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骆德汉编著的《仿生嗅觉原理系统及应用》阐述的大部分内容来自于本团队近年来的研究课题：国家自然科学基金“基于仿生嗅觉的辛味中药材气味指纹图谱研究”、安徽省自然科学基金“纳米生物电子传感理论与技术的研究”、广东省自然科学基金“自然态计算机嗅觉／味觉信息获取与关联方法的研究”、“基于机器嗅觉／味觉的中药五味理论辛味研究”的研究成果；部分内容来自于本团队的公开发明专利：《基于导电聚合物的仿生嗅觉传感材料及其制备方法》、《基于仿生嗅觉的中药材气味鉴别方法及其装置》、《一种嵌入式仿生嗅觉的气味识别方法及装置》、《一种基于仿生嗅觉的辛味中药材气味指纹图谱构建系统》和计算机软件著作《仿生嗅觉气味分析识别软件》等成果。全书内容新颖、翔实、原创性强，处于当今国际该领域的研究前沿。
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| 內容簡介： |
《仿生嗅觉原理、系统及应用》从仿生嗅觉原理、系统构成及应用三个方面介绍仿生嗅觉的生理学基础和系统原理与技术，并结合作者的研究工作，详细叙述了几个典型的应用案例。
《仿生嗅觉原理、系统及应用》适合仿生嗅觉、生物医学工程、生物化学传感器、信息科学及人工智能等学科科研工作者阅读，也可供对仿生学和智能仪器系统等交叉学科感兴趣的大专院校师生学习参考。
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| 目錄：
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前言
第一章 概述
1.1 引言
1.2 仿生嗅觉的发展历程
1.3 仿生嗅觉的应用领域
1.4 仿生嗅觉的技术展望
1.4.1 传感器技术
1.4.2 嗅觉神经芯片
1.4.3 气味数字化、重现及网络化传输
第二章 仿生嗅觉原理
2.1 仿生嗅觉的生理学基础
2.1.1 人体嗅觉生理结构
2.1.2 嗅觉的形成过程
2.2 仿生嗅觉系统的结构、理论与技术
2.2.1 仿生嗅觉基本结构
2.2.2 仿生嗅觉理论基础
2.2.3 仿生嗅觉技术基础
第三章 仿生嗅觉传感
3.1 仿生嗅觉传感器
3.1.1 金属氧化物半导体传感器
3.1.2 导电聚合物传感器
3.1.3 质量型气敏传感器
3.1.4 化学电容型传感器
3.1.5 电位型气敏传感器
3.1.6 其他气敏传感器
3.2 仿生嗅觉传感器阵列
3.2.1 仿生嗅觉传感器的选型原则
3.2.2 传感器阵列构造的基本准则
3.2.3 阵列的响应模型
第四章 仿生嗅觉系统采样方法以及信号调理
4.1 气味的采样
4.1.1 顶空采样法
4.1.2 扩散采样法
4.1.3 渗透采样法
4.1.4 起泡式采样法
4.1.5 采样袋方法
4.2 气味的预浓缩处理
4.2.1 预浓缩装置
4.2.2 去湿处理
4.2.3 使用预浓缩管提高选择性
4.3 接口电路及信号处理
4.3.1 接口电路
4.3.2 信号放大电路
4.3.3 AD转换电路
4.4 信号预处理
4.4.1 基线处理
4.4.2 压缩处理
4.4.3 标准化处理
4.5 传感器漂移及补偿
4.5.1 漂移现象及漂移的物理原因
4.5.2 传感器漂移举例
4.5.3 模型构建策略
4.5.4 漂移补偿
第五章 仿生嗅觉系统气味信息统计学分析
5.1 气味信息的特征选择与提取
5.1.1 特征选择
5.1.2 特征提取
5.2 气味信息的预处理
5.3 主成分分析
5.4 独立成分分析
5.5 聚类分析
5.6 线性判别分析
5.6.1 Fisher鉴别准则
5.6.2 最大散度差鉴别准则
5.6.3 其他线性分析简述
5.7 支持向量机分析
5.7.1 原理及算法描述
5.7.2 核函数及模型选择
第六章 仿生嗅觉系统人工神经网络分析
6.1 神经网络模型
6.2 反向传播多层前馈神经网络
