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《吉林大学》 2004年
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智能仿生鼻及其应用研究

石志标  
【摘要】:目前,视觉、听觉和触觉的仿生研究己取得成功,但是,嗅觉仿生研究尚处 于探索阶段。人类不仅靠自身的嗅觉系统来分辨食品的好坏、新鲜程度,而且 早就利用某些动物灵敏的嗅觉来完成特种任务。尽管人们己拥有多种先进分析 仪器及检测手段来对农产品进行评价和测定,但众所周如,在目前的科技水平 下,嗅觉在许多场合具有的判定类别或评价品质的特殊功能是其他手段所无法 替代的。嗅觉对于各类气味的这种异乎寻常的敏感性引起了科研人员的极大兴 趣。随着生命科学和人工智能研究的深入,人们试图模仿动物及人类的嗅觉功 能,研制出基于生物嗅觉的智能仿生鼻是必然的。一方面仿生嗅觉具有广泛的 实际应用领域,另一方面,基于生物嗅觉机理的仿生鼻系统对于研究嗅觉原理、 验证嗅觉理论也有着重要的作用。 生物嗅觉的研究可充实嗅觉基础理论,使人们进一步认识嗅觉,为人工嗅觉 提供仿生理论基础,为人类鼻腔外科手术提供帮助;由于鼻腔结构较为复杂以及 嗅区的特殊生理位置,给直接进行嗅觉生理实验带来了很大困难,而通过建立嗅 觉模型,用计算机进行数值计算和仿真分析,却为嗅觉研究提供了一种行之有 效的方法。 我国是农业大国,农产品资源很丰富,是我国重要的外贸出口物资。农产 品的品质检测,是流通和加工过程中的一个重要环节,其检测水平不仅直接关 系到人民的健康,而且还是国际、国内农产品市场竞争的重要因素。另外,随 着人们消费观念的改变和消费水平的提高,对各种各样农产品的质量要求也越 来越高,客观上要求在农产品质量检测与分级上开发出新的检测技术。目前, 对农产品的色泽、表面缺陷等都有了成熟的检测技术,而唯有气味检测技术仍 不成熟。仿生鼻可实现对农产品定性、定量分析,将为我国农产品质量分级和 124 WP=132 吉林大学博士学位论文 出口提供先进的检测技术。因此,本论文选题不仅具有重要的理论意义,而且 具有工程实用价值,具有显著的经济和社会效益。 仿生鼻系统的发展与传感技术和数据处理方法的发展息息相关。传统传感 器技术和数据处理方法遇到的挑战,启发我们从仿生学的角度,开发与哺乳动 物嗅觉系统类似的人工嗅觉系统。一方面,现在的电子鼻只是简单的电子元器 件组装,没有从仿生的观点出发,特别是从生物嗅觉结构出发设计电子鼻,而 本文从生物嗅觉原理出发,研究的仿生鼻具有鼻腔中气体流量和气味分子浓度 可控制的特点。另一方面,现有嗅觉识别软件只是简单的算法,没有从嗅觉智 能出发设计软件,本文从嗅觉神经网络模型出发设计识别软件。总之,本文研 究的仿生鼻是一种从硬件到软件都模仿生物嗅觉系统的气味传感识别系统,在 功能上与人的嗅觉器官相仿。经过应用实践,本文研究的仿生鼻取得了较为满 意的结果。本文取得了如下研究成果和技术创新: 1. 通过嗅觉的生物学基础研究,提出了基于生物嗅觉的仿生鼻原理,即:嗅觉 细胞—传感器阵列;嗅球神经网络—数据预处理;大脑神经中枢—模式识别。 设计并制作了智能仿生鼻系统。 2. 建立了成年健康男性鼻腔的仿生模型和人体鼻道气味传输数学模型,采用 ANSYS 软件,数值模拟了鼻道结构对人体嗅觉影响,分析了影响人体嗅觉 的生理参数。数值模拟结果与文献发表的实验及理论相符合,并与人体的生 理现象相一致。数值模拟首次发现了吸气过程中气体的流场比呼气过程中气 体的流场紊乱,吸气过程鼻腔各处速度场变化梯度比呼气过程大;揭示出吸 气气流比呼气气流在鼻腔中停留的时间较长,使吸气气体在鼻腔得到较为充 分的滞留,在用力呼吸情况下,吸气费力而呼气省力。这个发现为设计仿生 鼻腔提供了理论基础,同时也证实了数值模拟方法在研究人类鼻腔和嗅觉机 理过程中的有效性。 3. 提出了仿生鼻系统嗅觉信息采集的一种新方法。根据生物嗅觉信息获取的原 理和数值模拟结果,构造了装有传感器阵列的仿生鼻流道和控制装置,实现 了在嗅觉区域主动控制气体流量和气味分子浓度,提高了嗅觉灵敏度。在对 气敏传感器研究比较的基础上,从生物嗅觉系统出发,采用 8 个金属氧化物 半导体气体传感器,设计了具有仿生意义的仿生鼻系统硬件,并建立了传感 125 WP=133 摘要 器阵列的数学模型;对常用的信号调节电路进行了比较讨论,采用分压式信 号调理电路,较简单地解决了嗅觉信号的转换问题。 4. 提出了仿生鼻系统混沌优化神经网络识别算法,加速了嗅觉训练速度。通过 对生物嗅觉神经网络模型和模式识别算法的深入研究,针对人工嗅觉系统目 前广泛采用的模式识别算法-人工神经网络 BP 算法存在的网络学习算法收 敛缓慢的难题,提出了更接近生物嗅觉的混沌优化神经网络算法,对 BP 反 向传播算法从两个方面进行了改进,既采用混沌算法优化神经网络初始参数 和采用混沌算法改进神经网络误差修正。对标准 BP 算法和动量 BP 算法以 及本文提出的混沌优化算法进行了仿真比较,验证了本文提出的混沌优化神 经网络算法的优越性。 5. 采用面向对象的程序设计
