一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法与流程

本发明一一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品质量检测方法，涉及计算机、精密测量、精密机械、自动控制、分析化学、烟草领域，面向烟草与烟草制品产品生产过程质量控制和市场监管需求，主要解决电子鼻仪器自动化、集成化与小型化问题和卷烟感官质量现场检测问题。为简明起见，以下将“烟草与烟草制品感官质量电子鼻仪器”简称为“烟草电子鼻”。

背景技术：

“评吸”指的是在特定环境下，用人的口腔、鼻腔、喉部等特定器官对烟草与烟草制品以及烟用香精的质量和作用进行感官鉴定，即卷烟内在品质-感官质量指标评定。现阶段，烟草与烟草制品质量优劣完全靠人的感官评吸确定。与酒、茶、食品等呈味物质相比，烟草与烟草制品的独特之处是，质量评价完全依赖于人的感官，迄今为止尚无切实可行的理化指标检测与分析方法。

现行行业标准《烟草及烟草制品感官评价方法》yc/t138-1998由国家烟草专卖局1998.03.12日发布，1998.05.01日实施，广泛应用于烟草企业产品生产和行业与市场管理。该标准规定，评吸员采用整体循环评吸法对烟草及烟草制品试样进行评价，并填写表1所示的各项感官质量指标计分。其中，光泽和谐调指标记分单位为0.5，香气、杂气、刺激性和余味指标记分单位均为1.0。以百分制计算，香气和杂气两项指标满分达52分，占比达52％。

除色泽这一外在质量指标外，表1中的香气、协调、杂气、刺激性、余味这5项内在质量指标都与嗅觉感受有直接或间接的关系。为了使感官评价结果尽可能客观、公正、准确，评吸人员必须经过专业理论培训和技术锻炼，保持正确的心理状态和良好的身体条件；评吸环境条件应达到标准要求，评吸前以校准试样校准和统一口径。评吸小组成员应足够多，一般应为7人及以上，小组所有成员打分平均值即为某个烟草试样感官质量指标最终得分，并用二项分布和χ²分布进行显著性检验。

表1，卷烟(烟草制成品)感官质量检验原始记录表(yc/t138-1998)

注：括号里是满分值。

行业标准yc/t138规定，烟草及烟草制品感官评价者分为初级评吸员、优选评吸员和专家三种。经过专门选择与培训后，评吸员应满足的基本条件是：(a)具有烟草及烟草制品专业知识；(b)具有感官评吸兴趣和经验；(c)身体健康，没有任何感觉方面的缺陷；(d)个人敏感性正常，相互之间敏感性一致；(e)评吸期间生理状态正常；(f)评吸前不得吃辛辣等刺激性食物，不得饮酒；(g)没有明显体味，不使用有气味的化妆品。为防止产生感官疲劳和不适，单个评吸员连续评吸试样的数目一般应控制在25支/天以内。评吸应在安静、无干扰、通风、无异味的评吸室内进行。

目前，“评吸”不仅是确定烟草与烟草制品质量唯一切实可行的方法，而且也是确定烟草与烟草制品产品配方结构的基础，是开发新产品、保持既有产品风格和质量稳定的必要且决定性手段。对消费者-吸烟者而言，吸烟是一种生理刺激和美好享受，不存在劳动问题；而对评吸人员而言，评吸鉴定则是一项极为艰苦、细致的工作，在评吸过程中思想要高度集中，全神贯注，要在短短几分钟内做出判断。

吸烟有害健康是人类共识。经过数十年漫长而繁琐的成分分析过程，烟草学术界终于发现，卷烟烟气是由4,000～5,000种成分构成的复杂气溶胶体。人吸烟过程中，大部分烟气吸入肺部，另一部分有害物质或停留在肺部，或进入消化道，或进入血液循环，流向全身。科学研究结果指出，尼古丁是吸烟上瘾的主要原因，对人体尤其是心血管系统有一定的毒害作用。焦油中含有癌症诱发剂和癌症促进剂成分，例如苯并[a]芘。不仅如此，卷烟烟气中的酚类、醇类、酸类、醛类、co、hcn、nh3等物质是有毒和有致癌作用的。总之，若长久吸烟，烟气中的致癌物质和促癌物质将损伤正常细胞，大大提高患肺癌等疾病的几率。这就是说，长期抽吸烟草与烟草制品无疑会对评吸人员的身体产生严重伤害。

依据现行行业标准yc/t138，卷烟内在品质的感官评定一般采用“整体循环评吸法”：评吸员将烟气吸入口腔，通过喉部吞咽后再从鼻腔徐徐排出，利用全部评吸感觉器官进行评价。由于感觉器官灵敏度及对各项指标捕捉程度不同、生理和心理状况不同、环境条件差异等因素影响，导致评吸员之间评吸结果描述和判断的差异，这充分说明感官评吸法有很大的局限性。

如果说行业标准yc/t138主要关注的是烟草制成品或卷烟商品的感官质量，那么，2012.01月实施的行业标准《烟草在制品感官评价方法》yc/t415-2011的主要目的则是烟草在制品生产过程的工序设置优化、设备工艺参数优化和产品质量控制。yc/t415将感官评价指标分为香气、烟气、口感3大特性，再将每个特性细分为4个单项共3×4＝12单项，如表2所示。每项指标设置1～9共9个整数分值。香气风格的变化程度依赖于香气、烟气、口感3

表2，烟草在制品感官评价指标表(yc/t415-2011)

