一种用于食品安全监测的电子鼻

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一种用于食品安全监测的电子鼻\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种食品安全监测装置，特别是关于一种用于食品安全监测的电子鼻。\n背景技术\n[0002] 食品监测是保证食品安全的基本手段，但是靠实验室抽样检验的方式难以及时全面地掌握食品安全状况。为了保障食品安全，应在食品原料(粮食、肉类、乳品、果蔬等)的生产、储藏、加工、包装和流通的各个环节进行严格的质量监控。食物或食品原料的气味能够反映其新鲜程度和有害物污染情况。食品的气味是食品中所有挥发性有机化合物共同作用的结果。\n[0003] 传统的气味检测技术包括人工鉴别法和仪器分析法两种。人工鉴别法就是用训练有素的专业人员的嗅觉对气味进行鉴别。人类嗅觉系统虽然高度发达，却具有主观性、易疲劳和易受干扰等缺点，并且由于执行检测任务是人类，因此无法在不适合人活动的场所进行检测，也不能给出精确的量化信息。仪器分析法是利用分析仪器进行定性定量的分析和检测。检测挥发性有机化合物的仪器分析法目前主要是采用气相色谱-质谱联用的技术。\n由于分析仪器结构复杂庞大，并且需要对样品进行长时间大量而细致的分离、净化和浓缩等前处理，因此不能进行现场实时无损检测，也不适用于长期监测。\n[0004] 目前出现了一种新型气味检测技术，即电子鼻技术，比如：中国申请专利“便携式智能电子鼻及其制备方法”(公开号为1381721，公开日期2002.11.27)，中国申请专利“基于USB接口的便携式电子鼻系统”(公开号101042408，公开日期2007.09.26)等。电子鼻技术是模仿哺乳动物嗅觉系统的结构组成和工作原理，对气相或挥发性多成分化学介质进行识别和检测的技术。电子鼻设备由气体传感器阵列、信号处理系统和模式识别算法组成。\n利用电子鼻技术进行气体检测具有实时性、自主性(即不需要试剂)和智能性的优点。最重要的是，新型气体传感器的不断出现以及模式识别算法的不断发展，使电子鼻技术拥有能够不断适应新环境和解决新问题的开放性。这些显然是传统的基于人工鉴别和仪器分析的气体检测技术所不具备的。电子鼻在食品检测方面的应用目前主要集中在对烟、酒、咖啡、茶、饮料、调料、乳制品、食用油等的品质检验和鉴别上。但食品原料在储藏过程中的质量安全监测问题，目前还没有合适的电子鼻产品，主要是因为现有电子鼻技术仍需要一些样品处理，而且仪器设备庞大复杂，不适合食品储藏环境，也不能实现长期监测。\n发明内容\n[0005] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种适合在不同食品储藏环境内进行长期监测的用于食品安全监测的电子鼻。\n[0006] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于食品安全监测的电子鼻，其特征在于，它包括：一MEMS传感器组，其包括一环境传感器和若干气体传感器，所述环境传感器用于采集待测气体所在环境的温度变化的响应量；各所述气体传感器中分别设置有一气体敏感层，每一所述气体敏感层采用组分相异的高分子聚合物材料，其用于采集待测气体中各气体成分的浓度变化的响应量；一信号处理电路，用于存储各所述传感器输出的电压信号，并差分运算得到校正了温度漂移的频率信号，再对校正过的频率信号做时间微分，得到输送给所述控制模块的频移信号；一计算机，其内预设有一控制模块和一模式识别模块；所述控制模块用于对所述各传感器、信号处理电路和模式识别模块发送工作指令，并将所述信号处理电路输入的信号输送给模式识别模块；所述模式识别模块用于将所述控制模块输入的信号进行分析和处理，判断出待测气体的成份信息。\n[0007] 所述环境传感器和各所述气体传感器分别包括一由一MEMS芯片和一正反馈电路构成的闭环自激振荡回路，所述MEMS芯片包括微悬臂梁、热驱动电阻、压敏电桥和导线；所述热驱动电阻通电后驱动所述微悬臂梁振动，所述压敏电桥向所述正反馈电路输送频率随所述微悬臂梁的振动频率而变化的电压信号，所述压敏电桥的工作电压由正反馈电路提供；所述正反馈电路将输入的电压信号进行放大、滤波处理后，得到一路输送给所述热驱动电阻的反馈电压信号和一路输出电压信号。