CN1046999C - 蔬菜保鲜机构 - Google Patents
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Abstract
一种蔬菜保鲜机构包括：检测蔬菜鲜度的一传感器，检测装置，所述检测装置检测由蔬菜产生的气体的成分和浓度并将检测结果转换成电信号，以及输出所述电信号；一微处理机，所述微处理机接收上述的电信号并据此判别蔬菜的状态，以及根据蔬菜状态判别结果输出控制信号；用于保持蔬菜鲜度的装置，所述保鲜装置接收来自所述微处理机的控制信号并控制用于保持蔬菜鲜度的一个预定的因素。
Description
一般说来，本发明涉及检测和保持蔬菜鲜度，更具体讲，是涉及一种蔬菜鲜度传感器或一种适合检测蔬菜所产生的气体并检测蔬菜鲜度的气体传感器以及涉及一种使用这样的一个气体传感器、适合于根据该气体传感器的蔬菜鲜度检测结果自动地、恰当地控制蔬菜储藏室的条件并长期保持蔬菜鲜度的蔬菜保鲜机构。
通常，食物的鲜度一直是由人的感觉(例如视觉，味觉和嗅觉)主观地辨别，结果，使用感觉辨别食物的鲜度可能是不明确的。人们用感觉来辨别食品的鲜度，不管多么努力，它的不确定性总是难以克服的。业已研究过使用一个半导体气体传感器的鲜度检测技术。近来，业已推荐一种适合于检测三甲基胺(TMA)(一种鱼所产生的典型的气味成分)的半导体气体传感器。
参考图1，图1中显示了一种适合于检测TMA的半导体气体传感器。在这张图中，参考数字1是一个涂有一个金属电极导线2的绝缘陶瓷管1，陶瓷管1接下去套在电极导线2上的涂有一种敏感材料3上。沿轴向延伸通过瓷管的是一个用于恰当地控制管1内部温度的加热器4。适合于检测TMA的敏感材料的典型的例子是二氧化钛(TiO2)半导体氧化物。当使用二氧化钛(TiO2)作为敏感材料时，二氧化钛(TiO2)要与一种金属催化剂一起加入，以便改善所形成的气体传感器的敏感性能。影响所形成的传感器的敏感性能的基本因素是催化活性和敏感膜的厚度。为了改善该气体传感器的敏感性能，极为重要的是确定所使用的金属催化剂的量以及所使用的金属催化剂的种类。
图2所示的是以前对加入二氧化钛氧化物中的金属催化剂的研究的简介。图2是一个表，示出了根据加到二氧化钛(TiO2)中的金属催化剂的种类和金属催化剂的数量，所形成的气体传感器的预期传感器的预期的效果和预期的最大敏感度。该气体传感器的最大敏感度是通过公式R(空气)/R(气体)计算的，其中R(空气)是该传感器在空气中的电阻，而R(气体)是该传感器在加有300ppm TMA的空气中的电阻。如图2表中所示，人们注意到金属催化剂，例如钌(Ru)、铟(In)和金属(Au)显著地改善了该气体传感器对TMA的敏感度。
应该知道，对于检测TMA而言，除去二氧化钛(TiO2)之外，还可能有具有其他敏感材料的气体的传感器。例如，In2O3-MgO(5mol％)可以被用作TMA气体传感器的敏感材料。也就是说，当将5mol％的MgO加入In2O3中时，由于对化合价的控制电子密度被降低，结果，该传感器在空气中的电阻被升高。当该传感器在空气中的电阻达到给定水平时，TMA气体传感器的敏感度就得到了改善。
然而，以上的研究并没有实际用于工业领域，而仍然处于一种初期阶段。此外，图1的传感器不仅费电，而且还不适合通过自动生产工艺制造，结果该气体传感器还存在一个不能批量生产的问题。尤其是与本发明相关的蔬菜鲜度传感器应该对蔬菜所产生的气态硫化物特别敏感，结果这样的传感器应该通过一种不同于以上所述的TMA气体传感器的制造工艺的专门的工艺来制造。
