基于TDLAS-WMS的液體無損探測(cè)識(shí)別電子鼻系統(tǒng)*

孔國(guó)利，谷惠敏

(1.中州大學(xué)信息工程學(xué)院，河南鄭州450000;2.商丘醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校公共學(xué)科部，河南商丘476100)

基于TDLAS-WMS的液體無損探測(cè)識(shí)別電子鼻系統(tǒng)*

孔國(guó)利1*，谷惠敏2

(1.中州大學(xué)信息工程學(xué)院，河南鄭州450000;2.商丘醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校公共學(xué)科部，河南商丘476100)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)液體的無損探測(cè)識(shí)別，在可調(diào)諧二極管激光吸收光譜和波長(zhǎng)調(diào)制光譜(TDLAS-WMS)技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用嵌入式處理器LPC2148和波長(zhǎng)可調(diào)諧的分布反饋(DFB)激光器設(shè)計(jì)并研制了液體無損探測(cè)識(shí)別電子鼻系統(tǒng)，控制DFB激光器出射波長(zhǎng)通過被檢測(cè)液體的揮發(fā)氣體，根據(jù)譜帶的吸收情況進(jìn)行探測(cè)，并將數(shù)據(jù)經(jīng)過USB接口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行處理和分析。上位機(jī)根據(jù)氣體信息數(shù)據(jù)庫識(shí)別出被檢測(cè)液體。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的電子鼻系統(tǒng)可以在不破壞待測(cè)物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的前提下快速準(zhǔn)確地進(jìn)行探測(cè)和區(qū)分識(shí)別。

無損探測(cè)識(shí)別;譜帶的吸收;主成分分析;電子鼻;激光器

食用醋的調(diào)味與藥用價(jià)值越來越得到人們的重視，然而有不法商販鋌而走險(xiǎn)用工業(yè)冰醋酸勾兌成食用醋，不僅違反了國(guó)家食品安全的相關(guān)條例，還對(duì)消費(fèi)者的健康產(chǎn)生了極大的威脅。目前對(duì)于食用醋識(shí)別的傳統(tǒng)方法是采用對(duì)產(chǎn)品抽樣，然后送到質(zhì)檢部門進(jìn)行化驗(yàn)和分析［1-3］。盡管這種常用的檢測(cè)方法可以準(zhǔn)確得出結(jié)果，但是耗時(shí)耗力。亓培鋒等［4］采用傳感器陣列優(yōu)化方法對(duì)氣體進(jìn)行識(shí)別檢驗(yàn);李靜等［5］通過電子鼻采集的氣味圖譜研究特征氣味的散發(fā)規(guī)律。McWilliams等［6］采用化學(xué)電阻傳感器陣列對(duì)吸煙者呼氣檢測(cè)進(jìn)行肺癌風(fēng)險(xiǎn)研究。但是這些方法都存在誤差偏大和穩(wěn)定性差的問題。為此，提出了一種基于TDLAS-WMS技術(shù)和采用DFB激光器［7］設(shè)計(jì)的無損探測(cè)識(shí)別的電子鼻系統(tǒng)，通過對(duì)5種不同種類的食用醋進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)行了準(zhǔn)確探測(cè)和區(qū)分識(shí)別。

1 電子鼻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及工作原理

液體無損探測(cè)識(shí)別電子鼻系統(tǒng)主要由電子鼻和上位機(jī)兩部分組成。電子鼻在設(shè)計(jì)上由電學(xué)和光學(xué)兩部分。電學(xué)部分主要由嵌入式處理器LPC2148、差分電路、鎖相放大、A/D轉(zhuǎn)換、激光器驅(qū)動(dòng)電源和溫度控制器等組成。光學(xué)部分包括波長(zhǎng)可調(diào)諧DFB激光器，兩個(gè)近紅外探測(cè)器，分別用于檢測(cè)通道和參考通道［8-9］。電子鼻系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。以LPC2148為處理器，控制信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)DFB激光器，使其輸出穩(wěn)定的光強(qiáng)。同時(shí)，LPC2148控制溫度控制器，使DFB激光器的激射波長(zhǎng)位于被測(cè)液體的吸收峰。為了消除系統(tǒng)的1/f噪聲和粉紅噪聲，將低頻掃描信號(hào)(鋸齒波)和高頻調(diào)制信號(hào)(正弦波)疊加，成為混合信號(hào)，驅(qū)動(dòng)DFB激光器，被檢測(cè)的液體樣本會(huì)表現(xiàn)出不同的吸收特性(阻抗特性)，經(jīng)過差分鎖相放大電路后，轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)給處理器的LPC2148的A/D轉(zhuǎn)換器［10］。

