CN104089987A - 便携式冷冻牛肉品质检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式冷冻牛肉品质检测装置及检测方法，包括壳体、设于壳体上的检测探头，检测探头与微型气泵相连接；所述壳体内设有气室、运算放大器、数据采集卡、存储器和微处理器，壳体上表面上部设有触摸屏，壳体上表面下部设有若干个控制按钮；运算放大器的输出端与数据采集卡电连接，所述微处理器分别与数据采集卡、触摸屏、存储器、气泵和各个控制按钮电连接；所述检测探头一端与气室相连接；所述气室内设有若干个气体敏感膜，各个气体敏感膜分别与运算放大器的输入端电连接。本发明具有经济性好、体积小、检测简单、快速；适合家庭使用，可为提高家用食材的安全性提供可靠保证的特点。

Description

便携式冷冻牛肉品质检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及食品品质检测技术领域，尤其是涉及一种可准确检测冷冻牛肉是否腐败的便携式冷冻牛肉品质检测装置及检测方法。

背景技术

牛肉具有营养丰富且口感好的特点，深受广大消费者的喜爱。

但是，在牛肉的冷冻储存过程中，随着储存时间的增长，牛肉容易受到污染而变质。蛋白质、脂肪以及碳水化合物等丰富的营养成分被细菌和酶利用，产生氨、硫化氨、醛酸、醛、酮、乙基硫醇、醇以及羧酸的酸性气体。代谢产物中的醛、酮、酯和其它低分子化合物使牛肉产生异味。

人们通常通过感官对食品的品质进行判断，而这种判断常常带有很强的主观性，评价分析结果往往会随着年龄、经验的不同，存在较大差异。即便同一个人也会由于身体状况、情绪变化而得出不同结果。况且嗅觉鉴别是一个挥发物质吸入过程，长期实验会对人体的健康造成危害，而且某些不良气味会令品评人员特别敏感而使结果有误；另外，感官评价过程中往往需要大量有品评经验的人员组成品评小组，过程较为繁琐，评价结果往往不具有重复性。

而牛肉是一种食品原料，目前，尚无有效的方法对冷冻牛肉的品质进行检测。

中国专利授权公告号：CN101769889A，授权公告日2010年7月7日，公开了一种农产品品质检测的电子鼻系统，包括一主要完成对低浓度气味收集的气体富集模块，一主要把气味信号转化为电信号的气室气路模块及传感器阵列，一主要对传感器阵列输出信号进行滤波、模数转换、特征提取的传感器调理电路与数据预处理模块，一对信号进行识别和判断、且带有数据存储的嵌入式系统，一显示与结果输出模块；所述的气体富集模块由装填有吸附剂的吸附管、电热丝和温控装置构成。该发明具有功能单一，检测时间长，不适合家用的不足。

发明内容

本发明的发明目的是为了克服现有技术中的检测装置的价格昂贵、体积大的不足，提供了一种可准确检测冷冻牛肉是否腐败的便携式冷冻牛肉品质检测装置及检测方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种便携式冷冻牛肉品质检测装置，包括壳体、设于壳体上的检测探头，检测探头与微型气泵相连接；所述壳体内设有气室、运算放大器、数据采集卡、存储器和微处理器，壳体上表面上部设有触摸屏，壳体上表面下部设有若干个控制按钮；运算放大器的输出端与数据采集卡电连接，所述微处理器分别与数据采集卡、触摸屏、存储器、气泵和各个控制按钮电连接；所述检测探头一端与气室相连接，检测探头另一端上设有进气口，进气口上设有过滤网，过滤网内侧的进气口内设有海绵垫；所述气室内设有若干个气体敏感膜，各个气体敏感膜分别与运算放大器的输入端电连接。

测量过程中，检测者一只手握住检测探头，将进气口靠近被检测牛肉，另外一只手在控制按钮上进行选择操作，检测装置开始测量。微处理器对检测的数据进行计算和分析，当判断得出牛肉已经腐败，则微处理器控制触摸屏显示该种肉类腐败的报警信息。

