CN106770522A - 一种用于检测果汁纯度的电子舌系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种快速检测果汁纯度的电子舌系统及检测方法，系统包括传感器阵列、信号调理电路、模数/数模转换器和控制模块；所述传感器阵列设置在待测果汁中并依次经过信号调理电路和模数/数模转换器后与控制模块相连。检测方法为：通过将产生激励信号经过信号调理电路加载到传感器阵列上，驱动果汁发生电化学反应，同时工作电极阵列上产生响应电流信号，该响应电流信号通过信号调理电路对其进行处理后再进行模数转换，随后发送给控制模块，控制模块中的电子舌系统软件对传递过来的信号进行特征提取、主成分分析、生成主成分分析图，即可区分不同纯度的果汁。本发明具有检测速度快、成本低、精度高、功耗低、操作简单、携带方便、易于嵌入其它产品中等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于检测果汁纯度的电子舌系统及检测方法，属于食品安全技术检测领域。
背景技术
当前“食品安全”已经成为全球性关注的问题，食源性疾病已是我国最大的食品安全问题。由于工业化程度的提高、食品供应链的复杂等多种原因导致一旦发生食品安全问题，不仅损害人体健康还易引发食品贸易纠纷，会造成巨大的影响面和波及面，在众多食品问题中果汁纯度检测是食品检测的一大难点。
传统的一些仪器如：PH检测计、粘度计、甜度计等。这些检测仪器只能检测出果汁的一种性质而不能检测出食品的整体特性。并且传统检测仪效率低，满足不了对果汁的实时监控，无法真实全面实时地反映出果汁的整体特性。因此，人们急需一种可以现场快速检测果汁浓度的食品检测系统，用来保障人们食品安全，提高人们生活质量。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种快速检测果汁纯度的电子舌系统及检测方法，其能够对样本整体特征进行分析，具有检测速度快、成本低、精度高、功耗低、操作简单、携带方便、易于嵌入其它产品中等优点。
本发明解决其技术问题采取的技术方案是：一种用于检测果汁纯度的电子舌系统，其特征是，包括传感器阵列、信号调理电路、模数/数模转换器和控制模块；所述传感器阵列设置在待测果汁中并依次经过信号调理电路和模数/数模转换器后与控制模块相连。
优选地，所述传感器阵列包括工作电极、辅助电极和参比电极，所述工作电极包括六个不同的贵金属裸电极，所述辅助电极包括铂柱电极，所述参比电极包括Ag/AgCl电极。
优选地，所述六个不同的贵金属裸电极包括铂电极、钛电极、钯电极、银电极、钨电极和金电极。
优选地，所述信号调理电路包括电压跟随电路、电流缓冲电路、电流/电压转换电路、工作电极切换模块和滤波电路，所述电压跟随电路分别与参比电极和数据采集卡相连，所述电流缓冲电路分别与辅助电极和模数/数模转换器相连，所述电流/电压转换电路的一端经过工作电极切换模块分别与铂电极、钛电极、钯电极、银电极、钨电极和金电极相连，电流/电压转换电路的另一端经过滤波电路与模数/数模转换器相连，所述工作电极切换模块的控制端与控制模块相连。
优选地，所述电压跟随电路由MAX414运算放大器及外围电路组成，用以保证参比电极的电势跟随电压激励信号的输出电压变化，同时保证参比电极上没有电流通过；所述电流缓冲电路采用MAX414运算放大器，用以对辅助电极提供电流导出和缓冲；所述电流/电压转换电路采用MAX414运算放大器，用以对响应电流信号进行电流/电压转换和信号放大；所述工作电极切换模块采用MAX308模拟多路复用器，用以根据控制模块预设的程序使模数/数模转换器的数字输出口对铂电极、钛电极、钯电极、银电极、钨电极和金电极依次扫描，实现六通道分时采集。
优选地，所述信号调理电路还包括电源电路，所述电源电路包括MAX828开关电容电压反相器，用以将模数/数模转换器传递的5V电压转换成-5V电压，以及向电压跟随电路、电流缓冲电路、电流/电压转换电路和工作电极切换模块提供5V和-5V的稳定电压。