圖1 電子鼻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電子鼻的工作原理以及檢測(cè)過程:由于不同液體(氣體)在近紅外譜段都具備特殊的吸收峰，存在“指紋區(qū)”特性，本系統(tǒng)借助波長(zhǎng)可調(diào)諧的分布反饋激光器，并對(duì)其工作溫度和注入電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，產(chǎn)生被測(cè)液體吸收譜帶光源。液體揮發(fā)氣體后的吸收譜帶的變化導(dǎo)致探測(cè)器阻抗特性改變，對(duì)其進(jìn)行精確采集。嵌入式處理器LPC2148通過USB通信接口與上位機(jī)連接，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，上位機(jī)接收到發(fā)來的數(shù)據(jù)后，采用主成分分析和反向傳播混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式算法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再根據(jù)氣體信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析，就能準(zhǔn)確快速地探測(cè)和識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同物質(zhì)的區(qū)分。

2 硬件系統(tǒng)關(guān)鍵模塊

DFB激光器是檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其工作的溫度和供電電源的穩(wěn)定性直接關(guān)系到測(cè)量的精度。

2.1 激光器溫度控制模塊

由于DFB激光器激射波長(zhǎng)與被檢測(cè)液體近紅外吸收峰的一致性直接影響電子鼻系統(tǒng)性能的優(yōu)劣［11］。以LPC2148為核心控制器，TEC(熱電制冷器)為前向驅(qū)動(dòng)電路［12］，與RTD(熱敏電阻)為后端采集電路，研制出高精度的DFB激光器溫度控制模塊，如圖2所示。

圖2 DFB激光器溫度控制模塊

DFB激光器溫度控制器由前向通路和溫度信息采集通路組成。核心控制芯片處理器LPC2148通過前向通道，將數(shù)字化的溫度控制量轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)TEC的電流值和方向，從而控制DFB激光器的工作溫度。DFB激光器工作的溫度通過熱敏電阻轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的阻值，然后通過溫度信息采集通路轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的溫度量輸出給核心控制處理器LPC2148，從而構(gòu)成完整的溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2.2 DFB激光器驅(qū)動(dòng)電源

為了提高驅(qū)動(dòng)電源的線性度和穩(wěn)定度，增加電子鼻系統(tǒng)的檢測(cè)精度，驅(qū)動(dòng)電源采用硬件閉環(huán)的控制方式，利用深度線性負(fù)反饋，通過調(diào)節(jié)積分時(shí)間和增益倍數(shù)，使驅(qū)動(dòng)電源的線性度和穩(wěn)定度得以提高［13］。DFB激光器驅(qū)動(dòng)電源構(gòu)成如圖3所示。

圖3 DFB激光器驅(qū)動(dòng)電源結(jié)構(gòu)

控制器模塊以LPC2148為核心，通過壓控恒流源模塊，將數(shù)字化控制量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的輸出電流模擬量，得以驅(qū)動(dòng)DFB激光器。供電電源能夠?yàn)轵?qū)動(dòng)電源各組成部分提供電源。保護(hù)電路模塊能夠使DFB激光器正常工作，使其免于損傷，延長(zhǎng)其使用壽命。

2.3 鎖相放大模塊

為了壓制1/f噪聲和粉紅噪聲，采用相關(guān)檢測(cè)法，對(duì)高頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行鎖相，提取與液體濃度相關(guān)的有用信號(hào)。鎖相放大模塊如圖4所示。

圖4 集成的鎖相放大器框圖

鎖相放大模塊以相敏檢波芯片AD630為核心，將差分信號(hào)與相位可調(diào)的參考信號(hào)(10 kHz方波信號(hào))進(jìn)行相敏檢波，輸出給模擬乘法單元，然后經(jīng)高階巴特沃茲低通濾波器，得到與被測(cè)液體濃度相關(guān)的二次諧波信號(hào)。其中，相位可調(diào)的參考信號(hào)(10 kHz方波信號(hào))為5 kHz的方波信號(hào)經(jīng)倍頻和移相單元得到。實(shí)驗(yàn)中根據(jù)背景噪聲，調(diào)節(jié)低通濾波器截止頻率來獲得最佳二次諧波信號(hào)［14］。

3 PCA和BP混合算法

由于采集到的原始數(shù)據(jù)xi存在大量冗余，上位機(jī)首先通過歸一化方法，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除冗余，歸一化公式如下:

式中，xi、yi為歸一化處理前后值，xmin和xmin分別為電子鼻采集到樣本數(shù)據(jù)中的最大值和最小值。

然后上位機(jī)采用主成分分析方法將接收到的歸一化數(shù)據(jù)進(jìn)行維度降低處理，然后再經(jīng)過BP模式識(shí)別，將被測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行一一比對(duì)，識(shí)別被測(cè)液體［15］，具體執(zhí)行步驟:

Step 1樣本采集與處理。從5種被測(cè)液體樣品中采集5 000個(gè)數(shù)據(jù)，建立總共為5×5 000數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。如需識(shí)別時(shí)，先采用PCA分析，建立標(biāo)準(zhǔn)化矩陣，實(shí)現(xiàn)對(duì)原始采集數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和進(jìn)一步的降維處理。然后提取被測(cè)樣本的PCA1和PCA2，并進(jìn)行比對(duì)，對(duì)PCA1和PCA2的貢獻(xiàn)量分別進(jìn)行計(jì)算，得到總貢獻(xiàn)量。實(shí)際中，采用PCA圖譜可以得到更加直觀的效果，PCA方法流程圖如5所示。

