基于气体传感器的仿生电子鼻设计

一种新的机器人仿生嗅觉系统设计一种新的机器人仿生嗅觉系统设计类别：传感与控制摘要：机器人嗅觉具有广泛的应用领域,如完成检测毒气、搜寻爆炸物、检测泄漏等工作。

根据仿生学原理,设计了一种新的机器人仿生嗅觉系统,具有类似人的鼻腔结构,能够同时检测CO、SO2、H2S、O2及一种可挥发性有机化合物气体,可方便的根据目标气体更换相应气体传感器。

结构紧凑,具有简便的机械接口和通讯接口,即可作为便携式嗅觉装置使用,又可作为机器人标准化组件组装到各种类型的机器人上,以帮助其完成与嗅觉有关的工作。

1 引言目前对于机器人嗅觉问题的研究工作中，主要采用了三种方法来实现机器人嗅觉功能：一是在机器人上安装单个或多个气体传感器，再配置相应处理电路来实现嗅觉功能。

研究者大都采用这种方法，如Ishida H 的气体/气味烟羽跟踪机器人；二是研究者自行研制简易的嗅觉装置，例如Lilienthal A等研制的用于移动检查机器人的立体电子鼻，Kuwana使用活的蚕蛾触角配上电极构造了两种能感知信息素的机器人嗅觉传感器；三是采用商业的电子鼻产品，如A Loutfi用机器人进行的气味识别研究。

这些现有技术中，气体传感器的性能易受安装位置的影响，而气体传感器的安装位置恰恰与所采用机器人的特定结构相关，不宜变化，并且现有的嗅觉系统功能单一，稳定性差，不具有通用性。

针对现有技术的不足，本文设计了一种新的机器人仿生嗅觉系统，该嗅觉系统集成度高，功能多，并具有简便的机械接口和通讯接口，可加载到各种类型的机器人上实现其嗅觉功能。

使用了4 个针对特定气体检测的电化学气体传感器和1 个检测可挥发性气体的光电离气体传感器，故可同时检测5种有毒有害气体。

2 系统概述该嗅觉系统包括：腔体及封装在其内的仿生鼻腔、吸气系统和集成电路板。

集成电路板分为信号采集板及主控板。

信号采集板的信号调理模块负责气体信号、温湿度信号的采集、滤波及放大，然后把调理好的信号传送给主控板，气体传感器阵列通过插槽连接在该板上。

基于51单片机的电子鼻的设计与实现作者：张诚超来源：《电子技术与软件工程》2018年第01期不断探索51单片机的电子鼻的设计与实现，有利于提升电子鼻对气体的检测效率，对促进电子鼻在更多领域内的应用，具有重要作用。

本文在对电子鼻的设计原理进行综合阐述的基础上，论述了基于51单片机的电子鼻的硬件设计，并结合实验，验证了基于51单片机的电子鼻的设计可行性，以期为相关人士提供借鉴和参考。

【关键词】电子鼻 51单片机传感器随着社会经济的不断发展和社会生产力水平的进一步提升，电子鼻凭借其优越的传感性能和模式识别技术，得到了迅速发展。

现阶段，电子鼻已经被广泛应用于环保、消防、质检和航空航天领域，有效提升了气体检测的效率。

但现阶段，国外生产的电子鼻价格较高，提升了测试系统的建设成本。

基于此，探索51单片机的电子鼻的设计与实现技术，对降低检测仪器生产成本，具有十分重要的意义。

1 电子鼻的设计原理本次研究设计的电子鼻建立在对人嗅觉形成过程精准模拟的基础上，该电子鼻主要由传感器阵列、51单片机、LCD显示装置和A/D转换器构成。

其中，传感器阵列发挥初级嗅觉细胞的功用，利用A/D转换器将传感器接收的响应信号转化为数字信号，并将信号传输至51单片机，51单片机具有神经中枢功能，能够实现对数字信号的识别和分析，并利用LCD显示装置呈现出来，由此完成整个检测过程。