企业：工序或工段：等级、模块或品牌：

大特性的变化。

行业标准yc/t415主要目的在于考察工序与工段的变化或工艺参数的变化对烟草在制品感官质量的影响，以及在制品质量波动情况。该标准采用对比评吸法，以工序或工段变化前或正常生产的样品作为对照样品，来评价工序或工段变化后的样品质量，即香气风格变化程度和工序工段处理状况。工业使用结果表明，yc/t415的评价指标能较全面地反映烟叶风格特征和质量特征。目前，国内多数卷烟企业将该项标准用于原料质量评价、新产品开发、卷烟配方替代、烟叶在制品质量检验等。

国家烟草专卖局2015.01月提出的行业标准《烤烟烟叶质量风格特色感官评价方法》yc/t530-2015，根据中式卷烟质量需求，侧重于烤烟烟叶质量风格特色的评价。该标准沿用《烟草在制品感官评价方法》yc/t415和《卷烟中式卷烟风格感官评价方法》yc/t497-2014相关评价指标，结合烤烟烟叶质量特点，进行了风格特征、品质特征的细化分类。与yc/t415相比，该标准将干净程度、回甜这2项指标归入“余味”指标，提出16种香韵、3种香气状态和9种杂气类型，增加柔和程度、圆润感评价指标，保留香气质、香气量、透发性、劲头、浓度、杂气、刺激性、干燥感、柔和程度指标，力图较为全面地反映烟叶风格特征。

yc/t497、yc/t415、yc/t138这3个现行烟草行业标准主要内容是烟叶、烟草在制品与烟草制成品的质量评价问题，依赖的是人的感官，强调人的感觉和经验，其中的香气、协调、杂气、刺激性、余味、劲头、透发性等内在质量指标都与嗅觉感受有直接或间接关系。

必须指出，上述3个行业标准并没有规范评吸员的具体评吸过程。评吸就是烟气的口腔吸入、喉部下咽、鼻腔呼出即所谓“吸”、“吞”、“呼”的过程。具体评吸步骤一般为：

(1)卷烟点燃。采用统一火源；

(2)第一口烟。将烟气以适当抽吸量吸入口腔，然后立即吐出；

(3)阴然。卷烟在环境空气中自我燃烧；

(4)第二口烟。将烟气以适当抽吸量吸入口腔，在口腔内停留2-4秒，吞下烟气，然后紧闭嘴唇，迫使烟气从鼻腔徐徐呼出。

大量试验指出，第一口烟气绝不能作为判断依据，因为第一口烟气很易受火源异味、烟用香精、初始燃烧状态等因素的影响。烟气“抽吸量”是影响评吸判断准确性的一个重要因素。评吸人员不是机器，只能尽量控制和保持个人或相互之间烟气抽吸量的一致。依据国家标准《常规分析用吸烟机定义和标准条件》gb/t16450-2004，人抽一口烟气的平均容积为35毫升，烟气流量为17.5毫升/秒，抽吸时间为2秒，这些数据是本发明的主要依据。

嗅觉是气味分子刺激鼻腔嗅细胞而产生的复杂感觉。现行气味质量评定标准强调人的嗅觉感受，不仅描述术语贫乏，而且受生理、心理、环境等因素的影响难以做到客观公正。色、质谱等成分分析方法能测定几百乃至几千种化学组成，但分析过程复杂；成分越多，分析时间越长。例如，卷烟烟气含有4000～5000种化学成分这一结果是美国学者和技术人员经过数十年色质谱成分分析得到的。不仅如此，呈味物质化学组成与气味类型及强度之间的关系还很少被人们理解和掌握。

电子鼻仪器的核心一气敏传感器阵列对烃、烯、醇、酯、酸、醛等有机挥发气和co、nh3等还原性无机挥发气有高灵敏度。特别值得指出的是，sno2半导体型气敏传感器对卷烟烟气直接产生伏级电压响应输出，不需要二次仪表放大，这对烟草和烟草制品质量评定来说是很有吸引力的。正是在这种情况下，烟草和烟草制品质量的电子鼻仪器评价方法受到高度重视。

人们期待能用电子鼻仪器对烟草和烟草制品类型、品牌、真假等进行识别，对香气、协调、杂气、刺激性、余味等感官质量指标进行客观、公正的量化预测，并据此对烟草在制品生产过程工序设置与工艺参数优化，评定烟草和烟草制品质量等级，并将该方法纳入到相关的行业标准和国家标准中。

烟草和烟草制品感官质量评价的特点是，第一口烟气不作为评价对象；第一口烟气与第二口烟气之间有一个卷烟自/阴燃过程。为了将电子鼻仪器和方法用于烟草和烟草制品质量评价中，我们需要解决以下问题：

(a)气敏传感器选型与工作条件优化

卷烟烟气特点是，(1)成分繁多且复杂；(2)一些成分附着力很强；(3)含量甚微的成分对感官感受影响很大。这些是气敏传感器选型和工作条件优化的依据。一方面，气敏传感器在具有必要灵敏度的前提下响应速度应可能快；另一方面，气敏传感器与卷烟烟气的接触时间应尽可能短，环境空气冲洗流量应尽可能大，冲洗时间应尽可能长，以尽可能冲洗掉黏附的烟气分子，避免其在气敏传感器敏感膜表面和管道内壁附着，便于气敏传感器的尽快恢复。

