机器嗅觉原理及国内外研究现状PPT课件

1、1 1、什么是机器嗅觉、什么是机器嗅觉2 2、机器嗅觉的技术基础、机器嗅觉的技术基础3 3、机器嗅觉的发展历程、机器嗅觉的发展历程4 4、机器嗅觉技术的应用、机器嗅觉技术的应用5 5、机器嗅觉的国内外研究状、机器嗅觉的国内外研究状6 6、机器嗅觉的发展趋势和展望、机器嗅觉的发展趋势和展望第1页/共62页1 1、什么是机器嗅觉、什么是机器嗅觉人的嗅觉形成过程机器嗅觉技术的概念机器嗅觉的原理第2页/共62页 气味分子经空气扩散到达鼻腔，与嗅觉细胞表皮纤毛上的G受体结合蛋白作用，产生信号。 信号在嗅觉细胞神经 网络和嗅球中经一系 列加工放大后通过神 经网络输人大脑。1.11.1人的嗅觉形成过程人的嗅

2、觉形成过程第3页/共62页 大脑接受输人的信号做出识别判断，而大脑的判断识别功能是由孩提时代至长大不断与外界长期接触的过程中学习、记忆、积累、总结而形成的。1.11.1人的嗅觉形成过程人的嗅觉形成过程第4页/共62页嗅觉形成示意图嗅觉形成示意图第5页/共62页1.21.2机器嗅觉技术的概念机器嗅觉技术的概念 机器嗅觉是一种模拟生物嗅觉工作原理的新颖仿生检测技术，机器嗅觉系统通常由交叉敏感的化学传交叉敏感的化学传感器阵列和适当的感器阵列和适当的计算机模式识别算计算机模式识别算法组成，可用于检法组成，可用于检测、分析和鉴别各测、分析和鉴别各种气味。种气味。第6页/共62页人工嗅觉系统的构成1.31

3、.3机器嗅觉系统的原理机器嗅觉系统的原理第7页/共62页 气味分子被机器嗅觉系统中的传感器阵列吸附，产生电信号。 生成的信号经各种方法加工处理与传输 将处理后的信号经计算机模式识别系统做出判断。1.31.3机器嗅觉系统的原理机器嗅觉系统的原理第8页/共62页机器嗅觉与人体嗅觉原理对照图机器嗅觉与人体嗅觉原理对照图1.31.3机器嗅觉系统的原理机器嗅觉系统的原理第9页/共62页2 2、机器嗅觉的技术基础、机器嗅觉的技术基础 气体传感器及其阵列 信息预处理方法 模式识别技术第10页/共62页 阵列中的气体传感器各自对特定气体具有相对较高的敏感性，由一些不同敏感对象的传感器构成的阵列可以测得被测样品

4、挥发性成分的整体信息，与人的鼻子一样，闻到的是样品的总体气味。 常用的传感器按材料分为：金属氧化物型半导体传感器；导电聚合物传感器；质量传感器；光纤气体传感器。2.12.1气体传感器及其阵列气体传感器及其阵列第11页/共62页半导体气体传感器半导体气体传感器 红外气体传感器红外气体传感器电化学气体传感器电化学气体传感器接触燃烧气体传感器接触燃烧气体传感器 几种常见气体传感器几种常见气体传感器2.12.1气体传感器及其阵列气体传感器及其阵列第12页/共62页 金属氧化物型半导体传感器：如SnO2、ZnO、WO3等，当其吸附某种气体时导致该氧化物的电阻下降产生信号。 导电聚合物传感器：如吡咯、苯胺

5、、噻吩、吲哚等碱性有机物的聚合物及衍生物，当他们与带气味的物质反应后通常引起电阻增加产生信号。2.12.1气体传感器及其阵列气体传感器及其阵列第13页/共62页 质量传感器：如石英晶体微衡传感器(QCM)、声表面波传感器(sAw)，它们吸附了气味分子会引起石英振动频率的改变，从而产生信号。 光纤气体传感器：此类传感器利用光纤所特有的传感信号无电磁干扰、噪声低、电绝缘、化学稳定性好及热稳定性好等优点。2.12.1气体传感器及其阵列气体传感器及其阵列第14页/共62页 信号预处理的方法应根据实际使用的传感器类型、模式识别方法和识别任务选取。通常认为通常认为 嗅觉模拟系嗅觉模拟系统中某一传统中某一传

