人工嗅觉与人工味觉讲解课件

第二讲第二讲 人工嗅觉、人工人工嗅觉、人工味觉技术味觉技术第二讲 人工嗅觉、人工味觉技术一、人工嗅觉（电子鼻）一、人工嗅觉（电子鼻）什么是电子鼻什么是电子鼻电子鼻的基本组成电子鼻的基本组成电子鼻在食品工业中的应用电子鼻在食品工业中的应用电子鼻的研究现状与发展趋势电子鼻的研究现状与发展趋势一、人工嗅觉（电子鼻）什么是电子鼻1989年在年在NATO的一次关于化学传感器信息的一次关于化学传感器信息处理会议上对电子鼻（人工嗅觉系统）做了处理会议上对电子鼻（人工嗅觉系统）做了如下定义：如下定义：电子鼻（电子鼻（Artificial Olfactory system,AOS）是由多个性能彼此重叠的）是由多个性能彼此重叠的气体传感器气体传感器和适当的和适当的模式分类方法模式分类方法组成的具有识别单一组成的具有识别单一和复杂气味能力的装置。和复杂气味能力的装置。1989年在NATO的一次关于化学传感器信息处理会议上对电子1.AOS是是新颖的分析、识别和检测复杂新颖的分析、识别和检测复杂嗅味和挥发性成分的仪器嗅味和挥发性成分的仪器。2.更注重样品中挥发成分的更注重样品中挥发成分的整体信息整体信息（即（即“指纹指纹”数据数据）。它）。它“闻到闻到”的是的是目标的目标的总体气息总体气息。3.根具有根具有人工智能人工智能。1.AOS是新颖的分析、识别和检测复杂嗅味和挥发性成分的仪美国科学家理查德-阿克塞尔和琳达-巴克分享2004年诺贝尔医学奖美国科学家理查德-阿克塞尔和琳达-巴克分享2004年诺贝尔医人工嗅觉与人工味觉讲解课件生物嗅觉特点生物嗅觉特点1、哺乳动物的鼻腔中有大量的嗅觉感受细胞。哺乳动物的鼻腔中有大量的嗅觉感受细胞。2、嗅觉系统有自适用性。嗅觉系统有自适用性。3、生物嗅觉系统的工作生物嗅觉系统的工作 方式：方式：（1）信号产生）信号产生信号传递和预处理信号传递和预处理大大脑识别脑识别 （2）人体约有个基因用来编码气味）人体约有个基因用来编码气味受体细胞膜上的不同气味受体，这占人体基受体细胞膜上的不同气味受体，这占人体基因总数的约因总数的约 （3）人的嗅觉系统具有高度）人的嗅觉系统具有高度“专业化专业化”的特的特征征生物嗅觉特点1、哺乳动物的鼻腔中有大量的嗅觉感受细胞。人工嗅觉与人工味觉讲解课件电子鼻模拟生物的嗅觉器官，因而其工作原电子鼻模拟生物的嗅觉器官，因而其工作原理与嗅觉形成相似，气味分子被电子鼻中的理与嗅觉形成相似，气味分子被电子鼻中的传感器阵列吸附，传感器阵列吸附，产生信号产生信号。生成的信号经各种方法处理加工与传输，将生成的信号经各种方法处理加工与传输，将处理后的信号经处理后的信号经模式识别系统作出判断模式识别系统作出判断。根据这种原理电子鼻主要包括根据这种原理电子鼻主要包括传感器阵列传感器阵列和和数据处理分析器数据处理分析器两大部分。两大部分。电子鼻系统结构电子鼻系统结构电子鼻模拟生物的嗅觉器官，因而其工作原理与嗅觉形成相似，气味1.气体传感器及气体传感器阵列气体传感器及气体传感器阵列2.数据处理分析器数据处理分析器电子鼻系统结构图电子鼻系统结构图1.气体传感器及气体传感器阵列电子鼻系统结构图气体传感器气体传感器1、气体传感器的材料必须具备两个基本条件：、气体传感器的材料必须具备两个基本条件：（1）通用性；通用性；（2）传感器还原传感器还原。