(b)卷烟烟气采样过程精密自动化

操作自动化和操作简便这两点对烟草电子鼻仪器尤其重要。为了模拟评吸人员的评吸过程，我们需要设计无火焰点火器，发明卷烟烟气精密自动采样系统，设计烟气废气排出系统，满足只有第二口烟气流过气敏传感器阵列环形工作腔，且流量17.5毫升/秒，持续2秒钟，烟气容积35毫升这些要求。除卷烟试样插入烟嘴和残留烟蒂取出丢弃这两个环节外，烟气采样整个过程由烟草电子鼻仪器自动完成。

(c)烟草电子鼻仪器关键部件模块化与小型化

我们需要将数据采集卡驱动电路、气敏传感器阵列工作电路、直流电源电路、多种元件驱动电路集成于一体，形成驱动与控制电路模块；在多个电磁阀和节流阀集成的基础上，我们需要发明创造烟气精密进样系统模块，实现小型化。为便捷安装和更换，我们还需要致力于气敏传感器阵列和多路直流电源等部件的模块化与小型化。

(d)烟草电子鼻仪器集成化

为使烟草电子鼻走出实验室，在关键部件模块化与小型化的基础上，我们需要解决仪器整体集成化与小型化问题，理想目标是将气敏传感器阵列模块、烟气精密进样系统模块、废气排出模块、电源模块、工作与控制电路模块、计算机、显示单元、外设集成在一个小型测试箱内，设计研制出尺寸小、重量轻、操作简便的烟草电子鼻仪器，便于卷烟感官质量指标的现场检测与评定。

技术实现要素：

本发明是在现有发明专利《一种机器嗅觉装置及其嗅觉模拟测试方法》(参见专利申请号：02111046.8)、《一种基于模块化组合神经网络的机器嗅觉气味识别方法》(参见专利申请号：03141537.7)、《一种小型自动化机器嗅觉仪器与气味分析方法》(参见专利申请号：200710036260.4)、《一种嗅觉模拟仪器与多种气味定性定量分析方法》(参见专利申请号：201010115026.2)、《面向嗅觉模拟仪器的气敏传感器选择、更换与校正方法》(参见专利申请号：201310419648.8)和《一种嗅觉模拟仪器和特定物质气(嗅)味等级现场分析方法》(参见专利申请号：201310315482.5)的基础上，发明一种电子鼻仪器和分析方法以解决烟草与烟草制品现场自动检测、识别与感官质量指标量化预测问题。

为了实现上述目的，本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法，其中的烟草电子鼻仪器包括气敏传感器阵列模块、烟气自动进样系统、计算机控制与数据分析系统、自动点火装置，实现烟草及烟草制品识别和感官质量指标得分预测；

气敏传感器阵列模块由16个sno2半导体型气敏传感器组成，均布于中径φ140mm、断面尺寸20mm×16mm的密封腔内，形成气敏传感器阵列环形工作腔；该环形工作腔处于55±0.1℃的恒温室内，位于烟草电子鼻仪器右上方；

烟气自动进样系统包括卷烟夹持器、微型真空泵、第一至第六共6个二位二通电磁阀、第一和第二共二个节流阀、流量计、气体管道、溢出烟气排出装置，位于烟草电子鼻仪器右下方；

自动点火装置包括点火线圈、点烟头、动铁芯、电磁线圈、导磁铁架、压缩弹簧、弹簧座、电缆、支座，位于烟草电子鼻仪器右前下方；

计算机控制与数据分析系统包括计算机主板、数据采集卡、精密线性与开关电源模块、驱动与控制电路模块、硬盘、网卡、显卡、显示器，位于烟草电子鼻仪器左侧；

一个烟草与烟草制品试样的烟气采样周期为5分钟；依据流经的气体类型的不同，气敏传感器阵列历经初步恢复(210秒)、洁净空气精确标定(40秒)、平衡(2秒)、第二口烟气抽吸(2秒)、环境空气冲洗(46秒)共6个阶段；

烟气采样时，在计算机控制下，自动点火装置的点火线圈水平向左移动9毫米，以380℃的温度点燃卷烟试样；烟气自动进样系统的微型真空泵以17.5毫升/秒即1050毫升/分钟的流量抽吸第二口烟气，使之流经气敏传感器阵列环形工作腔，掠过气敏传感器敏感膜表面，持续2秒，气敏传感器阵列因此产生敏感响应；自平衡状态开始之刻起，计算机控制与数据分析系统开始记录响应数据；依次记录平衡(2秒)、第二口烟气抽吸(2秒)、环境空气冲洗(前36秒)这3个阶段的气敏传感器阵列电压响应数据，总时长40秒；烟气采样周期其它时间的数据不记录；

在40秒的数据记录时间内，单个气敏传感器对第二口烟气的电压响应曲线稳态最大值被提取为特征分量，16个气敏传感器组成的阵列因此产生一个16维电压响应向量；在数据记录结束后的10秒内，计算机控制与数据分析系统依据这一响应向量对烟草与烟草制品试样进行品牌、产地、真假识别和香气、协调、杂气、刺激性、余味共5项感官质量指标得分预测。

卷烟夹持器轴心线与水平面夹角为0°～+5°；在自动点火之前，操作人员将卷烟试样烟蒂插入卷烟夹持器，插入深度为9±0.5mm，插入操作用时15秒；第二口烟气抽吸结束后的15秒内，操作人员从卷烟夹持器上取出残留的卷烟烟蒂，熄灭并扔弃。