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TP241

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【引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 常志勇;陈东辉;佟月英;佟金;谢军;;基于人体嗅觉特征的猪肉新鲜度仿生电子鼻检测技术[J];吉林大学学报(工学版);2012年S1期
中国硕士学位论文全文数据库 前4条
1 王振军;基于S_nO_2气体传感器阵列电子鼻系统研究与设计[D];杭州电子科技大学;2010年
2 刘雪莹;基于神经网络的混合气体检测系统研究[D];中国科学技术大学;2011年
3 常志勇;仿生电子鼻设计及其在鸡肉品质检测中的应用[D];吉林大学;2008年
4 卜荣飞;基于多传感器融合的机器人嗅觉感知系统[D];河北工业大学;2007年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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2 张钦涛,王平;气体传感器在生物医学中的应用[J];传感技术学报;1999年02期
3 庞全,谭炜,杨翠容;采用MOS气敏阵列与B-P网络的气体分析方法研究[J];传感器技术;1997年01期
4 于梅芳,王士卿;气体传感器阵列[J];传感器技术;1995年02期
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10 杨燕明;杨芃原;王小如;蔡鹭欣;刘伽;;基于阵列声表面波传感器的电子鼻系统及应用初步[J];化学传感器;1997年04期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 史志存;电子鼻及其应用研究[D];中国科学院电子学研究所;2000年
2 曲建岭;人工嗅觉系统中的信息处理技术[D];西北工业大学;2000年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 胥媛;仿生“光学鼻”系统的研究[D];浙江大学;2001年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 邓建斌;叶洪江;;基于混沌遗传算法的配电网无功补偿优化[J];安徽电气工程职业技术学院学报;2006年03期
2 郭兴众;;二层多目标决策问题的等价变换及其全局优化[J];安徽工程科技学院学报(自然科学版);2007年01期
3 武永鑫;;基于气体传感器阵列的静态检测系统[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2010年03期
4 宋若会,高士俊,许春华,章冰;咽康宁蒸汽吸入加喉症泻火茶泡服治疗急性咽炎疗效观察[J];中医药临床杂志;2005年01期
5 周宿迪;郑日新;;紫正地黄汤加减治疗急性咽炎疗效观察[J];中医药临床杂志;2009年01期
6 王晓璐;刘海芳;王凡;;基于模糊专家系统的鱼疾病诊断方法[J];安徽农业科学;2008年09期
7 刘秋红;焦仁普;张钰;李娟;王哲;;基于产生式规则和归结原理的农业专家系统[J];安徽农业科学;2008年10期
8 林科;;电子舌研究进展及其在食品检测中的应用研究[J];安徽农业科学;2008年15期
9 王鲁峰;张韵;徐晓云;潘思轶;;食品风味物质分离分析技术进展[J];安徽农业科学;2009年02期
10 张钰;刘秋红;王哲;;AGA在植物病理专家系统中的应用研究[J];安徽农业科学;2009年24期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 刘羿彤;付梦印;高宏斌;;一种改进的PSO算法[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
2 洪露;穆志纯;;一种新的克隆混沌调节算法的研究[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
