吹掃式仿生嗅覺檢測裝置的設計與性能試驗

文 韜，鄭立章，龔中良，李立君，桑孟祥，董 帥

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吹掃式仿生嗅覺檢測裝置的設計與性能試驗

文 韜，鄭立章，龔中良※，李立君，桑孟祥，董 帥

（中南林業科技大學機電工程學院，長沙 410004）

為研究仿生嗅覺檢測裝置的檢測性能，該文研制了一種吹掃式仿生嗅覺檢測裝置，選取傳感器陣列靈敏度、響應時間和恢復時間作為裝置性能指標，分析了傳感器加熱電壓、待檢氣體濕度以及流量等控制參數對嗅覺檢測性能的影響，并進一步驗證優化控制參數的仿生嗅覺檢測裝置對氣味檢測的可行性和檢測性能。試驗結果表明：傳感器陣列靈敏度隨加熱電壓增大而增大，其響應和恢復時間隨加熱電壓增大而減小，加熱電壓為5.0 V時，裝置性能較佳，其傳感器陣列靈敏度分布范圍為2.260～4.823，響應和恢復時間分布范圍分別為46～53 s、44～70 s；增加氣體濕度會使傳感器陣列靈敏度減小，同時也會延長響應和恢復時間，氣體相對濕度為30%時，裝置性能較佳；傳感器陣列靈敏度隨載氣流量的增加先遞增后減小，其響應和恢復時間隨流量的增加先減小后遞增，流量為100 mL/min時，裝置性能較佳，其傳感器陣列靈敏度分布范圍為2.853～7.559，響應和恢復時間分布范圍分別為35～50 s、30～50 s；在優化控制參數下，待檢氣體體積分數范圍控制在0.002%～0.020%時，裝置檢測靈敏度較高，范圍為3 577.1～6 700.7；線性特性和重復性較好，決定系數范圍為0.901～0.997，變異系數范圍為0.832%～9.696%，能滿足仿生嗅覺氣味檢測的要求，可為后續開展仿生嗅覺的應用性研究提供數據參考與技術支撐。

傳感器；檢測；優化；仿生嗅覺；吹掃式；傳感器陣列；控制參數；性能

0 引 言

仿生嗅覺是模擬生物嗅覺而設計的一種智能傳感技術，由能感知環境中某種氣體和體積分數的氣體敏感元件、信號轉換單元和模式識別系統組成，專門用于檢測識別復雜的氣體揮發物[1-3]。隨著微電子、傳感器和模式識別等技術的快速發展，仿生嗅覺無損檢測技術得到了大量的探索與應用。有的學者將仿生嗅覺技術應用到芒果和香蕉成熟度、食用油摻假鑒別上[4-7]；有的學者開展了仿生嗅覺技術在臨床醫學的應用鑒別研究[8-11]，如肺部疾病、呼吸道疾病、胃炎以及癌癥等；有的學者利用仿生嗅覺技術對農作物的病蟲害進行了預測[12-14]；還有的將仿生嗅覺技術與電子舌技術相結合，實現了對紅茶品質、橄欖油原產地的鑒別[15-16]。查閱文獻發現，目前仿生嗅覺的研究主要集中在模式識別和儀器應用等層面，鮮有涉及對仿生嗅覺檢測性能的分析與評價，而仿生嗅覺檢測性能是開展嗅覺模式識別和應用研究的基礎。雖然李華曜[17]選用最低檢測限、準確度和穩定性等指標研究了仿生嗅覺檢測系統的檢測性能，但對影響檢測性能的傳感器加熱電壓（即傳感器工作溫度）[18-19]、氣體濕度[20-21]以及流量[22-23]等控制參數并未分析及優化。進一步查閱文獻發現上述4類因素均會影響仿生嗅覺檢測中傳感器的檢測性能，如薛嚴冰等[24]研究提出傳感器存在最佳工作溫度使其靈敏度最大；房家驊等[25]研究表明傳感器靈敏度隨工作溫度的上升具有先遞增后減小的變化特征；Koziej等[26]研究顯示水分子會使傳感器靈敏度下降；梁宏增等[27]研究發現增加氣體流速可縮短傳感器響應和恢復時間，也可提高靈敏度；但上述因素對傳感器陣列組成的仿生嗅覺系統的檢測性能影響還需進一步研究。

