第二章 仿生嗅觉原理.ppt

　　第二章 仿生嗅觉原理

　　动物的嗅觉是凭借鼻腔嗅出不同的气味，并做出相应 的生理反应。 人体对气体的嗅感来自鼻腔内的嗅觉受体细胞(Olfactoryreceptors，ORS)，每个嗅觉受体可以探测到数量有限的气体物质。 嗅觉受体细胞位于鼻腔内壁嗅觉上皮，虽然嗅觉上皮内只含有限数量的嗅觉受体细胞，但它却能辨别出数以千计以上的不同气味。

　　仿生嗅觉是利用气敏传感器模拟人体嗅觉受体细胞，组成一定规模的传感器阵列对不同的气体进行感知 每一个气敏传感器具有一定的交叉灵敏度，能检测到一定数量的不同气体，并将所检测的信息交给计算机处理和识别。

　　2.1 仿生嗅觉的生理学基础

　　一、人体嗅觉生理结构 1、人体嗅觉系统生理结构

　　2.1 仿生嗅觉的生理学基础

　　一、人体嗅觉生理结构 1、人体嗅觉系统生理结构

　　(1) 嗅上皮(olfactory epithelium) ● 感知气味的皮质组织，也称为初级神经元， 其生理结构如图所示。

　　2.1 仿生嗅觉的生理学基础

　　一、人体嗅觉生理结构

　　(1) 嗅上皮(olfactory epithelium) 由三种细胞组成： (I) 双极性嗅觉神经元(也称为受体细胞)， 一端是树枝状 的纤毛，伸入到上皮组织上的一层10-100微米厚的粘液 层中以捕获气味分子，另一端是轴突，连接嗅觉球; (II)支撑细胞(也称为支柱细胞，是一种神经胶质细胞)， 其面向粘液层的一端充满了微小的绒毛;

　　2.1 仿生嗅觉的生理学基础

　　一、人体嗅觉生理结构

　　(1) 嗅上皮(olfactory epithelium) (III) 基础细胞(如干细胞)，能够生成新的嗅觉受体细胞。 受体细胞是嗅觉上皮组织中最重要的细胞，它直接 感受气味分子，是嗅觉系统接受和处理气味信息的 第一阶段。

　　2.1 仿生嗅觉的生理学基础

　　一、人体嗅觉生理结构

　　(1) 嗅上皮(olfactory epithelium) 嗅觉上皮组织是鼻腔中的一个很薄的组织，在老鼠和狗 中，它的颜色为淡黄色，很容易被辨别。 人体的嗅觉上皮组织是略带桃色的色彩，同鼻腔的呼吸上皮细胞混和在一起，所以难以看到这两个小片组织(大约2平方英寸或者6.5平方厘米)

　　2.1 仿生嗅觉的生理学基础

　　一、人体嗅觉生理结构

　　(2) 嗅觉球 　　 嗅觉球是人体嗅觉系统第二组成部分 嗅上皮组织的嗅觉神经元(嗅觉受体细胞) 的轴突聚集在一起，并且通过在筛骨(ethmoid bone)中的小孔到达嗅觉球。

　　2.1 仿生嗅觉的生理学基础

　　一、人体嗅觉生理结构

　　(2) 嗅觉球 　　 (I ) 二级嗅觉神经元 嗅觉球内部有大量复杂的球状神经原形质(称为嗅小球，glomeruli)形成二级嗅觉神经元

　　2.1 仿生嗅觉的生理学基础

　　一、人体嗅觉生理结构

　　(2) 嗅觉球 　　 (II)轴突和僧帽细胞 在二级嗅觉神经元中，嗅觉神经纤维链接双极细胞的轴突，嗅小球的神经纤维网链接嗅觉感受神经元的轴突和僧帽细胞的突触。 表达同一类气体的嗅觉感受神经元的信号聚合在嗅觉球内相应的一个嗅小球上。

