一種用于蔬菜病害檢測的電子鼻的設(shè)計

張銳敏　盧佩　周濤　鐘福如

摘 要：在研究電子鼻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，文中利用金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器組成傳感器陣列，結(jié)合虛擬儀器LabVIEW平臺強大的數(shù)據(jù)采集和分析功能，設(shè)計了一種性價比較高的電子鼻系統(tǒng)。完成了以傳感器陣列為基礎(chǔ)的采集電路設(shè)計，及基于NI數(shù)據(jù)采集卡、虛擬儀器數(shù)據(jù)采集和分析平臺的設(shè)計。最后利用電子鼻系統(tǒng)對蔬菜白粉虱病害進行了測試。

關(guān)鍵詞：電子鼻；傳感器陣列；虛擬儀器；數(shù)據(jù)采集卡

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）03-0-02

0 引 言

電子鼻是根據(jù)仿生學(xué)原理，由傳感器陣列、檢測系統(tǒng)、自動化模式識別系統(tǒng)所組成的電子儀器[1]。該儀器能夠分析、識別和檢測復(fù)雜氣味和大多數(shù)揮發(fā)性成分。由電子鼻檢測得到的不是被測樣品中某種或某幾種成分的定性與定量結(jié)果，而是得出樣品中揮發(fā)性成分的整體信息，這些信息被稱為樣品的“指紋”數(shù)據(jù)。利用電子鼻既能檢測特定氣體，又能評價混合氣體或揮發(fā)性化學(xué)成分。因為其具有在線檢測速度快、靈敏度高、不會發(fā)生嗅覺疲勞、對樣品無需預(yù)處理、操作簡單，并能夠得出樣品客觀的檢測結(jié)果等優(yōu)點，現(xiàn)已發(fā)展成為環(huán)境監(jiān)測、食品質(zhì)量檢測、飲料以及農(nóng)產(chǎn)品檢測和加工等領(lǐng)域一項便捷的檢測技術(shù)[2]。

近年來，電子鼻技術(shù)受到了越來越廣泛的關(guān)注。程紹明利用電子鼻對番茄苗的早疫病病害進行了檢測和分析[1]。朱娜 等[3]利用電子鼻對草莓貯藏期常見的霉菌感染進行了檢測。陳辰星等[4]利用傳感器、單片機搭建的電子鼻系統(tǒng)實現(xiàn)了對冰箱貯存食品新鮮度的檢測和識別。吳文娟等[5]利用傳感器陣列建立的電子鼻系統(tǒng)實現(xiàn)了對豬肉新鮮度的快速分類。因此，電子鼻在農(nóng)作物蟲害檢測、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測方面具有巨大的應(yīng)用潛力。目前，進口的電子鼻產(chǎn)品價格昂貴，因此設(shè)計一種簡單、實用、低成本的電子鼻系統(tǒng)意義重大。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

電子鼻系統(tǒng)如圖1所示，主要由采集電路、信號處理電路、數(shù)據(jù)測量分析軟件三部分構(gòu)成[5]。

采集電路主要用來采集樣品的氣味信息，由傳感器陣列組成，在此我們選用了六種金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器。信號處理電路中主要利用金屬氧化物傳感器與待測樣品氣體接觸時電阻發(fā)生變化的特性，匹配電阻測量傳感器的響應(yīng)變化。響應(yīng)后的電壓值通過數(shù)據(jù)采集卡采集，數(shù)據(jù)采集卡選用美國NI公司研發(fā)的16通道高速PCI采集卡6023E。采用NI的LabVIEW2015開發(fā)平臺開發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)測量平臺軟件。

2 硬件設(shè)計

氣體采集單元選擇六種MOS傳感器組成的傳感器陣列，型號和性能特點見表1所列。

3 軟件設(shè)計

為縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，并方便觀察以及對數(shù)據(jù)的后續(xù)處理，系統(tǒng)軟件采用LabVIEW開發(fā)平臺。LabVIEW不僅為數(shù)據(jù)采集、信號分析和處理等提供了方便快捷的函數(shù)，同時也為數(shù)據(jù)保存提供了多種格式的數(shù)據(jù)保存方案。

電子鼻數(shù)據(jù)測量分析軟件的主要功能是設(shè)置數(shù)據(jù)采集參數(shù)，包括采樣信號幅值，采樣通道，采樣周期，數(shù)據(jù)存儲位置等參數(shù)的設(shè)定。此外，還可對傳感器數(shù)據(jù)進行實時顯示，包括數(shù)值顯示和曲線顯示?？紤]到系統(tǒng)的可擴展性，在設(shè)計中設(shè)置了八個通道的數(shù)據(jù)采集和顯示功能。軟件設(shè)計前面板和程序框圖如圖3和圖4所示。

4 結(jié) 語

電子鼻系統(tǒng)設(shè)計完成后對感染了白粉虱病害的蔬菜苗進行了檢測和分析，共進行了3批次共計30個樣品的檢測。在數(shù)據(jù)采集過程中，系統(tǒng)比較穩(wěn)定，操作方便。能夠完成對數(shù)據(jù)的實時采集，并可將實時采集的信號以圖形化方式顯示，保存數(shù)據(jù)。這為進一步利用模式識別方法對蔬菜病害分類提供了基礎(chǔ)[6，7]，可進行基于電子鼻技術(shù)的蔬菜病害無損檢測方法的研究。

參考文獻

[1]程紹明.基于電子鼻技術(shù)檢測番茄種子發(fā)芽率和種苗病害的可行性研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2011.

[2]朱娜，毛淑波，潘磊慶，等.電子鼻對草莓采后貯藏早期霉菌感染的檢測[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29（5）：266-273.

[3]張嘉琪，冀大選，李杰一，等.基于LabVIEW平臺的電子鼻系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015，34（5）：92-94.

[4]陳辰星，鄒瑩暢，張希，等.冰箱貯存食品新鮮度檢測與識別的智能電子鼻設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41（4）：77-80.

[5]吳文娟，方向生，蔡強，等.基于氣敏傳感器陣列和PCA的豬肉新鮮度快速分類方法[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2010，23（11）：1536-1540.

[6]趙萬，梅笑冬，朱哲，等.基于LabVIEW和PCA分析方法的電子鼻設(shè)計[J].吉林大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），2013，31（2）：147-151.

[7]梁子躍，楊昊，黃燦燦，等.電子鼻的混合氣體分類研究[J].中國計量學(xué)院學(xué)報，2017，28（3）：388-393.

[8]于慧春，彭盼盼，殷勇，等.電子鼻融合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測玉米赤霉烯酮和黃曲霉毒素B1含量模型研究[J].中國糧油學(xué)報，2017，32（5）：117-121.