針對上述問題，本文旨在設計一種吹掃式仿生嗅覺檢測裝置，分析傳感器加熱電壓、待檢氣體相對濕度以及流量等控制參數對嗅覺檢測性能的影響，優選仿生嗅覺檢測裝置的控制參數，驗證優化控制參數的仿生嗅覺檢測裝置對氣味檢測的可行性和檢測性能，以期為后續開展仿生嗅覺的應用性研究提供數據參考與技術支撐。

1 吹掃式仿生嗅覺檢測裝置結構及工作原理

本文研制的吹掃式仿生嗅覺檢測裝置主要結構由氣體傳輸及流量控制管路、仿生嗅覺測控單元和仿生嗅覺檢測分析軟件組成。其中，氣體傳輸及流量控制管路是仿生嗅覺氣體傳輸的載體，仿生嗅覺測控單元完成對待檢氣體傳輸控制信號的輸出轉換和檢測信號的采集調理，仿生嗅覺檢測分析軟件能夠實現對嗅覺檢測的參數設置與過程控制，并對采集數據實施預處理、特征提取和模式識別分析。該檢測裝置的控制方式主要包括軟件自動控制和手動控制，如圖1所示。

1. 軟件自動控制面板 2. 手動控制面板

該檢測裝置工作原理為：待檢樣本通過人工放置于樣本氣體生成室密閉一段時間后，生成室內頂空氣體通過外部高壓載氣吹掃至嗅覺檢測室中，室內傳感器陣列吸附一定量的揮發性物質使其電導率發生變化，該變化的信號被信號采集調理模塊捕獲并傳送給計算機進行數據處理與模式分析。采樣完成后，外部載氣重新通入檢測裝置，對樣本氣體生成室、嗅覺檢測室進行清洗使其恢復至初始狀態。

2 吹掃式仿生嗅覺檢測裝置搭建

2.1 氣體傳輸及流量控制管路設計

氣體傳輸及流量控制管路按其主功能可劃分為動態配氣和嗅覺檢測2部分，主要組成部件包括高壓載氣源、質量流量控制器（mass fluid controller，MFC）、兩位三通閥、單向導通電磁閥、加濕器、樣品氣體生成室、嗅覺檢測室、氣體流量計等，其內部結構如圖2所示。

該檢測裝置動態配氣時，通過調節2個量程分別為0～5、0～500 mL/min MFC（LF-5，LF-500，Chengdu Laifeng Technology Corporation，China）的流量比控制進樣氣體流量和混合氣體的體積分數，如圖2所示。該裝置實施嗅覺檢測包括嗅覺采樣和氣味清洗2個工作過程，嗅覺采樣時，導通電磁閥8，關閉電磁閥7、9，在外部載氣的作用下將帶有樣品揮發性成分的氣體吹掃至嗅覺檢測室11，氣體進樣流量可調范圍0～500 mL/min，待檢氣體最終從嗅覺檢測室尾部排出；氣味清洗時，導通電磁閥7、9，關閉電磁閥8，通入外部清潔載氣分別清洗樣品室和嗅覺檢測室內的殘余氣體，避免殘余氣體對下一次采樣過程的影響，如圖2所示。

1. 配氣支路 1-1. 待測氣源 1-2. 截止閥 1-3.質量流量控制器 1-4. 單向閥 2. 載氣輸送支路 2-1. 載氣氣源 2-2. 截止閥 2-3.質量流量控制器 2-4. 單向閥3. 兩位三通閥4. 干燥支路 4-1. 單向閥 5. 加濕支路5-1. 加濕器5-2. 截止閥6. 樣品室 7、8、9. 電磁閥10. 流量計 11. 檢測室 12.溫濕度傳感器 13. 單向閥