3 任明炜;孙玉坤;饶翔;;无源滤波器优化方法研究[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
4 杨阳;陈宗海;张海涛;;复杂系统仿真的前端智能化综述[A];'2003系统仿真技术及其应用学术交流会论文集[C];2003年
5 高倩;吴仁彪;刘家学;;一种基于自适应幂变换的HRRP-ATR方法[A];第十一届全国信号处理学术年会(CCSP-2003)论文集[C];2003年
6 杨歆;刘晓云;;一种基于单纯形法的混沌优化算法[A];中国自动化学会、中国仪器仪表学会2004年西南三省一市自动化与仪器仪表学术年会论文集[C];2004年
7 龚学全;康永;;葛根素配合天麻素注射液治疗美尼尔氏综合症疗效观察[A];甘肃省中医药学会2009年学术研讨会论文专辑[C];2009年
8 蒋充;王振雷;钱锋;;模糊规则优化方法综述[A];全国先进制造技术高层论坛暨制造业自动化、信息化技术研讨会论文集[C];2005年
9 韩文芳;;IPTV比数字电视更适应未来[A];2007中国科协年会——通信与信息发展高层论坛论文集[C];2007年
10 段勇;;喉癌手术发声障碍的心理护理[A];河南省健康教育新进展学术交流会暨高级研修班、河南省五官科学术交流暨急危重病人现代护理与发展趋势高级培训班、河南省老年病人安全护理学术交流会暨高级研修班论文集[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张杏莉;几何约束求解关键问题研究[D];山东科技大学;2010年
2 王杰;基于人工智能的乒乓球比赛技战术诊断与评估研究[D];上海体育学院;2010年
3 孙明;基于小波和迟滞的混沌神经网络及其应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 孙鹏飞;基于计算智能技术的蛋白质结构预测方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
5 冯麟涵;舰船系统抗冲击性能全局优化方法研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
6 张进;地震叠前数据的弹性阻抗非线性反演方法研究[D];中国海洋大学;2009年
7 谷风林;酪蛋白美拉德产物的制备、性质及在烟草中的应用研究[D];江南大学;2010年
8 秦霞;纳米材料的制备及其在电化学生物传感器中的应用[D];南开大学;2010年
9 孙萍;质量敏感型有毒有害气体传感器及阵列研究[D];电子科技大学;2010年
10 肖宏;基于电子舌技术的龙井茶滋味品质检测研究[D];浙江大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 蒲锰;非侵入式矿井提升机PLC电控系统实时故障诊断方法的研究[D];山东科技大学;2010年
2 李朋勇;基于全矢高阶谱的故障诊断方法及其应用研究[D];郑州大学;2010年
3 张晓冬;基于全矢谱的智能诊断技术研究[D];郑州大学;2010年
4 常春艳;矿山土地复垦方案论证管理系统研究[D];山东农业大学;2010年
5 王爽;基于混沌优化的PID控制器参数调整[D];大连理工大学;2010年
6 韦哲;基于上下文感知技术的WSN路由协议研究[D];大连理工大学;2010年
7 王峰;基于遗传算法的认知无线电决策引擎研究[D];大连理工大学;2010年
8 刘旭旺;全局优化理论几种算法的改进与研究[D];辽宁工程技术大学;2009年
9 陈润颖;基于不同行为决策的电力市场演化博弈及其混沌控制[D];长沙理工大学;2010年
10 徐银凤;基于改进PSO算法的变压器局部放电超声定位研究[D];长沙理工大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 杨建华,候宏,王磊,刘福;基于集成气敏传感器阵列的电子鼻系统环境响应特性分析[J];传感技术学报;2002年03期
2 孙广清,王磊;径向基函数网络预测混合气体浓度[J];传感技术学报;2004年02期
3 海铮;王俊;;电子鼻信号特征提取与传感器优化的研究[J];传感技术学报;2006年03期
4 庞全,谭炜,杨翠容;采用MOS气敏阵列与B-P网络的气体分析方法研究[J];传感器技术;1997年01期
5 李啸,闫卫平,郝应光;气体传感器阵列信号处理的混合神经网络[J];传感器技术;2000年04期
6 高大启,杨根兴;电子鼻技术新进展及其应用前景[J];传感器技术;2001年09期
7 邓俊泳,冯勇建,吴青海;微气体传感器阵列及神经网络的应用[J];传感器技术;2002年08期
8 田先亮,殷勇,刘红俊;人工嗅觉技术在酒类鉴别中的应用[J];传感器技术;2004年01期
