CN107144608A

CN107144608A - 一种基于边缘电场传感器的生肉品质检测方法

Info

Publication number: CN107144608A
Application number: CN201710352588.0A
Authority: CN
Inventors: 郭志恒; 夏百战; 骆昊
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China Zhongshan Institute
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China Zhongshan Institute
Priority date: 2017-05-18
Filing date: 2017-05-18
Publication date: 2017-09-08

Abstract

本发明提供一种基于边缘电场传感器的生肉品质检测方法，包括：步骤S1，根据检测介电频谱特性选择不同材料，设计制作优化结构的平面边缘场传感器，使传感器达到要求穿透深度和具有较高灵敏性，分析结构参数的主要影响，根据这些因素为最佳性能传感器提供依据；步骤S2，通过传感器研究用于生肉品质主要指标参数新鲜度、TVB‑N、PH值和含水率与复阻抗、电导值特征曲线之间变化规律以及等效介电常数的检测机理和检测性能；与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：可以应用到农产品品质、饮食安全的其它方面，如果蔬品质分级筛选，海产品污染毒素检测以及食品、食用油和农作物的品质安全检测等。

Description

一种基于边缘电场传感器的生肉品质检测方法

技术领域

本发明是一种基于边缘电场传感器的生肉品质检测方法，属于肉质检测领域。

背景技术

随着人们生活水平的不断提高，消费者对肉制品的品质安全和分级要求也日益提高，这一问题已受到越来越多的关注。传统的肉制品品质检测以化学分析方法为主，以人工感观评定为辅助。化学分析方法是采用化学方法进行破坏性检测，测试前样品要经预处理，系统需要多次校准；分析时间长、过程复杂和对样品有破坏等弊端。因此，需要研发一种低成本、易操作、适应强、检测时间短的无损检测技术和测量仪器，在生产过程中和日常检验可以实时获得生肉的品质信息；具有非破坏性、无需样品预处理、无污染以及成本低等优点。

国外发达国家在生肉品质无损检测方面进行了大量的研究，已经有相应的在线检测生产线问世。虽然国内在该领域的研究相对较晚，但也取得了阶段性的研究进展。国内外肉禽类品质安全检测采用的主要无损检测技术有：图像处理技术与机器视觉技术、光谱检测技术、超声波检测技术、X射线及生物阻抗检测方法等。但上述检测仪器和设备复杂、价格高、使用条件受到比较严格的限制，不适合中小规模肉禽加工企业和个人用户使用。

随着介电检测技术基础理论研究的深化，基于介电特性的肉类品质检测和加工处理逐渐成为当前研究的一个热点。研究表明：生鲜肉新鲜度是标志肉类品质的重要指标，其鉴别的主要参数有TVB-N(挥发性盐基氮)值、菌落总数、PH值等，在其它测试条件不变，如温度、频率等，其与介电特性具有确定的关联性。生肉的pH值影响肉的颜色、新鲜度、保水性、加工损失率及肉制品的质量等。pH值随着新鲜程度下降，而降低，复阻抗值不断减小，导电性持续增强。上述表明，可以根据生肉的介电特性参数检测分析法对生肉品质安全进行检测、识别和分类。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种基于边缘电场传感器的生肉品质检测方法，以解决上述背景技术中提出的问题,本发明使用方便，便于操作，设计巧妙，提高了市场竞争力。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种基于边缘电场传感器的生肉品质检测方法，包括：

步骤S1，根据检测介电频谱特性选择不同材料，设计制作优化结构的平面边缘场传感器，使传感器达到要求穿透深度和具有较高灵敏性，分析结构参数的主要影响，根据这些因素为最佳性能传感器提供依据；

步骤S2，通过传感器研究用于生肉品质主要指标参数新鲜度、TVB-N、PH值和含水率与复阻抗、电导值特征曲线之间变化规律以及等效介电常数的检测机理和检测性能。

进一步地，在步骤S1中，平面边缘场传感器包括：同心圆环平面传感器，圆环平面传感器阵列以及叉指型平面传感器。

本发明的有益效果：本发明的一种基于边缘电场传感器的生肉品质检测方法，可以应用到农产品品质、饮食安全的其它方面，如果蔬品质分级筛选，海产品污染毒素检测以及食品、食用油和农作物的品质安全检测等。这项检测技术还可以推广作为水资源污染、土质酸碱度监测以及工业中工件内部缺陷等领域研究参考。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一种基于边缘电场传感器的生肉品质检测方法的电容Cf随距离d变化函数关系图；

图2为本发明一种基于边缘电场传感器的生肉品质检测方法的单环结构ANSYS仿真电位分布图；

图3为本发明的电极电容相应变化曲线；

图4为同结构参数单环与阵列电容对比结果；

图5为猪肉各时段电容容抗频率变化曲线；

图6为猪肉各时段损耗电阻频率变化曲线；

图7为猪肉含水率与电容量的直线拟合图；

图8为含水率的测量误差分布图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

本发明提供一种技术方案：一种基于边缘电场传感器的生肉品质检测方法，包括：

在步骤S1中，平面边缘场传感器包括：同心圆环平面传感器，圆环平面传感器阵列以及叉指型平面传感器。

作为本发明的一个实施例：可以应用到农产品品质、饮食安全的其它方面，如果蔬品质分级筛选，海产品污染毒素检测以及食品、食用油和农作物的品质安全检测等。这项检测技术还可以推广作为水资源污染、土质酸碱度监测以及工业中工件内部缺陷等领域研究参考。