因此，本发明的一个目的就是提供一种气体传感器，该传感器用于通过检测由蔬菜产生的气体来检测食物，尤其是蔬菜的鲜度，以及提供一种利用这样的一种气体传感器，适合于根据由该气体传感器检测到的蔬菜的鲜度自动控制蔬菜储藏室的条件以及长期保持蔬菜的鲜度的蔬菜保鲜机构。
本发明提供一种蔬菜保鲜机构，用于长期保持蔬菜新鲜，包括：检测蔬菜鲜度的一传感器，
其特征在于，该机构还包括：检测装置，所述检测装置检测由蔬菜产生的气体的成分和浓度并将检测结果转换成电信号，以及输出所述电信号；
一微处理机，所述微处理机接收上述的电信号并据此判别蔬菜的状态，根据蔬菜状态判别结果输出控制信号；以及
用于保持蔬菜鲜度的装置，所述保鲜装置接收来自所述微处理机的控制信号并控制用于保持蔬菜鲜度的一个预定的因素。
本发明的以上的以及其他的目的、特性和其他的优点由以下结合附图所作的详细说明将会得到更为清楚的理解，在这些附图中：
图1是一幅显示一个典型的鱼鲜度传感器构造的透视图；
图2是一张表，显示出典型的鱼鲜度传感器按照加到二氧化钛(TiO2)中的金属催化剂的种类和数量所表现出的预期的效果和预期的最大敏感度；
图3是一个方块图，显示出本发明的一种蔬菜保鲜机构的结构；
图4是一个方块图，显示出一个用于制造根据本发明的蔬菜鲜度传感器的工艺过程；
图5是一幅显示本发明的蔬菜鲜度传感器结构的图；
图6是一幅本发明的蔬菜鲜度传感器的电路图，该蔬菜鲜度传感器用于检测由蔬菜产生的气体并将所检测的结果转换成电信号然后将该电信号输出给一个微处理机；
图7是一幅曲线图，显示出一个通过根据本发明的第一个实施例的传感器制造方法制造的气体传感器的蔬菜鲜度检测结果；
图8是一幅图3所示的蔬菜保鲜机构的蔬菜保鲜过程的程序方框图；
图9是一幅显示根据本发明的另一个实施例的具有两个敏感层的阵列气体传感器的结构的透视图；
图10是一个方块图，显示根据本发明的又一个实施例的具有四个敏感层的一个阵列气体传感器的蔬菜鲜度辨别过程；
图11是一幅曲线图，显示一个通过根据本发明的第二个实施例的传感器制造方法制造的气体传感器的蔬菜鲜度检测结果；以及
图12是一幅具有通过本发明的第二个实施例的传感器制造方法制造的气体传感器的蔬菜保鲜机构的蔬菜鲜度辨别过程的程序方框图。
现在参见图3，这里以方块图的形式示出本发明的一个蔬菜保鲜机构的结构。如这张图所示，该保鲜机构具有一个用于将蔬菜储存在其中的蔬菜储藏室10。一个气体传感器20被安装在储藏室10内部的一个预无确定的位置上。气体传感器20检测储存在储藏室10中的蔬菜所产生的气体的成分和浓度并输出指示被检测的气体的成分和指示被检测的气体的浓度的电信号供给微处理机30。微处理机30根据由传感器20所供给的信号测定储存在储藏室10中的蔬菜的状态并输出控制信号给控制单元40，以便根据被检测的蔬菜的状态控制储藏室10的条件。当接收到微处理机30的控制信号时，控制单元40控制储藏室10中的温度、湿度、压力、O2和CO2以及阴离子的数量，这样，保持储藏室中具有适于长期保持蔬菜鲜度的理想的条件。
下面，将描述以上所述的蔬菜保鲜机构的工作效果。
储存在储藏室10中的蔬菜经过一段时间后会产生诸如气态硫化物这样的还原性气体，例如硫化氢H2S、甲基硫醇(CH3SH)、二甲基硫化物(CH3)2S和二甲基二硫化物(CH3)S2。以上的气态硫化物被结合到吸收在气体传感器20的表面上的氧原子上，于是产生了用以下反应方程式表示的导电电子并改变了传感器表面的导电性能。