2.2 仿生嗅覺測控單元設計

仿生嗅覺測控單元硬件結構如圖3所示。本測控單元以計算機作為數據測控的終端，通過數據采集卡（PCIe-6353，National Instruments，TX，USA）生成氣路控制元件受控的電壓信號和脈沖信號，其中，電壓信號一部分經過運算放大輸出至氣體質量流量控制器，完成檢測氣體的進樣流量控制，另一部分經脈寬調制電路輸出至傳感器陣列加熱控制端設置不同的工作電壓；脈沖信號經過放大處理輸出至氣體傳輸回路中電磁閥實現不同功能氣路切換；部署在嗅覺檢測室的傳感器陣列感知揮發物物質和氣體體積分數的變化，并通過阻抗匹配電路變送至數據采集卡PCIe-6353，將采集信號傳送給計算機。同時，在嗅覺檢測過程中氣路中溫濕度變化，通過內嵌于檢測管路中的溫濕度傳感器進行在線監測，并由數據采集卡把采集信號反饋給計算機。

圖3 仿生嗅覺測控單元硬件結構

2.3 仿生嗅覺檢測分析軟件設計

本檢測裝置選用LabVIEW圖形化編程環境作為軟件開發平臺，程序架構采用模塊化編程思想，設計的功能模塊包括系統參數設置、數據實時采集及存儲、特征參數提取、數據處理與分析、模式識別等模塊，其人機交互界面如圖4所示，在該界面中，主要包括按鍵控制、輸入和顯示部分，用戶可以自定義顯示采集的傳感器響應曲線和選擇查看相應的數據分析結果，該檢測分析軟件的工作流程如圖5所示。

圖4 仿生嗅覺檢測分析軟件

圖5 檢測裝置軟件的工作流程

3 試驗設計與方法

3.1 仿生嗅覺檢測裝置的控制參數性能分析試驗

為了分析傳感器加熱電壓、氣體濕度以及流量等控制參數對該裝置嗅覺傳感器陣列檢測性能的影響，從而優選出檢測裝置的控制參數。本試驗選取對嗅覺傳感器陣列（TGS2620、TGS2610、TGS2600、TGS2610-D00和TGS2611）具有選擇性的乙烯氣體（標氣）作為待測氣體，減少樣本的變異性。依據仿生嗅覺檢測實際工況的要求，分別對上述因素設置成不同的水平進行單因素試驗，其中傳感器加熱電壓取值為3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 V，氣體相對濕度取值為30%和75%，氣體流量取值為50、100、150、200、250、300 mL/min。

試驗前，利用該裝置的動態配氣部分對體積分數含量較高的乙烯氣體進行稀釋，試驗時導通電磁閥8，關閉電磁閥7、9，使樣本氣體進入嗅覺檢測室內與傳感器陣列發生反應。檢測分析軟件每1 s記錄1次數據，采樣時間為：選取連續90個數據進行最小二乘擬合，若擬合數據的波動量小于傳感器量程的5%有效檢測限，則采樣結束，反之，繼續；采樣結束后，進行氣味清洗，確定清洗時間的方法同采樣過程一致。

采集完嗅覺信號后，為了減少噪聲及環境因素的影響，采用Savitzky-Golay平滑進行預處理。為了優選出檢測裝置的控制參數，本文選擇嗅覺傳感器響應曲線的響應時間res恢復時間rec和靈敏度等作為評價指標[28]。其中，傳感器陣列靈敏度的計算公式如（1）[29]所示：

式中C為采樣回路電壓，V；N2為通入氮氣時傳感器的響應值，即基線值，V；gas為通入氮氣-乙烯混合氣體時傳感器的穩定響應值，即穩定值，V；傳感器響應值達到穩定值與基線值之差的10%～90%所用時間為響應時間res，s；傳感器響應值達到穩定值與基線值之差的90%～10% 所用時間為恢復時間rec，s。

res和rec越短，說明在所選控制參數下裝置檢測周期越短；越高，說明在所選控制參數下裝置對待測氣體越敏感，選擇性越好。

3.2 仿生嗅覺檢測裝置在優化控制參數下的氣味檢測試驗

為了進一步研究研制檢測裝置在優化控制參數下對氣味的檢測性能，選取檢測裝置的靈敏度、決定系數和變異系數等作為評價指標。上述指標的試驗方法為：將檢測裝置的控制參數設置為優化參數，然后利用裝置對體積分數為0.002%、0.004%、0.006%、0.010%、0.020%、0.030%、0.040%、0.050%的乙烯氣體進行動態配置和檢測，數據采集的過程與控制參數性能試驗一致；分析靈敏度和決定系數時，每個氣體體積分數的樣本采集3次，取均值作為最終數據；分析檢測裝置變異系數時，每天采集8個氣體體積分數的樣本，時間間隔為1 d，共檢測8次。上述指標的計算公式如（2～4）所示：

