智能型电子舌的虚拟仪器构建技术

　　0　引言

　　电子舌是一种利用传感器阵列检测样品溶液获得响应信号,经信号调理电路处理传输至计算机进行模式识别的智能分析系统。在实际检测方面电子舌具有快速、实时、简便、安全等特点,并且在污水监测、微生物生长期检测、酒类鉴别等应用领域已经显示出巨大潜力[1-3]。

　　目前,电子舌按照工作原理的不同,主要分为电位型电子舌[4]、阻抗型电子舌[5],声波型电子舌[6]、光寻址型电子舌[7]和伏安型电子舌[8]。其中,W inquest课题组研制的伏安型电子舌,具有结构简单、信息采集量大、稳定性强等特点,其最大的优势在于前端传感器阵列制作简便、成本低且使用寿命长,从而决定了该类型电子舌在实际应用方面前景广阔。然而,外部激励信号类型的选择及其稳定地激发一直是伏安型电子舌发展的主要瓶颈。同时,针对实验条件的不断变化,现场可以快速设计出各种激励信号来满足测试需求,一直缺乏有效开发平台的支持。鉴于此,利用虚拟仪器平台快速构建了一种新型伏安型电子舌-智舌,进行早期的设计与研究。该系统在W in-quest课题组研究的基础上,对其激发信号进行了改进,并对5种康师傅茶饮料进行检测分析,结果证实了利用虚拟仪器技术能够快速实现激励信号的构建与数据采集处理功能。

　　1　智舌系统

　　该系统主要由特定的传感器阵列模块、自制的信号调理模块、NI数据采集卡、LabVIEW软件开发平台4部分组成。系统框图如图1所示。

　　系统的工作过程:在外部激励信号的激发下,前端传感器阵列获得检测溶液的响应信号,经信号调理电路对其进行调理(电流变电压、放大、滤波)后传输至数据采集卡进行采集,并对原始信号进行特征值提取,结合模式识别部分对样品进行离线处理,大部分功能可以由LabVIEW开发平台来实现。

　　1. 1　传感器阵列模块

　　实验中采用6种具有交互敏感作用的贵金属裸电极(铂、银、钨、钛、钯、金)作为工作电极、铂柱电极作为辅助电极、Ag/AgCl电极作为参比电极,组成三电极传感器阵列,如图2所示。其中,工作电极的作用是在外加电位条件下,使待测溶液发生电化学反应,从而测定该电极上产生的电流;辅助电极是和工作电极组成一个导通回路;而参比电极作为工作电极和辅助电极的基准电极,如同电子电路常用地为参考点一样。

　　在电化学检测过程中,受外部电势激发下,工作电极将产生样品溶液的响应电流,由于其电流值非常微弱,需要进行电流/电压转换同时实现对微弱信号不同程度的放大,使它达数据采集卡模拟输入电压范围。另外,原始信号夹杂着噪声,需设计合适的滤波电路加以抑制。实验自行设计信号调理模块,如图3所示,以满足测试要求,其主要由6通道切换模块、恒电位模块、灵敏度控制模块3部分构成,下面部分将着重介绍恒电位模块。