2 基于51单片机的电子鼻的硬件设计本次研究设计的基于51单片机的硬件设计选用二氧化锌基金金属氧化物半导体传感器（炜盛电子公司生产），同时选用16只MC和MQ系列传感器，上述两个系列的传感器将二氧化锌作为生产的原材料，应用粉末冶金法进行压制和烧结，制作成气体传感器，具有价格低廉，使用寿命长和稳定性高的特点。

硬件设计原理：多路开关通过利用单片机选择响应信号，并发送给16路传感器，然后经由A/D转换器，将响应信号转换为数字信号，将数字信号分别连接51单片机和PC数据采集接口，一方面，51单片机能够通过数据采集和运算，对数字信号进行精准识别，并发送至LCD显示装置，另一方面，PC数据采集接口能够根据采集的数字信号，绘制传感器响应曲线，进而构建以PC为核心的电子鼻检测网络。

电子鼻的运作原理
电子鼻是通过一系列传感器来模拟人类鼻腔的嗅觉功能，从而能够检测和辨别气味。

其运作原理如下：
1. 传感器阵列：电子鼻通常由多个不同类型的传感器组成，如气敏传感器、光学传感器、折射传感器等。

每个传感器对特定的气体或气味有特异的响应。

2. 气体采集：电子鼻首先需要采集待测试气体的样本。

通常使用气流或泵将空气引入到电子鼻中，使其接触到传感器阵列。

3. 信号检测与分析：传感器阵列对接触到的气体进行检测和测量，产生相应的电信号。

这些信号将被转化为数字信号，并通过算法进行处理和分析。

4. 模式识别：通过与事先建立的数据库进行比对，电子鼻能识别出气体的特定模式或特征。

这些模式或特征与特定气体或气味的相关性已经通过训练或研究确定。

5. 结果输出：根据识别结果，电子鼻可以通过显示器、报警器等方式输出结果，使用户能够判断所检测气体的种类、浓度或其他相关信息。

电子鼻的运作原理基于传感器的集合和模式识别算法的处理，能够模拟人类嗅觉，检测和辨别各种气味。

它在环境监测、食品安全、疾病诊断等领域具有广泛的应
用前景。

电子鼻技术在食品工业领域中的应用摘要文章主要阐述现代电子鼻的重要特征和在食品工业领域中的一些应用实例。

说明电子鼻在无损检测中的优势，电子鼻系统能够实现快速、稳定、高效、现场实时的检测分析，在分析气味方面具有其他仪器无法比拟的优势。

关键词电子鼻无损检测传感器PCA LDA 食品工业前言在食品评价中，气味是一个很重要的指标。

气味是指食品给人嗅觉器官的感觉，而气味物质是指能够引起嗅觉反映的物质。

引起嗅觉的气味刺激主要是具有挥发性、可溶性的有机物和一些可挥发的无机物。

在食品的研发、生产和流通过程中，评价食品品质、鉴别杂质、是否变质等主要是依靠有经验的专业人员或者GC-MS（气相色谱-质谱联用技术）来进行判定。

不同的人对同一种气味有不同的感受，因而就有不同的评价，甚至同一个人在不同的环境、不同的情绪时对同一种气味也有不同的感受和评价，从而使得采用人鼻辨嗅法存在一定的局限性；另外，由于GC-MS 检测费用昂贵、检测周期长，与人的嗅觉很难进行科学的、系统的对照。

那么究竟有没有一种快速、稳定的设备能够达到检测食品气味的要求呢？电子鼻技术和电子鼻检测系统也就应运而生。

电子鼻(Electronic Noses) 是一种模仿生物嗅觉的电子系统，是由多个选择性的气敏传感器和适当的模式分类方法组成的具有识别单一和复杂气味能力的装置。

“电子鼻”的概念，最早是1982 年英国Warwick 大学的Persand 和Dodd 教授模仿哺乳动物嗅觉系统的结构和机理，对几种有机挥发气体进行类别分析时提出来的。