2、气体传感器应满足：、气体传感器应满足：（1）高灵敏度、宽动态响应）高灵敏度、宽动态响应（2）性能稳定）性能稳定（3）响应快、重复性好）响应快、重复性好（4）保养简单、价格低）保养简单、价格低气体传感器1、气体传感器的材料必须具备两个基本条件：3、气体传感器的种类、气体传感器的种类（1）金属氧化物型半导体传感器（电阻改变）金属氧化物型半导体传感器（电阻改变）（2）有机导电聚合物传感器（导电性改变）有机导电聚合物传感器（导电性改变）（3）脂凃层传感器（质量改变）脂凃层传感器（质量改变）（4）红外线光电传感器（光强或峰位改变）红外线光电传感器（光强或峰位改变）3、气体传感器的种类气体传感器阵列气体传感器阵列1 1、为什么要组成气体传感器阵列？、为什么要组成气体传感器阵列？、为什么要组成气体传感器阵列？、为什么要组成气体传感器阵列？某一类型的单个气体传感器仅能检测某一类型某一类型的单个气体传感器仅能检测某一类型某一类型的单个气体传感器仅能检测某一类型某一类型的单个气体传感器仅能检测某一类型的气体。的气体。的气体。的气体。把不同特性的单个气体传感器组合起来就构成把不同特性的单个气体传感器组合起来就构成把不同特性的单个气体传感器组合起来就构成把不同特性的单个气体传感器组合起来就构成了嗅觉传感器阵列。了嗅觉传感器阵列。了嗅觉传感器阵列。了嗅觉传感器阵列。嗅觉传感器阵列不仅嗅觉传感器阵列不仅嗅觉传感器阵列不仅嗅觉传感器阵列不仅检测范围更宽检测范围更宽检测范围更宽检测范围更宽，而且，而且，而且，而且灵敏灵敏灵敏灵敏度、可靠性都很高度、可靠性都很高度、可靠性都很高度、可靠性都很高。2 2、气体传感器阵列发展趋势：、气体传感器阵列发展趋势：、气体传感器阵列发展趋势：、气体传感器阵列发展趋势：集成化、监测范围宽和携带方便集成化、监测范围宽和携带方便集成化、监测范围宽和携带方便集成化、监测范围宽和携带方便气体传感器阵列1、为什么要组成气体传感器阵列？数据处理分析器数据处理分析器1、传感器产生的电信号经电子线路放大及、传感器产生的电信号经电子线路放大及A/D转转换为数字信号输入计算机，被测嗅觉的强度既换为数字信号输入计算机，被测嗅觉的强度既可用每个传感器的输出的绝对电压、电阻或电可用每个传感器的输出的绝对电压、电阻或电导等信号来表示，也可用相对信号值如归一化导等信号来表示，也可用相对信号值如归一化的电阻或电导值，传感器阵列输出的信号经专的电阻或电导值，传感器阵列输出的信号经专用软件采集、加工、处理后与经用软件采集、加工、处理后与经“人为学习、人为学习、训练训练”后的已知信息进行比较、识别，最后得后的已知信息进行比较、识别，最后得出定量的质量因子。出定量的质量因子。2、这一部分的关键是数据处理软件所用的数学、这一部分的关键是数据处理软件所用的数学方法。方法。数据处理分析器1、传感器产生的电信号经电子线路放大及A/D转人工嗅觉与人工味觉讲解课件常用的模式识别数据处理方法常用的模式识别数据处理方法（1）多元统计数据处）多元统计数据处理方法：理方法：a、主成分分析法、主成分分析法 b、回归分析法、回归分析法 c、距离判别法、距离判别法 d、贝叶斯判别法、贝叶斯判别法 e、费歇判别法、费歇判别法 f、偏最小二乘回归、偏最小二乘回归分析法分析法（2）人工神经网络数）人工神经网络数据处理方法和遗传算据处理方法和遗传算法法 a、神经网络、神经网络 b、竞争神经网络、竞争神经网络 c、RBF神经网络神经网络 d、遗传算法、遗传算法 e、遗传神经网络、遗传神经网络常用的模式识别数据处理方法（1）多元统计数据处理方法：（2）AromaScan 英国AromaScan 英国MOSES II:MOdular SEnsor System,IInd（德国）（德国）MOSES II:MOdular SEnsor SysteFOX-Model 3000 Intelligent