6.2.1 反向传播神经网络结构
6.2.2 BP学习算法
6.3 其他神经网络
6.3.1 遗传神经网络
6.3.2 径向基函数神经网络
6.3.3 概率神经网络PNN
6.3.4 竞争特征映射神经网络
第七章 常见商用仿生嗅觉系统
7.1 德国AIRSENSE公司PEN系列电子鼻
7.1.1 PEN3的系统构成及检测原理
7.1.2 科研组开发的分析与处理系统
7.2 Cyranose 320便携式电子鼻
7.2.1 Cyranose 320的简介
7.2.2 Cyranose 320的工作原理
7.3 法国Alpha MOS公司FOX系列电子鼻
第八章 仿生嗅觉系统的应用
8.1 在中药材识别中的应用
8.1.1 中药材种类识别
8.1.2 道地中药材鉴别
8.1.3 中成药百草油质量分析
8.2 在焙烤食品工业中的应用
8.2.1 焙烤食品气味的信息获取
8.2.2 广式焙烤食品的质量评判
8.3 在水产品中的应用
8.3.1 鱼类识别
8.3.2 鱼的新鲜度估计
8.4 在精细化工业中的应用
8.5 在卷烟行业中的应用
8.5.1 卷烟品牌识别
8.5.2 卷烟等级识别
参考文献
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| 內容試閱：
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第一章 概述
1.1 引言
人类通过视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉的感知不断地接受各种信息， 其中
嗅觉作为我们了解外界气味信息的有效途径， 与其他的感知途径同样重要， 并且
与之形成互补， 在很多场合发挥着不可替代的作用。
气味是物质的重要特征之一， 能代表物质的本质。物质所产生的气味就是对
外界传播其本质特征的信息。对于一般无机物和有机物来说， 气味代表着该种物
质的挥发特性。具有挥发性的物质， 其稳定性相对较低、活性较强。一种物质对
应一种气味， 没有气味完全相同的两种不同物质， 物质不变， 其气味一般不变，
一旦气味改变了， 物质一定发生了质的改变。因此， 物质的气味最能代表物质的
本质。没有绝对不挥发气味的物质。
气味感知是气味刺激生物嗅细胞而引起的感觉， 即嗅觉。当气体分子作用于
动物嗅觉细胞时， 产生神经冲动， 经嗅觉神经传导， 最后到达大脑皮层的嗅觉中
枢， 形成气味感知。无论是高级动物还是低级动物， 都会对周围环境的气味进行
感知并作出适当反应。但任何生物的嗅觉感知都有一定极限范围， 也就是说存在
一定的感知盲区， 即对气味种类和气味浓度的感知有一定的区域局限性。一般生
物嗅觉的感知范围与它的生存需要有关， 因此， 对人类生存和生产相关的各种气
味进行准确的感知（检测） 是必要的。
目前在气味定性、定量检测与分析过程中， 主要使用化学分析和物理仪器分
析两种方法。化学分析方法是利用化学物质自身的化学性质进行定性或定量分
析， 主要是基于人们对已知物质的化学性质的分析。这种方法通常可以进行物质
定性和定量分析。然而， 使用化学分析方法用于对气味质量分析效果却不佳。例
如， 酒的香气质量是多种致香成分的综合反映， 想要通过化学方法完全测出这些
成分不仅非常复杂， 还要花费很多时间和费用， 有些成分含量极低， 测试非常
困难。
气味的物理仪器分析方法是建立在物理基础之上， 主要是依据光波与物质气
味所存的关联特性而工作。目前物理仪器分析方法主要有红外光谱、紫外光谱、
质谱、原子吸收光谱、气相色谱、液相色谱等。使用物理仪器检测气味， 可以使
检测灵敏度提高、检测下限也大大降低， 从而提高了气味检测分析的范围和准确
度。但此类设备结构较复杂、操作烦琐， 经常需要对被测对象进行预处理， 导致
测试周期加长。
由于化学分析方法和物理仪器分析方法不能对一些复杂物质的气味进行检测
分析， 特别是对一些含有不同气味的痕量物质， 因此， 这两种方法目前还只能停