本发明的冷冻牛肉品质检测装置经济性好、体积小、便于携带、检测简单、快速、适合家庭使用，可为提高食品材料的安全性提供可靠保证。

作为优选，所述气体敏感膜为8个，分别为用于检测硫化物的第一气体敏感膜，用于检测氢气的第二气体敏感膜，用于检测氨气的第三气体敏感膜，用于检测酒精、甲苯、二甲苯的第四气体敏感膜，用于检测碳氢组分气体的第五气体敏感膜，用于检测甲烷和丙烷的第六气体敏感膜，用于检测氮氧化物的第七气体敏感膜，用于检测丁烷的第八气体敏感膜。

作为优选，所述气体敏感膜呈长度为12.5至15.5毫米的两端开口中空纺锤体状；所述气室中设有长方形绝缘电路板上，各个气体敏感膜等间隔焊接在绝缘电路板上，气体敏感膜中部直径为3.2毫米至3.6毫米，气体敏感膜两端直径均为1.5至1.7毫米，气体敏感膜的厚度为1毫米至1.3毫米；气体敏感膜的空腔内设有加热电阻丝，加热电阻丝两端分别通过加热引脚与电源电连接，气体敏感膜上设有两个检测引脚和与绝缘电路板相连接的两个固定引脚，两个检测引脚分别与运算放大器的同相输入端和反相输入端电连接。

本发明的气体敏感膜的结构有助于提高气体检测精度，在工作状态下，气体敏感膜被电阻丝加热至300～480℃，当被测气体被携带至传感器敏感膜表面时，气体分子在高温的作用下被氧化，氧化产物附着在气体敏感膜表面，引起气体敏感膜电阻的变化，依据这个电阻值的变化可以实现气体浓度的表征。本发明的不同气体敏感膜采用不同材料制备，每种气体敏感膜只对特定气体敏感，即气体敏感膜具有特异性。

作为优选，所述气室的宽度为0.95厘米至1.2厘米，长度为1.5至1.9厘米，厚度为0.35厘米至0.5厘米。气室尺寸较小的好处是避免了湍流的存在，检测精度高，需要的进气量小。

作为优选，靠近进气口的检测探头上还设有可拆卸盖板；壳体的长度为15厘米至20厘米，宽度为6.5厘米至8厘米，厚度为1.5厘米至2厘米。

作为优选，运算放大器为UPC4570低噪运算贴片放大器，数据采集卡为基于MSP430F5438的低功耗嵌入式数据采集卡，微处理器为MSP430F149低功耗嵌入式MCU。

贴片放大器、基于MSP430F5438的低功耗嵌入式数据采集卡、MSP430F149低功耗嵌入式单片机及触摸屏的选择，使得本发明的检测装置体积小、重量轻、便于携带，更适合家庭使用。

一种冷冻牛肉品质检测装置的检测方法，包括如下步骤：

(7-1)存储器中设有级联双稳态随机共振系统模型，所述级联双稳态随机共振系统模型包括一级双稳态随机共振系统模型：和以一级双稳态随机共振系统模型的输出x(t)作为输入信号的二级双稳态随机共振系统模型：其中，V(x)和V(y)为非线性对称势函数，ξ(t)为高斯白噪声，a和b是输入信号强度，f₀是调制信号频率，D是噪声强度，为相位，x和y为质点运动位移，t为时间；

存储器中还设有与单级随机共振系统模型和信噪比计算公式： $\mathrm{SNR}=2\left[\underset{\mathrm{\Δ\ω}\→0}{\lim }\underset{\mathrm{\Ω}-\mathrm{\Δ\ω}}{\overset{\mathrm{\Ω}+\mathrm{\Δ\ω}}{\∫}}S\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{d\ω}\right]/S_N\left(\mathrm{\Ω}\right);$ 其中ω是信号频率，Ω为角频率，S(ω)是信号频谱密度，S_N(Ω)是信号频率范围内的噪声强度；微处理器中设有牛肉的霉变阈值N；

