)計模式識別采用經(jīng)典的多變量統(tǒng)計分類方法對來自傳感器陣列的信息進行處理。主要包括k-近鄰法（k-NN）、主成分分析（Principal Component Analysis ,PCA）、線性判別法（Linear Discriminant Analysis,LDA）、聚類分析（Cluster Analysis,CA）、偏最小二乘法等。而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及模糊理論是近些年發(fā)展起來的，包括反向傳播人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BP-ANN）、學習向量量化網(wǎng)絡(luò)（LVQ）以及自組織映射（SOM）等。和傳統(tǒng)的模式識別技術(shù)相比，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強的非線性處理能力，良好的容錯性和很強的適應(yīng)能力，網(wǎng)絡(luò)一旦被訓(xùn)練好后具有快速操作性能，但網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練需要大量的數(shù)據(jù)和時間。原則上很多統(tǒng)計模式識別方法都可以在電子鼻中應(yīng)用，而且人們也已經(jīng)進行了各種不同的嘗試。
隨著傳感器技術(shù)的進展和人對嗅覺過程的深入了解，電子鼻的功能也將日益增強，越來越多地取代生產(chǎn)和生活過程中人鼻子的作用，取得越來越廣泛的應(yīng)用。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