自动点火装置的点火线圈工作电压24v，电流5a；点烟头轴心线、动铁芯轴心线、电磁线圈轴心线、压缩弹簧轴心线与卷烟夹持器轴心线位于同一水平线上；在计算机控制下，在第一口烟气抽吸前第5秒钟起，点火线圈通电，并在5秒钟内升温到380℃；与此同时，电磁线圈断电，在压缩弹簧作用下，固定在点烟头上的点火线圈随动铁芯自基准位置水平左移9毫米，点燃卷烟试样；在抽吸第一口烟气1秒之后，点火线圈断电，电磁线圈通电，在电磁线圈电磁力的作用下，点火线圈与被点燃的卷烟试样脱离接触，并回复到基准位置。

在微型真空泵抽吸作用下，第一口烟气以17.5毫升/秒即1050毫升/分钟的流量直接经第二二位二通电磁阀、第一节流阀、流量计直接被排出到室外，完全不经过气敏传感器阵列环形工作腔，持续2秒，抽吸烟气35毫升；接下来，被点燃的卷烟试样阴/自燃20秒。

在微型真空泵的抽吸作用下，第二口烟气以17.5毫升/秒即1050毫升/分钟的流量经第一二位二通电磁阀、气敏传感器阵列环形工作腔、第五二位二通电磁阀、第一节流阀、流量计，最后被排出到室外，持续2秒，采集烟气35毫升。

洁净空气精确标定过程与卷烟插入、自动点火、第一口烟气抽吸、阴/自燃过程同时进行，均历时40秒；在洁净空气精确标定阶段，洁净空气以17.5毫升/秒的流量依次流经第二节流阀、第六二位二通电磁阀、气敏传感器阵列环形工作腔、第三二位二通电磁阀，最后排出到室外；以下操作与此依次同时进行：首先，操作人员在15秒钟内将被测卷烟试样插入卷烟夹持器；随后，自动点火装置的点火线圈通电，左移9毫米与卷烟试样接触，并在5秒钟内升温到380℃；接下来是时长为2秒的第一口烟气抽吸；最后是18秒的卷烟试样阴/自燃过程。

流量为1050毫升/分钟的第二口烟气抽吸过程一结束，流量为6500毫升/分钟的环境空气冲洗过程就随即开始；环境空气依次流过第三二位二通电磁阀、气敏传感器阵列环形工作腔、第五二位二通电磁阀、第四二位二通电磁阀，最终排出到室外，持续15秒；在此期间，操作人员取出残留卷烟烟蒂并丢弃；随后，环境空气以6500毫升/分钟的流量依次流过第一二位二通电磁阀、气敏传感器阵列环形工作腔、第五二位二通电磁阀、第四二位二通电磁阀，最终排出到室外，持续31秒；至此，卷烟试样的一个检测周期结束；若欲检测下一个试样，计算机自动开始新的检测周期，自动转入初步恢复过程；否则，操作人员点击屏幕下拉菜单的“结束检测”按钮强制结束检测过程。

烟草电子鼻仪器对卷烟试样的检测、识别和感官质量指标得分预测，包括以下步骤：

(1)开机：仪器预热30分钟，环境空气以6500毫升/分钟的流量依次流经第一二位二通电磁阀、气敏传感器阵列环形工作腔、第五二位二通电磁阀、第四二位二通电磁阀，最终排出到室外；气敏传感器阵列恒温室内温度从室温达到恒定的55±0.1℃。

(2)烟气采样周期开始：操作人员点击屏幕下拉菜单的“开始检测”按钮，仪器进入历时5分钟的烟气采样周期，计算机在指定文件夹自动生成一个名为“xxx”的文本文件，以记录气敏传感器阵列对烟气的响应数据。

(3)初步恢复：在烟气采样周期第0.00-210.00秒，环境空气以6500毫升/分钟的流量依次流经第一二位二通电磁阀、气敏传感器阵列环形工作腔、第五二位二通电磁阀、第四二位二通电磁阀，最终排出到室外。在流量为6500毫升/分钟的环境空气冲洗作用下，粘附在气敏传感器敏感膜表面和管道内壁的烟气气味分子被初步冲走，气敏传感器阵列初步恢复到基准状态，历时210秒。

(4)洁净空气精确标定：在烟气采样周期第210.00-250.00秒，(a)洁净空气精确标定和(b)卷烟插入、自动点火、第一口烟气抽吸、阴/自燃这两个环节同时进行，均历时40秒。

(4)a洁净空气精确标定：洁净空气以17.5毫升/秒即1050毫升/分钟的流量依次流过第二节流阀、第六二位二通电磁阀、气敏传感器阵列环形工作腔、第三二位二通电磁阀，最后排出到室内，历时40秒。洁净空气的作用是使气敏传感器阵列精确恢复到基准状态。

(4)b.1卷烟插入：在烟气采样周期第210.00-225.00秒即洁净空气精确标定状态的最初15秒内，屏幕显示“卷烟插入”字样，操作人员将被测卷烟试样滤嘴端插入卷烟夹持器，插入深度为9.0±0.5毫米。

(4)b.2自动点火：在烟气采样周期第225.00-231.00秒即洁净空气精确标定状态第15.00-21.00秒，点火线圈通电；与此同时，点烟头向左移动9毫米使点火线圈与被测试样接触并点燃试样，持续6秒。在烟气采样周期第231.00-269.00秒，电磁线圈通电，点火线圈断电并回复到基准位置，历时38秒，包括第一口烟气抽吸的后1秒(第2秒)、阴/自燃的18秒、平衡的2秒，第二口烟气抽吸的2秒，残留烟蒂取出操作的15秒。

(4)b.3第一口烟气抽吸：在烟气采样周期第230.00-232.00秒即洁净空气精确标定状态第20.00-22.00秒，在微型真空泵抽吸作用下，烟气以17.5毫升/秒即1050毫升/分钟的流量，依次经由第二二位二通电磁阀、第一节流阀、流量计，直接被排出到室外，持续2秒。