以上反应在该传感器表面上的金属催化剂周围发生的最为激烈，因此，所使用的金属催化剂的种类以及所使用的金属催化剂的数量是决定该传感器的敏感度的极重要的因素。在通过根据本发明的第一个实施例的传感器制造方法制造的气体传感器中，向敏感材料二氧化锡(SnO2)中加入大约0.1-10wt％的钯催化剂。
图4是一个方块图，其显示出用于制造本发明的第一个实施例的上述传感器20的过程。
如该图所示，将二氧化锡(SnO2)粉末以及大约0.1-10wt％钯(Pd)催化剂粉末彼此充分加以混合并研磨成微细研磨粉。然后，把混合后细研磨粉在大约550-850℃温度下焙烧约1-5小时。将经过焙烧的粉末重新加以研磨，接下去与由乙基纤维素和α-松油醇构成的有机媒液相混合，于是形成了糊状物。然后，通过网板印刷法将该糊状物涂在一个带有一个电极和一个预定形状的加热器的氧化铝基底的电极表面上，于是形成一个具有适当尺寸和适当厚度的涂层。网板印刷步骤之后接有一个干燥步骤。干燥步骤之后，将涂有所述糊状物的基底在大约500-800℃的温度下烧结大约10-60分钟。在烧结后，为该基底接线(在其中，将一根引线连接到电极上)并进行封装(该基底被封装在其中)，于是，形成了所要求的气体传感器。在以上的传感器生产过程中，最好使用铂(Pt)或金(Au)作为电极材料和基底的加热器的材料。此外，最好让氧化铝基底厚度薄且面积小，因为又薄又小的基底可以减少电能消耗。在本发明中，允许用铂(Pt)、金(Au)或银(Ag)作为引线。然而，最好使用细引线，因为考虑到能源浪费的问题，还是细引线更为有益。
如图5所示(图5示出了气体传感器20的一种结构)，气体传感器20的陶瓷基底50在其前面带有电极51和敏感层52，敏感层52形成于电极51之上并具有预先确定的面积和预先确定的厚度。基底50的背面设置有预先确定形状的加热器53。
图6是一幅气体传感器20的电路图，气体传感器20用于检测由蔬菜所产生的气体并将检测结果转换成一种电信号以及将该电信号输出至微处理机30。在图6的电路图中，电阻器Rs是一个传感器装置的一个电阻器，而电阻RL是一个固定的电阻器。传感器装置电阻器Rs和固定电阻器RL彼此串联连接。固定电阻RL的一端连接到一个电压输出端；而传感器装置电阻器Rs是接地的。气体传感器20与蔬菜所产生的气体反应，于是它们电阻发生变化。此时，传感器装置电阻器Rs的电阻变化量是以传感器装置的电阻器Rs与固定电阻器RL按电阻分配比所得到的电压变化量的形式显现的。传感器装置的电阻器Rs的电阻变化量又被存储在一个电容器C中，而电容器C被并联到传感器装置的电阻器Rs上，而后，储存在电容器C中的传感器装置电阻器Rs的电阻变化量由电阻器R输出送到微处理机30中。
图7是一曲线图，显示出当气体传感器20(它是由根据本发明的第一个实施例的传感器制造方法制造的)检测蔬菜在25℃的常温下经过一段时间所产生的气体时其电阻的变化。这就是说，图7的曲线图显示了气体传感器20根据蔬菜(例如小红萝卜、生洋葱、胡萝卜和莴苣)所产生的气体的量它的电阻的变化。如曲线图所示，当蔬菜所产生的气体的量经过一段时间降低时，传感器20的电阻也减少。经过60-70小时之后传感器20的电阻的减少很显著，这一时间将被认为是蔬菜开始腐烂的起点。然而，蔬菜的品种包括不同的成分，因此，这些蔬菜的腐烂的起点也彼此略有不同。