\n[0008] 所述正反馈电路包括：一接口模块，采集所述压敏电桥敏感到的频率随所述微悬臂梁的振动频率而变化的电压信号，同时为所述压敏电桥提供工作电压，并通过接入可调电阻对所述压敏电桥的零位失调进行补偿；一前置放大模块，将所述接口模块输出的微弱电压信号放大；一带通滤波模块，将所述前置放大模块输出信号中的二倍频电压信号及高频和低频的噪声滤除，并将一倍频电压信号分为两路，一路作为反馈电压信号，另一路作为传送给所述信号处理电路的输出电压信号；一信号放大模块，将所述带通滤波模块输出的反馈电压信号放大至自激振荡的幅值条件；一移相模块，将所述信号放大模块输出的反馈电压信号的相位调整至自激振荡的相位条件；一限幅模块，用于控制反馈给所述热驱动电阻的电压信号的幅值。\n[0009] 所述压敏电桥由若干压敏电阻构成，所述热驱动电阻和压敏电阻均设置在所述微悬臂梁上，所述微悬臂梁设置在一衬底上。\n[0010] 所述控制模块还通过所述信号处理电路，控制所述气体传感器中的限幅模块为吸附有气体分子的所述微悬臂梁选择施加在所述热驱动电阻上的驱动信号的的直流偏置电压。\n[0011] 所述限幅模块通过控制一数字二选一开关选择+3V或+12V直流偏置电压。\n[0012] 所述气体传感器中气体敏感层设置在微悬臂梁上。\n[0013] 所述气体敏感层的高分子聚合物材料为聚氧化乙烯、聚乙烯醇、聚乙二醇乙醚醋酸酯、聚二甲硅氧烷、聚醚氨酯和聚环氧氯丙烷之一。\n[0014] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、由于本发明的气体传感器和环境传感器分别包括由微悬臂梁、热驱动电阻和压敏电桥和正反馈电路构成的闭环自激振荡回路，且各气体传感器的微悬臂梁上设置有气体敏感层，正反馈电路通电一段时间后，自激振荡回路稳定，使微悬臂梁处于谐振状态，由于气体敏感层吸附气体分子后，质量增加，导致微悬臂梁的谐振频率发生改变，导致压敏电桥输出的电压信号的频率随之发生改变，当环境传感器和气体传感器将采集到的电压信号通过信号处理电路输送给计算机后，计算机中的模式识别模块可以很快速、方便地将待测气体的成分检测出来，而完全不受各种不同食品储藏环境的影响。2、由于本发明采用的气体传感器为谐振式，其测量信号为频率，具有准数字信号的特点，信号精度不受传输距离的影响，因此可将传感器阵列与庞大的数据处理与显示系统分开，实现远程监测。3、由于本发明的基于MEMS技术的气体传感器，不仅具有高灵敏度和低功耗的特点，预警效果比常规的气体传感器好，更为重要的是，可以将若干个独立的气体传感器安装在食物储藏空间内，以灵活的方式构成传感器阵列，使本发明具有更好的适应性。4、由于本发明采用了高分子聚合物作为气体敏感层，而高分子聚合物种类非常多，因此气体敏感层材料的选择范围较宽，可以检测的食品种类也就更多。5、由于本发明的控制模块还依次通过控制信号处理电路和气体传感器正反馈电路中的限幅模块为吸附有气体分子的微悬臂梁选择接通加热气体敏感层用的直流偏置电压，因此可以使气体传感器快速复原，从而可以在监测过程中定期或根据实际情况提高直流偏置电压，对气体传感器进行维护和复原，保证传感器长期工作的精度和可靠性。6、本发明采用的信号处理电路可以将各气体传感器的输出信号进行存储，并与环境传感器的输出信号进行频率差分运算得到校正了温度漂移的频率信号，再对校正过的频率信号做时间微分，得到输送给控制模块的与气体浓度变化成正比的频移信号，这种实时校正功能使本发明的电子鼻设备具有长期稳定性，这是现有电子鼻设备所不具有的功能。本发明结构简单，适合在不同食品储藏环境内进行长期监测。\n附图说明\n[0015] 图1是本发明的系统组成原理图\n[0016] 图2是本发明中传感器的结构示意图\n[0017] 图3是本发明中MEMS芯片的一具体实施例的结构示意图\n[0018] 图4是本发明中压敏电阻的结构示意图\n具体实施方式\n[0019] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。