1990 年举行第一届电子鼻国际学术会议，对人工智能嗅觉系统的设计及信息处理进行讨论[1,2]。

正是由于对复杂的样品具有精确的检测和区分识别能力以及较低的使用成本，电子鼻技术广泛应用工业生产和环境保护的各个领域，如食品工业、化妆品行业、药品工业、环境监测与公共安全等，尤其在食品工业领域取得不错的研究成果。

1 电子鼻的组成与基本原理电子鼻包含一组用气敏的生物或者化学材料处理的传感器阵列，以此来检测和辨别复杂气味并形成特征指纹图。

用于挥发性有毒气体检测的电子鼻设计和应用研究的开题报告一、选题的背景和意义挥发性有毒气体对人类和环境的危害越来越受到关注。

对于挥发性有毒气体的检测和监测是非常重要的，可以有效保护人类的健康和环境的安全。

电子鼻是一种通过模拟人类嗅觉器官实现气体检测的一种技术，可以实现对多种挥发性有毒气体的快速、准确检测。

因此，开展基于电子鼻的挥发性有毒气体检测研究，具有重要的现实意义和应用价值。

二、研究的目的和内容本研究旨在设计并实现一种基于电子鼻的挥发性有毒气体检测系统，系统能够快速、准确地检测空气中可能存在的多种有毒气体，对于保障人类健康和环境安全具有重要意义。

具体内容包括以下几方面：1. 电子鼻的结构设计与优化。

2. 电子鼻传感器的选择和性能测试。

3. 挥发性有毒气体检测算法研究。

4. 检测系统的硬件设计和实现。

5. 系统的测试和优化。

三、研究的方法和步骤1. 对于电子鼻的结构设计，首先需要确定传感器的种类和数量，以及传感器的分布位置，针对不同的气体充当响应元素。

采用优化算法，对系统进行优化设计，以提高检测性能和减小系统成本。

2. 确定传感器的种类和性能参数，根据不同的挥发性有毒气体的特征，选择传感器灵敏度高、响应速度快、重复性好的传感器进行测试。

3. 对选择的传感器进行性能测试，包括灵敏度、响应时间、稳定性、选择性等。

4. 基于测试结果，研究并开发出不同挥发性有毒气体的检测算法，算法应能够实现多种挥发性有毒气体的检测和鉴别。

5. 选择合适的嵌入式系统，将传感器数据采集与算法处理整合成一个完整的系统。

采用现代化硬件设计方法，进行系统的设计和实现。

6. 测试系统的检测性能，计算并比较检测数据和设定阈值的误差，进行系统的优化和改进。

四、预期的研究成果和意义通过本研究，将完成一种基于电子鼻的挥发性有毒气体检测系统，该系统能够实现多种挥发性有毒气体的快速、准确、可靠检测，对于保障人类健康和环境安全具有重要的现实意义。