（3）

（4）

式中為裝置靈敏度；2為決定系數；CV為變異系數；?(?)為傳感器電壓響應差值（?=gas-N2）的變化量，V；?為輸入氣體體積分數的變化量；為氣體體積分數的樣本數；y為樣本實測的電壓響應差值，V；y為通過線性擬合直線預測的樣本電壓響應差值，V；為樣本實測的電壓響應差值的均值，V；σ?V、分別為傳感器電壓響應差值的標準差和均值，V。

裝置靈敏度越大，說明其能感知的被測量越小，精度越高；裝置決定系數2越大說明其輸入輸出的相關性越好；裝置變異系數CV越小說明其重復性越好，采集的數據越可靠。

4 結果與分析

4.1 仿生嗅覺檢測氣體的動態響應特性分析

如圖6為仿生嗅覺檢測裝置采集數據的動態響應曲線，試驗參數為：載氣流量50 mL/min，氣體體積分數0.002%，相對濕度30%，傳感器加熱電壓3.5 V。測量數據時，先通入載氣（氮氣）以校準傳感器陣列基值，由圖6可知傳感器陣列的基值范圍為0.176～0.421 V，噪聲波動范圍為0.001～0.032 V，因為氮氣與傳感器陣列的敏感材料發生吸附作用，導致電導率改變，但這種變化量很小，說明傳感器陣列對氮氣敏感性較低；當氮氣與乙烯混合氣體通入檢測裝置時，傳感器陣列輸出電壓值遞增，增幅為0.033～0.931 V，表明傳感器陣列對乙烯氣體具有較好的敏感特性，當再次通入氮氣對裝置管路進行清洗時，傳感器陣列的電壓值遞減，其再生基線范圍為0.179～0.538 V，噪聲波動范圍為0.001～0.184 V，表明乙烯氣體分子與傳感器敏感材料發生解吸附，最終使得傳感器陣列響應再生值接近初始基值。因此，研制的檢測裝置檢測乙烯氣體具有一定可行性。

圖6 仿生嗅覺檢測裝置的動態響應曲線

4.2 仿生嗅覺檢測裝置的控制參數性能分析

4.2.1 傳感器加熱電壓對嗅覺檢測性能的影響

圖7為不同加熱電壓時傳感器陣列靈敏度、響應時間res和恢復時間rec的變化情況，其試驗參數為：氣體體積分數0.002%，相對濕度30%，載氣流量50 mL/min。

由圖7a可知，TGS2620、TGS2610、TGS2600以及TGS2611傳感器的靈敏度隨加熱電壓增大而增大，當加熱電壓為5.0 V時，上述傳感器最大，分布范圍為2.309～4.823，僅TGS2610-D00傳感器隨加熱電壓的增加先遞增后減小，加熱電壓為4.0 V時達到極值（2.708）。由圖7b、7c可知，TGS2610、TGS2600和TGS2610-D00傳感器的響應時間res和恢復時間rec隨加熱電壓增大而減小，加熱電壓為5.0 V時，其res和rec均最短。而TGS2620、TGS2611傳感器加熱電壓設置低于4.5 V和3.5 V時，其res和rec均為0，說明上述傳感器檢測穩定值相對基線值增量范圍（0.003～ 0.090 V、0.101～0.186 V）均小于傳感器量程的5%有效檢測限，可認為上述傳感器加熱電壓設置在該范圍無法正常檢測，故上述傳感器在加熱電壓為5.0 V時，res和rec最短。因此，傳感器陣列加熱電壓為5.0 V時，檢測裝置性能較佳，其傳感器陣列靈敏度分布范圍為2.260～4.823，res和rec分布范圍分別為46～53、44～70 s。