(4)b.4阴/自燃：在烟气采样周期第232.00-250.00秒即洁净空气精确标定状态第22.00-40.00秒，第二二位二通电磁阀断开，卷烟进入阴/自燃状态，历时18秒。

(5)平衡：在烟气采样周期第250.00-252.00秒，所有电磁阀均处于断开状态，气敏传感器阵列环形工作腔内无气体流动，卷烟仍处于阴/自燃状态，历时2秒。

(6)第二口烟气抽吸：在烟气采样周期第252.00-254.00秒，第一二位二通电磁阀和第五二位二通电磁阀导通，其余四个二位二通电磁阀均断开，卷烟烟气以17.5毫升/秒即1050毫升/分钟的流量，依次通过第一二位二通电磁阀、气敏传感器阵列环形工作腔、第五二位二通电磁阀、第一节流阀、流量计，最后被排出到室外，持续2秒，采集烟气35毫升。

(7)环境空气冲洗：在烟气采样周期第254.00-300.00秒，室内空气以6500毫升/分钟的流量流过气敏传感器阵列环形工作腔，粘附在气敏传感器敏感膜表面和管道内壁的烟气气味分子被初步冲走，气敏传感器阵列进入初步恢复状态。其中，

(7.1)残留烟蒂取出操作：在烟气采样周期第254.00-269.00秒，操作人员在15秒钟内取出残留烟蒂并丢弃。在此期间，第三二位二通电磁阀、第四二位二通电磁阀、第五二位二通电磁阀导通，其余三个二位二通电磁阀均断开，室内环境空气以6500毫升/分钟的流量，依次通过第三二位二通电磁阀、气敏传感器阵列环形工作腔、第五二位二通电磁阀、第四二位二通电磁阀，最终排出到室外，历时15秒。

(7.2)残留烟蒂取出后：在烟气采样周期第269.00-300.00秒，第一二位二通电磁阀、第四二位二通电磁阀、第五二位二通电磁阀导通，其余三个二位二通电磁阀均断开，环境空气以6500毫升/分钟的流量依次流经第一二位二通电磁阀、气敏传感器阵列环形工作腔、第五二位二通电磁阀、第四二位二通电磁阀，最终排出到室外，历时31秒。这一阶段的电磁阀位置和环境空气流动状况与气敏传感器阵列初步恢复状态完全相同。

(8)数据记录；从烟气采样周期第250.00秒起，计算机通过16通道16位高精度数据采集卡将16个气敏传感器产生的电压响应存储在“xxx”文本文件里，即从平衡状态开始之刻起，直至烟气采样周期第290.00秒即环境空气冲洗阶段第36.00秒止，包括第二口烟气抽吸、残留烟蒂取出操作、残留烟蒂取出后这3个过程，数据记录时长为40秒；

(9)特征提取；在一个烟气采样周期内，计算机从时长40秒的“xxx”数据记录文件里，提取各个气敏传感器电压响应稳态最大值作为特征分量，本质上是对第二口烟气的响应，一个被测烟草制品试样因此转化为一个16维的测量样本，并存入计算机硬盘的烟草与烟草制品样本数据集文件中；

(10)识别和感官质量指标得分预测；在烟气采样周期第290.00-300.00秒即数据记录结束的10秒内，模块化神经网络级联模型第一级-n个投票识别组依据大多数投票规则确定试样x的品牌、产地与真假，模块化神经网络级联模型第二级-与获胜投票识别组对应的那个得分预测组预测x的香气、协调、杂气、刺激性、余味感官质量指标得分值，并通过显示器显示出来；

重复步骤(2)～(10)，烟草电子鼻仪器实现对多个烟草与烟草制品试样烟气的测试、识别和感官质量指标得分预测；一个完整的烟草与烟草制品试样测试周期为300秒。

附图说明

图1是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-烟草电子鼻仪器工作原理图(第二口烟气抽吸状态)。

图2是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-烟草电子鼻仪器工作原理图(第二口烟气抽吸状态)-主要零部件编号图。

图3是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-电磁阀与气路通断状态示意图(洁净空气精确标定、卷烟试样自动点火和第一口烟气抽吸)。

图4是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-电磁阀与气路通断状态示意图(第二口烟气抽吸状态)。

图5是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-电磁阀与气路通断状态示意图(洁净空气精确标定、试样插入和阴/自燃状态)。

图6是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-电磁阀与气路通断状态示意图(环境空气冲洗，残留烟蒂取出)。

图7是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-电磁阀与气路通断状态示意图(气敏传感器初步恢复)。

图8是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-电磁阀与气路通断状态示意图(洁净空气精确标定，备用)。

图9是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-一个采样周期内，单个气敏传感器响应和气敏传感器阵列环形工作腔内气体流量与持续时间变化情况示意图。

图10是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-自动点火装置示意图(电磁线圈断电状态)。

图11是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-自动点火装置示意图(电磁线圈通电状态)。

图12是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-一个采样周期内，6个二位二通电磁阀、点火线圈、电磁线圈通断与持续时间示意图。

图13是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-烟草电子鼻仪器外观立体示意图。

图14是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-烟草电子鼻仪器正面。

图15是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-烟草电子鼻仪器背面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

图1是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-烟草电子鼻仪器工作原理图，此时的气路和电磁阀的位置为第二口烟气抽吸工作状态。烟草电子鼻仪器包括气敏传感器阵列模块i、烟气自动进样系统ii、计算机控制与数据分析系统iii、自动点火装置iv和被测卷烟试样v。