6、感器感器i i对气对气味味j j的响应的响应为一时变信为一时变信号号V Vijij（t t）。）。2.22.2信号预处理方法信号预处理方法第15页/共62页由由n n个传感器组成的个传感器组成的阵列对气味阵列对气味j j的响应是的响应是n n维状态空间的一个矢量维状态空间的一个矢量V Vj j，可写为：，可写为： V Vj j=V V1j1j，V V2j2j，V Vnjnj 左图为左图为PEN2PEN2电子鼻的电子鼻的1010个传感器对巧克力香精个传感器对巧克力香精的响应曲线。的响应曲线。（本图来自骆德汉教授的研究（本图来自骆德汉教授的研究资料）资料）2.22.2信号预处理方法信号预处理方法第

7、16页/共62页 气味传感器阵列对气味j的响应灵敏度部分地取决于传感器的质量。此外，测试环境和信号处理方式也有十分重要的作用。 不仅各种稳态的模型已被用于处理气体或气味的测量信号，如下表所示，而且传感器信号中的瞬态信息也可以帮助区分传感器的漂移和样本检测。同时也可以利用动态响应来矫正传感器阵列。2.22.2信号预处理方法信号预处理方法第17页/共62页 算算 法法 公公 式式 传传 感感 器器 类类 型型差分差分相对差分相对差分分数差分分数差分对数对数传感器归一传感器归一化化平方归一化平方归一化x xijij=V=Vijijmaxmax-V-Vijijminminx xijij=V=Vijij

8、maxmax/V/Vijijminminx xijij= =（V Vijijmaxmax-V-Vijijminmin）/V/Vijijminminx xijij=lg=lg（V Vijijmaxmax-V-Vijijminmin）x xijij= =（X Xijij-X-Xijijminmin）/ / （ X Xijijmaxmax-X-Xijijminmin）x xijij=X=Xijij/ /X Xijij2 2金属氧化物化学电阻型金属氧化物化学电阻型声表面波型声表面波型金属氧化物化学电阻型金属氧化物化学电阻型声表面波型声表面波型金属氧化物化学电阻型金属氧化物化学电阻型导电聚合物型导电聚合

9、物型金属氧化物化学电阻型金属氧化物化学电阻型金属氧化物化学电阻型金属氧化物化学电阻型压电晶体型压电晶体型金属氧化物化学电阻型金属氧化物化学电阻型压电晶体型压电晶体型导电聚合物化学电阻型导电聚合物化学电阻型部分传感器信号预处理算法部分传感器信号预处理算法2.22.2信号预处理方法信号预处理方法第18页/共62页总之，传感器测量信号预处理可以实现总之，传感器测量信号预处理可以实现以下主要功能：以下主要功能：滤除模式采样过程中引入的噪声和干滤除模式采样过程中引入的噪声和干 扰，提高信噪比；扰，提高信噪比；消除信号的模糊和失真认为地增强有消除信号的模糊和失真认为地增强有用信号；用信号；为后续处理的方便

10、，可对信号进行适为后续处理的方便，可对信号进行适 当的变换。当的变换。2.22.2信号预处理方法信号预处理方法第19页/共62页 模式识别是伴随着计算机的研究、应用发展起来的一门新兴学科，在计算机理论、信号与信息处理、自动控制理论等方面得到了广泛的应用。近年来被用于仿生鼻中，已引起普遍的重视。被识别对象被识别对象模式采集模式采集预处理预处理特征提取特征提取模式分类模式分类模式识别的过程模式识别的过程2.32.3模式识别技术模式识别技术第20页/共62页 在机器嗅觉中，模式识别技术是对预处理之后的信号再进行适当的处理，获得气体组成成分和浓度的信息。 机器嗅觉中模式识别的过程分为两个阶段：监督学习