圖7 不同加熱電壓時傳感器靈敏度、響應時間和恢復時間分布

4.2.2 氣體濕度對嗅覺檢測性能的影響

在加熱電壓為5.0 V下，為了進一步研究裝置氣體濕度變化對嗅覺檢測性能的影響，試驗通過將相對濕度為30%的氣體通入設計裝置的加濕氣路使相對濕度增大為75%，并分析上述 2種相對氣體濕度對嗅覺檢測的響應情況，其試驗參數：乙烯氣體體積分數設置為0.002%、0.020%、0.050%，載氣流量50 mL/min，其加濕前后傳感器陣列的靈敏度、響應時間res和恢復時間rec的相對變化情況如表1所示。

由表1可知，在上述3個氣體體積分數水平下，TGS2610-D00傳感器的靈敏度變化量均小于0，說明氣體加濕后其存在上升趨勢，但其余4個傳感器的靈敏度變化量均大于0，表明氣體加濕后其均具有下降趨勢，并且5個傳感器的響應時間變化量res和恢復時間變化量rec均小于0，說明氣體加濕后傳感器陣列的響應時間res和恢復時間rec均存在延長，可能因為水分子同待測氣體在敏感材料表面上的吸附、解吸附存在競爭，而水分子處于主導地位，導致待測氣體分子與敏感材料的吸附和解吸附滯后。故氣體相對濕度為30%時，檢測裝置的性能較佳。

4.2.3 氣體流量對嗅覺檢測性能的影響

在加熱電壓為5.0 V和相對濕度30%下，進一步分析不同載氣流量對嗅覺傳感器陣列靈敏度、響應時間res和恢復時間rec的影響，參數具體變化趨勢如圖8所示，試驗參數為：氣體體積分數0.002%。

由圖8a可知，傳感器陣列的靈敏度隨載氣流量的增加先遞增后減小，其中TGS2610-D00工作在流量 100 mL/min時達到極值（2.946），而其余傳感器在流量150 mL/min時達到極值，分布范圍為2.854～8.362。由圖8b、8c可知，陣列響應時間res和恢復時間rec均隨載氣流量的增加先減小后遞增，由于傳感器頂面與氣流方向平行，當載氣流量較小時，待測氣體分子主要靠氣體自由擴散至傳感器敏感元件表面，表現為res和rec較長；隨著載氣流量的遞增，待測氣體被載氣吹掃至傳感器敏感元件表面，導致res和rec縮短；當載氣流量超過一定范圍繼續增大時，由于載氣流速過快，待測氣體分子被快速吹掃至傳感器敏感元件表面，大量氣體分子剛接觸敏感材料還未完成吸附和反應，就被載氣帶離了傳感器感應表面，導致單位時間內吸附于敏感元件表面的氣體體積分數含量過低，表現為res和rec延長。傳感器工作在流量100 mL/min時res最短，分布范圍為35～50 s。TGS2610、TGS2600、TGS2610-D00傳感器工作在流量100 mL/min時rec最短，分別為48、30、39 s，TGS2620和TGS2611傳感器工作在流量150 mL/min時rec最短，分別為45、38 s。綜合考慮傳感器陣列、res和rec，故在流量100 mL/min時，檢測裝置檢測效果較佳，其傳感器陣列靈敏度范圍為2.853～7.559，res和rec分布范圍分別為35～50、30～50 s。

表1 氣體加濕前后傳感器陣列靈敏度、響應和恢復時間的相對變化情況

注：、res、rec分別為氣體相對濕度為30%時的、res、rec與相對濕度為75%時相應值之差.

Note: Difference of、res、recbetweengas with a relative humidity of 30% and gas with a relative humidity of 75% respectively were、res、rec.

