本发明设计一种电子鼻系统的设计及方法，尤其是一种用于草莓新鲜度判别的便携式电子鼻系统的设计及方法。
背景技术：
草莓浆果易腐、易损，在整个流通过程中损失较为严重。而其在贮藏过程中挥发性香味成分会发生改变，气敏传感器对这些挥发性气味有较好的响应，能够从一定程度上反映出草莓的新鲜程度。
品质等级及新鲜度是食品检测的两个重要指标，传统的分析方法有感官评价和理化指标检测，但感官评价往往受主观因素影响，重复性差，而理化指标检测又相对耗时，操作复杂。电子鼻作为一款新型、智能化的感官分析仪器，可通过对食品挥发性气体的检测，以区分食品不同品质等级及新鲜度。其分析速度快、复现性较好，且具有检测方法无损化的优势。本发明的电子鼻系统模拟人的嗅觉系统设计而成，主要包括传感器阵列、信号采集模块和模式判别模块三大单元，使用灵活、实现了小型化、便携式的设计。
技术实现要素：
为判别流通过程中不同新鲜程度的草莓，本发明公开了一种便携式电子鼻系统的设计及方法。
本发明所设计的系统主要包括气路模块、电路模块和便携式电脑端的模式判别系统(1)。气路模块由封闭式气室(2)、传感器阵列(3)、空气净化装置(4)、气泵(5)和节流阀(6)构成；电路模块分为传感器检测电路、模数转化模块(7)及电源模块：
封闭气室具有一定的气密性及热稳定性，待草莓样品(8)平衡后，静态提取其顶部空间的样气用于检测。
所述气室的进气口与出气口分别与封闭气室及洗气装置相连，封闭气室内部置有传感器阵列。所述传感器阵列由6个金属氧化物传感器(mos)及温湿度传感器模块构成。所述6个金属氧化物传感器分别为甲烷等烷烃类气体传感器(s1)、乙醇气体传感器(s2)、乙醇/有机溶剂类气体传感器(s3)、芳香型化合物气体传感器(s4)、酒精/vocs气体传感器(s5)、硫化氢气体传感器(s6)。
空气净化装置选用活性炭作为吸附剂，滤去水蒸气，并吸附空气中二氧化碳、挥发性硫氧化物等干扰气体，以净化后的环境气体作为标准气体。
mos传感器检测电路由6路电路并联而成，每个电路连有一个气敏传感器，采用分压式设计。为传感器阵列加热，并将传感器阵列所采集的气体响应值转化为电压信号。
模数转化(ad)模块采用8通道12位的数据采集器，通过usb与便携式电脑连接。ad模块电路与检测电路相连，以i/o接口形式实现并行通信，经模数转换将6路传感器的模拟信号转换为数值并输送给电脑端，通过软件实现数据动态显示和存储。
电源模块为5v直流电压，为传感器阵列供电。
静态采集草莓样品顶部空间的气体后，经ad模块转换后的数值信号先进行预处理，扣除基线值后，提取各传感器稳定后的响应数值作为特征值进行模式判别。所述模式判别采用偏最小二乘法判别分析(pls-da)及支持向量机模型(svm-c)对提取的特征值进行建模。
本发明所设计的电子鼻具有简易、便携的特点，并运用pls-da、svm-c的模式判别方法，对草莓新鲜度的检测具有一定的可行性，可作为智能化的检测设备应用于流通过程，为检测草莓新鲜度提供一种新的无损化方法。
附图说明
图1为本发明的电子鼻系统设计结构图
图2为本发明的数据采集分析流程图
图3为本发明的软件系统流程图
图4为本发明电子鼻检测传感器的响应信号图
图5为本发明基于pls-da判别方式的草莓新鲜度建模结果
图6为本发明基于svm-c判别方式的草莓新鲜度建模结果
具体实施方式
以下将结合附图对本发明做具体的说明。
本发明所设计的系统主要包括气路模块、电路模块和便携式电脑端的模式判别系统(1)。气路模块由封闭式气室(2)、传感器阵列(3)、空气净化装置(4)、气泵(5)和节流阀(6)构成；电路模块分为传感器检测电路、模数转化模块(7)及电源模块：
附图1出示了本发明的系统设计结构，其检测过程如下所述：
(1)预热：传感器阵列预热，使各传感器达到一个初始稳定状态。
(2)洗气：打开气泵，空气经活性炭过滤去除空气中的水蒸气，并吸附干扰性气体，最终使气室内气体组分达到一个稳定的平衡，并以氮气作为参考气体。
(3)检测：密闭样品使其顶部气体达到一个相对饱和状态，静态提取其顶部空间的气体，传感器获得响应值，直至响应值呈现一个平稳状态停止检测。
(4)清洗：同洗气环节。洁净空气通入传感器气室，带走前一次检测残留的被测气体。同时检测传感器的响应信号，当信号恢复到检测前的基线水平时，说明已达到清洗效果，可以进行下一次检测。
所述传感器阵列由6个金属氧化物传感器(mos)及温湿度传感器模块构成。所述6个金属氧化物传感器分别为甲烷等烷烃类气体传感器(s1)、乙醇气体传感器(s2)、乙醇/有机溶剂类气体传感器(s3)、芳香型化合物气体传感器(s4)、酒精/vocs气体传感器(s5)、硫化氢气体传感器(s6)。
附图2出示了本发明的数据采集分析流程图。传感器接触到样气，获得响应的电压信号，由模数转换成数值输送给便携式电脑，并由模式判别系统对实验数据进行预处理、特征提取及模式识别，最后输出判别结果。附图3为本发明便携式电脑的软件系统流程图。
实施例
一种利用所设计的便携式电子鼻系统判别草莓新鲜度的方法，具体步骤如下：
(1)样本选取：采摘南京琐石村生态园的八成熟“红颜”草莓，挑选无损伤，无病害，大小、颜色基本一致的草莓240颗于20℃，相对湿度80-90％恒温恒湿箱中贮藏。以采摘当天为起始0d，每天提取电子鼻信号，连续测定6天，每次测定40个样本。
(2)传感器响应信号的获取：于室温(约25℃)密闭样品5min，使其顶部气体达到一个相对的饱和状态，静态提取其顶部空间的气体，传感器获得响应值，检测时间约为80s，响应值呈现一个平稳状态。模数转换将6路传感器的模拟信号转换为数值并输送给电脑端。附图4给出了检测过程中传感器信号的响应。
(3)建立草莓新鲜度的判别模型：终端接收到由模数转换后的数字信号，实现数据动态显示和存储。提取响应曲线上平稳阶段(78-80s)的平均值作为特征值，采用偏最小二乘法判别分析(pls-da)及支持向量机模型(svm-c)对提取的特征值进行建模，将模型分为五组。结果表明pls-da模型的训练集和验证集的总正确率分别为82.72和82.05％。svm-c的模型则优于pls-da，其训练集和验证集的总正确率分别为96.91和97.43％，具有较好的区分效果。附图5、6分别给出了基于pls-da和svm-c两种不同判别方式的建模结果。
(4)流通过程中草莓新鲜程度判别的实现：将新鲜程度未知的草莓按上述步骤(2)实施，获取电子鼻信号；将获取的信号值作为特征值，应用步骤(3)所建模型进行判别，最终得到待检测草莓的新鲜程度。