图2是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-烟草电子鼻仪器工作原理图-主要零部件编号图。

气敏传感器阵列模块i主要组成单元包括：气敏传感器阵列i-1、气敏传感器阵列环形工作腔i-2、保温层i-3、以及电阻加热丝和风扇，位于烟草电子鼻仪器右上部。其中，气敏传感器阵列主要由tgs800和tgs2000系列16个气敏传感器组成，可用型号包括tgs800、tgs813、tgs816、tgs821、tgs822、tgs823、tgs826、tgs830、tgs832、tgs2600、tgs2602、tgs2603、tgs2610、tgs2611、tgs2612、tgs2620，以及tgs3830。气敏传感器阵列模块i的作用是将复杂成分的卷烟烟气转化为0～10v的模拟电压信号。

烟气自动进样系统ii组成单元包括：第一二位二通电磁阀ii-1，第二二位二通电磁阀ii-2，第三二位二通电磁阀ii-3，第四二位二通电磁阀ii-4，第五二位二通电磁阀ii-5，第六二位二通电磁阀ii-6，卷烟夹持器(俗称烟嘴)ii-7，微型真空泵ii-8，第一节流阀ii-9，流量计ii-10，第二节流阀ii-11，洁净空气ii-12，烟灰盘ii-13，以及溢出烟气排出装置ii-14。烟气自动进样系统ii位于烟草电子鼻仪器右下部。

计算机控制与数据分析系统iii主要组成单元为计算机主板iii-1、16路数据采集卡iii-2、驱动与控制模块iii-3、多路直流电压模块iii-4、显示器iii-5，以及硬盘、网卡、显卡、鼠标、键盘等，位于烟草电子鼻仪器左部。计算机控制与数据分析系统iii的主要作用是，(1)气敏传感器阵列响应信号的采集、分析与处理；(2)烟气自动进样系统ii的多个二位二通电磁阀与微型真空泵、自动点火装置iv、以及计算机控制与数据分析系iii自身的驱动与控制。

图3是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-洁净空气精确标定与卷烟试样自动点火和第一口烟气抽吸时，电磁阀与气路通断状态示意图。在这一状态下，烟草电子鼻仪器要完成被测卷烟试样v的点火、烟气自动进样系统ii的第一口烟气抽吸、气敏传感器阵列i的洁净空气精确标定这几个动作。

在卷烟试样v自动点火和烟气自动进样系统ii抽吸第一口烟气状态，第二二位二通电磁阀ii-2导通，第一二位二通电磁阀ii-1、第四二位二通电磁阀ii-4和第五二位二通电磁阀ii-5断开。在自动点火状态，自动点火装置iv的点火线圈iv-1通电，电磁线圈iv-4断电，阀芯iv-3在压缩弹簧iv-6的作用下水平向左移动9毫米，使得点火线圈iv-1与被测卷烟试样v接触，持续时间5秒；随后，在第一口烟气抽吸状态，卷烟烟气完全不通过气敏传感器阵列模块i，而是在微型真空泵ii-8的抽吸作用下，经由第二二位二通电磁阀ii-2、第一节流阀ii-9、流量计ii-10，以17.5毫升/秒即1050毫升/分钟的流量直接被排出到室外，持续2秒，相当于抽吸烟气35毫升。

在卷烟试样v自动点火和烟气自动进样系统ii抽吸第一口烟的同时，气敏传感器阵列i-1处于洁净空气精确标定状态，二位二通电磁阀ii-3和ii-6导通，洁净空气以1050毫升/分钟的流量依次流过第二节流阀ii-11、第六二位二通电磁阀ii-6、气敏传感器阵列环形工作腔i-2、第三二位二通电磁阀ii-3，最后排出到室内大气中。这也是洁净空气精确标定第2阶段，持续7秒。

图4是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-抽吸第二口烟气时，电磁阀与气路通断状态示意图。在这一状态，第一二位二通电磁阀ii-1和第五二位二通电磁阀ii-5导通，其余四个二位二通电磁阀均断开，卷烟烟气以17.5毫升/秒即1050毫升/分钟的流量，依次通过第一二位二通电磁阀ii-1、气敏传感器阵列i-1及其环形工作腔i-2、第五二位二通电磁阀ii-5、第一节流阀ii-9、流量计ii-10，最后被排出到室外，持续2秒，相当于采集烟气35毫升。

这时，自动点火装置iv的点火线圈iv-1断电，电磁线圈iv-4通电并迫使阀芯iv-3水平向右移动9毫米，使得点火线圈iv-1与被测卷烟试样v脱离接触。

在第二口卷烟烟气流动过程中，气敏传感器阵列i-1产生敏感响应。对一个具体的烟草与烟草制品试样p，单个气敏传感器i的电压响应曲线稳态最大值upi(max)被提取作为特征分量xpi′，即xpi′＝upi(max)，16个气敏传感器组成的阵列i-1因此产生一个16维的电压响应向量xp′＝(xp1′，xp2′，...，xpi′，...，xp16′)^t∈r¹⁶。这一16维的电压响应稳态最大值向量是烟草电子鼻仪器对烟草与烟草制品进行识别和感官质量指标评价的依据。

图5是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-卷烟试样v插入卷烟夹持器ii-7和阴/自燃状态，电磁阀与气路通断状态示意图。这一阶段，第三二位二通电磁阀ii-3和第六二位二通电磁阀ii-6导通，其余四个二位二通电磁阀均断开。卷烟插入是人工操作，定时15秒；卷烟阴/自燃持续时间18+2秒，可调节。这里的“+2”秒指的是平衡时间。