4.3 仿生嗅覺檢測裝置在優化控制參數下的氣味檢測分析

由上述分析可知，研制裝置的優化控制參數為：傳感器加熱電壓為5.0 V，相對濕度30%，載氣流量 100 mL/min。為了進一步分析裝置在優化控制參數下對氣味的檢測性能，本裝置動態配制了不同體積分數含量的乙烯氣體并進行檢測，如圖9為乙烯體積分數與電壓響應差值?之間的關系。

圖8 不同載氣流量時嗅覺傳感器靈敏度、響應時間和恢復時間

由圖9可知，傳感器陣列的電壓響應差值?隨乙烯體積分數的增大而增大，并且響應差值?在體積分數為0.020%處出現拐點，體積分數低于0.020%時響應差值?增幅較大，分布范圍為0.660～1.190 V；體積分數高于0.020%時響應差值?增幅較小，分布范圍為0.098～0.444 V。為了分析裝置靈敏度和輸入輸出的線性相關性，采用最小二乘法對數據進行擬合，得出體積分數在0.002%～0.050%內的裝置靈敏度范圍為1 303.2～3 611.5，決定系數2范圍為0.757～0.899；但在體積分數為0.002%～0.020%內，氣體體積分數與響應差值?具有較好的線性關系，經計算該范圍內的裝置靈敏度范圍為3 577.1～6 700.7，2范圍為0.901～0.997。綜合考慮裝置應具有較好的靈敏度和線性特性，故該檢測裝置可檢測氣體的有效體積分數范圍為0.002%～0.020%，能滿足仿生嗅覺氣體檢測的要求。

圖9 不同體積分數時傳感器陣列的電壓響應值差值

變異系數是表征裝置對一系列檢測結果的重復程度，表2為有效體積分數下裝置檢測結果變異系數的統計結果。

表2 有效體積分數下裝置檢測結果的變異系數

由表2可知，在有效體積分數下上述傳感器陣列的變異系數范圍為0.832%～9.696%，與文獻[30]研究結果接近。但不同傳感器的重復性存在一定差別，其中TGS2610- D00的變異系數范圍為3.192%～9.696%，在同一氣體體積分數下該值均大于其他傳感器變異系數，故該傳感器與其他傳感器相比重復性較差。同時對比不同氣體體積分數下的變異系數，發現裝置對體積分數為0.002%樣本檢測重復性較差，變異系數范圍為3.476%～9.696%，對體積分數大于0.002%樣本檢測重復性較好，變異系數范圍為0.832%～6.857%，因為配制體積分數為0.002%樣本時，樣本量較少，導致氣體體積分數波動性較大。

5 結 論

為了研究仿生嗅覺檢測裝置的性能，本文研制了一種吹掃式仿生嗅覺檢測裝置，利用乙烯氣體（標氣）對裝置檢測氣味的可行性和影響檢測性能的控制參數進行了分析與優化，具體結論如下：

1）研制的裝置檢測氮氣時，傳感器陣列基值范圍為0.176～0.421 V，通入混合氣體后，傳感器陣列的電壓值上升，增幅為0.033～0.931 V，再次通入氮氣清洗氣路后，傳感器陣列的電壓值下降，其再生基值為0.179～0.538 V，故該裝置檢測乙烯氣體具有可行性。

2）加熱電壓為5.0 V時，嗅覺傳感器陣列的靈敏度最大，分布范圍為2.260～4.823；而響應時間res和恢復時間rec最短，分布范圍分別為46～53、44～70 s，故此時檢測裝置性能較佳。

3）增加氣體濕度會使傳感器陣列的靈敏度減小，同時也會延長其響應時間res和恢復時間rec，故氣體相對濕度為30%時，檢測裝置性能較佳。

4）載氣流量設置在100 mL/min時，嗅覺傳感器陣列的靈敏度最大，分布范圍為2.853～7.559；響應時間res和恢復時間rec最短，分布范圍分別為35～50、30～50 s。故此時檢測裝置性能較佳。

5）在優化控制參數下，檢測裝置在氣體體積分數為0.002%～0.020%時可進行有效檢測，此時裝置檢測靈敏度范圍為3 577.1～6 700.7，決定系數范圍為0.901～0.997，變異系數范圍為0.832%～9.696%。該檢測裝置在仿生嗅覺氣味檢測上具有可行性，可為后續仿生嗅覺的開發與應用性研究提供一定的技術支撐。

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Design and performance experiment of bionic olfactory detection device using purging method

Wen Tao, Zheng Lizhang, Gong Zhongliang※, Li Lijun, Sang Mengxiang, Dong Shuai

(410004,)