9 高峰,董海鹰,胡彦奎;基于BP神经网络的传感器交叉敏感性抑制[J];传感器技术;2005年02期
10 张覃轶,谢长生,黄永彬;气体传感器阵列常用模式识别算法[J];传感器技术;2005年05期
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 史志存;电子鼻及其应用研究[D];中国科学院电子学研究所;2000年
2 曲建岭;人工嗅觉系统中的信息处理技术[D];西北工业大学;2000年
3 杨建华;新型气/液分析传感器关键技术研究[D];西北工业大学;2002年
中国硕士学位论文全文数据库 前5条
1 于鹏;人工嗅觉系统检测室内污染混合气体的研究[D];浙江大学;2003年
2 马学童;室内空气品质监控系统的开发与研制[D];西北工业大学;2002年
3 石春燕;基于人工神经网络的多气体分析系统研究与设计[D];吉林大学;2004年
4 郭冬敏;基于可视嗅觉的电子鼻技术研究与实现[D];西北工业大学;2006年
5 吴昌友;神经网络的研究及应用[D];东北农业大学;2007年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前2条
1 刘辉;牛智有;;电子鼻技术在鱼粉酸价检测中的应用[J];农机化研究;2011年01期
2 田晓静;王俊;;电子鼻技术在肉与肉制品检测中的应用进展[J];肉类研究;2012年06期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 许平;青藏铁路大风监测预警与行车指挥系统研究[D];中南大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 陈宣扬;可燃气体检测报警技术研究[D];浙江工业大学;2011年
2 严莉;基于多源信息融合的发动机故障诊断研究[D];中北大学;2010年
3 张馨木;质构仪测定冷鲜肉新鲜度方法的研究[D];吉林大学;2012年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 何秀丽,南金,戴国瑞;气体传感器阵列中微加热器的发展现状[J];半导体杂志;1998年04期
2 梁坚,辛德瑗,陆毅新,沈悦,胡真;电子鼻——智能气体传感器[J];传感技术学报;1995年02期
3 张钦涛,王平;气体传感器在生物医学中的应用[J];传感技术学报;1999年02期
4 娄向东,沈荷生,沈瑜生;ZnO系半导体陶瓷气敏传感器的进展[J];传感器技术;1991年03期
5 易惠中;气体传感器中的厚薄膜技术[J];传感器技术;1992年01期
6 秦树基;酞花菁气体传感器[J];传感器技术;1992年02期
7 卢崇考,关桂芳,周明军,孙晴;LB膜技术及其在传感器中的应用[J];传感器技术;1992年04期
8 何芸,梅涛,张华安;气敏元件特性自动测量系统[J];传感器技术;1994年03期
9 马玉林,马云辉,李永铜,张英奇,李慧敏;多传感器检测中的数据溶合技术[J];传感器技术;1994年04期
10 庞全,谭炜,杨翠容;采用MOS气敏阵列与B-P网络的气体分析方法研究[J];传感器技术;1997年01期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 孙安纳,蔡新霞,崔莉,海秀兰,胡升;卵磷脂类脂传感器[J];传感技术学报;1993年01期
2 郝为民;张明路;张小俊;;一种新的机器人仿生嗅觉系统设计[J];微计算机信息;2009年11期
3 钟亮;杨忠;樊琼剑;;一种仿生触须传感器的设计与分析[J];传感器与微系统;2009年05期
4 ;中国企业物流嗅觉迟钝[J];计算机周刊;2002年15期
5 王俊鸣;成功关键:细致耐心合作[J];发明与创新;2005年02期
6 江明辉;;敏锐的商业嗅觉[J];机电一体化;2008年05期
7 周振清 ,尚绍英;通过传感器实现判别嗅觉、味觉的机器[J];微电子学与计算机;1989年10期
8 孙昌安;;一种仿生手指优化机构的逼真效果[J];安徽工学院学报;1993年01期
9 ;科学家[J];自动化博览;2004年02期
10 吴亚莲;;嗅觉报警器[J];科学启蒙;2010年08期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 徐新生;孙发明;胡俊林;杨超;;超磁仿生鱼优化设计与控制[A];2008年全国生物流变学与生物力学学术会议论文摘要集[C];2008年