　　2.1 仿生嗅觉的生理学基础

　　一、人体嗅觉生理结构

　　(2) 嗅觉球 　　 (III)研究表明 (A) 嗅上皮所有嗅觉感受神经元轴突 分别聚集到数个嗅小球上，而每 个嗅小球只接受某一种类型的嗅 觉受体的输入。

　　2.1 仿生嗅觉的生理学基础

　　一、人体嗅觉生理结构

　　(2) 嗅觉球 　　 (III)研究表明 (B) 嗅觉球中的局部神经元回路(内 、外侧神经丝状层)对经过嗅小球 筛选抑制(lateral inhibition)后 的气体嗅觉信号进行第一级处理

　　2.1 仿生嗅觉的生理学基础

　　一、人体嗅觉生理结构

　　(2) 嗅觉球 　　 (III)研究表明 (C) 僧帽细胞的分子接纳的信号范围 就比嗅觉感受神经元感受的信号要 少得多。因为单个嗅觉感受神经元 (受体细胞)能够对多种气体作出 响应，其输出的部分信号被嗅小球 抑制过滤。

　　2.1 仿生嗅觉的生理学基础

　　一、人体嗅觉生理结构

　　(3)大脑皮质

　　嗅觉球的信息由嗅觉管道传送到嗅前核、嗅结节、前梨状皮质和扁桃体，最后传到处理嗅觉信号的大脑中央。

　　大脑皮质是人体嗅觉系统第三组成部分

　　2.1 仿生嗅觉的生理学基础

　　一、人体嗅觉生理结构

　　大脑皮质

　　2.1 仿生嗅觉的生理学基础

　　二、嗅觉的形成过程

　　▲ 嗅觉是嗅觉系统对某种气体或挥发性物 质分子产生的一种生理反应 ▲ 嗅觉受体细胞气味物质作用后产生相应 信号，经嗅觉球处理后再通过嗅觉管道 传送给大脑皮层，由大脑对嗅觉信号进 行分析和判断

　　2.1 仿生嗅觉的生理学基础

　　二、嗅觉的形成过程

　　▲ 某一种嗅觉神经元(受体细胞)只对某些气体很敏感而不 是对所有气体都敏感。 ▲ 大多数气体是由多种气体分子构成的，多种气体分子可以 同时激活多种嗅觉神经元，这就可形成组合编码的“气体 模式”，这种模式就是气体辨别的基本特征。 ▲ 各种嗅觉神经元(受体细胞)对气体的感受特征与其所在 嗅上皮区域相关。

　　2.1 仿生嗅觉的生理学基础

　　二、嗅觉的形成过程

　　1、嗅觉系统在工作时，嗅觉受体细胞信号传送 给嗅小球，传送时服从两个基本原则 ▲ “区对区传送”原则 ▲ “嗅小球汇聚”原则。

　　2.1 仿生嗅觉的生理学基础

　　二、嗅觉的形成过程

　　▲ “区对区传送”原则 在嗅上皮特定区域的嗅觉受体细胞 信号必须传输给嗅觉球内相对应 的嗅小球

　　2.1 仿生嗅觉的生理学基础

　　二、嗅觉的形成过程

　　▲ “嗅小球汇聚”原则 具有相同特征的嗅觉受体细胞的轴 突汇聚于相应的嗅小球中; 嗅小球随后又会激活僧帽细胞; 每个嗅小球只激活一个僧帽细胞;

　　2.1 仿生嗅觉的生理学基础

　　二、嗅觉的形成过程

　　来自不同的嗅觉受体细胞信息组合成与特定气体相对应的模式，大脑最终有意识地感知到特定的气体。

　　▲ 大脑感知

　　2.2 仿生嗅觉系统的结构、理论与技术

　　一、仿生嗅觉基本结构

　　1. 生物嗅觉系统的电性分析

　　生物电子学分析，气味作用嗅上皮时，在嗅细胞的胞体膜上产生极化型的感受电位，并在轴突膜上引起不同频率电位输出，通过嗅觉球传入大脑中枢神经

　　2.2 仿生嗅觉系统的结构、理论与技术

　　一、仿生嗅觉基本结构

　　2. 仿生学分析

　　(1) 嗅上皮组织，由它构成初级嗅觉神经元(嗅觉受体细胞)，其功能是感受 外界气体分子信息并产生相应频率的电信号，它对气体分子的作用具有很高的灵 敏度和交叉灵敏度;