留在人的嗅觉直接品鉴中。例如， 酒类、香烟类、茶叶类等食品的质量主要是靠
人的嗅觉感官和味觉感官来进行评判的。感官评判带有很大的主观因素， 由于受
到经验、情绪等主观因素的影响， 感官评判结果随鉴别人员的不同而存在相当大
的个体差异， 即使是同一人员也会随其自身身体状态、情绪变化等而产生不同的
结果。另外， 人的感觉器官不能用于检测有毒气体， 也不能连续长期工作和远程
操作。因此感官评判存在主观性强、重复性差、耗时长和成本高等缺点。
鉴于化学分析方法和物理仪器分析方法及传统感官评定的不足， 人们期望能
有一种客观准确的嗅觉鉴别方法来代替目前的气味检测分析方法。于是仿生嗅觉
理论与技术在这种需求下被寄予期望和重视。
仿生嗅觉又称为机器嗅觉或人工嗅觉， 俗称电子鼻， 是模拟生物嗅觉的一种
仿生技术， 其工作原理是通过模拟生物嗅觉功能对被测气体进行感知、分析、识
别和判断， 从而实现人的嗅觉功能， 甚至能够扩展人的嗅觉功能。但长期以来，
由于人们对生物嗅觉基础知识了解甚少， 在多年的探索中也未能很好地理解嗅觉
机理的根本问题， 从而导致仿生嗅觉技术与应用远落后于当今的仿生视觉技术与
应用。
近年来， 随着微电子制造技术、传感器技术以及计算机技术快速发展， 仿生
嗅觉技术的研究取得了新的进展， 其成果也开始在相关领域获得初步应用。
1.2 仿生嗅觉的发展历程
人类思索气味的问题至少可以追溯到公元前4 世纪的古希腊时代。亚里士多
德认为， 气味是由物质发出的辐射， 被我们感觉到。比亚里士多德稍晚的另一位
希腊学者伊壁鸠鲁， 在德谟克利特的原子论的基础上解释了嗅觉： 不同形状的原
子让鼻子感觉到不同的气味。事实上， 人类对气味的追索在一定程度上改变了人
类的历史。
在过去的几十年中， 国际上有很多科学家一直活跃在这一领域， 包括Wil-
kens 、Dravnieks 、Tanyolac 、Herberhold 、Persaud 、Dodd 以及Abe 等， 他们
都曾经尝试设计和制造包含生物嗅觉系统概念的设备。1961 年， Moncrieff 制成
了一种机械式的气味检测装置， 它可以检测简单气体成分。1964 年， Wilkens 和
Hatman 研制出了世界上第一个仿生嗅觉系统， 其原理是利用气味在电极上的氧
化-还原反应来检测气味成分。1965 年， Buck 等利用气味调制电导和Dravieks
等利用气味调制接触电位方法， 分别研制了另外两种不同原理的仿生嗅觉装置。
1967 年， 日本Figaro 公司率先将SnO2 金属氧化物半导体气敏传感器商品化，
为现代仿生嗅觉发展奠定了信号传感检测基础。由于当时气敏传感器制造技术的
限制， 不能形成传感器阵列对气味进行检测， 使得仿生嗅觉技术研究徘徊了20
多年。
1982 年， 英国Warwick 大学的Persaud 和Dodd 模仿哺乳动物嗅觉系统的
结构和机理， 提出了阵列传感器技术和电子鼻的概念， 在这之后， 人工嗅觉系统
的研究出现了较快的发展。由于气味的特征与化合物的组合及浓度有着既复杂又
非线性的密切关系， 故采用阵列传感器系统来模拟表征人类嗅觉更为合理， 这一
概念的提出为仿生嗅觉奠定了可实现的技术基础。
1989 年， 北大西洋公约组织举办了一次关于化学传感器信息处理研讨会，
该会议对电子鼻做了如下定义： 电子鼻是由多个性能彼此重叠的气敏传感器和适
当的模式分类方法组成的具有识别单一和复杂气味能力的装置。随后， 于1990
年举行了第一届电子鼻国际学术会议， 并在1994 年诞生了第一台商业化的仿生
嗅觉仪器。目前具有代表性的仿生嗅觉仪器有： 法国Alpha-MOS 的桌面型FOX
系列、德国AIRSENSE 公司的PEN 系列和美国加利福尼亚Cyranosciences 公司
的Cyranose 等产品。
国内对于仿生嗅觉技术的关注始于20 世纪90 年代初期， 当时仅限于对国外
有关研究的报道、专业论文的翻译和嗅觉模拟技术的综述。目前， 研究较多的是