\n[0020] 如图1所示，本发明包括一MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems，微机电系统)传感器组1、一信号处理电路2和一计算机3，计算机3内至少预设置有一控制模块31和一模式识别模块32。其中，传感器组1包括一环境传感器11和若干气体传感器12，各传感器的安装没有严格的空间排布要求，可以根据电子鼻的实际工作环境的特点灵活安装。\n控制模块31用于对传感器组1、信号处理电路2和模式识别模块32发送工作指令，并将信号处理电路2处理过的各传感器采集到的信号输送给模式识别模块32，另外，控制模块31还通过信号处理电路2为吸附有气体分子的气体传感器12选择加热用的直流偏置电压。模式识别模块32用于将控制模块31输入的信号进行分析和处理，判断出待测气体的成份信息。\n[0021] 如图2、图3所示，本发明的环境传感器11和气体传感器12的结构相同，均包括一MEMS芯片4和一正反馈电路5，MEMS芯片4和正反馈电路5构成一闭环自激振荡回路。\nMEMS芯片4实质为一微悬臂梁机械谐振器，其谐振频率决定了闭环自激振荡回路的频率。\nMEMS芯片4包括一衬底41、一微悬臂梁42、一热驱动电阻43、一由若干压敏电阻44构成的压敏电桥45、若干导线46和焊盘47。微悬臂梁42、各电阻(热驱动电阻43和压敏电阻\n44)、导线46和焊盘47均通过微加工工艺在衬底41上集成制作而成。\n[0022] 衬底41可以采用n型掺杂、(100)晶面的SOI(Silicon-on-insulator，绝缘衬底上的硅)圆片。微悬臂梁42可以在SOI衬底41上采用ICP(Inductive CouplePlasmas，感应耦合等离子)刻蚀工艺制作而成。环境传感器11响应检测由工作环境中的温度变化。气体传感器12中的微悬臂梁42表面上设置有一定厚度的气体敏感层，该气体敏感层的材料采用高分子聚合物，比如：PEO(polyethyleneoxide，聚氧化乙烯)，PVA(polyvinylalcohol，聚乙烯醇)和PEVA(polyethylenevinylacetate，聚乙二醇乙醚醋酸酯)，PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲硅氧烷)，聚醚氨酯(polyetherurethane，PEUT)，聚环氧氯丙烷(polyepichlorohydrin，PECH)等。高分子聚合物气体敏感层可以通过喷涂法、点滴法或旋涂法等制作而成，具体选择的方法依据高分子聚合层的材质而定。高分子聚合物对不同气体分子具有不同的选择吸附系数，一旦气体敏感层吸附有气体分子，微悬臂梁42的振动频率发生变化。每个气体传感器12上使用不同的高分子聚合物，用于响应待测气体中各气体成分的浓度变化，也就是通过微悬臂梁42的振动频率变化表现出来。\n[0023] 如图2、图3所示，热驱动电阻43和压敏电阻44均设置在微悬臂梁42上。热驱动电阻43通上交流电后，驱动微悬臂梁42振动。压敏电桥45用于检测微悬臂梁42的振动频率，并将检测到的频率随微悬臂梁42的振动频率而变化的电压信号输送给正反馈电路\n5。图3为一具体实施例，图中的管脚1和7为驱动输入端，管脚2和5为压敏电桥45的输出端，管脚3和4之间接可调电阻实现压敏电桥45的零点补偿，管脚6为压敏电桥45工作电压的输入端。本实施例中，热驱动电阻43和压敏电阻44均是通过离子注入法制作在微悬臂梁42上，注入源为硼。\n[0024] 如图4所示，由于压敏电阻44的阻值一般较大，可以做成几个平行电阻条串联的方式，图4中的黑色条表示串联连接区，白色条表示电阻条。为了减小连接处的负压阻效应，串联连接处要进行重掺杂。此外，为了使各电阻与导线46能够形成欧姆接触，在电阻与导线46的接触区也应重掺杂。导线46和焊盘47的制作可以采用电子束蒸发工艺，蒸发源为铝。\n[0025] 如图2所示，正反馈电路5包括接口模块51、前置放大模块52、带通滤波模块53、信号放大模块54、移相模块55和限幅模块56。实际工作时微悬臂梁42处于谐振状态。