优选地，所述模数/数模转换器包括模数转换器和数模转换器，所述数模转换器用以对激励信号进行数模转换并传递给信号调理电路；所述模数传换器用以将信号调理电路传递过来的响应信号进行模数转换并送入控制模块进行处理。
优选地，所述控制模块包括处理器、存储器、显示屏和操作按键，所述的存储器、显示屏和操作按键分别与处理器连接，所述处理器用以产生电压激励信号，以及接收在检测过程中产生的电流信号，并对电流信号进行处理后进行主成分分析，获得主成分分析图；所述存储器用以存储主成分分析结果；所述显示屏用以显示主成分分析结果；所述操作按键用以设置参数和功能操作。
优选地，所述控制模块安装有电子舌软件系统软件。
优选地，所述控制模块还可以采用安装有电子舌检测程序的笔记本电脑、平板电脑或PDA，通过进行设置参数和功能操作能够产生电压激励信号，并能够对接收在检测过程中产生的电流信号进行主成分分析获得主成分分析检测结果；同时还可以显示、存储主成分分析图和果汁纯度检测结果；所述显示屏用以显示主成分分析图和果汁纯度检测结果。
本发明还提供了一种果汁纯度检测方法，其特征是，利用上述所述的一种用于检测果汁纯度的电子舌系统对果汁纯度进行检测，所述果汁纯度检测方法包括以下步骤：
S1.将用蒸馏水清洗后的传感器阵列浸入盛有待测果汁A的烧杯中；
S2.点击控制器模块显示屏上的“运行”按钮；
S3.控制模块控制模数/数模转换器的数模转换接口产生电压激励信号，该激励信号通过信号调理电路加载到传感器阵列上驱动待测溶液发生电化学反应；
S4.传感器阵列分时在六个工作电极上产生响应电流信号，该电流信号通过信号调理电路对其进行电流/电压转换、信号放大、滤波处理后传送到模数/数模转换器进行模数转换，随后发送给控制模块进行处理；
S5.控制器模块的处理器对采集回来的数据进行处理和保存；
S6.重复步骤S2至S5共点击N次“运行”按钮，得到待测果汁A的一组包含N个响应信号的检测信息；
S7.检测完待测果汁A后，将用蒸馏水清洗后的传感器阵列分别浸入不同纯度待测果汁B、待测果汁C和待测果汁D中，并重复上述步骤S2至步骤S6；
S8.检测结束后电子舌系统分别提取出待测果汁A的N个响应信号和待测果汁B、待测果汁C、待测果汁D的N个响应信号的特征值并进行主成分分析，生成主成分分析图显示在控制模块的显示屏上，即可区分出不同纯度待测果汁A、待测果汁B、待测果汁C、待测果汁D。
优选地，N的取值范围为[6,12]。
优选地，在步骤S6中，重复点击“运行”按钮的间隔时间至少为60秒。
本发明的有益效果是：
本发明的电子舌系统主要由传感器阵列、信号调理电路、模数/数模转换器和控制模块组成，传感器阵列用以对待检测果汁进行电压激励驱动待检果汁发生电化学反应并采集待检测果汁响应的电信号；信号调理电路用于对电信号进行电流/电压转换、信号放大、滤波处理，模数/数模转换器对响应信号进行模数转换，控制模块用于对响应信号进行特征提取、主成分分析等分析处理，得到果汁纯度，根据生成主成分分析图即可区分不同纯度的果汁。该系统可以对样本整体特性进行分析，具有体积小、成本低、携带方便、精度高、功耗低、操作简单、检测速度快、易于嵌入其它产品中等优点，克服了传统果汁检测系统体积大、成本高、使用复杂等问题，采用六个不同属性的的贵金属裸电极作为一组工作电极阵列，能够有效提高电子舌系统的检测灵敏度。该系统适用于对果汁现场快速检测，不仅能够快速区分不同掺水纯度的果汁，而且不会对样本造成污染。
本发明的检测方法不仅能够对果汁纯度快速检测，而且操作简便、灵敏度高、检测结果准确，可用于对果汁进行现场快速检测。
本发明并不局限于区分不同掺水纯度的果汁，还可区分不同掺水纯度的牛奶等其他食品，而且检测速度快、成本低、精度高、功耗低、操作简单、携带方便、易于嵌入其它产品中，适用于对食品现场快速检测。
附图说明
图1为本发明的系统图；
图2为本发明的电子舌系统结构示意图；
图3为本发明所述调理电路模块的电路原理图；
图4为本发明的方法的流程图；
图5为本本发明所述控制模块的控制软件界面图；