　　(2)嗅觉球，由多个嗅小球和僧帽细胞及软状细胞构成二级嗅觉神经元，其功能是对 初级神经元敏感的电信号信息进行调节、过滤、放大等处理，并形成相与气体模式 对应的电位模式;

　　2.2 仿生嗅觉系统的结构、理论与技术

　　一、仿生嗅觉基本结构

　　2. 仿生学分析

　　(3)大脑皮层，接收来自二级嗅觉神经元的信息电位模式信号，并将电位 模式信号进行关联和存储，最终形成脑电信号而完成气体特征的分析 、识别与判断。

　　2.2 仿生嗅觉系统的结构、理论与技术

　　3、仿生嗅觉系统的硬件构造

　　▲ 气敏传感器阵列、 ▲ 信号处理电路、 ▲ 模式识别系统

　　仿生嗅觉系统原理是模仿人体嗅觉机理工作，

　　硬件结构分为三个层次

　　2.2 仿生嗅觉系统的结构、理论与技术

　　(1)气敏传感器阵列 相当于生物嗅觉系统中的嗅觉受体细胞(初级嗅觉神经 元)，它对被测气体进行吸附和解吸附，并将其转化为 电信号;

　　3、仿生嗅觉系统的硬件构造

　　2.2 仿生嗅觉系统的结构、理论与技术

　　(2)信号处理电路 相当于嗅觉球(二级嗅觉神经元)信号传递系统，对气体 传感器阵列产生的信号进行放大、滤波、A/D转换及传输

　　3、仿生嗅觉系统的硬件构造

　　2.2 仿生嗅觉系统的结构、理论与技术

　　(3)模式识别系统 相当于大脑皮层，对预处理信号进行特征提取和模式 分析，并给出气体的识别和判断。

　　3、仿生嗅觉系统的硬件构造

　　2.2 仿生嗅觉系统的结构、理论与技术

　　4、人体嗅觉和仿生嗅觉结构对比

　　2.2 仿生嗅觉系统的结构、理论与技术

　　4、人体嗅觉和仿生嗅觉结构对比

　　2.2 仿生嗅觉系统的结构、理论与技术

　　4、人体嗅觉和仿生嗅觉结构对比

　　2.2 仿生嗅觉系统的结构、理论与技术

　　5、仿生嗅觉结构

　　2.2 仿生嗅觉系统的结构、理论与技术

　　二、仿生嗅觉理论基础

　　(Gp:) …

　　(Gp:) 气敏传感器N

　　(Gp:) 气敏传感器1

　　(Gp:) 气敏传感器2

　　(Gp:) 传感预处理单元

　　(Gp:) 待识别气体

　　(Gp:) 训练

　　(Gp:) 阵列信号处理

　　(Gp:) 模 式 识 别

　　(Gp:) 知识库

　　(Gp:) 测试

　　(Gp:) …

　　(Gp:) 传感器阵列

　　(Gp:) 信号预处理

　　(Gp:) 模式识别

　　仿生嗅觉系统工作原理

　　2.2 仿生嗅觉系统的结构、理论与技术

　　二、仿生嗅觉理论基础

　　(Gp:) …

　　(Gp:) 气敏传感器N

　　(Gp:) 气敏传感器1

　　(Gp:) 气敏传感器2

　　(Gp:) 传感预处理单元

　　(Gp:) 待识别气体

　　(Gp:) 训练

　　(Gp:) 阵列信号处理

　　(Gp:) 模 式 识 别

　　(Gp:) 知识库

　　(Gp:) 测试

　　(Gp:) …