由于气体分子会被微悬臂梁42上相应的气体敏感层吸附住，这样就导致了微悬臂梁42质量变化，微悬臂梁42的谐振频率也随之发生变化。压敏电桥45敏感到的微悬臂梁42谐振频率的变化由接口模块51检出。接口模块51还为压敏电桥45提供稳定的直流电源，并通过接入可调电阻对压敏电桥45的零位失调进行补偿。为了进一步说明接口模块51的工作，如图3所示，压敏电桥45从管脚2和5输出频率随微悬臂梁42的振动频率而变化的电压信号给接口模块51；接口模块51从管脚6为压敏电桥45提供稳定的直流电源；接口模块\n51还可以给管脚3和4之间接入可调电阻，以实现压敏电桥45的零点补偿。\n[0026] 前置放大模块52由仪表放大器芯片AD620构成，其对接口模块51输出的微弱电压信号进行放大，之后输送给带通滤波模块53。由于热驱动是功率驱动，会产生一倍频和二倍频电压信号，带通滤波模块53滤除其中的二倍频电压信号及高频和低频的噪声，并将一倍频电压信号分为两路，一路作为反馈信号依次通过信号放大模块54、移相模块55和限幅模块56，输送给热驱动电阻43，另一路作为输出信号传送到信号处理电路2。在本实施例中，带通滤波模块53采用型号为MAX275的芯片构成。\n[0027] 信号放大模块54采用低噪声高速精密的运放OP37芯片构成，其可对反馈信号进行放大，以满足自激振荡的幅值条件。经信号放大模块54放大后的信号输入移相模块55，移相模块55采用型号为OP37的芯片构成，其可对反馈信号的相位进行调整，以满足自激振荡的相位条件。自激振荡的幅值条件是回路增益为1，自激振荡的相位条件是反馈信号相对于原始信号的总相位移动量为2π的整数倍。\n[0028] 限幅模块56采用型号为AD8036AR的芯片构成，其用于控制反馈给热驱动电阻43的信号幅值，以保护电路和振荡频率的稳定性。同时，控制模块31还通过信号处理电路2控制气体传感器12中的限幅模块56为吸附有气体分子的微悬臂梁42选择施加在热驱动电阻43上的驱动信号的的直流偏置电压，以保证压敏电桥45产生的信号中含有一倍频电压信号，而且还能通过热驱动电阻43对微悬臂梁42上的气体敏感层起到加热作用。适当提高直流偏置电压可以使气体敏感层温度升高，因高分子聚合物的吸附系数随温度升高呈指数下降，因此能够使吸附在气体敏感层48中的气体分子迅速排出，使气体敏感层得到复原，为气体敏感层下一次吸附气体分子而清零。下面通过一具体例子，来说明如何通过限幅模块56的直流偏置电压使气体传感器在正常工作和主动复原两种状态之间进行转换。\n[0029] 如图2所示，本实施例提供+3V和+12V两个直流偏置电压，+3V为正常工作时的直流偏置电压，+12V为使微悬臂梁42上的气体敏感层温度升高的直流偏置电压。各气体传感器12通过并口接入信号处理电路2，信号处理电路2将由控制模块31发出的直流偏置电压选择信号输入限幅模块56，由限幅模块56控制一个数字二选一开关接入+3V或+12V直流偏置电压。使用者可根据实际需要通过控制模块31在两个直流偏置电压之间进行选择切换。\n[0030] 本发明的信号处理电路2接收各气体传感器12和环境传感器11从各自的带通滤波模块53输出的一倍频电压信号，将每个气体传感器12的输出信号与环境传感器的输出信号进行存储，之后差分运算得到校正了温度漂移的频率信号，再对校正过的频率信号做时间微分，得到频移信号，输送给计算机3中的控制模块31。之后计算机3中的模式识别模块32对由所有气体传感器12的频移信号所构成的模式进行分析和识别，得到气体中包含的成分信息，并将结果显示在计算机3的终端上。本实施例中，信号处理电路2采用单片机芯片PLC16F877。\n[0031] 本发明工作时，所有气体传感器12对某种气体成份浓度变化的响应就构成该种气体成份的模式，如果待测气体中包含多种气体成份，则所有气体传感器12的响应就是每一种气体成分的模式的叠加，并输送给信号处理电路2；同时环境传感器11将待测气体所在环境的温度变化的响应，输送给信号处理电路2。信号处理电路2对输入的信号存储后，进行差分、微分运算后，并将运算的结果通过控制模块31输送给模式识别模块32，由模式识别模块32识别出待测气体的成份信息。