11、阶段，在该阶段运用被测样品 来训练机器嗅觉系统，使其自我学习；应用阶段，经过训练的机器嗅觉系统 对被测气体进行识别。2.32.3模式识别技术模式识别技术第21页/共62页机器嗅觉中的模式识别过程：-（为右上角绿框 ）2.32.3模式识别技术模式识别技术第22页/共62页机器嗅觉中常用的模式识别方法是统计模机器嗅觉中常用的模式识别方法是统计模式识别的方法和人工智能的方法，前者常式识别的方法和人工智能的方法，前者常用的有：用的有： 主成分分析法（主成分分析法（PCAPCA） 聚类分析法（聚类分析法（ACAC） 偏最小二乘法（偏最小二乘法（PLSPLS） 其中这些方法都属于线性判别法（其中这些方法都

12、属于线性判别法（LDALDA）。）。除了除了LDALDA外，也有非线性方法，例如基于外，也有非线性方法，例如基于核的非线性方法。核的非线性方法。 2.32.3模式识别技术模式识别技术第23页/共62页 机器嗅觉中应用线性判别法（LDA）进行模式识别2.32.3模式识别技术模式识别技术第24页/共62页人工智能的常用方法是人工神经网络方人工智能的常用方法是人工神经网络方法（法（ANNANN），它主要有以下网络模型：），它主要有以下网络模型： BPBP网络（网络（back-propagation-networkback-propagation-network）LVLV网络（网络（learning

13、vector learning vector quantisation networkquantisation network）RBFRBF网络（网络（radial basis function radial basis function networknetwork）自组织特征映射网络（自组织特征映射网络（Kohonen Kohonen networknetwork）2.32.3模式识别技术模式识别技术第25页/共62页2.32.3模式识别技术模式识别技术由于人工神经网络技术能处理非线性数据，由于人工神经网络技术能处理非线性数据，容忍传感器的漂移和噪音以及预报误差比容忍传感器的漂移和噪音以及

14、预报误差比化学计量学技术低，故很有吸引力。此外，化学计量学技术低，故很有吸引力。此外，人工神经网络人工神经网络( (如三层反向传播网络如三层反向传播网络) )在一在一定程度上模仿生物嗅觉系统。定程度上模仿生物嗅觉系统。人工人工神经神经网络网络 的一的一典型典型模型模型生理生理神经神经网络网络模型模型第26页/共62页3 3、机器嗅觉技术的发展历程、机器嗅觉技术的发展历程机器嗅觉的发展史商业化机器嗅觉产品电子鼻developed第27页/共62页3.13.1机器嗅觉的发展史机器嗅觉的发展史 20世纪中叶，各种化学传感器基本理论和实际应用研究均取得了长足进展。 1962年在瑞典的斯得哥尔摩召开了国

15、际上最早的嗅觉学术交流会。 80年代初期，在科技文献中出现了技术术语“电子鼻”（机器嗅觉系统的俗称）。 1997年在美国的圣地亚哥召开了最大规模的一次会议，主题是鼓励在嗅觉化学感觉方面的基础和应用方面的研究。第28页/共62页 目前，从事电子鼻开发研究的机构欧洲有17 家，美国和加拿大有9家；世界上电子鼻商业产品的供应商已达到18 家 代表性电子鼻产品有： 法国Alpha- MOS 的桌面型FOX系列的电子鼻、美国加利福尼亚Cyranosciences公司的Cyranose 系列便携式电子鼻、德国AIRSENSE公司的PEN（Portable Electronic nose）系列电子鼻等。3.