(7-2)将冷冻的牛肉样品从冷冻装置中取出，在室温下放置40分钟至1小时，将检测探头的进气口靠近牛肉样品，微处理器控制检测探头将肉类散发出的挥发性气体吸入气室中5至20秒，挥发性气体与设于气室内的各个气体敏感膜相接触，各个气体敏感膜分别产生响应信号，微处理器计算各个响应信号的平均信号，得到检测信号I(t)；

(7-3)将I(t)输入级联双稳态随机共振系统模型中，调节a和b的数值，使级联双稳态随机共振系统模型发生共振，微处理器将共振时的a和b值存储在存储器中；

(7-4)微处理器设定级联双稳态随机共振系统模型中的一组f₀、和t值，得到一组参数值x₁，y₁，将a、b和x₁，y₁代入公式中计算设定检测信号I(t)的恢复信号为将h(t)输入单级双稳态随机共振模型中，使单级双稳态随机共振模型发生共振；

(7-5)微处理器利用公式计算激励噪声信噪比SNR，微处理器画出随机共振系统模型的输出信噪比谱图，在信噪比谱图中选取信噪比谱特征值噪声宽度W，并将信噪比谱特征值噪声宽度W与牛肉的霉变阈值N相比较；当|W|≥|N|时，则微处理器控制触摸屏显示牛肉腐败的报警信息。

本发明的便携式牛肉检测装置体积较小，气室体积较小，采用的微型气泵气体流量有限，检测的时间较短，数据采集卡采集的数据长度较少，通常需要采集1000个以上的数据才能得到准确的检测结果，而数据采集卡中采集的数据只有80至100个，采集的数据个数较低会导致检测准确度的下降。因此，本发明采用独特的数据恢复方法对低采样数据进行无损恢复，将有限个采样数据变成无限个数据，从而保证检测准确性的要求。

然后，将h(t)输入牛肉的单级双稳态随机共振中，使单级双稳态随机共振发生共振；微处理器画出随机共振系统模型的输出信噪比谱图，在信噪比谱图中选取信噪比谱特征值噪声宽度W，并将信噪比谱特征值噪声宽度W与牛肉的霉变阈值N相比较；当|W|≥|N|时，则微处理器控制触摸屏显示该种肉类腐败的报警信息。

作为优选，所述检测信号中包括80至100个检测数据。

作为优选，所述单级双稳态随机共振模型为其中，V(x)为非线性对称势函数，ξ(t)为高斯白噪声，a₁是输入信号强度，f₀是调制信号频率，D是噪声强度，为相位，x为质点运动位移，t为时间。

因此，本发明具有如下有益效果：(1)经济性好、体积小、检测简单、快速；(2)适合家庭使用，可为提高牛肉的安全性提供可靠保证。

附图说明

图1是本发明的一种原理框图；

图2是本发明的实施例的一种流程图；

图3是本发明的绝缘电路板及气体敏感膜的一种结构示意图；

图4是本发明的一种结构示意图；

图5是本发明的检测探头的一种结构示意图。

图中：壳体1、检测探头2、微型气泵3、气室4、运算放大器5、数据采集卡6、存储器7、微处理器8、控制按钮9、绝缘电路板10、气体敏感膜11、加热引脚12、检测引脚13、固定引脚14、触摸屏17、可拆卸盖板18、进气口19、过滤网20、海绵垫21。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1、图4、图5所示的实施例是一种便携式冷冻牛肉品质检测装置，包括壳体1、设于壳体上的检测探头2，检测探头与微型气泵3相连接；壳体内设有气室4、运算放大器5、数据采集卡6、存储器7和微处理器8，壳体上表面上部设有触摸屏17，壳体上表面下部设有7个控制按钮9；运算放大器的输出端与数据采集卡电连接，微处理器分别与数据采集卡、触摸屏、存储器、气泵和各个控制按钮电连接；检测探头一端与气室相连接，检测探头另一端上设有进气口19，进气口上设有过滤网20，过滤网内侧的进气口内设有海绵垫21；气室内设有8个气体敏感膜11，各个气体敏感膜分别与运算放大器的输入端电连接。