图6为本发明进行纯柑橘汁和不同掺水浓度柑橘汁纯度检测的主成分分析图。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
如图1和图2所示，本发明的一种用于检测果汁纯度的电子舌系统，它包括传感器阵列、信号调理电路、模数/数模转换器和控制模块；所述传感器阵列设置在待测果汁中并依次经过信号调理电路和模数/数模转换器后与控制模块相连。
优选地，所述传感器阵列包括工作电极、辅助电极和参比电极，所述工作电极包括六个不同的贵金属裸电极，所述辅助电极包括铂柱电极，所述参比电极包括Ag/AgCl电极。
优选地，所述六个不同的贵金属裸电极包括铂电极、钛电极、钯电极、银电极、钨电极和金电极。
优选地，如图3所示，所述信号调理电路包括电压跟随电路、电流缓冲电路、电流/电压转换电路、工作电极切换模块和滤波电路，所述电压跟随电路分别与参比电极和数据采集卡相连，所述电流缓冲电路分别与辅助电极和模数/数模转换器相连，所述电流/电压转换电路的一端经过工作电极切换模块分别与铂电极、钛电极、钯电极、银电极、钨电极和金电极相连，电流/电压转换电路的另一端经过滤波电路与模数/数模转换器相连，所述工作电极切换模块的控制端与控制模块相连。
优选地，所述电压跟随电路由MAX414C运算放大器及外围电路组成，用以保证参比电极的电势跟随电压激励信号的输出电压变化，同时保证参比电极上没有电流通过；所述电流缓冲电路采用MAX414B运算放大器，用以对辅助电极提供电流导出和缓冲；MAX414C运算放大器和MAX414B运算放大器通过MAX414A运算放大器与模数转换器相连；所述电流/电压转换电路(I/V转换电路)采用MAX414D运算放大器，用以对响应电流信号进行电流/电压转换和信号放大；所述工作电极切换模块(多通道切换模块)采用MAX308模拟多路复用器，用以根据控制模块预设的程序使模数/数模转换器的数字输出口对铂电极、钛电极、钯电极、银电极、钨电极和金电极依次扫描，实现六通道分时采集。
优选地，所述信号调理电路还包括电源电路，所述电源电路包括MAX828开关电容电压反相器，用以将模数/数模转换器传递的5V电压转换成-5V电压，以及向电压跟随电路、电流缓冲电路、电流/电压转换电路和工作电极切换模块提供5V和-5V的稳定电压。
优选地，如图2所示，所述模数/数模转换器包括模数转换器和数模转换器，所述数模转换器用以对激励信号进行数模转换并传递给信号调理电路；所述模数传换器用以将信号调理电路传递过来的响应信号进行模数转换并送入控制模块进行处理。
优选地，所述控制模块包括处理器、存储器、显示屏和操作按键，所述的存储器、显示屏和操作按键分别与处理器连接，所述处理器用以产生电压激励信号，以及接收在检测过程中产生的电流信号，并对电流信号进行处理后进行主成分分析，获得主成分分析图；所述存储器用以存储主成分分析结果；所述显示屏用以显示主成分分析结果；所述操作按键用以设置参数和功能操作。
优选地，所述控制模块安装有电子舌软件系统软件。
优选地，所述控制模块还可以采用安装有电子舌检测程序的笔记本电脑、平板电脑或PDA，通过进行设置参数和功能操作能够产生电压激励信号，并能够对接收在检测过程中产生的电流信号进行主成分分析获得主成分分析检测结果；同时还可以显示、存储主成分分析图和果汁纯度检测结果；所述显示屏用以显示主成分分析图和果汁纯度检测结果。
如图4所示，本发明的一种果汁纯度检测方法，它利用上述所述的一种用于检测果汁纯度的电子舌系统对果汁纯度进行检测，包括以下步骤：
S1.将用蒸馏水清洗后的传感器阵列浸入盛有100ml鲜榨纯果汁的烧杯中，不需要对样本进行任何处理；
S2.点击控制器模块显示屏上的“运行”按钮；
S3.控制模块控制模数/数模转换器的数模转换接口产生如图5所示的电压激励信号，该激励信号通过信号调理电路加载到传感器阵列上驱动待测溶液发生电化学反应；
S4.传感器阵列分时在六个工作电极上产生一组如图5所示的响应电流信号，该电流信号通过信号调理电路对其进行电流/电压转换、信号放大、滤波处理后传送到模数/数模转换器进行模数转换，随后发送给控制模块进行处理；
S5.控制器模块的处理器对采集回来的数据进行处理和保存；