16、23.2商业化机器嗅觉产品商业化机器嗅觉产品电子鼻电子鼻第29页/共62页欧美国家开发的电子鼻产品欧美国家开发的电子鼻产品3.23.2商业化机器嗅觉产品商业化机器嗅觉产品电子鼻电子鼻第30页/共62页3.23.2商业化机器嗅觉产品商业化机器嗅觉产品电子鼻电子鼻第31页/共62页PEN3PEN3电子鼻系统（德）电子鼻系统（德）3.23.2商业化机器嗅觉产品商业化机器嗅觉产品电子鼻电子鼻第32页/共62页食品工业中的应用医药卫生中的应用消费电子中的应用环境监测中的应用航天航空中的应用4 4、机器嗅觉技术的应用、机器嗅觉技术的应用第33页/共62页4 4、机器嗅觉技术的应用、机器嗅觉技术的应用 电子

17、鼻作为一种分析、识别和检测复杂嗅味和挥发性成分的仪器，具有检测速度快、操作简单、灵敏度高、重现 性好等优点， 使 使得其在食品工业、环境监测、医疗卫生、工业、环境监测、医疗卫生、药品工业、安全保障、公安与药品工业、安全保障、公安与军事等领域得到广泛的应用。军事等领域得到广泛的应用。本报告仅举部分应用例子。本报告仅举部分应用例子。第34页/共62页应用于肉品新鲜度检测、应用于肉品新鲜度检测、生产线上连续检测、判断生产线上连续检测、判断发酵肉制品成熟度以及乳发酵肉制品成熟度以及乳制品的腐败成度等方面制品的腐败成度等方面。水果蔬菜通过呼吸作用进水果蔬菜通过呼吸作用进行新陈代谢而变熟，在不行新陈代谢而

18、变熟，在不同的成熟阶段，其散发的同的成熟阶段，其散发的气味不同，可以用电子鼻气味不同，可以用电子鼻闻其气味来评价其品质。闻其气味来评价其品质。4.14.1机器嗅觉在食品工业中的应用机器嗅觉在食品工业中的应用第35页/共62页根据酒类挥发的气根据酒类挥发的气味用电子鼻对其进行味用电子鼻对其进行鉴别，进而对其分类鉴别，进而对其分类与分级，在品牌的鉴与分级，在品牌的鉴定、异味检测、新产定、异味检测、新产品的研发、原料检验、品的研发、原料检验、蒸馏酒品质鉴定、制蒸馏酒品质鉴定、制酒过程管理的监控方酒过程管理的监控方面有广泛的应用前景。面有广泛的应用前景。4.14.1机器嗅觉在食品工业中的应用机器嗅觉在

19、食品工业中的应用第36页/共62页 在烟草行业中，卷烟品质的评定主要通过专家的感官来进行，这类工作通常由训练有素、经验丰富的专家进行，但是培养一名专职评烟师投入费用大、周期长，因此，机器嗅觉技术越来越广泛应用于烟草检验与识别。4.14.1机器嗅觉在食品工业中的应用机器嗅觉在食品工业中的应用第37页/共62页4.24.2机器嗅觉在医药卫生中的应机器嗅觉在医药卫生中的应用用 现今对识别糖尿病或癌症病人呼出的气味和病人伤口感染程度的机器嗅觉系统研究已进入到实用阶段。应用传感器技术开发应用传感器技术开发 的快速诊断的机器嗅觉的快速诊断的机器嗅觉装置，成本较低，操作装置，成本较低，操作简易，可随时掌握患

20、者简易，可随时掌握患者病情，因此具有很好的病情，因此具有很好的市场前景。市场前景。第38页/共62页4.34.3机器嗅觉在消费电子中的应机器嗅觉在消费电子中的应用用 右图这款概念手机是利用电子鼻（eNose）的技术通过监控使用者每天的饮食和运动状况 来 提 高 使 用 者 的 健 康 意 识通过该技术，它可以根据不同的化学标识“闻”出特定的食物。当出特定的食物。当汇集了足够的数据之后，它还会提醒使用者汇集了足够的数据之后，它还会提醒使用者遗漏了哪些必须的营养物质，从而帮助使用遗漏了哪些必须的营养物质，从而帮助使用者均衡营养，养成良好的饮食习惯。者均衡营养，养成良好的饮食习惯。第39页/共62页