2 朱晶心;马彦龙;邵惠丽;胡学超;;仿生制备的再生丝素蛋白水溶液的干法纺丝初探[A];2009年全国高分子学术论文报告会论文摘要集(下册)[C];2009年
3 邓宝清;任露泉;陈庆海;徐百龙;刘燕;;仿生非光活塞缸套系统耐磨机理分析[A];中国农业机械学会成立40周年庆典暨2003年学术年会论文集[C];2003年
4 徐建平;竺磊泽;金桥;计剑;沈家骢;;磷酸胆碱改性碳纳米管溶解性和生物相容性的研究[A];2007年全国高分子学术论文报告会论文摘要集(上册)[C];2007年
5 陶敏;李建桥;刘庆怀;;基于遗传算法的非光滑仿生推土板优化[A];中国农业机械学会成立40周年庆典暨2003年学术年会论文集[C];2003年
6 王丽华;张信信;贠延滨;;新型仿生钠离子通道膜的制备[A];2009年全国高分子学术论文报告会论文摘要集(下册)[C];2009年
7 姚康德;尹玉姬;刘文广;;复合生物材料研究与开发进展[A];复合材料:生命、环境与高技术——第十二届全国复合材料学术会议论文集[C];2002年
8 杨卓娟;任露泉;韩志武;;仿生非光滑耐磨表面与激光毛化轧辊技术[A];中国农业机械学会成立40周年庆典暨2003年学术年会论文集[C];2003年
9 李建桥;李重涣;邱晓明;;仿生非光滑犁壁规范化设计研究[A];中国农业机械学会成立40周年庆典暨2003年学术年会论文集[C];2003年
10 周峻峰;王立;杨强;唐芊芊;何金峰;;经自组装制备仿生巨型囊泡[A];2007年全国高分子学术论文报告会论文摘要集(上册)[C];2007年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 张有浩;牵住顾客的鼻子[N];中国信息报;2000年
2 李德敏 韩玉芝 李晓 李梅心;气味研究的误区[N];中国医药报;2001年
3 刘晓东;“嗅觉污染”谁来管[N];江苏经济报;2006年
4 郑晓春;以科学家揭示嗅觉奥秘[N];科技日报;2008年
5 本报记者 谭娜;嗅觉相亲:婚姻的科学革命[N];北京科技报;2008年
6 沈英甲;嗅觉可测早老性痴呆症[N];中国中医药报;2006年
7 梓桦;嗅觉也有记忆功能[N];医药经济报;2002年
8 张淑芳;电游加入“嗅觉”,能闻到战争“味道”[N];新华每日电讯;2008年
9 张田勘;余志平;嗅觉机理研究获诺贝尔奖[N];中国医药报;2004年
10 特邀嘉宾 中国科学院心理研究所研究员 金锋 张建新 心理咨询师 张静;让芳香帮你放松心情[N];健康报;2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 石志标;智能仿生鼻及其应用研究[D];吉林大学;2004年
2 王立志;企业仿生的机理和表型研究[D];北京工业大学;2003年
3 袁鹏;仿生机器蟹步行机理分析及控制系统研究[D];哈尔滨工程大学;2003年
4 谢肇;仿生脉冲电磁场治疗绝经后骨质疏松症的实验研究[D];第三军医大学;2004年
5 成巍;仿生水下机器人仿真与控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2004年
6 袁志庆;超疏水表面的仿生构建[D];中南大学;2008年
7 王东;家蚕细胞色素P450和羧酸酯酶家族基因的鉴定与功能研究[D];苏州大学;2009年
8 张朝晖;新型印迹压电仿生传感器的研究[D];湖南大学;2005年
9 杨卓娟;凹坑形仿生非光滑轧辊耐磨性研究[D];吉林大学;2006年
10 陈莉;激光仿生非光滑表面热作模具的磨料磨损性能研究[D];吉林大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 胥媛;仿生“光学鼻”系统的研究[D];浙江大学;2001年
2 段可;钛表面仿生制备及调制磷灰石涂层研究[D];四川大学;2001年
3 于艳爽;八足仿生机器蟹运动协调与控制系统研究[D];哈尔滨工程大学;2004年
4 瞿晓荣;仿生机器蟹控制系统及驱动技术研究[D];哈尔滨工程大学;2003年
5 王炜;基于生物肌肉的仿生驱动装置研究[D];西北工业大学;2004年
6 吴水金;民俗文化中仿生现象的历史考察——以华南少数民族为典型[D];暨南大学;2003年
7 张毅;耕作机具部件仿生设计与研究[D];武汉理工大学;2002年
8 程霜梅;波纹形曲面仿生推土板表面数学建模及优化设计[D];吉林大学;2004年
9 陈伟东;细胞膜仿生纳米传递体系的研究[D];浙江大学;2005年
10 陈丽莉;注射器针头表面仿生非光滑形态减阻的试验研究[D];吉林大学;2006年
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