电阻变化量被转换成电压变化量并以电压信号的形式输送给微处理机30。当微处理机30接收到由传感器20提供的电压信号时，将输入电压与一个编程电压加以比较，以便辨别储存在储藏室10中的蔬菜的鲜度。当辨别了蔬菜的鲜度之后，微处理机30向控制单元40输出控制信号，于是，利用一个压缩机41控制储藏室10的内部温度，利用一台加湿器42控制储藏室10的温度，利用一台真空泵43控制储藏室10的气压，利用一台O2/CO2发生器44控制为储藏室10供给的O2和CO2的供应量以及利用一台阴离子发生器45控制储存室10的阴离子数量。这样，本发明的蔬菜保鲜机构就保持了储存在储藏室10中的蔬菜的鲜度。
在图8的程序方框图中详细地描述了蔬菜保鲜机构的以上所述的蔬菜保鲜操作。如该程序方框图所显示的那样，微处理机30首先确定输入运算模式是否是蔬菜鲜度控制模式。当输入运算模式是蔬菜鲜度控制模式时，微处理机按有规律的时间间隔接收来自气体传感器20的信号并取输入信号的平均值，这样计算出平均值。而后，微处理机30将该平均值同第一参比值加以比较。当平均值不大于第一参比值时，微处理机30就进行以上所述的保鲜运行。然而，当平均值大于第一参比值时，微处理机30确定储存在储藏室10中的蔬菜仍然保持其鲜度，因此，微处理机30按照有规律的时间间隔重复地接收来自气体传感器20的信号并取输入信号的平均值，并且将平均值同第一参比值加以比较。
在这里，凭经验确定的并在微处理机中编程的第一参比值是一个表示该装置的保鲜过程起点的值。蔬菜产生的气体的量经过一段时间就减少了，结果，由传感器20提供给微处理机30的输入信号经过一段时间也减小了，这如图7的曲线中所示那样。因此，当平均值大于第一参比值时，微处理机30确定储存在储存室10中的蔬菜仍然保持其鲜度。
在完成保鲜运行之后，微处理机30按有规律的时间间隔接收来自气体传感器20的信号并取该输入信号的平均值，这样计算出平均值。而后，微处理机30将平均值与第二参比值加以比较。在这里，该第二参比值是一个代表确定蔬菜业已腐烂的点的值。当所述平均值大于第二参比值时，微处理机30按照规则的时间间隔反复地接收来自传感器20的信号并取输入信号的平均值以及将该平均值同第二参比值加以比较。然而，当平均值不大于第二参比值时，微处理机30发出报警信号并提醒使用者蔬菜已腐烂，而且终止保鲜机构的运行。
以上的描述是为了检测和保持蔬菜的鲜度，然而，蔬菜保鲜机构的储藏室10通常可能同时储放若干个品种的蔬菜。当储藏室10在其中同时储存若干个品种的蔬菜时，蔬菜的鲜度可以通过由图形识别和中性网络进行处理来加以辨别，信号是由一系列不同的气体传感器输出的。当然，使用一系列气体传感器的这种装置将增加成本。
然而，成本可以通过使用一种阵列气体传感器代替一系列气体传感器而得以降低。
图9是一幅透视图，示出了根据本发明的一个实施例的具有二个敏感层的阵列气体传感器。如此图所示，这种阵列气体传感器包括一个用SnO2制的第一敏感层和一个用WO3制的第二敏感层，其第一和第二敏感层在一个用Al2O3制的基底的指定的位置上平行排列。一个用Pt制的顶部电极排列在第一和第二敏感层的每一个上面。
图10是一个方块图，示出了根据本发明的另一个实施例的具有4个敏感层的阵列气体传感器的蔬菜鲜度辨别过程。如该图所显示的那样，由第一至第四个气体传感器发出的传感器信号或输出信号首先分别被摹制成预先确定的图形，以便识别传感器信号并辨别出储存在储存室10中的各种蔬菜。在图10的曲线图中的识别图形中，数字1至4分别代表由第一至第四个气体传感器输出的传感器信号，而数字5代表传感器信号1至4的总和。在辨别蔬菜种类的图形识别之后，当经过一段预定的时间之后，传感器信号重新被摹制，并且而后将被摹制的传感器信号同以前被摹制的信号加以比较。作为比被摹制传感信号的结果，人们会注意到由第4个传感器发出的传感器信号4与以前的传感器信号有显著的区别。这意味着由第4个传感器所检测到的气体成分的量显著地降低了。由于如上所述那样与第一至第四气体传感器相关的蔬菜的种类彼此不同，所以具有四个敏感部分的阵列气体传感器可以根据传感器信号图形的变化单独辨别一种指定的蔬菜的鲜度。