S6.重复步骤S2至S5共点击八次“运行”按钮，且重复点击“运行”按钮的间隔时间至少为60秒，即可得到100ml鲜榨纯果汁的一组包含八个响应信号的检测信息；
S7.检测完100ml鲜榨纯果汁后，将用蒸馏水清洗后的传感器阵列分别浸入盛有90ml的鲜榨果汁掺10ml纯净水的掺水果汁中、盛有80ml的鲜榨果汁掺20ml水的掺水果汁中、盛有70ml的鲜榨果汁掺30ml纯净水的掺水果汁中，并重复上述步骤S2至步骤S6；
S8.检测结束后电子舌系统分别提取出纯果汁的八个响应信号和各种掺水果汁的八个响应信号的特征值并进行主成分分析，生成主成分分析图显示在控制模块的显示屏上，如图6所示，即可区分出纯果汁和不同浓度的掺水果汁。
在检测过程中，点击“运行”按钮时，只有当本次检测完成(检测时间小于60秒)后才可再次点击“运行”按钮，否则点击无效。
本发明所述电子舌系统的传感器阵列采用六个不同的贵金属裸电极(铂、钛、钯、银、钨、金)作为工作电极、铂柱电极作为辅助电极、Ag/AgCl电极作为参比电极。所述信号调理电路主要负责将模数/数模转换器传递过来的电压激励信号加载到传感器阵列的参比电极和辅助电极上，以及将传感器阵列工作电极上产生的电流响应信号转换成电压响应信号并传递到模数/数模转换器。所述的模数/数模转换器的数模转换器负责将控制模块产生的激励信号进行数模转换并传递给信号调理电路；模数传换器负责将信号调理电路传递过来的响应信号进行模数转换并送入控制模块进行处理。所述控制模块包括处理器、存储器、显示屏和操作按键，所述的存储器、显示屏和操作按键分别与处理器连接，所述处理器用以产生电压激励信号，以及接收采集的工作电极在检测过程中产生的电流信号，并对电流信号进行处理后进行主成分分析获得主成分分析图；所述存储器用以存储主成分分析结果；所述显示屏用以显示主成分分析结果；所述操作按键用以设置参数和功能操作。
利用该电子舌系统对果汁进行检测时，首先将蒸馏水清洗后的传感器阵列浸入盛有待测果汁A的烧杯中，不需要对样本进行任何处理，点击控制模块显示屏上的“运行”按钮，控制模块控制模数/数模转换器的数模转换接口产生电压激励信号，该激励信号通过信号调理电路加载到传感器阵列上驱动待测溶液发生电化学反应；传感器阵列分时在六个工作电极上产生响应电流信号，该电流信号通过信号调理电路对其进行处理(电流/电压转换、信号放大、滤波)后传送到模数/数模转换器进行模数转换，随后发送给控制器模块进行处理；控制器模块的处理器对采集回来的数据进行处理和保存；重复点击八次“运行”按钮即可得到待测果汁A的一组检测信息；检测完待测果汁A后，将用蒸馏水清洗后的传感器阵列分别浸入不同浓度待测果汁B、待测果汁C、待测果汁D中，重复以上步骤；检测结束后电子舌系统分别提取出待测果汁A的八个响应信号和待测果汁B、待测果汁C、待测果汁D的八个响应信号的特征值并进行主成分分析，生成主成分分析图显示在控制器模块的显示屏上，即可区分出不同浓度待测果汁A、待测果汁B、待测果汁C、待测果汁D。本发明不仅能够对果汁纯度快速检测，而且操作简便、灵敏度高、检测结果准确，可用于对果汁进行现场快速检测。
本发明并不局限于区分不同掺水纯度的果汁，还可区分不同掺水纯度的牛奶等其他食品，而且检测速度快、成本低、精度高、功耗低、操作简单、携带方便、易于嵌入其它产品中，适用于对食品现场快速检测。
以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于检测果汁纯度的电子舌系统，其特征是，包括传感器阵列、信号调理电路、模数/数模转换器和控制模块；所述传感器阵列设置在待测果汁中并依次经过信号调理电路和模数/数模转换器后与控制模块相连。
2.根据权利要求1所述一种用于检测果汁纯度的电子舌系统，其特征是，所述传感器阵列包括工作电极、辅助电极和参比电极，所述工作电极包括六个不同的贵金属裸电极，所述辅助电极包括铂柱电极，所述参比电极包括Ag/AgCl电极。
3.根据权利要求2所述一种用于检测果汁纯度的电子舌系统，其特征是，所述六个不同的贵金属裸电极包括铂电极、钛电极、钯电极、银电极、钨电极和金电极。