8个气体敏感膜分别为用于检测硫化物的第一气体敏感膜，用于检测氢气的第二气体敏感膜，用于检测氨气的第三气体敏感膜，用于检测酒精、甲苯、二甲苯的第四气体敏感膜，用于检测碳氢组分气体的第五气体敏感膜，用于检测甲烷和丙烷的第六气体敏感膜，用于检测氮氧化物的第七气体敏感膜，用于检测丁烷的第八气体敏感膜。

如图3所示，气体敏感膜呈长度为15.5毫米的两端开口中空纺锤体状，气室中设有长方形绝缘电路板10上，各个气体敏感膜等间隔焊接在绝缘电路板上，气体敏感膜中部直径为3.3毫米，气体敏感膜两端直径均为1.5毫米，气体敏感膜的厚度为1毫米；气体敏感膜的空腔内设有加热电阻丝，加热电阻丝两端分别通过加热引脚12与电源电连接，气体敏感膜上设有两个检测引脚13和与绝缘电路板相连接的两个固定引脚14，两个检测引脚分别与运算放大器的同相输入端和反相输入端电连接。

气室的宽度为1.2厘米，长度为1.5厘米，厚度为0.35厘米。

靠近进气口的检测探头上还设有可拆卸盖板18；壳体的长度为18cm，宽度为6.8cm，厚度为1.7cm。

7个控制按钮为电源按钮、测量按钮、复位按钮和4个方向按钮。当检测探头接触检测样品后，按下测量按钮，则检测装置开始测量。当检测结束时，再按一次测量按钮，检测停止并自动保存数据和进行分析，给出结果。复位按钮是用于复位重置使用的，是系统重置过程，防止系统死机失灵。

四个方向按钮是配合进行菜单操作的，可以灵活的根据触摸屏上的菜单信息上、下、左、右移动光标，如果要进入哪个方向的菜单，就长按该方向的按钮即可。向左是退出，向右进入菜单，上、下进行同级菜单的选择。

运算放大器为UPC4570低噪运算贴片放大器，数据采集卡为基于MSP430F5438的低功耗嵌入式数据采集卡，微处理器为MSP430F149低功耗嵌入式MCU。

如图2所示的一种冷冻牛肉品质检测装置的检测方法，包括如下步骤：

(7-1)存储器中设有级联双稳态随机共振系统模型，所述级联双稳态随机共振系统模型包括一级双稳态随机共振系统模型：和以一级双稳态随机共振系统模型的输出x(t)作为输入信号的二级双稳态随机共振系统模型：其中，V(x)和V(y)为非线性对称势函数，ξ(t)为高斯白噪声，a和b是输入信号强度，f₀是调制信号频率，D是噪声强度，为相位，x和y为质点运动位移，t为时间；

存储器中还设有与单级随机共振系统模型和信噪比计算公式： $\mathrm{SNR}=2\left[\underset{\mathrm{\Δ\ω}\→0}{\lim }\underset{\mathrm{\Ω}-\mathrm{\Δ\ω}}{\overset{\mathrm{\Ω}+\mathrm{\Δ\ω}}{\∫}}S\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{d\ω}\right]/S_N\left(\mathrm{\Ω}\right);$ 其中ω是信号频率，Ω为角频率，S(ω)是信号频谱密度，S_N(Ω)是信号频率范围内的噪声强度；微处理器中设有牛肉的霉变阈值N；

本实施例中，牛肉的霉变阈值N＝-67.3dB。

步骤100，将冷冻的牛肉样品从冷冻装置中取出，在室温下放置40分钟，将检测探头的进气口靠近牛肉样品，微处理器控制检测探头将肉类散发出的挥发性气体吸入气室中20秒，挥发性气体与设于气室内的各个气体敏感膜相接触，各个气体敏感膜分别产生响应信号，微处理器计算各个响应信号的平均信号，得到检测信号I(t)；