在本发明中，储存在储存室10中的蔬菜的鲜度还可以使用一个具有不同于以上所述气体传感器的特性的气体传感器来进行辨别。这样的一种气体传感器是根据本发明的第二个实施例的传感器制造方法生产的。也就是说，通过将大约5-15wt％的硫化锌(ZnS)粉末加到二氧化锡(SnO2)或氧化锌(ZnO)之中的一种之中，这样制备出一种混合物，并通过用图4的工艺对该混合物加以处理，这是本发明的第二个实施例的传感器生产方法制造出的一种气体传感器。
而后，对由敏感材料SnO2-ZnS或ZnO-ZnS构成的敏感层加以焙烧，结果，大部分硫化锌(ZnS)被氧化，而氧化锌则被均匀地分布在整个敏感层的各处。氧化锌(ZnO)提高了气体传感器对于气态硫化物的敏感性。
图11是一幅曲线图，示出了利用本发明的第二个实施例的传感器制造方法制造的气体传感器的蔬菜鲜度检测结果。在图11的曲线中，固体特性曲线显示出在大约5-10℃的周围温度下，经过一段时间，由气体传感器输出的鲜度检测特性。如该固体特性曲线所显示的那样，当在储存室10中没有储存蔬菜时，气体传感器输出一个恒定的信号。当将新鲜蔬菜存入储存室10中时，新鲜蔬菜产生一种新鲜的气味成分(一种气态硫化物)，于是引起了该气体传感器的电阻变化并引起该传感器输出电压的显著变化。随着时间的推移，蔬菜的鲜度逐渐降低，结果，由这种蔬菜所产生的新鲜气味成分(气态硫化物)也逐渐减少。于是，传感器的信号水平随时间的推移而逐渐降低。当蔬菜的鲜度持续地降低时，蔬菜将腐烂并产生另外的不同于新鲜气味成分气态硫化物的气态硫化物。因此，传感器信号值急剧增加。如图11的点状特性曲线所示，由气体传感器输出的鲜度检测特性可能不同于由该固体特性曲线所显示的以上所述的特性，这取决于当蔬菜最初存入储存室10中时的品种和初始状态。然而，应该注意，气体传感器的鲜度检测特性是以类似的形式变化，而不管储存在储存室10中的蔬菜的种类。
如上所述，用本发明第二个实施例的传感器制造方法制造的气体传感器不仅检测蔬菜的鲜度，而且还检测蔬菜的腐烂状态。图12是一幅带有用本发明的第二个实施例的传感器制造方法制造的气体传感器的一个蔬菜保鲜机构的蔬菜保鲜工艺的程序方框图。如这张程序方框图所显示的那样，当令由该气体传感器输出的信号值为V，而令该传感器信号的或该传感器的输出信号的斜率为“D”，微处理机计算输入传感器信号的斜率D并确定斜率D是否大于0。
当传感器信号的斜率D大于0时，处于这一情况的蔬菜的状态被包括在图11的曲线的b-c区或d-e区。处于b-c区的传感器信号的斜率D明显地大于处于d-e区的传感器信号的斜率。在这里，请令一个预定的斜率(该斜率小于处于b-c区的斜率但大于处于d-e区的斜率)为D′。当传感器信号的斜率D大于预定的斜率D′时，蔬菜的状态被包括在b-c区，结果微处理机判定有新鲜蔬菜刚刚被储存起来。相反，当传感器信号的斜率不大于预定的斜率D′时，蔬菜的状态被包括在d-e区，结果，微处理机判定被储存的蔬菜已经腐烂或其鲜度显著降低。