　　(Gp:) 传感器阵列

　　(Gp:) 信号预处理

　　(Gp:) 模式识别

　　仿生嗅觉系统工作原理

　　1、当待测气体呈现仿生嗅觉系统中时 系统中的传感器阵列将气体输入信息 转换成电信号，并形成该气体的响应谱

　　2、气体中的各种化学成都将与传感器阵列中的每个传感器发生作用，所以这种响应谱为该 气体的广域响应谱

　　2.2 仿生嗅觉系统的结构、理论与技术

　　二、仿生嗅觉理论基础

　　(Gp:) …

　　(Gp:) 气敏传感器N

　　(Gp:) 气敏传感器1

　　(Gp:) 气敏传感器2

　　(Gp:) 传感预处理单元

　　(Gp:) 待识别气体

　　(Gp:) 训练

　　(Gp:) 阵列信号处理

　　(Gp:) 模 式 识 别

　　(Gp:) 知识库

　　(Gp:) 测试

　　(Gp:) …

　　(Gp:) 传感器阵列

　　(Gp:) 信号预处理

　　(Gp:) 模式识别

　　仿生嗅觉系统工作原理

　　3、仿生嗅觉系统必须对传感器阵列响应的 气体广域谱进行适当的预处理 (消除噪 声、特征提取、信号放大等)后。

　　4、分析理论主要概括为信号预处理理论和气体分析识别理论。

　　2.2 仿生嗅觉系统的结构、理论与技术

　　二、仿生嗅觉理论基础

　　(Gp:) …

　　(Gp:) 气敏传感器N

　　(Gp:) 气敏传感器1

　　(Gp:) 气敏传感器2

　　(Gp:) 传感预处理单元

　　(Gp:) 待识别气体

　　(Gp:) 训练

　　(Gp:) 阵列信号处理

　　(Gp:) 模 式 识 别

　　(Gp:) 知识库

　　(Gp:) 测试

　　(Gp:) …

　　(Gp:) 传感器阵列

　　(Gp:) 信号预处理

　　(Gp:) 模式识别

　　仿生嗅觉系统工作原理

　　5、预处理理论 仿真人体嗅觉系统的二级嗅觉神经元， 它对传感器阵列响应的信号进行滤波、 转换及特征提取等。

　　目前常用的预处理方法：差分法、相对差分法、对数法、传感器归一化法(Sensotwhole)和阵列归一化法(Array whole)等。

　　2.2 仿生嗅觉系统的结构、理论与技术

　　二、仿生嗅觉理论基础

　　(Gp:) …

　　(Gp:) 气敏传感器N

　　(Gp:) 气敏传感器1

　　(Gp:) 气敏传感器2

　　(Gp:) 传感预处理单元

　　(Gp:) 待识别气体

　　(Gp:) 训练

　　(Gp:) 阵列信号处理

　　(Gp:) 模 式 识 别

　　(Gp:) 知识库

　　(Gp:) 测试

　　(Gp:) …

　　(Gp:) 传感器阵列

　　(Gp:) 信号预处理

　　(Gp:) 模式识别

　　仿生嗅觉系统工作原理

　　6、分析识别理论 仿真人的大脑功能，对已进行预处理 的传感器阵列响应信号再进行适当的 处理，以获得单一气体或混合气体的 组分和模式分类，进而完成对气体的 定性或定量分析。