4.根据权利要求2所述一种用于检测果汁纯度的电子舌系统，其特征是，所述信号调理电路包括电压跟随电路、电流缓冲电路、电流/电压转换电路、工作电极切换模块和滤波电路，所述电压跟随电路分别与参比电极和数据采集卡相连，所述电流缓冲电路分别与辅助电极和模数/数模转换器相连，所述电流/电压转换电路的一端经过工作电极切换模块分别与铂电极、钛电极、钯电极、银电极、钨电极和金电极相连，电流/电压转换电路的另一端经过滤波电路与模数/数模转换器相连，所述工作电极切换模块的控制端与控制模块相连。
5.根据权利要求4所述一种用于检测果汁纯度的电子舌系统，其特征是，所述电压跟随电路由MAX414运算放大器及外围电路组成，用以保证参比电极的电势跟随电压激励信号的输出电压变化，同时保证参比电极上没有电流通过；所述电流缓冲电路采用MAX414运算放大器，用以对辅助电极提供电流导出和缓冲；所述电流/电压转换电路采用MAX414运算放大器，用以对响应电流信号进行电流/电压转换和信号放大；所述工作电极切换模块采用MAX308模拟多路复用器，用以根据控制模块预设的程序使模数/数模转换器的数字输出口对铂电极、钛电极、钯电极、银电极、钨电极和金电极依次扫描，实现六通道分时采集。
6.根据权利要求4所述一种用于检测果汁纯度的电子舌系统，其特征是，所述信号调理电路还包括电源电路，所述电源电路包括MAX828开关电容电压反相器，用以将模数/数模转换器传递的5V电压转换成-5V电压，以及向电压跟随电路、电流缓冲电路、电流/电压转换电路和工作电极切换模块提供5V和-5V的稳定电压。
7.根据权利要求1所述一种用于检测果汁纯度的电子舌系统，其特征是，所述模数/数模转换器包括模数转换器和数模转换器，所述数模转换器用以对激励信号进行数模转换并传递给信号调理电路；所述模数传换器用以将信号调理电路传递过来的响应信号进行模数转换并送入控制模块进行处理。
8.根据权利要求1至7任意一项所述一种用于检测果汁纯度的电子舌系统，其特征是，所述控制模块包括处理器、存储器、显示屏和操作按键，所述的存储器、显示屏和操作按键分别与处理器连接，所述处理器用以产生电压激励信号，以及接收在检测过程中产生的电流信号，并对电流信号进行处理后进行主成分分析，获得主成分分析图；所述存储器用以存储主成分分析结果；所述显示屏用以显示主成分分析结果；所述操作按键用以设置参数和功能操作。
9.一种果汁纯度检测方法，其特征是，利用权利要求2至8任意一项所述的一种用于检测果汁纯度的电子舌系统对果汁纯度进行检测，所述果汁纯度检测方法包括以下步骤：
S1.将用蒸馏水清洗后的传感器阵列浸入盛有待测果汁A的烧杯中；
S2.点击控制器模块显示屏上的“运行”按钮；
S3.控制模块控制模数/数模转换器的数模转换接口产生电压激励信号，该激励信号通过信号调理电路加载到传感器阵列上驱动待测溶液发生电化学反应；
S4.传感器阵列分时在六个工作电极上产生响应电流信号，该电流信号通过信号调理电路对其进行电流/电压转换、信号放大、滤波处理后传送到模数/数模转换器进行模数转换，随后发送给控制模块进行处理；
S5.控制器模块的处理器对采集回来的数据进行处理和保存；
S6.重复步骤S2至S5共点击N次“运行”按钮，得到待测果汁A的一组包含N个响应信号的检测信息；
S7.检测完待测果汁A后，将用蒸馏水清洗后的传感器阵列分别浸入不同纯度待测果汁B、待测果汁C和待测果汁D中，并重复上述步骤S2至步骤S6；
S8.检测结束后电子舌系统分别提取出待测果汁A的N个响应信号和待测果汁B、待测果汁C、待测果汁D的N个响应信号的特征值并进行主成分分析，生成主成分分析图显示在控制模块的显示屏上，即可区分出不同纯度待测果汁A、待测果汁B、待测果汁C、待测果汁D。
10.根据权利要求9所述的一种果汁纯度检测方法，其特征是，N的取值范围为[6,12]；在步骤S6中，重复点击“运行”按钮的间隔时间至少为60秒。
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