此外，当传感器信号的斜率不大于0时，这意味着斜率D等于或小于0。当传感器信号的斜率为0时，蔬菜的状态被包括在a-b区或对应于d点。在a-b区的传感器信号值V小于处于d点的传感器信号值V。在这里，请令一个预定的传感器信号值(该值大于a-b区的信号值V而小于点d处的信号值V)为V′。当传感器信号值大于预定的传感器信号值V′时，蔬菜的状态对应于点d，结果，微处理机判定被储存的蔬菜的鲜度业已降低。相反，当传感器信号值不大于预定的传感器信号值V′时，这种状态被包括在a-b区，结果，微处理机判定目前在储存室中没有储存蔬菜。
另一方面，当传感器信号的斜率小于0时，这种状态被包括在图11的曲线的c-d区内。在这种情况下，微处理机要确定传感器信号的斜率D是否小于预定的斜率D″。当传感器信号的斜率D不小于预定的斜率D″时，这意味着被储存的蔬菜的鲜度为在图11的曲线的c-d区所示那样逐渐降低。然而，当蔬菜业已从储存室10中被取出时或当储存室10的门被打开时，传感器信号突然降低。就这方面而言，当传感器信号的斜率D小于预定的斜率D″时，这意味着蔬菜业已从储存室10中取出来或储存室10的门被打开了。
如上所述，用本发明的一种传感器制造方法制造的气体传感器检测由储存在蔬菜储存室内的蔬菜产生的气体，这样，不仅检测了被储存的蔬菜的鲜度，而且还检测了蔬菜的腐烂状态。本发明还提供了一种蔬菜保鲜机构，该机构使用以上所述的气体传感器并根据该气体传感器的检测结果恰当地控制蔬菜储存室内的温度、压力、湿度、O2/CO2和阴离子数量，于是就可以长时间地保持蔬菜的鲜度。
尽管为了进行说明业已公开了本发明的一些优选的实施例，但是本领域的普通技术人员会认识到：在不脱离本发明以下权利要求书中所公开的范围和构思的前提下，对本发明作出各种改进、补充和变换都是可能的。
Claims (8)
1．一种蔬菜保鲜机构，用于长期保持蔬菜新鲜，包括：检测蔬菜鲜度的一传感器，
其特征在于，该机构还包括：
检测装置，所述检测装置检测由蔬菜产生的气体的成分和浓度并将检测结果转换成电信号，以及输出所述电信号；
一微处理机，所述微处理机接收上述的电信号并据此判别蔬菜的状态，根据蔬菜状态判别结果输出控制信号；以及
用于保持蔬菜鲜度的装置，所述保鲜装置接收来自所述微处理机的控制信号并控制用于保持蔬菜鲜度的一个预定的因素。
2．根据权利要求1所述的机构，其特征在于所述预定的用于蔬菜保鲜的因素至少是温度、湿度、压力、O2和CO2、阴离子量以及臭氧量之中的一种。
3．根据权利要求1所述的机构，其特征在于所述检测装置是一个气体传感器。
4．根据权利要求3所述的机构，其特征在于所述气体传感器包括：
一个陶瓷基底；
一个设置在所述基底前表面的预定形状的电极；
形成在所述电极上的预定面积和厚度的敏感层；以及
一个设置在该基底的背面的加热器。
5．根据权利要求4所述的机构，其特征在于所述气体传感器是一个至少有两个敏感层的阵列气体传感器。
6．根据权利要求1所述的机构，其特征在于所述微处理机根据来自所述检测装置的电信号识别蔬菜开始腐烂的那一时刻。
7．根据权利要求1所述的机构，其特征在于所述微处理机根据来自所述检测装置的电信号识别蔬菜仍然保持着鲜度的那一时刻以及蔬菜开始腐烂的那一时刻。
8．根据权利要求5所述的机构，其特征在于所述微处理机接受来自所述阵列气体传感器的一系列与一些特定气体有关的电信号；将这些电信号摹制成预定图形，识别这些信号图形并根据图形识别和判别被储存的蔬菜的种类，分辨经过一段时间这些信号图形的变化量，以及辨别一种指定蔬菜的鲜度。
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