步骤200，将I(t)输入级联双稳态随机共振系统模型中，调节a和b的数值，使级联双稳态随机共振系统模型发生共振，微处理器将共振时的a＝6.6和b＝4.1值存储在存储器中；

步骤300，微处理器设定级联双稳态随机共振系统模型中的一组f₀＝6、和t＝4值，得到一组参数值x₁＝1.1，y₁＝0.87，将a＝6.6、b＝4.1和x₁＝1.1，y₁＝0.87，代入公式中计算得到设定检测信号I(t)的恢复信号为h(t)＝-1.7t+1.2t³，将h(t)输入牛肉的单级双稳态随机共振模型中，使单级双稳态随机共振模型发生共振；不同肉类的单级双稳态随机共振模型各不相同；

步骤400，微处理器利用公式计算激励噪声信噪比SNR，微处理器画出随机共振系统模型的输出信噪比谱图，在输出信噪比谱图中选取信噪比谱特征值噪声宽度W，并将信噪比谱特征值噪声宽度W与牛肉的霉变阈值N相比较；当|W|≥|N|时，则微处理器控制触摸屏显示牛肉腐败的报警信息。

本实施例中，得到被检测的牛肉的输出信噪比谱图，在输出信噪比谱图中作一条纵坐标等于-90dB的直线，得到直线与曲线的在峰谷附近的两个交点的横坐标W₁＝95dB和W₂＝231dB，W＝W₂-W₁＝136dB。

本实施例中，冷冻牛肉的W＝136dB，冷冻牛肉的霉变阈值N＝-67.3dB；因此，冷冻牛肉的|W|＞|N|，则微处理器控制触摸屏显示冷冻牛肉腐败的报警信息。

应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种便携式冷冻牛肉品质检测装置，其特征是，包括壳体(1)、设于壳体上的检测探头(2)，检测探头与微型气泵(3)相连接；所述壳体内设有气室(4)、运算放大器(5)、数据采集卡(6)、存储器(7)和微处理器(8)，壳体上表面上部设有触摸屏(17)，壳体上表面下部设有若干个控制按钮(9)；运算放大器的输出端与数据采集卡电连接，所述微处理器分别与数据采集卡、触摸屏、存储器、气泵和各个控制按钮电连接；所述检测探头一端与气室相连接，检测探头另一端上设有进气口(19)，进气口上设有过滤网(20)，过滤网内侧的进气口内设有海绵垫(21)；所述气室内设有若干个气体敏感膜(11)，各个气体敏感膜分别与运算放大器的输入端电连接。

2.根据权利要求1所述的便携式冷冻牛肉品质检测装置，其特征是，所述气体敏感膜为8个，分别为用于检测硫化物的第一气体敏感膜，用于检测氢气的第二气体敏感膜，用于检测氨气的第三气体敏感膜，用于检测酒精、甲苯、二甲苯的第四气体敏感膜，用于检测碳氢组分气体的第五气体敏感膜，用于检测甲烷和丙烷的第六气体敏感膜，用于检测氮氧化物的第七气体敏感膜，用于检测丁烷的第八气体敏感膜。

3.根据权利要求1所述的便携式冷冻牛肉品质检测装置，其特征是，所述气体敏感膜呈长度为12.5至15.5毫米的两端开口中空纺锤体状；所述气室中设有长方形绝缘电路板(10)上，各个气体敏感膜等间隔焊接在绝缘电路板上，气体敏感膜中部直径为3.2毫米至3.6毫米，气体敏感膜两端直径均为1.5至1.7毫米，气体敏感膜的厚度为1毫米至1.3毫米；气体敏感膜的空腔内设有加热电阻丝，加热电阻丝两端分别通过加热引脚(12)与电源电连接，气体敏感膜上设有两个检测引脚(13)和与绝缘电路板相连接的两个固定引脚(14)，两个检测引脚分别与运算放大器的同相输入端和反相输入端电连接。