Electronic NoiseFOX-Model 3000 Intelligent Electronic NoisePrice:$6,200.00Price:$6,200.00（法国）FOX-Model 3000 Intelligent E江苏大学 电子鼻试验装置示意图江苏大学 电子鼻试验装置示意图电子鼻在食品工业中的应用电子鼻在食品工业中的应用1、原材料原材料：新鲜度、分类谷物、禽类沙：新鲜度、分类谷物、禽类沙门氏菌检疫；门氏菌检疫；2、生产过程生产过程：烹调、发酵、存储等过程：烹调、发酵、存储等过程的监测；的监测；3、产品评价产品评价：成熟度、不同品牌、新鲜：成熟度、不同品牌、新鲜度。度。4、分析包装材料及其与产品的相互作用、分析包装材料及其与产品的相互作用。电子鼻在食品工业中的应用1、原材料：新鲜度、分类谷物、禽类沙人工嗅觉与人工味觉讲解课件人工嗅觉与人工味觉讲解课件5次30次1000次200次5次30次1000次200次电子鼻与感官评价和电子鼻与感官评价和GCMS的关系的关系AOS作为常用分析仪器和感官测试方法作为常用分析仪器和感官测试方法的的补充工具补充工具。提供了比人的鼻子提供了比人的鼻子敏感的、客观的、可敏感的、客观的、可重复重复的气味辨别方法，部分解决了食品的气味辨别方法，部分解决了食品评价手段对食品工业自动化的制约。评价手段对食品工业自动化的制约。电子鼻与感官评价和GCMS的关系AOS作为常用分析仪器和电子鼻的研究现状与发展趋势电子鼻的研究现状与发展趋势1、气体传感器存在的问题、气体传感器存在的问题2、气体取样方式、气体取样方式3、模式识别方法、模式识别方法4、已开发出的电子鼻系统、已开发出的电子鼻系统（表（表（表（表3-63-6）5、电子鼻发展趋势、电子鼻发展趋势电子鼻的研究现状与发展趋势1、气体传感器存在的问题1、气体传感器存在的问题、气体传感器存在的问题工作环境须控制工作环境须控制，或者加以监测并进行，或者加以监测并进行参数补偿参数补偿。基线稳定性较差基线稳定性较差，易于中毒。，易于中毒。阵列的阵列的校正和训练数据不能通用校正和训练数据不能通用。1、气体传感器存在的问题工作环境须控制，或者加以监测并进行参2、气体取样方式、气体取样方式采用小容积的测试箱；采用小容积的测试箱；其次是采用箱外蒸发法；其次是采用箱外蒸发法；缩短气敏器件接触气体的时间。缩短气敏器件接触气体的时间。2、气体取样方式采用小容积的测试箱；3、模式识别方法、模式识别方法单模式分类方法提高选择性；单模式分类方法提高选择性；改善电于鼻装置的灵敏度和重复性；改善电于鼻装置的灵敏度和重复性；仿照视觉图像的观点，人们提出了嗅仿照视觉图像的观点，人们提出了嗅觉觉“图像图像”的概念。嗅觉的概念。嗅觉“图像图像”在在样本分布空间肯定存在多处重叠和交样本分布空间肯定存在多处重叠和交叉。叉。3、模式识别方法单模式分类方法提高选择性；二、电子舌（人工味觉）二、电子舌（人工味觉）生物味觉生物味觉人工味觉及味觉传感器人工味觉及味觉传感器人工味觉的模式识别方法人工味觉的模式识别方法人工味觉技术在食品检测中的应用人工味觉技术在食品检测中的应用二、电子舌（人工味觉）生物味觉生物味觉生物味觉生物味觉味觉的感受器是味蕾，主要分布在舌背味觉的感受器是味蕾，主要分布在舌背部表面和舌缘，口腔和咽部粘膜的表面部表面和舌缘，口腔和咽部粘膜的表面也有零散的味蕾存在。也有零散的味蕾存在。味觉的感受器是味蕾，主要分布在舌背部表面和舌缘，口腔和咽部粘味感形成的三个阶段：味感形成的三个阶段：（1）形成生物电信号；）形成生物电信号；（2）电信号传输；）电信号传输；（3）大脑识别。）