使用国外已有仿生嗅觉系统开展相关应用性研究， 而由于诸多条件限制， 开展仿
生嗅觉系统装置研究与开发的则较少。
1.3 仿生嗅觉的应用领域
仿生嗅觉作为一种新兴、实用和复杂的仿生技术， 在过去的几十年里一直是
国际研究的热点。随着人们对其技术研究的不断深入， 仿生嗅觉相关软硬件发展
迅速， 在此基础上， 对它的应用研究也已受到人们的重视， 不久的将来可望在以
下领域中获得推广应用。
在食品工业中， 烟酒产品的品质鉴别， 长期以来都是依靠专家的感官， 即嗅
觉和味觉来进行主观评定。然而， 专家评定方法往往受到人的生理、经验、情
绪、环境等主客观因素的影响， 难以得到科学、客观、准确的结论， 因此人们期
待一种更加准确、客观、快速的仿生评价方法和技术。
在精细化工行业中， 如在香精香料、化妆品生产中， 香气是评价其内在质量
的主要指标之一。传统方法是采用专家评定和化学分析相结合。这种评定方法存
在着很多弊端， 因为人的感官易疲劳， 并且还具有适应性和习惯性， 而化学分析
方法所需时间长， 并且得到的结果往往与人的感官感受又有差异。所以， 仿生嗅
觉技术可以在新产品开发和在线质量控制方面得到推广使用。
在中药材或者中草药的品质鉴别与分类中， 大多中医师将中药材的气味当做
产地、品种和质量鉴别的重要依据之一。药材的气味与所含成分、性质有关， 每
一种中药材都有其自身特殊的气味， 有的甚至还具有很浓的刺激味。如鱼腥草具
鱼腥气， 白鲜皮具羊膻气， 香加皮虽然与地骨皮形态相似， 但香加皮具有浓厚的
香气可与地骨皮区别。传统上使用眼看、手摸、鼻闻、口尝、水试、火试等简易
的方法， 通过观察中药材的形状、大小、气味、质地、颜色变化等来判断中药材
的真伪优劣。然而， 基于人体感官的经验鉴别法存在着不可避免的缺点， 使得对
中药材评判重复性差， 准确度低， 难以形成标准。如果运用仿生嗅觉技术获取中
药材或者中草药的气味信息后， 经过模式识别技术处理就可避免上述缺点， 可以
达到客观、快速、准确地对中药材或中草药进行真伪识别和品质评定的目的。
在医疗诊断中， 传统方法之一是从人体中抽取出一些液体进行化验分析， 其
操作比较费时。有研究表明： 患有疾病的人呼出的气体中会出现某些特定成分，
如肝硬化患者的呼气中会出现脂肪酸， 肾衰竭者的呼气中有三甲氨， 肝癌患者的
呼气中会存在烷类和苯的衍生物等。如果用仿生嗅觉技术直接检测患者呼出的气
体并进行分析， 就能简单快捷地对疾病进行诊断和医治。
在海关检查中， 工作人员都会使用警犬的嗅觉来检查乘客行李中是否有危险
品（如炸药） 和违禁品（如毒品） 等， 但是训练和饲养警犬需要花费大量的资金
和人力， 并且警犬的嗅觉受它本身的情绪影响。如果采用仿生嗅觉技术并结合仿
生视觉技术就能够更加精确和客观地得到检查结果。据报道， 国外已有一种准确
的仿生嗅觉系统， 其功能超过了猎犬和警犬本领， 能分辨出多种不同气味， 可以
很好地帮助警方搜捕罪犯和搜查毒品。
人类对外太空的探索是一个意义深远的课题。令人兴奋的是， 仿生嗅觉系统
也可以在寻找太空生命中发挥其作用。近些年来， 在火星生命探索中， 科学家们
为了揭开火星上是否存在水和生命的秘密， 先后在火星探测器上装有先进的精密
气味检测装置， 科学家们希望能闻到甲烷的气味， 真正找到火星上有生命存在的
直接证据。
在人们的日常生活中， 周围环境总是会存在一些有害的气体， 如H2 S 、
SO2 、CO 、NO 和一些易挥发性物质， 如苯、甲醛等。这些气体对人体的健康有
着一定的影响， 并存在着事故隐患， 人们期待着能有一种像如今广泛应用的仿生
视觉监控技术的仿生嗅觉监控技术来有效地监测我们周围环境的有害、有毒气
体， 并把它们控制在适度的范围之内， 以此来保护我们正常的日常生活， 保障人
们的生命和财产安全。
综上所述， 仿生嗅觉技术应用研究正在不断深入发展， 并在以下行业（如
表1.1 所示） 具有广阔的应用前景。
1.4 仿生嗅觉的技术展望
仿生嗅觉技术包括仿生嗅觉系统硬件技术、软件技术及仿生嗅觉系统应用技
