一種用于蔬菜病害檢測的電子鼻的設計

引 言

電子鼻是根據(jù)仿生學原理，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、對樣品無需預處理、操作簡單，并能夠得出樣品客觀的檢測結果等優(yōu)點，現(xiàn)已發(fā)展成為環(huán)境監(jiān)測、食品質量檢測、飲料以及農(nóng)產(chǎn)品檢測和加工等領域一項便捷的檢測技術[2]。

近年來，電子鼻技術受到了越來越廣泛的關注。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)品質量檢測方面具有巨大的應用潛力。目前，進口的電子鼻產(chǎn)品價格昂貴，因此設計一種簡單、實用、低成本的電子鼻系統(tǒng)意義重大。

1 系統(tǒng)整體架構

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變化。 響應后的電壓值通過數(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)相應的數(shù)據(jù)測量平臺軟件。

2 硬件設計

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。

單個傳感器測量電路如圖 2 所示。利用傳感器與待測樣品揮發(fā)氣體接觸時，傳感器電阻 RS 發(fā)生變化的原理，測試匹配電阻 RL 兩端的輸出電壓 VRL，從而求出傳感器兩端的電壓VRS 及傳感器電阻 RS，其中 VC 是電源電壓，VRL 是匹配電阻的 電壓，VH 是氣體傳感器的加熱電壓。

傳感器電壓（VRS）和電阻（RS）可根據(jù) VOUT（VRL）的測定 值由式（1）、式（2）求出：

VRS=VC －VRL （1）

RS=（VC/VRL－1）×RL （2）

測量輸出的電壓值 VRS 通過 PCI 數(shù)據(jù)采集卡 6023E 的六個數(shù)據(jù)傳輸通道送至上位機數(shù)據(jù)處理軟件中。

3 軟件設計

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，在設計中設置了八個通道的數(shù)據(jù)采集和顯示功能。軟件設計前面板和程序框圖如圖 3 和圖 4 所示。

圖 3 數(shù)據(jù)采集中心面板

4 結 語

電子鼻系統(tǒng)設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 [6,7]，可進行基于電子鼻技術的蔬菜病害無損檢測方法 的研究。