大脑识别。味道的四种基本味觉：甜、咸、酸味道的四种基本味觉：甜、咸、酸和苦。和苦。国外有的学者将基本的味觉定为甜、国外有的学者将基本的味觉定为甜、咸、酸、苦和鲜五种，近年来又引入了咸、酸、苦和鲜五种，近年来又引入了涩和辣味。涩和辣味。味感形成的三个阶段：人的舌面上约有50万个香蕉形的味觉细胞，味觉细胞顶端有纤毛，称为味毛，从味蕾表面的孔伸出，是味觉感受的关键部位。各种味道在舌上最敏感部位示意图人的舌面上约有50万个香蕉形的味觉细胞，味觉细胞顶端有纤毛，人工味觉及味觉传感器人工味觉及味觉传感器由于受味觉传感器研究的制约，人工味觉由于受味觉传感器研究的制约，人工味觉系统系统(Artificial Taste System，ATS)是是最近几年才提出来的。最近几年才提出来的。PH计计酸度检测酸度检测导电计导电计咸度的检测咸度的检测比重计或屈光度计比重计或屈光度计甜度的检测等。甜度的检测等。人工味觉及味觉传感器由于受味觉传感器研究的制约，人工味觉系统人工味觉实验装置示意图人工味觉实验装置示意图人的味觉系统与人工味觉之间人的味觉系统与人工味觉之间的对应关系的对应关系人工味觉的工作原理是建立在人工味觉的工作原理是建立在模拟模拟生物的味觉生物的味觉形成过程的基础上的，形成过程的基础上的，也就是说人工嗅觉和人工味觉是一也就是说人工嗅觉和人工味觉是一仿生过程仿生过程。人的味觉系统与人工味觉之间的对应关系人工味觉的工作原理是建立人的味（嗅）觉系统与人工味（嗅）觉之人的味（嗅）觉系统与人工味（嗅）觉之间的对应关系（仿生过程）间的对应关系（仿生过程）人的味（嗅）觉系统与人工味（嗅）觉之间的对应关系（仿生过程）味觉传感器及阵列人工味觉传感器所测得的是整个所测物质人工味觉传感器所测得的是整个所测物质味道的味道的整体信息整体信息。研究得最多的是多通道研究得最多的是多通道类脂膜味觉传感器类脂膜味觉传感器阵列，它能部分再现人的味觉对味觉物质阵列，它能部分再现人的味觉对味觉物质的反应。的反应。味觉传感器及阵列人工味觉传感器所测得的是整个所测物质味道的整常用的类脂膜材料常用的类脂膜材料人工味觉的模式识别方法数据的预处理 1、归一化人工味觉的模式识别方法数据的预处理2、主成分分析、主成分分析 人工味觉的数据进行统计处理时，使人工味觉的数据进行统计处理时，使用最多的是主成分分析法（用最多的是主成分分析法（Principal Component Analysis,PCA）。）。人工神经网络（人工神经网络（Artificial Neural Network,ANN）是模拟人的大脑进行）是模拟人的大脑进行工作的工作的。2、主成分分析PCA 对于总体X=(x1，xp)，提出X的综合指标(k=p)的原则：（1）（i=1,k）是X的线性函数；（2）要求新特征值（i=1,k）的方差尽可能大，即尽可能反映原来数据的信息；（3）要求（i=1,k）互不相关，或者说之间尽可能不含重复信息。这样均称为X的主成分。PCA 对于总体X=(x1，xp)，提出X的综合指标人工神经网络原理人工神经网络原理人工神经网络原理人工味觉技术在食品检人工味觉技术在食品检测中的应用测中的应用目前应用人工味觉系统可以很容易的区分几种饮料，比如咖啡，啤酒和离子饮料。使用人工味觉系统一大优点是不需要对食物进行任何预处理，把饮料倒入杯子里很快就可以测出味道。人工味觉技术在食品检测中的应用目前应用人工味觉系统可以很容易多通道人工味觉装置系统多通道人工味觉装置系统多通道人工味觉响应过程多通道人工味觉响应过程人工味觉测试2种酸和3种鲜味化合物人工味觉测试2种酸和3种鲜味化合物