电子鼻原理
电子鼻是一种模拟人类嗅觉系统的电子设备，它能够对气味进行感知和识别。

电子鼻的原理是通过一系列传感器对气味分子进行检测和分析，然后利用模式识别算法来识别不同的气味。

电子鼻在食品安全、医疗诊断、环境监测等领域具有重要的应用价值。

电子鼻的传感器通常包括化学传感器和生物传感器两种类型。

化学传感器是利
用化学反应来检测气味分子，常见的化学传感器包括电化学传感器、压阻传感器和光学传感器等。

生物传感器则是利用生物元件如酵母、细菌等对气味进行检测，生物传感器具有高灵敏度和高选择性的优点。

电子鼻的工作原理是将气味分子与传感器表面发生化学反应，产生电信号或者
光信号，然后利用信号处理系统对这些信号进行分析和处理，最终得到气味的特征信息。

电子鼻的模式识别算法通常包括主成分分析、神经网络、支持向量机等，这些算法能够对气味进行准确的识别和分类。

电子鼻的应用场景非常广泛，其中在食品安全领域的应用尤为突出。

电子鼻可
以对食品中的挥发性有机物进行检测，从而实现对食品新鲜度、品质和真伪的快速鉴别。

在医疗诊断领域，电子鼻可以通过检测病人呼出的气体来辅助医生进行疾病诊断，如糖尿病、肺癌等。

此外，电子鼻还可以用于环境监测、化工生产、药物研发等领域。

总的来说，电子鼻作为一种新型的感知技术，具有广阔的应用前景。

随着传感
器技术和模式识别算法的不断进步，电子鼻将在更多领域展现出其巨大的应用潜力。

电子鼻的发展将为人类的生活和生产带来更多的便利和安全保障。

气味（电子鼻）传感器的检测技术一,概述.电子鼻可以识别和检测复杂的气味和挥发性成分。

电子鼻是一种能够识别单一和复杂气味的设备，它由多个性能重叠的气体传感器和适当的模式分类方法组成。

二、电子鼻工作原理.电子鼻的工作原理是基于模拟人类嗅觉的形成过程。

人类嗅觉系统由嗅觉细胞、嗅觉神经网络和大脑组成。

嗅觉是挥发性物质释放气体进入鼻腔，并被嗅觉细胞中的嗅觉细胞吸附到表面。

负电荷嗅觉细胞表面的部分电荷发生变化并产生电流，从而使神经末梢受到刺激而兴奋。

最后，兴奋信号被传输到大脑的嗅觉皮层，产生嗅觉。

人的嗅感产生过程框图三、电子鼻的基本组成电子鼻系统主要由气敏传感器阵列、信号处理单元和模式识别单元三大部分组成。

图给出了人工嗅觉系统的结构框图。

电子鼻的系统构成四、电子鼻的应用名称气味监测传感器阵列型金属氧化物半导体主要用于测量一般可燃气体。

主要用于测量一般可燃气体制造商美国公司法国smart nose fox2000金属氧化物半导体香味扫描仪鼻口腔监测器导电聚合物传感器金属氧化物测量食品化妆品监测啤酒测量呼吸新鲜度法国英国日本五、电子鼻发展前景1.存在的问题：(1)有些传感器对测试条件要求苛刻，必须严加控制，或者加以监测并进行参数补偿；(2)传感器本身的稳定性差，因而易于中毒；(3)阵列的校正和训练数据无法通用。

2.研究方向：(1)能对微量分子瞬时敏感的不受环境影响或能对环境变化进行自适应补偿的传感器阵列器件；(2)能对信号进行处理的高精度处理器，将信号与噪声分离；(3)能将人的感官感受相一致的感官评定指标的模式识别方法。

三、数据统计方法1、主成分分析（pca）聚类分析（CA）是一种将研究对象划分为相对同质的聚类的统计分析技术。

从统计学的角度来看，聚类分析是一种通过数据建模来简化数据的方法。

CA是根据个体或变量之间的数量关系进行分类的，具有很强的客观性，但各种聚类方法只能在一定条件下实现局部最优；聚类的最终结果是否成立还需要专家的鉴定。

电子鼻的概念
电子鼻是一种通过模拟人类嗅觉系统来感知、识别和分析气味的技术。

它通常由气体传感器、信号处理器和模式识别系统组成。

电子鼻的气体传感器可以检测空气中的化学物质，并将其转化为电信号。

这些传感器的选择性、灵敏度和稳定性决定了电子鼻的性能。

信号处理器对传感器产生的电信号进行放大、滤波和数字化处理，使其适合进一步的分析。

模式识别系统是电子鼻的核心部分，它基于事先建立的模型和算法，对传感器产生的信号进行特征提取和模式匹配，从而实现气味的识别和分类。

这些模型和算法可以基于机器学习、人工神经网络等方法。

电子鼻具有广泛的应用领域，包括食品和饮料行业的品质控制、环境监测、医学诊断、犯罪侦查等。

通过电子鼻可以有效地检测和识别气味，实现自动化、快速和准确的气体分析。

基于电子鼻技术的混合气体识别研究作者：刘伟玲吴龙焦张思祥闫子琪来源：《现代电子技术》2020年第06期摘; 要：为了评估恶臭对人类和环境的影响，需要有效鉴别出恶臭成分，设计并研发了以传感器阵列为核心的在线检测恶臭成分的电子鼻系统。

