CN106979998B - 苹果新鲜度的仿生嗅觉快速无损检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种苹果新鲜度的仿生嗅觉快速无损检测装置，包括管状的壳体、弧形的顶面和侧面形状为梯形的进气口，体，管状壳体的一端连接进气口，另一端连接顶面，顶面内设置有抽气扇；壳体内从进气口向抽气扇方向顺次布置有加热器件和传感器陈列；传感器陈列通过接口电路连接有电源模块和稳压模块。本发明还提出一种苹果新鲜度的快速无损检测方法。本发明选择金属氧化物传感器阵列，通过设计并建立接口电路对传感器响应信号进行采集与分析；由滤波、漂移补偿和特征值提取对特征信息进行预处理；通过主成分分析和线性判别分析对苹果气味信息分析计算；最终通过软件将气味特征信息算法实现，从而由气味特征信息快速准确地判断出苹果的新鲜度情况。
Description
技术领域
本发明属于检测领域，具体涉及一种基于气体信息检测苹果新鲜度的装置和方法。
背景技术
苹果是我国第一大水果，其年产量达3849.1万吨，分别占全球苹果产量和栽培面积的53.7％和47.0％，但是苹果采后贮藏性下降导致的年损失率高达30％，给果农和果商造成了巨大的经济损失。苹果的新鲜度是用于评价苹果品质的重要因素之一，目前普遍还是采取人工进行感官评测的方法，用来衡量苹果新鲜度。然而专家的嗅觉感知，随着待测样本数量的增多，会对被测气味产生适应。此外，评判结果容易受人的情绪、健康及环境的影响，难以保证准确性和客观性。因此这种评价苹果新鲜度的方法并不具备统一的标准，也不能得出确切的结果。
气味是苹果的一项重要感官品质，苹果的气味与其新鲜度水平存在着一定的关系。仿生嗅觉技术是一种用来模拟生物嗅觉系统从而对气味进行评判的一种技术。这一技术通过对气味进行采样，提取出其特征信息，再将信息传输并处理，最后再通过识别方法及手段得到判别结果。通过仿生嗅觉技术对样品进行检测可以做到无损害，并且检验周期短，可以得到快速无损的检验效果。
鉴于此，研究一种苹果新鲜度的仿生嗅觉快速无损检测方法及装置是亟待解决且十分有意义的问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足之处，本发明的目的是提供一种苹果新鲜度的仿生嗅觉快速无损检测装置。
本发明的另一目的是提供一种苹果新鲜度的仿生嗅觉快速无损检测方法。
实现本发明上述目的技术方案为：
一种苹果新鲜度的仿生嗅觉快速无损检测装置，包括管状的壳体、弧形的顶面和侧面形状为梯形的进气口，管状壳体的一端连接所述进气口，另一端连接顶面；顶面内设置有抽气扇，顶面上开有出气口；
进气口有内边和外边两层，外边向外倾斜，具有锯齿形边缘；内边向内倾斜，具有锯齿形边缘；
壳体内从进气口向抽气扇方向顺次布置有加热器件和传感器阵列；所述传感器阵列通过接口电路连接有电源模块和供压稳压模块。
进一步地，进气口外边为硬质材料，进气口内边为软质材料，进气口内边中间为放置苹果的区域；进气口与管状壳体连接面上设置有多叶隔板。所述加热器件为盘成塔状的电热丝，塔状电热丝底部设有与水平面垂直的导流板；所述传感器阵列设置在传感器插板上，导流板与传感器插板接触的边将所述传感器插板分成等面积的两面，传感器插板与导流板接触的边与壳体中轴呈42～48°角。通过将传感器阵列与进气方向的水平轴夹角设定为45度，从而使由进气通道进入的气体与传感器阵列之间接触的效率最大。
其中，所述传感器阵列包括金属氧化物传感器和乙醇电化学传感器、温度传感器，所述金属氧化物传感器包括酒精、硫化氢、氨气、食物蒸汽传感器；六个传感器分设在以所述导流板隔开的两面传感器插板上。
其中，所述接口电路包括信号调节电路和A/D采样电路，所述通讯模块通过USB接口连接有下位机。
一种苹果新鲜度的快速无损检测方法，采用一所述的仿生嗅觉快速无损检测装置进行检测，包括如下步骤：
1)通过传感器阵列获得苹果新鲜度气味特征信息，建立苹果新鲜度气味特征信息库；
2)对苹果新鲜度气味信息数据进行预处理，达到对信息进行滤波、漂移补偿和特征值提取的目的；
3)采用主成分分析(PCA)方法对处理过后的苹果新鲜度气味特征信息进行数据提取，确定主成分；
4)对苹果新鲜度气味信息数据进行分类器设计，寻找最大化目标函数，可很好地划分原始数据的目的。用线性判别分析(LDA)方法对苹果新鲜度气味信息进行处理，建立判别模型。