4.根据权利要求1所述的便携式冷冻牛肉品质检测装置，其特征是，所述气室的宽度为0.95厘米至1.2厘米，长度为1.5至1.9厘米，厚度为0.35厘米至0.5厘米。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的便携式冷冻牛肉品质检测装置，其特征是，靠近进气口的检测探头上还设有可拆卸盖板(18)；壳体的长度为15厘米至20厘米，宽度为6.5厘米至8厘米，厚度为1.5厘米至2厘米。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的便携式冷冻牛肉品质检测装置，其特征是，运算放大器为UPC4570低噪运算贴片放大器，数据采集卡为基于MSP430F5438的低功耗嵌入式数据采集卡，微处理器为MSP430F149低功耗嵌入式MCU。

7.一种根据权利要求1所述的便携式冷冻牛肉品质检测装置的检测方法，其特征是，包括如下步骤：

(7-1)存储器中设有级联双稳态随机共振系统模型，所述级联双稳态随机共振系统模型包括一级双稳态随机共振系统模型：和以一级双稳态随机共振系统模型的输出x(t)作为输入信号的二级双稳态随机共振系统模型：其中，V(x)和V(y)为非线性对称势函数，ξ(t)为高斯白噪声，a和b是输入信号强度，f₀是调制信号频率，D是噪声强度，为相位，x和y为质点运动位移，t为时间；

存储器中还设有与单级随机共振系统模型和信噪比计算公式： $\mathrm{SNR}=2\left[\underset{\mathrm{\Δ\ω}\→0}{\lim }\underset{\mathrm{\Ω}-\mathrm{\Δ\ω}}{\overset{\mathrm{\Ω}+\mathrm{\Δ\ω}}{\∫}}S\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{d\ω}\right]/S_N\left(\mathrm{\Ω}\right);$ 其中ω是信号频率，Ω为角频率，S(ω)是信号频谱密度，S_N(Ω)是信号频率范围内的噪声强度；微处理器中设有牛肉的霉变阈值N；

(7-2)将冷冻的牛肉样品从冷冻装置中取出，在室温下放置40分钟至1小时，将检测探头的进气口靠近牛肉样品，微处理器控制检测探头将肉类散发出的挥发性气体吸入气室中5至20秒，挥发性气体与设于气室内的各个气体敏感膜相接触，各个气体敏感膜分别产生响应信号，微处理器计算各个响应信号的平均信号，得到检测信号I(t)；

(7-3)将I(t)输入级联双稳态随机共振系统模型中，调节a和b的数值，使级联双稳态随机共振系统模型发生共振，微处理器将共振时的a和b值存储在存储器中；

(7-4)微处理器设定级联双稳态随机共振系统模型中的一组f₀、和t值，得到一组参数值x₁，y₁，将a、b和x₁，y₁代入公式中计算设定检测信号I(t)的恢复信号为将h(t)输入单级双稳态随机共振模型中，使单级双稳态随机共振模型发生共振；

(7-5)微处理器利用公式计算激励噪声信噪比SNR，微处理器画出随机共振系统模型的输出信噪比谱图，在信噪比谱图中选取信噪比谱特征值噪声宽度W，并将信噪比谱特征值噪声宽度W与牛肉的霉变阈值N相比较；当|W|≥|N|时，则微处理器控制触摸屏显示牛肉腐败的报警信息。

8.根据权利要求7所述的便携式冷冻牛肉品质检测装置的检测方法，其特征是，所述检测信号中包括70至100个检测数据。

9.根据权利要求7或8所述的便携式冷冻牛肉品质检测装置的检测方法，其特征是，所述单级双稳态随机共振模型为其中，V(x)为非线性对称势函数，ξ(t)为高斯白噪声，a₁是输入信号强度，f₀是调制信号频率，D是噪声强度，为相位，x为质点运动位移，t为时间。