21、4.44.4机器嗅觉在环境监测中的应机器嗅觉在环境监测中的应用用 目前，电子鼻能“嗅”出的气体不下40种，它最广泛应用于易燃、 易爆、有毒气体自动 检测和报警。 COCO检测仪检测仪H H2 2检测仪检测仪防燃气泄露报警器防燃气泄露报警器第40页/共62页4.54.5机器嗅觉在航天航空的应用机器嗅觉在航天航空的应用 美国为国际空间站送去了一个“电子鼻”，可以“嗅”出空间站内空气中的危险内空气中的危险物质，保护宇航物质，保护宇航员的健康和安全。员的健康和安全。“电子鼻电子鼻”今后今后还将应用于重返还将应用于重返月球等其他载人月球等其他载人空间探索项目中。空间探索项目中。第41页/共62页5 5、

22、机器嗅觉的国内外研究现状、机器嗅觉的国内外研究现状国内外研究现状概况国内外研究现状概况骆德汉教授人工嗅觉骆德汉教授人工嗅觉 研究团队的研究现状研究团队的研究现状第42页/共62页机器嗅觉技术作为一种新兴的交叉学科技机器嗅觉技术作为一种新兴的交叉学科技术，现已成为国内外研究的热点。总的来术，现已成为国内外研究的热点。总的来说，无论从资金的投入和从事该领域的人说，无论从资金的投入和从事该领域的人员来看，发达国家远比国内领先。不过，员来看，发达国家远比国内领先。不过，我国在这方面的研究正我国在这方面的研究正在快速进行，相信在不在快速进行，相信在不久的将来可以赶上发达久的将来可以赶上发达国家的研究水平

23、。国家的研究水平。5.15.1国内外研究现状概况国内外研究现状概况第43页/共62页 下面列举一些国内外的最新研究成果下面列举一些国内外的最新研究成果华中科技大学成功研华中科技大学成功研制出灵敏纳米电子鼻制出灵敏纳米电子鼻 台湾台湾“工研院工研院” 研制的能检测研制的能检测出无尿毒症及肝功能疾病的电子出无尿毒症及肝功能疾病的电子鼻鼻5.15.1国内外研究现状概况国内外研究现状概况第44页/共62页 桑迪亚实验室研制出能桑迪亚实验室研制出能闻出爆炸物的微型鼻子闻出爆炸物的微型鼻子 美国加利福尼亚大学研制的能美国加利福尼亚大学研制的能够自动鉴定气体成份的电子鼻够自动鉴定气体成份的电子鼻 5.15.

24、1国内外研究现状概况国内外研究现状概况第45页/共62页 An electronic nose that can sniff out some known An electronic nose that can sniff out some known poisonous gases and toxins and show the results poisonous gases and toxins and show the results simply by changing colors. By National Institute simply by changing colors. B

25、y National Institute of Environmental Health Sciences of Environmental Health Sciences 5.15.1国内外研究现状概况国内外研究现状概况第46页/共62页骆德汉教授于骆德汉教授于20012001年年开始机器仿生嗅觉开始机器仿生嗅觉/ /味味觉传感技术与应用的研觉传感技术与应用的研究。经过多年的努力，究。经过多年的努力，在该领域已取得颇多的在该领域已取得颇多的成就。目前拥有德国成就。目前拥有德国PEN3PEN3电子鼻系统和由电子鼻系统和由6 6个硕士研究生组成的人个硕士研究生组成的人工嗅觉研究团队。工嗅觉研究团

26、队。 5.25.2骆德汉人工嗅觉团队的研究现状骆德汉人工嗅觉团队的研究现状第47页/共62页现已完成现目：现已完成现目：安徽省自然科学基金安徽省自然科学基金“纳米生物电子传感纳米生物电子传感理论与技术的研究理论与技术的研究”项目项目广东省自然科学基金广东省自然科学基金自然态计算机嗅觉自然态计算机嗅觉/ /味觉信息获取与关联方法的研究味觉信息获取与关联方法的研究项目研究项目研究在研项目：在研项目： 国家自然资金国家自然资金 “基于仿生嗅觉的辛味中药基于仿生嗅觉的辛味中药 材气味指纹图谱研究材气味指纹图谱研究”项目项目 5.25.2骆德汉人工嗅觉团队的研究现状骆德汉人工嗅觉团队的研究现状第48页/