因为乙醇是苹果释放的较大量的气体，本发明采用金属传感器和电化学传感器两种来检测。两种传感器的敏感度不一样，电化学传感器的最大输出电压为5V，根据试验比较优化，在输出达到3V时机切换为金属传感器的信号。所述步骤1)中，采用金属氧化物传感器和电化学传感器检测乙醇信息，当金属氧化物传感器采集的信号大于3.0V，则切换为记录电化学传感器检测的乙醇信息。
步骤2)中，用修正后的差分法作为有效的特征值提取。差分法的定义为。其中，Xi为响应的某一时刻值、/>为响应最大值、/>为响应最小值。
所述的苹果新鲜度气味信息预处理方法用于使传感器响应曲线更加平滑，并消除环境因素对气体传感器的影响。
其中，所述步骤3)中，主成分分析(PCA)的步骤为：计算相关系数矩阵、计算特征值和特征向量、计算主成分贡献率和累计贡献率与计算主成分的载荷值。对苹果新鲜度气味信息数据进行特征提取，达到对数据降维，减少数据处理过程中的运算量、提高分类的准确率的目的；
其中，采用C#和MATLAB混合编程的方法实现PCA分析，用导入判别模型的方法实现LDA分类。
本发明还包括步骤：通过传感器阵列采集得到待测样品苹果新鲜度气味数据信息，用步骤4)所得判别模型判断新鲜度。
本发明的有益效果在于：
本发明所提出的苹果新鲜度快速无损检测技术，包括传感器阵列的选择、传感器响应信号分析、响应特征信息预处理和数据分析方法研究。其中，传感器选择金属氧化物传感器阵列；通过设计并建立接口电路对传感器响应信号进行采集与分析；由滤波、漂移补偿和特征值提取对特征信息进行预处理；通过主成分分析(PCA)和线性判别分析(LDA)对苹果气味信息分析计算；最终通过软件将气味特征信息算法实现，从而由气味特征信息快速准确地判断出苹果的新鲜度情况。
本发明所用于快速无损检测苹果新鲜度的仿生嗅觉装置，包括装置的硬件结构和装置的软件实现两部分。
所述装置的硬件结构部分包括进气室、传感器供压/稳压模块、信号调节装置、数据采集装置、电源模块与通讯模块。进气室中的金属氧化物传感器阵列采集苹果的气味特征信息。信号调节装置与进气室相连接，将苹果气味特征信息转化为电信号。数据采集装置与信号调节装置相连接，接受并采集上述装置所得到的数字气味特征信息。通讯模块与数据采集装置相连接，将气味特征信息传输至下位机进行处理。传感器供压/稳压模块与进气室中的传感器阵列相连接，为传感器阵列提供稳定的工作电压以保障其正常进行工作。电源模块与传感器供压/稳压模块、信号调节装置和数据采集装置相连接，为各部件提供电源，以保证上述各部件的正常运行。
所述装置的软件实现部分，用户通过该软件可以进行配置参数、数据采集、数据平滑、读取波形等操作。软件通过C#和MATLAB混合编程实现对苹果气味特征信息进行主成分分析(PCA)分析，通过导入判别模型的方法实现线性判别分析(LDA)，从而根据上述的数据处理算法最终判断出苹果新鲜度情况。
附图说明
图1为本发明的苹果新鲜度的仿生嗅觉快速无损检测装置外观的立体图。
图2为本发明提供的仿生嗅觉快速无损检测苹果新鲜度装置剖视图。
图3为本仿生嗅觉快速无损检测苹果新鲜度装置检测的流程图。
图4为信号处理各模块的结构图。
图中，1为传感器阵列，101为传感器插板，2为筒体，201为把手，3为进气口，301为进气口外边，302为进气口内边，4为顶面，401为抽气扇，402为出气口，5为加热器件，6为导流板
具体实施方式
下面通过最佳实施例来说明本发明。本领域技术人员所应知的是，实施例只用来说明本发明而不是用来限制本发明的范围。
如无特别说明，实施例中采用的手段均为本领域所公知的技术手段。
实施例1
参见图1，一种苹果新鲜度的仿生嗅觉快速无损检测装置，包括管状的筒体2、弧形的顶面4和侧面形状为梯形的进气口3，管状筒体的一端连接进气口3，另一端连接顶面4；顶面内设置有抽气扇401，顶面上开有出气口402。筒体上设置把手201。
筒体内从进气口向抽气扇方向顺次布置有加热器件5和传感器陈列1；所述传感器陈列通过接口电路连接有电源模块和供压稳压模块，其中稳压部件采用LM2596，将直流12V供电转为5V，以保证每个传感器的工作电压的稳定性，又满足了电压扩展性。供压部件为FC22模块。