术三个方面， 其中系统硬件技术以气体传感器阵列和嵌入式CPU 为核心， 加上
进气装置和加热控制模块等构成； 软件技术是基于嵌入式操作系统和智能信息处
理算法， 研究开发系统控制程序和气味信息分析识别程序； 应用技术是基于系统
硬件和软件环境， 研究拓展仿生嗅觉系统应用领域范围和提高仿生嗅觉系统应用
的可靠性、准确性和实用性。随着仿生嗅觉技术不断发展和人们对嗅觉工作过
程的深入了解， 仿生嗅觉系统的功能必将日益增强， 在越来越多的场合取代人
鼻的作用， 甚至将大范围超越和延伸人类嗅觉功能， 其体积也会越做越小， 将
会从台式发展到便携式， 再发展为微型式， 其成本也会大幅度降低。可以预
见， 未来的仿生嗅觉技术将朝着强化技术、提高性能、降低成本、拓展应用等
方向发展。
1.4.1 传感器技术
嗅觉传感器是仿生嗅觉硬件技术发展的瓶颈问题， 它是制约仿生嗅觉技术快
速发展的主要因素， 也是全世界科学家专注研究的重点领域。
嗅觉传感器与一般气体传感器不同， 它是由多个具有交叉灵敏度气体传感器
组成的阵列式传感器。如果要提高仿生嗅觉系统的功能和扩宽其应用范围， 必须
首先提高阵列传感器性能和特性， 并减小其体积。因此， 研究新型传感器敏感材
料， 灵活运用微机械加工技术、敏感薄膜形成技术、微电子集成技术等现代制造
技术是嗅觉传感器发展的方向之一。
1.新材料研究
目前金属氧化物半导体材料ZnO 、SnO2 、Fe2 O3 等用于气体感器已有较成
熟的理论支撑， 特别是在CH4 、C2 H5 OH 、CO 等单成分气体检测方面， 基于这
些材料制成的传感器具有较好的灵敏度和稳定性。然而， 在嗅觉传感器材料研究
方面， 目前相关理论还不够完善， 还不具有成熟理论能指导嗅觉传感器的生产和
制造。目前这方面的工作只能以实验和实践为主导， 朝着以下两个方向发展： 一
是利用化学修饰改性方法， 对现有气体敏感膜材料进行掺杂、表面修饰和改性等
处理， 并对成膜工艺进行改进和优化， 提高材料的稳定性、重复性和交叉灵敏
度； 二是研发新的气体敏感膜材料， 如复合型和混合型半导体气敏材料、高分子
气敏材料， 使得这些新材料对不同气体具有高灵敏度和高稳定性。由于有机高分
子敏感材料具有成本低、制膜工艺简单、易于与其他技术兼容、能在常温下工作
等优点， 也是嗅觉传感器材料的研究热点。
2.传感器阵列微型化
仿生嗅觉系统是由传感器阵列获取气体信息的。传感器阵列是将不同气敏传
感元件集成阵列式， 利用各种敏感元件对不同气体的交叉敏感效应， 对混合气体
的各种成分同时检测， 从而得到混合气体的组成信息， 所以传感器的广谱特性是
最重要的参数之一。具有广谱特性的气敏传感器具有对多种气体同时产生响应的
特点， 并且不同成分的响应强弱不同， 例如： 第一种气体可能会对某一个传感器
产生较高的响应， 但却对另一个传感器不太敏感； 第二种气体可能会对其他的传
感器产生较高的响应。单个气敏传感器对不同气体的广谱特性响应模式是不同
的， 但传感器阵列对单一气体或多成分气体的广谱特性响应模式是确定的、唯一
的， 这一点非常重要， 它是仿生嗅觉系统气味信息获取的重要基础。
目前仿生嗅觉系统传感器阵列所采用的敏感材料主要是金属氧化物半导体和
导电聚合物， 配置的阵列单元数量从几个到几十个不等。从仿生角度考虑， 现有
的这些嗅觉传感器阵列的嗅觉单元数远少于人类鼻腔所拥有的嗅觉细胞数， 其体
积也大于鼻腔嗅上皮， 因此， 目前常见的这几种嗅觉传感器阵列还不是真正意义
上的仿生嗅觉传感器。但可以相信， 随着各种新材料、新原理和新技术的不断发
展以及微机械电子加工技术的应用， 嗅觉传感器阵列微型化将成为可能， 在不久
的将来， 一种“嗅觉单元数” 足够多、体积足够小、性能足够稳定的微型化集成
嗅觉传感器阵列必将被研制和应用。
1.4.2 嗅觉神经芯片
近年来， 生物传感器得到了迅速发展， 突破了原来以酶电极为代表的传统生
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