一种用于蔬菜病害检测的电子鼻的设计

引 言

电子鼻是根据仿生学原理，由传感器阵列、检测系统、自动化模式识别系统所组成的电子仪器[1]。该仪器能够分析、识别和检测复杂气味和大多数挥发性成分。由电子鼻检测得到的不是被测样品中某种或某几种成分的定性与定量结果，而是得出样品中挥发性成分的整体信息，这些信息被称为样品的指纹 数据。利用电子鼻既能检测特定气体，又能评价混合气体或挥发性化学成分。因为其具有在线检测速度快、灵敏度高、不会发生嗅觉疲劳、对样品无需预处理、操作简单，并能够得出样品客观的检测结果等优点，现已发展成为环境监测、食品质量检测、饮料以及农产品检测和加工等领域一项便捷的检测技术[2]。

近年来，电子鼻技术受到了越来越广泛的关注。程绍明利用电子鼻对番茄苗的早疫病病害进行了检测和分析 [1]。朱娜 等[3] 利用电子鼻对草莓贮藏期常见的霉菌感染进行了检测。陈辰星等[4] 利用传感器、单片机搭建的电子鼻系统实现了对冰箱贮存食品新鲜度的检测和识别。吴文娟等[5] 利用传感器阵列建立的电子鼻系统实现了对猪肉新鲜度的快速分类。因此， 电子鼻在农作物虫害检测、农产品质量检测方面具有巨大的应用潜力。目前，进口的电子鼻产品价格昂贵，因此设计一种简单、实用、低成本的电子鼻系统意义重大。

1 系统整体架构

电子鼻系统如图 1 所示，主要由采集电路、信号处理电路、数据测量分析软件三部分构成 [5]。

采集电路主要用来采集样品的气味信息，由传感器阵列 组成，在此我们选用了六种金属氧化物半导体传感器。信号 处理电路中主要利用金属氧化物传感器与待测样品气体接触 时电阻发生变化的特性，匹配电阻测量传感器的响应变化。 响应后的电压值通过数据采集卡采集，数据采集卡选用美国 NI 公司研发的 16 通道高速 PCI 采集卡 6023E。采用 NI 的 LabVIEW2015 开发平台开发相应的数据测量平台软件。

2 硬件设计

气体采集单元选择六种MOS 传感器组成的传感器阵列， 型号和性能特点见表 1 所列。

单个传感器测量电路如图 2 所示。利用传感器与待测样品挥发气体接触时，传感器电阻 RS 发生变化的原理，测试匹配电阻 RL 两端的输出电压 VRL，从而求出传感器两端的电压VRS 及传感器电阻 RS，其中 VC 是电源电压，VRL 是匹配电阻的 电压，VH 是气体传感器的加热电压。

传感器电压（VRS）和电阻（RS）可根据 VOUT（VRL）的测定 值由式（1）、式（2）求出：

VRS=VC －VRL （1）

RS=（VC/VRL－1）×RL （2）

测量输出的电压值 VRS 通过 PCI 数据采集卡 6023E 的六个数据传输通道送至上位机数据处理软件中。

3 软件设计

为缩短开发周期，降低开发成本，并方便观察以及对数据的后续处理，系统软件采用LabVIEW 开发平台。LabVIEW 不仅为数据采集、信号分析和处理等提供了方便快捷的函数， 同时也为数据保存提供了多种格式的数据保存方案。

电子鼻数据测量分析软件的主要功能是设置数据采集参数，包括采样信号幅值，采样通道，采样周期，数据存储位置等参数的设定。此外，还可对传感器数据进行实时显示， 包括数值显示和曲线显示。考虑到系统的可扩展性，在设计中设置了八个通道的数据采集和显示功能。软件设计前面板和程序框图如图 3 和图 4 所示。

图 3 数据采集中心面板

4 结 语

电子鼻系统设计完成后对感染了白粉虱病害的蔬菜苗进 行了检测和分析，共进行了 3 批次共计 30 个样品的检测。在 数据采集过程中，系统比较稳定，操作方便。能够完成对数 据的实时采集，并可将实时采集的信号以图形化方式显示，保 存数据。这为进一步利用模式识别方法对蔬菜病害分类提供 了基础 [6,7]，可进行基于电子鼻技术的蔬菜病害无损检测方法 的研究。