参见图2，进气口3有内边和外边两层，进气口外边301为硬质塑料，向外倾斜，具有锯齿形边缘，起支撑作用；进气口内边302向内倾斜，具有锯齿形边缘；
所述加热器件5为盘成塔状的电热丝，塔状电热丝底部设有垂直与水平面的导流板6(当筒体竖直放置时)；所述传感器阵列1设置在传感器插板上，导流板与传感器插板101接触的边与筒体的长轴呈45°角，导流板6与传感器插板101接触的边将所述传感器插板分成等面积的两面；所述传感器阵列包括金属氧化物传感器和乙醇电化学传感器、温度传感器，所述金属氧化物传感器包括TGS822、TGS825、TGS826、TGS880传感器。六个传感器分设在以所述导流板隔开的两面传感器插板上，一边三个。
参见图4，其中，所述接口电路包括信号调节电路和A/D采样电路，所述通讯模块通过USB接口连接有下位机。所述信号调节电路采用分压电路、直流电桥、反向放大器和五级式桥路放大器连接而成，将传感器对苹果气体的响应转化为容易测量的电信号，并传输至数据采集装置。数据采集装置通过其中的A/D转换电路，将模拟信号转变为数字信号，通过小型数据采集卡NI USB-6008(美国仪器公司，National Instruments，NI)采集苹果气体特征数字信息。数据采集装置通过USB端口将采集得到的苹果气味特征信息传输至计算机。
实施例2
采用实施例1的装置，进行苹果新鲜度判断的流程如图3，其步骤为：
1)通过传感器阵列获得苹果新鲜度气味特征信息，建立苹果新鲜度气味特征信息库；7、根据权利要求6所述的快速无损检测方法，其特征在于，所述步骤1)中，采用金属氧化物传感器和电化学传感器检测乙醇信息，当金属氧化物传感器采集的信号大于3.0V，则切换为记录电化学传感器检测的乙醇信息。
2)对苹果新鲜度气味信息数据进行预处理，达到对信息进行滤波、漂移补偿和特征值提取的目的；所述的苹果新鲜度气味信息预处理方法用于使传感器响应曲线更加平滑，并消除环境因素对气体传感器的影响。用修正后的差分法作为有效的特征值提取。差分法的定义为。其中，Xi为响应的某一时刻值、/>为响应最大值、/>为响应最小值。
3)对苹果新鲜度气味信息数据进行特征提取，已达到对数据降维，减少数据处理过程中的运算量、提高分类的准确率的目的。采用主成分分析(PCA)方法对处理过后的苹果新鲜度气味特征信息进行数据提取，确定主成分。主成分分析(PCA)的步骤为：计算相关系数矩阵、计算特征值和特征向量、计算主成分贡献率和累计贡献率与计算主成分的载荷值。
4)对苹果新鲜度气味信息数据进行分类器设计，寻找最大化目标函数，用线性判别分析(LDA)方法对苹果新鲜度气味信息进行处理。采用C#和MATLAB混合编程的方法实现PCA分析，用导入判别模型的方法实现LDA分类。
计算机中的软件采用C#和MATLAB混合编程，可以进行如下操作：
1)可以设置模拟信号输入配置参数，以便于用户选择单端接线方式和差分接线方式；
2)设有8个信号采集通道，方便用户增加传感器阵列中传感器的数目；
3)能够实时显示波形和响应数据；
4)保存采集结果，允许将结果存储为txt、excel和csv三种格式，并且可以将波形图以jpg格式保存；
5)定时开始和自动采集，根据设定的开始时间和采集次数、单次采集时间，自动采集和自动存储；
6)数据预处理，由于实验中数据采集卡采集的响应数据存在一定的噪声，本文系统可以对每次采集的数据进行多种平滑或函数拟和处理，处理后可以选择自动或手动储存为txt和xls格式文件；
7)数据分析处理，首先将待分析的数据进行特征提取，然后可以选择用PCA算法对数据进行分析和用LDA算法对样品进行分类，并且可以以点状图形式显示分析结果。
该软件可以进行配置参数、数据采集、数据平滑、读取波形等操作。软件通过C#和MATLAB混合编程实现对苹果气味特征信息进行主成分分析(PCA)分析，通过导入判别模型的方法实现线性判别分析(LDA)，从而根据上述的数据处理算法最终判断出苹果新鲜度情况。软件的界面包括：用户登录界面、主界面、数据平滑界面、特征提取界面、主成分分析界面和线性判别分析界面。其中，所述用户登录界面为了满足软件使用的登录需求而设计。同时，该界面可供系统管理员对使用该系统用户进行增加、删除、修改操作。
所述主界面包括菜单栏、工具栏、左侧设置、中间图形显示、右侧实时状态显示、底部状态信息等。用户通过该界面可以对样本气体进行采集，响应信息平滑处理、特征提取、接线端选择(单端或差分)、PCA分析、LDA分类等操作。