　　定性分析：主要是指对所测量气体的种类做出正确评价

　　定量分析：对所测量气体的含量及成分进行评价

　　定量分析难度远远大于定性识别

　　2.2 仿生嗅觉系统的结构、理论与技术

　　二、仿生嗅觉理论基础

　　(Gp:) …

　　(Gp:) 气敏传感器N

　　(Gp:) 气敏传感器1

　　(Gp:) 气敏传感器2

　　(Gp:) 传感预处理单元

　　(Gp:) 待识别气体

　　(Gp:) 训练

　　(Gp:) 阵列信号处理

　　(Gp:) 模 式 识 别

　　(Gp:) 知识库

　　(Gp:) 测试

　　(Gp:) …

　　(Gp:) 传感器阵列

　　(Gp:) 信号预处理

　　(Gp:) 模式识别

　　仿生嗅觉系统工作原理

　　7、常用分析识别理论 采用模式识别理论和方法，主要是用 于对气体的定性分析和识别。

　　最近邻邻居法(NN)、判别式函数分析法(DFA)、主成分分析法(PCA)、聚类分析(CA)、人工神经网络(ANN)法、概率神经网络(PNN)、学习向量量化(LVQ)、自组织映射(SOM)、统计模式识别法(SPR)和遗传算法(GA)等

　　2.2 仿生嗅觉系统的结构、理论与技术

　　三、仿生嗅觉技术基础

　　仿生嗅觉系统硬件技术路线

　　待测气体由气泵的作用而通过进化装置，并在嵌入式处理器控制下被选通进入密闭气室，然后由气泵将气体排出

　　2.2 仿生嗅觉系统的结构、理论与技术

　　三、仿生嗅觉技术基础

　　(1)进气装置将被测的气体引入传感 器阵列的气室中

　　1. 进气装置及密闭气室技术

　　(2)需要解决气体净化及进气流量控制 的技术问题。

　　2.2 仿生嗅觉系统的结构、理论与技术

　　三、仿生嗅觉技术基础

　　(3)密闭气室

　　1. 进气装置及密闭气室技术

　　(A)每个传感器需要在气室中与被测气体 进行均匀接触和响应。

　　(B)密闭气室越小越好

　　快速响应

　　微量气体

　　充分反应

　　传感器阵列以及加热模块

　　2.2 仿生嗅觉系统的结构、理论与技术

　　三、仿生嗅觉技术基础

　　(A)利用阵列传感器的交叉敏感特性， 提供气体模式信息供系统分析和识别

　　2. 传感器阵列技术

　　(B) 常用阵列传感器 金属氧化物传感器(MOS) 导电聚合物气敏传感器(CP) 石英晶体微天平传感器(QCM) 声表面波传感器(SAW)

　　2.2 仿生嗅觉系统的结构、理论与技术

　　三、仿生嗅觉技术基础

　　(C)传感器的加工技术

　　2. 传感器阵列技术

　　微电子机械技术是通过微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件

　　体微机械技术、 表面微机械技术 X射线深层光刻电铸成型(LIGA)技术

　　2.2 仿生嗅觉系统的结构、理论与技术

　　三、仿生嗅觉技术基础

　　(D)传感器特性

　　2. 传感器阵列技术

　　传感器主敏感度 传感器交叉敏感度 选择性 稳定性

　　2.2 仿生嗅觉系统的结构、理论与技术

　　三、仿生嗅觉技术基础

　　(1)信号调理 通过硬件对传感器阵列输出的信号进 行处理消除噪声，放大有用信号，提 高信噪比、重复性及稳定性

　　4. 信号调理与嵌入式技术

　　2.2 仿生嗅觉系统的结构、理论与技术

　　三、仿生嗅觉技术基础

　　(2)嵌入式技术 嵌入式处理器构成的信号采集、控制 与处理软硬件技术。

　　4. 信号调理与嵌入式技术

　　(A)硬件上以嵌入式处理器为核心，配置相应的信 号采集电路、人机接口电路和通信接口电路以 及进气、排气、加热等控制电路;

　　2.2 仿生嗅觉系统的结构、理论与技术

　　三、仿生嗅觉技术基础

　　4. 信号调理与嵌入式技术

　　(B)软件上引入嵌入式操作系统，编制数 字信号处理程序和气体分析识别应用 软件，实现对被测气体有效分析和判 别。