27、共62页现已获得专利：现已获得专利：基于导电聚合物的仿生嗅觉传感材料及其基于导电聚合物的仿生嗅觉传感材料及其 制备方法（专利号制备方法（专利号 200610037065.9200610037065.9）一种嵌入式仿生嗅觉气味识别方法及装置一种嵌入式仿生嗅觉气味识别方法及装置（专利号（专利号 200710032996.4200710032996.4）基于仿生嗅觉的中药材气味鉴别方法及其基于仿生嗅觉的中药材气味鉴别方法及其装置（专利号装置（专利号 200710032997.9200710032997.9） 5.25.2骆德汉人工嗅觉团队的研究现状骆德汉人工嗅觉团队的研究现状第49页/共62页目前，

28、我们的研究团队正在从事电子鼻在目前，我们的研究团队正在从事电子鼻在食品、中成药、卷烟的应用研究，以下展示食品、中成药、卷烟的应用研究，以下展示部分研究资料。部分研究资料。 5.25.2骆德汉人工嗅觉团队的研究现状骆德汉人工嗅觉团队的研究现状第50页/共62页用电子鼻区分三种不同的香精：牛奶、巧克力、水蜜桃用电子鼻区分三种不同的香精：牛奶、巧克力、水蜜桃 5.25.2骆德汉人工嗅觉团队的研究现状骆德汉人工嗅觉团队的研究现状第51页/共62页 5.25.2骆德汉人工嗅觉团队的研究现状骆德汉人工嗅觉团队的研究现状用电子鼻区分不同生产日期的用电子鼻区分不同生产日期的“罗浮山罗浮山”牌百草牌百草油油第5

29、2页/共62页 5.2 5.2骆德汉人工嗅觉团队的研究现状骆德汉人工嗅觉团队的研究现状用电子鼻区分不同生产地点的薄荷中草药用电子鼻区分不同生产地点的薄荷中草药第53页/共62页6 6、机器嗅觉的发展趋势和展望、机器嗅觉的发展趋势和展望机器嗅觉的发展趋势机器嗅觉的发展趋势机器嗅觉的发展展望机器嗅觉的发展展望第54页/共62页美国人理查德美国人理查德阿克塞尔阿克塞尔和琳达和琳达巴克因为他们在巴克因为他们在嗅觉领域内所做出的杰出嗅觉领域内所做出的杰出贡献而获得了贡献而获得了20042004年度的年度的诺贝尔医学奖。他们的在诺贝尔医学奖。他们的在嗅觉领域的杰出贡献必定嗅觉领域的杰出贡献必定给人工嗅觉技

30、术提供新的给人工嗅觉技术提供新的理论基础。理论基础。 6.16.1机器嗅觉的发展趋势机器嗅觉的发展趋势Richard Axel Richard Axel & Linda Buck& Linda Buck 第55页/共62页随着传感器技术的进展和人对嗅觉过程的随着传感器技术的进展和人对嗅觉过程的深入了解，机器嗅觉系统的功能必将日益深入了解，机器嗅觉系统的功能必将日益增强，愈来愈多地取代生产和生活过程中增强，愈来愈多地取代生产和生活过程中人鼻的作用，取得愈来愈广泛的应用。人鼻的作用，取得愈来愈广泛的应用。6.16.1机器嗅觉的发展趋势机器嗅觉的发展趋势第56页/共62页机器嗅觉系统的体积也将越做越小、成本机器嗅觉系统的体积也将越做越小、成本也大幅度降低从也大幅度降低从“台式台式”到到“便携式便携式”，到现在，到现在“手持式手持式”电子鼻的出现，价格也已经从电子鼻的出现，价格也已经从最初的十多万美元