圖5 PCA方法流程圖

Step 2設(shè)置BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需參數(shù)，對(duì)PCA分析所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練。實(shí)際中，由于被測(cè)液體為5種，即輸入層/輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為5個(gè)。由于隱含層=輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)+輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)，所以隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為10。

Step 3上位機(jī)根據(jù)BP訓(xùn)練得到的數(shù)據(jù)與建立的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，識(shí)別被測(cè)液體樣本［16］。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，環(huán)境室溫為20℃，濕度為50%RH，對(duì)5種食用醋(陳醋、白醋、香醋、米醋和蘋果醋)進(jìn)行區(qū)分識(shí)別。實(shí)驗(yàn)中對(duì)5種被測(cè)食用醋揮發(fā)的液體進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)樣品在氣室中靜置2 min后采集數(shù)據(jù)。對(duì)每種測(cè)試對(duì)象進(jìn)行采集，間隔時(shí)間為2ms，每種樣品采集5 000個(gè)數(shù)據(jù)，建立總共為5×5 000數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，其中取22 500數(shù)據(jù)作為BP訓(xùn)練對(duì)象，余下2 500組數(shù)據(jù)作為測(cè)試樣本，分別繪制電子鼻對(duì)5種樣品的標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)曲線，隨著采集樣本數(shù)量的增加相應(yīng)趨于穩(wěn)定，如圖6所示。

圖6 電子鼻系統(tǒng)響應(yīng)曲線

從圖7的PCA分析圖譜可知，陳醋、白醋、香醋、米醋和蘋果醋5種不同的食醋被準(zhǔn)確識(shí)別。

再采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模式識(shí)別，將22 500組訓(xùn)練樣本用于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，當(dāng)閾值和權(quán)值滿足如下條件時(shí)，yi=max{y1，y2，y3，y4，y5}≥0.9，被檢測(cè)液體樣本能夠被準(zhǔn)確識(shí)別，其中yi為第i個(gè)食用醋采集樣本值。

由BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果可知，對(duì)5種被測(cè)食用醋識(shí)別結(jié)果的正確率為100%。同時(shí)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的誤差和訓(xùn)練次數(shù)的關(guān)系如圖8所示。

圖7 電子鼻系統(tǒng)PCA分析圖譜

表1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果

圖8 誤差與訓(xùn)練次數(shù)的關(guān)系

由圖8可知，隨著BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練次數(shù)的增加，誤差隨之減少，但檢測(cè)時(shí)間相應(yīng)增加。所以實(shí)際中需對(duì)訓(xùn)練次數(shù)與檢測(cè)時(shí)間進(jìn)行折中，達(dá)到最佳檢測(cè)效果。

5 結(jié)束語

研制的液體無損探測(cè)識(shí)別電子鼻借助波長(zhǎng)可調(diào)諧的分布反饋激光器開發(fā)而成，并對(duì)分布反饋激光器工作的溫度和供電電源的進(jìn)行控制，使通過液體揮發(fā)氣體后的吸收譜帶的變化情況進(jìn)行精確采集。同時(shí)，在上位機(jī)上通過PCA和BP混合算法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，進(jìn)而能夠快速準(zhǔn)確的識(shí)別。通過對(duì)5種食用醋的測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的電子鼻系統(tǒng)可以在不破壞待測(cè)物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的前提下，快速準(zhǔn)確地進(jìn)行探測(cè)和區(qū)分識(shí)別，如建立更加全面的數(shù)據(jù)庫，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同物質(zhì)的探測(cè)和識(shí)別分析。

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孔國(guó)利(1973-)，男，河南省開封人，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)樘綔y(cè)技術(shù)與智能控制，kguoli73@126.com;

谷惠敏(1979-)，女，河南商丘人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。

Electronic Nose System for Liquid Nondestructive Detection and Identification Based on TDLAS-WMS*

KONGGuoli1*，GU Huimin2

(1.Information Engineering College，Zhongzhou University，Zhengzhou 450000，China; 2.Department of Public Courses，Shangqiu Higher Vocational School of Medicine，Shangqiu 476100，China)

For the detection and recognition of liquid without destroying，an electronic nose system for liquid nondestructive identification based on Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy and Wavelength Modulation Spectroscopy(TDLAS-WMS)technology is designed utilizing embeded processor LPC2148 and wavelength tunable distributed feedback(DFB)laser，whose wave passes through the volatile gas of liquid to detect according to the spectral band absorption，then uploading them to the host for processing and analysis by USB interface.The host indentifies the liquid according to the gas information database.The test results show that the designed electronic nose system can detect and distinguish identify quickly and accurately without destroying the chemical properties of the detected object.

nondestructive detection and identification;spectral band absorption;principal component analysis; electronic nose;laser

C:7320

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.037

TP216+.3

:A

:1005－9490(2017)01－0194－05

項(xiàng)目來源:國(guó)家青年基金項(xiàng)目(61405156);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1304618)

2016-01-15修改日期:2016-02-01