在此期间，气敏传感器阵列i-1处于洁净空气精确标定状态，二位二通电磁阀ii-3和ii-6导通，洁净空气以1050毫升/分钟的流量依次流过第二节流阀ii-11、第六二位二通电磁阀ii-6、气敏传感器阵列i-1及其环形工作腔i-2、第三二位二通电磁阀ii-3，最后排出到室内大气中。这一阶段被称为洁净空气精确标定第1阶段，持续15+18＝33秒。这一过程与图2的卷烟试样v点火和烟气自动进样系统ii抽吸第一口烟过程一起，使得洁净空气精确标定状态总时长为40秒。

图6是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-残留烟蒂取出期间，电磁阀与气路通断状态示意图。在这一阶段，第三二位二通电磁阀ii-3、第四二位二通电磁阀ii-4和第五二位二通电磁阀ii-5导通，其余三个二位二通电磁阀均断开，室内环境空气以6500毫升/分钟的流量，依次通过第三二位二通电磁阀ii-3、气敏传感器阵列i-1及其环形工作腔i-2、第五二位二通电磁阀ii-5、第四二位二通电磁阀ii-4，最终排出到室外大气中。取出残留烟蒂的人工操作时间长度为15秒(可调)。这一阶段是环境空气冲洗第一阶段，可以被看成气敏传感器阵列i-1初步恢复状态的一部分。

图7是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-残留烟蒂取出后，电磁阀与气路通断状态示意图。在这一阶段，第一二位二通电磁阀ii-1、第四二位二通电磁阀ii-4和第五二位二通电磁阀ii-5导通，其余三个二位二通电磁阀均断开。室内环境空气以6500毫升/分钟的流量，依次通过卷烟夹持器ii-7、第一二位二通电磁阀ii-1、气敏传感器阵列i-1及其环形工作腔i-2、第五二位二通电磁阀ii-5、第四二位二通电磁阀ii-4，最终排出到室外大气中。

这一阶段是环境空气冲洗的第二阶段，历时31秒，仍可以被看成气敏传感器阵列i-1初步恢复状态的另一部分。环境空气冲洗这一阶段一结束，新的烟气采样周期就自动开始，或者操作人员点击屏幕下拉菜单的“结束检测”按钮，检测过程人为结束。

在周期为300秒的烟草电子鼻仪器烟气采样与分析过程中，环境空气冲洗和气敏传感器阵列i-1初步恢复这两个阶段总时间长度为300-44＝256秒，其目的是，(1)环境空气以6500毫升/分钟的较大流量冲洗掉第二口烟抽吸期间黏附在气敏传感器敏感膜表面、气敏传感器环形工作腔i-2内壁以及管道上的烟气分子；(2)带走气敏传感器工作时积聚的热量，使气敏传感器初步恢复到初始状态。

图8是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-洁净空气精确标定状态(备用)，烟草电子鼻仪器电磁阀与气路通断状态示意图。当40秒的洁净空气精确标定过程，气敏传感器阵列i-1未能恢复到基准状态时，这一状态将被启用。

图9是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-在一个烟气采样周期内，烟草与电子鼻仪器的单个气敏传感器电压响应变化情况和气敏传感器阵列i-1所处的环形工作腔i-2内气体流量与持续时间变化情况示意图。在一个烟气采样周期内，气体流量经历了6500毫升/分钟、1050毫升/分钟和0(平衡)三种变化；气体类型经历了环境空气初步冲洗、洁净空气精确标定和卷烟烟气采样三种变化。在平衡状态下，所有6个二位二通电磁阀均断开，气敏传感器阵列i-1及其环形工作腔i-2内无气体流动。

一个卷烟试样v的烟气采样周期为300秒。从平衡状态开始之刻起，即烟气采样周期第250秒开始，计算机控制与数据分析系统iii记录气敏传感器阵列瞬态电压响应数据，记录时长为40秒，包括平衡阶段2秒、第二口烟气采样阶段2秒、环境空气冲洗阶段前36秒，气敏传感器阵列i-1对卷烟烟气的电压响应即采样数据保存在一个文本文件内。在数据记录40秒长度内，气敏传感器i对卷烟试样p的烟气的电压响应稳态最大值被提取作为特征分量xpi′，由此得到气敏传感器阵列对第p个卷烟试样第二口烟气的响应，称之为电压响应样本xp′∈r¹⁶。在数据记录结束后的10秒钟内，计算机控制与数据分析系统iii依据样本xp’给出试样p的品牌识别结果和香气、协调、杂气、刺激性、余味等5项感官指标等分预测结果。

为什么将卷烟烟气采样流量定为17.5毫升/秒即1050毫升/分钟和采样时长定为2秒？大量统计结果指出，人抽一口烟气容积为35毫升，平均时长2秒。国家标准《常规分析用吸烟机-定义和标准条件》gb/t16450-2004规定，卷烟烟气标准抽吸容量为35毫升，流量为17.5毫升/秒，标准的单口抽吸持续时间为2.00±0.02秒。本发明的卷烟烟气采样流量、容积和持续时间与国标gb/t16450一致。为统一起见，洁净空气流量仍确定为1050毫升/分钟。