针对传感器响应曲线几何特征提取方式的不足，提出分段拟合曲线的方式进行特征值提取。

采用主成分分析（PCA）和线性判别分析（LDA）两种降维方式对原始数据降维，并结合支持向量机（SVM）和BP神经网络进行分类识别。

结果表明，SVM和BP神经网络结合LDA都能100%识别出三种恶臭物质，SVM结合PCA识别率为92%，BP神经网络结合PCA识别率为94%。

关键词：电子鼻系统; 气体识别; 特征值提取; 特征降维; 气体分类; 在线检测中图分类号： TN98⁃34; TP212.9; ; ; ; ; ; ; ; ;文献标识码： A; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ;文章编号：1004⁃373X（2020）06⁃0057⁃04Research on mixed gas recognition based on electronic nose technologyLIU Weiling ， WU Longjiao， ZHANG Sixiang， YAN Ziqi（ School of Mechanical Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300130，China）Abstract： In order to evaluate the impact of foul smell on human⁃beings and environment， it is necessary to effectively identif y foul smell′s components. An electronic nose system with sensor array as its core for the online detection of foul smell′s components is designed and developed. As for the insufficiency of the geometric feature extraction method of sensor response curve， the method of segment fitting curve is proposed to extract feature values. The principal component analysis （PCA） and linear discriminant analysis （LDA） are used for the dimension reduction of original data， and the support vector machine （SVM） and BP neural network are combined with them for the classification and identification. The results show that both SVM and BP neural network combined with LDA can recognize three kinds of foul smell substances in 100%， the recognition rate of SVM combined with PCA is 92%， and the recognition rate of BP neural network combined with PCA is 94%.Keywords： electronic nose system; gas identification; feature value extraction; feature dimension reduction; oder classification; only detection0; 引; 言隨着我国现代工业的迅猛发展，经济增长的同时也带来了巨大的环境污染问题。

利用电子鼻分析不同品质酱油风味实验一、实验目的1、了解电子鼻的工作原理；2、学习并掌握电子鼻（PEN3）的使用及数据分析。

二、实验原理电子鼻是模拟动物嗅觉器官开发出一种高科技产品，利用气体传感器阵列的响应图案来识别气味的电子系统。

PEN3型电子鼻内置10个金属氧化气体传感器，每个传感器对应的敏感物质如表1所示。

电子鼻的工作可简单归纳为：传感器阵列—信号预处理—神经网络和各种算法—计算机识别(气体定性定量分析)。

PEN3型电子鼻自带的WinMuster软件可以进行PCA（主成分分析）、LDA （线性判别法）、Loadings（负荷加载分析）等分析。

酱油是一种具有浓郁酱香的传统调味品，不同品质的酱油具有不同的风味，本实验利用电子鼻中传感器对不同酱油的风味物质的响应值变化对酱油进行品质比较。

三、实验器材及实验条件1、实验器材电子鼻：PEN3型，德国Airsense公司；顶空瓶：50ml；2、实验条件采样时间间隔为1s/组，传感器自动清洗时间为120s，传感器归零时间为5s，进样流量为600ml/min，试验测试分析时间为60s。

四、实验步骤1、样品处理：分别取10ml1号酱油、2号酱油于50ml的顶空瓶，再塞好塞子、盖好瓶盖，常温下放置2h。

2、开机：屏幕出现—StartSensor，1min后变成—Standby。

3、连接：打开WinMuster软件，Options（设置选项），SearchDevices（选择电子鼻型号），PEN3。

4、设置参数：Options，PEN3，Settings，Measurement（设置测试参数），GapFlows（设置气流量）。

5、开始测试：Measurement，Start。

观察状态栏里的测试进程倒计时，connectvial倒计时提示为1时，同时将进样针和补气针插入顶空瓶。

6、停止测试：60s后，Removevial倒计时提示为1时，同时拔出进样针和补气针。

7、保存文件，并在WinMuster软件中进行数据分析。