In order to study the performance of bionic olfactory detection device, the bionic olfactory detection device was designed using purging method in this research This detection device consisted of the gas transmission and flow control pipes, the bionic olfactory control unit and the software of bionic olfactory detection analysis. The gas transmission and flow control pipes were the carrier of bionic olfactory gas transmission, and the bionic olfactory control unit completed the signal output and sensor signal acquisition, the software of bionic olfactory detection analysis could not only complete setting up parameters in the process of olfactory detection analysis and controlling working process, but also complete data preprocessing, feature extraction and pattern recognition. According to current documents, the heating voltage of sensor array, gas humidity and gas flow have an effect on the performance of this device. In order to study the effect of these control parameters on the performance of detection device, the ethylene and nitrogen gas were respectively selected as testing sample and carrier gas, and each of the control parameters was studied with single factor experiment. Then, according to the sensibility, response time, recovery time of sensor array, the optimal control parameters of this device were selected. Furthermore, the feasibility and performance of the bionic olfactory detection device were verified under optimized control parameters. The results of experiment showed that the sensitivity of the sensor array increased with the increase of heating voltage. When the heating voltage of sensor was 5.0 V, the sensibility of the sensor array was the maximum, which ranged from 2.260 to 4.823, and the response and recovery time of the sensor array were both the minimum, which ranged from 46 to 53 s and from 44 to 70 s, respectively. So when the heating voltage of sensor was 5.0 V, the detection device could get a better performance. When the humidity increased, the sensibility of the sensor array decreased, and the response time and recovery time of the sensor array were both lengthened. So, when the relative humidity of the gas was 30%, the detection device could get a better performance. The sensibility of the sensor array firstly increased and then decreased with the increment of the gas flow; the response time and recovery time of the sensor array firstly decreased and then increased with the increment of the flow. If the sensitivity, recovery time and recovery time of the sensor array were comprehensively considered, when the flow was 100 mL/min, the sensibility of the sensor array was the maximum, which ranged from 2.853 to 7.559, the response and the recovery time of the sensor array were the minimum, which ranged from 35 to 50 s and from 30 to 50 s, respectively. So, when the flow was 100 mL/min, the detection device could get a better performance. Therefore, when the heating voltage of sensor was 5.0 V, the relative humidity of the gas was 30%, and the flow was 100 mL/min, these control parameters were the optimal control parameters. The detection device adopted the optimized control parameters, and then the device was used to detect the ethylene gas with the volume fraction of 0.002%, 0.004%, 0.006%, 0.010%, 0.020%, 0.030%, 0.040% and 0.050%. The results showed that when the volume fraction was controlled in the range of 0.002%-0.020%, the sensibility of the device was higher, which ranged from 3 577.1 to 6 700.7, and the linearity and repeatability of the device were both better, whose coefficient of determination was from 0.901 to 0.997, and coefficient of variation ranged from 0.832% to 9.696%. So, the device can meet the requirements of odor detection, and also can provide data reference and technical support for the further research on the application of bionic olfaction.

sensors; detection; optimization; bionic olfactory; purging method; sensor array; control parameters; performance

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.034

TP216

A

1002-6819(2017)-08-0251-08

2016-08-26

2017-03-21

國家自然科學基金（31401281）；湖南省自然科學基金（14JJ3115）；湖南省高校科技創新團隊支持計劃（2014207）；湖南省科技計劃重點研發項目（2016NK2151）

文 韜，男，湖南長沙人，博士，副教授，主要從事農業工程、機電一體化和信息技術應用研究。長沙 中南林業科技大學機電工程學院，410004。Email:wt207@sina.com

龔中良，男，湖北監利人，博士，教授，主要從事機電一體化技術及應用研究。長沙 中南林業科技大學機電工程學院 410004。 Email：gzlaa@163.com

中國農業工程學會高級會員：文韜（E041200816S）

文 韜，鄭立章，龔中良，李立君，桑孟祥，董 帥.吹掃式仿生嗅覺檢測裝置的設計與性能試驗[J]. 農業工程學報，2017，33(8)：251－258. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.034 http://www.tcsae.org

Wen Tao, Zheng Lizhang, Gong Zhongliang, Li Lijun, Sang Mengxiang, Dong Shuai.Design and performance experiment of bionic olfactory detection device using purging method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 251－258. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.034 http://www.tcsae.org