本实施例一次试验过程为：
收集刚采摘的苹果，分成数量相等的四组，第一天用步骤1)采集数据，然后把苹果放在烧杯里，烧杯上蒙保鲜膜，再放入冰箱，第2天、第5天、第7天，第10天、第14天、第28天均进行检测，把烧杯放在测试腔里，掀开保鲜膜，读取数据。
得到的判断模型的准确率为90％。
实施例3
采用的装置同实施例1。未知新鲜度的苹果，直接放入测试腔，等待10分钟后开启抽风扇，通过传感器阵列获得苹果新鲜度气味特征信息，代入实施例2所得判别模型，得知苹果的新鲜度。
实施例4
采用的装置同实施例1。未知新鲜度的苹果，放在烧杯里，蒙上保鲜膜，放置1小时，取出并揭开保鲜膜，放入测试腔后即开启抽风扇，通过传感器阵列获得苹果新鲜度气味特征信息，代入实施例2所得判别模型，得知苹果的新鲜度。
以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种苹果新鲜度的仿生嗅觉快速无损检测装置，其特征在于，包括管状的壳体、弧形的顶面和侧面形状为梯形的进气口，管状壳体的一端连接所述进气口，另一端连接顶面；顶面内设置有抽气扇，顶面上开有出气口；
进气口有内边和外边两层，外边向外倾斜，具有锯齿形边缘；内边向内倾斜，具有锯齿形边缘；
壳体内从进气口向抽气扇方向顺次布置有加热器件和传感器阵列；所述传感器阵列通过接口电路连接有电源模块和供压稳压模块；
进气口外边为硬质材料，进气口内边为软质材料，进气口内边中间为放置苹果的区域；进气口与管状壳体连接面上设置有多叶隔板；所述加热器件为盘成塔状的电热丝，塔状电热丝底部设有与水平面垂直的导流板；所述传感器阵列设置在传感器插板上，导流板与传感器插板接触的边将所述传感器插板分成等面积的两面，传感器插板与导流板接触的边与壳体中轴呈42～48°角。
2.根据权利要求1所述的仿生嗅觉快速无损检测装置，其特征在于，所述传感器阵列包括金属氧化物传感器和乙醇电化学传感器、温度传感器，所述金属氧化物传感器包括酒精、硫化氢、氨气、食物蒸汽传感器；六个传感器分设在以所述导流板隔开的两面传感器插板上。
3.根据权利要求1或2所述的仿生嗅觉快速无损检测装置，其特征在于，所述接口电路包括信号调节电路和A/D采样电路，所述仿生嗅觉快速无损检测装置还包括通讯模块，所述通讯模块通过USB接口连接有下位机。
4.一种苹果新鲜度的快速无损检测方法，采用权利要求1～3任一所述的仿生嗅觉快速无损检测装置进行检测，其特征在于，包括如下步骤：
1)通过传感器阵列获得苹果新鲜度气味特征信息，在苹果摘下后第1至40天内多次检测，建立苹果新鲜度气味特征信息库；
2)对苹果新鲜度气味信息数据进行预处理，对信息进行滤波、漂移补偿和特征值提取；
3)采用主成分分析(PCA)方法对处理过后的苹果新鲜度气味特征信息进行数据提取，确定主成分；
4)对苹果新鲜度气味信息数据进行分类器设计，寻找最大化目标函数，用线性判别分析(LDA)方法对苹果新鲜度气味信息进行处理，建立判别模型。
5.根据权利要求4所述的快速无损检测方法，其特征在于，所述步骤1)中，采用金属氧化物传感器和电化学传感器检测乙醇信息，当金属氧化物传感器采集的信号大于3.0V，则切换为记录电化学传感器检测的乙醇信息。
6.根据权利要求4所述的快速无损检测方法，其特征在于，所述步骤2)中，用修正后的差分法作为有效的特征值提取，差分法的定义为xi＝(Vi max-Vi min)，其中，Xi为响应的某一时刻值、Vi max为响应最大值、Vi min为响应最小值。
7.根据权利要求4所述的快速无损检测方法，其特征在于，所述步骤3)中，主成分分析(PCA)的步骤为：计算相关系数矩阵、计算特征值和特征向量、计算主成分贡献率和累计贡献率与计算主成分的载荷值。
8.根据权利要求4～7任一项所述的快速无损检测方法，其特征在于，采用C#和MATLAB混合编程的方法实现PCA分析，用导入判别模型的方法实现LDA分类。
9.根据权利要求4～7任一项所述的快速无损检测方法，其特征在于，通过传感器阵列采集得到待测苹果样品新鲜度气味数据信息，用步骤4)所得到的判别模型判断新鲜度。
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