图10是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-自动点火装置iv组成单元示意图(电磁线圈iv-4断电时)。自动点火装置iv位于烟草电子鼻仪器右前下方，组成单元包括：点火线圈iv-1、点烟头iv-2、动铁芯iv-3、电磁线圈iv-4、导磁铁架iv-5、压缩弹簧iv-6、弹簧座iv-7、电缆iv-8、支座iv-9。点火线圈iv-1和电磁线圈iv-4工作电压为直流24v，点火线圈最大工作电流5a。在抽吸第一口烟前第5秒钟开始，点火线圈iv-1通电，并在5秒钟内升温到380℃，此时电磁线圈iv-4通电。与此同时，电磁线圈iv-4断电，在压缩弹簧iv-6的作用下，固定在动铁芯iv-3上的点火线圈iv-1和点烟头iv-2自基准位置水平向左移动9毫米，与被测卷烟试样v的烟头接触并点燃。

图11是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-自动点火装置iv组成单元示意图(电磁线圈iv-4通电时)。在这一状态，电磁线圈iv-4通电，点火线圈iv-1断电。在电磁线圈iv-4电磁力的作用下，压缩弹簧iv-6被压缩9毫米，固定在动铁芯iv-3上的点火线圈iv-1和点烟头iv-2回复到基准位置，为人工插入被测卷烟试样和人工取出残留烟蒂做准备。

必须指出，只要卷烟试样v不被插入卷烟夹持器ii-7，点火线圈iv-1和电磁线圈iv-4就一直处于断电状态，在压缩弹簧iv-6的作用下，点火线圈iv-1和点烟头iv-2均处于基准位置水平左移9毫米的位置。在一个烟气采样周期内，电磁线圈iv-4通电的时间段是：人工将卷烟试样v插入卷烟夹持器ii-7持续的15秒；抽吸第一口烟气的后1秒(第2秒)；卷烟试样v阴/自燃持续的18秒；平衡状态的2秒；抽吸第二口烟气的2秒；取出残留烟蒂的15秒，共53秒。在卷烟试样v点火和烟气自动进样系统ii抽吸第一口烟期间的前1秒共持续6秒的时间内，点火线圈iv-1通电，其余时间均断电。

图12是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-一个烟气采样周期内，6个二位二通电磁阀、点火线圈iv-1与电磁线圈iv-4通断关系示意图。

图12(a)表明，二位二通电磁阀ii-1除第二口烟气抽吸的2秒期间必须导通以外，在最初210秒和最后31秒这两个时间段也是通电的，便于环境空气以较长的时间冲洗卷烟夹持器ii-7、气敏传感器阵列敏感膜表面和管道内壁的烟气分子。

图12(b)和(f)说明，二位二通电磁阀ii-2只控制第一口烟气的抽吸，二位二通电磁阀ii-6只控制洁净空气的通与断，二者的作用较为单一。

根据图12(c)，二位二通电磁阀ii-3在洁净空气精确标定的40秒和第二口烟气抽吸结束后的15秒这两个阶段是导通的，但气体流动方向和流量是不同的。在前一阶段的40秒期间，流量为1050毫升/分钟的洁净空气在流过气敏传感器阵列环形工作腔i-2后，经由二位二通电磁阀ii-3，被排出到室内大气中。在后一阶段的15秒期间，流量为6500毫升/分钟的室内环境空气先从二位二通电磁阀ii-3流入气敏传感器阵列环形工作腔i-2，然后经由二位二通电磁阀ii-5和二位二通电磁阀ii-4被排出到室外。

图12(d)表明，二位二通电磁阀ii-4在洁净空气精确标定、平衡、第二口烟气抽吸这三个阶段是断开的，从而强迫第一口烟气、第二口烟气以1050毫升/分钟的流量流过节流阀ii-9。二位二通电磁阀ii-4主要控制气体流量在6500毫升/分钟与1050毫升/分钟之间变换。

比较图12(e)与图12(d)，二位二通电磁阀ii-5与二位二通电磁阀ii-4只是在第二口烟抽吸阶段的状态不一致。在此期间，二位二通电磁阀ii-5导通，二位二通电磁阀ii-4断开，从而强迫第二口烟气以1050毫升/分钟的流量流过节流阀ii-9。

图12(g)指出，点火线圈iv-1只是在点火前5秒和第一口烟气抽吸期间的第1秒共连续6秒期间通电，其余时间均断开。

图12(h)表明，电磁线圈iv-4在卷烟插入期间的15秒、第一口烟气抽吸的第2秒、阴/自燃的18秒、平衡的2秒、第二口烟气抽吸的2秒、残留烟蒂取出期间的15秒，共53秒时间通电，其余时间均断开。

图13是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-烟草电子鼻仪器立体示意图。由此图可以看到，气敏传感器阵列模块i位于烟草电子鼻右上部；计算机控制与数据分析系统iii位于烟草电子鼻左部；烟气自动进样系统ii和自动点火装置iv位于烟草电子鼻右下部。

图14是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-烟草电子鼻仪器正面示意图。根据此图，外部可以看到的是，计算机控制与数据分析系统iii的显示器iii-5；烟气自动进样系统ii的卷烟夹持器ii-7、烟气溢出装置ii-14的排风扇、自动点火装置iv的点烟头iv-2，和被测卷烟试样v。

图15是本发明-一种电子鼻仪器和烟草与烟草制品感官质量检测方法-烟草电子鼻仪器背面示意图。电子鼻仪器配有外接显示器接口、2个usb接口、鼠标接口、键盘接口、internet接口；配有环境空气和洁净空气入口；从烟气自动进样系统ii排出的烟气出口；以及从烟气排出装置ii-14直接排出的烟气。用户可便捷接插自己的外部设备，进行数据传输与交换。