作为本发明的一个实施例：

1）根据检测介电频谱特性选择不同材料，设计制作优化结构的平面边缘场传感器，确保传感器达到要求穿透深度和具有较高灵敏性；分析结构参数的主要影响，根据这些因素为最佳性能传感器提供依据。研究设计两类传感器结构：单元结构和阵列结构；

（1）单元结构传感器设计同心圆环平面传感器、叉指型平面传感器的检测性能，分析不同肉类试样的穿透深度和测量灵敏性；分析传感器复阻抗对试样的频率响应；

（2）传感器阵列设计了2X2、4X4结构圆环平面传感器阵列，分析了主要结构参数对检测性能的影响，对比分析与相同尺寸的同类型单元传感器性能的改善；

2）研究用于生肉品质主要指标参数新鲜度、TVB-N、PH值和含水率与复阻抗、电导值特征曲线之间变化规律以及等效介电常数等参数的检测机理和检测性能；

在α频散主要发生频段，组织内细胞离子层发生变化，表现为细胞膜电容减小，这一内部物理属性变化必然反映在肉类介电特性参数改变。贮藏时间长，特别是肉类接近变质时，蛋白质和脂肪已经开始分解以及肉内含水率变化导致生肉内组成成分发生改变，相应α频散介电常数等参数有着确定的规律性变化，通过对生鲜肉试样的实验，验证生肉内部物理属性与其介电特性参数变化的相关性，在此基础上，研究生肉品质有效的检测方法；

3）分析介电频率响应数据的特征，研究数据处理方法，通过在宽频率范围得到频率响应数据的多变量主成分分析，识别其特征频率，用于生肉中特定成分（含水率）的定量检测技术；

4）为了研究便携式肉类检测仪器，本发明依据检测硬件系统的功能要求，采用Cypress公司EZ- USB FX2LP增强的8051微控制器CY7C68013A作为测量控制核心。复阻抗测量硬件电路和系统测量采集及控制软件，实现在宽频率范围测量采集、记录系统频率响应数据。同时该处理器具有USB接口，便于与PC机连接。

该系统的主要设计开发内容如下：

（1）复阻抗测量硬件电路采用高精度阻抗转换器件AD5933，具有优良特性：频率分辨率为0.1Hz，最高频率可达100KHz阻抗测量范围为100Ω到10MΩ，内部带有温度传感器，测量误差范围为士2℃，系统精度为0.5%。通过I2C总线与CY7C68013A通讯，完成复阻抗实部和虚部测量转换，并将数值结果传送给CY7C68013A，再存储记录到串口的E2PROM器件内；

（2）CY7C68013A微控制器、键盘、LCD显示、电池等部分组成系统的控制与主机通讯部分。系统供电电源为5V，由可调的稳压电源芯片LM117保证系统稳定的5V供应。能够通过USB2.0协议将存储的检测数据上传PC主机，再进一步对数据分析统计；

（3）AD5933的比例测量方法，基于比例测量的方法来测量阻抗的，其测量电路运算放大器接成电压并联负反馈结构；运放负端接地使得正端虚地，流入输入端电流直接流出输出端。因此，当激励电压和反馈电阻为固定值时，AD5933输出与待测阻抗成比列。采用多量程的标准电阻校准，可实现多量程阻抗个测量；

（4）便携式生肉品质检测仪的USB驱动设计，通过USB接口与PC机相连，利用CY7C68013A内带的USB2.0接口，通过设计USB底层驱动和应用程序，PC机能识别硬件并安装驱动程序，即插即用。

采用高精度阻抗数值转换芯片AD5933，内部集成了带有12位、采样率高达1MSPS的AD转换器的频率发生器。频率发生器可以产生特定的频率来激励外部阻抗，阻抗上得到的响应信号被ADC采样，并通过片上的DSP进行离散的傅立叶变换。傅立叶变换后返回在这个输出频率下得到的阻抗的实部和虚部，可以计算出在每个扫描频率下的傅立叶变换的模和电阻的相位角。AD5933具有优良特性：频率分辨率为0.1Hz，最高频率可达100KHz阻抗测量范围为100Ω到10MΩ，内部带有温度传感器，测量误差范围为士2℃，系统精度为0.5%。

关于同心圆环平面传感器：

当用设计同心圆环传感器测量导体的待测物时，电力线会有部分会往导体方向，距离越近，流失越多，电极端所感应到的电容值会减少。而边缘电容传感器对於非导体的时，不同距离得到不同的等效介电常数，利用电容值的变化便可推知传感器与待测物之间的距离变化。对于简单单环边缘场电容C_f 与距离d之关系式如下式：

上式中K1为常数，Ⅰ1为一阶贝塞尔函数，R1、R2为内外环半径，S为金属电极间隙，d为被测物（导体）距离。电容Cf随距离d变化函数关系如图1所示。

边缘场理论解析计算非常复杂，对于复杂的几何结构甚至不能实现。利用专业ANSYS进行电磁场仿真，图2为未放测试物体时，单环结构ANSYS仿真电位分布图。从电位分布上得到：中间上方电力线是垂直的，两端电力线从正极终止到负极，最为密集；上方介质改变对电容影响更大。设计优化后确定结构参数如表1所示。

表1同心圆环边缘场传感器结构参数

	外环宽度	绝缘间距	中心电极直径
				单环传感器	0.7mm	0.2mm	8.2mm
多环传感器	0.4mm	0.2mm	1.6mm

项目主要研究边缘场传感器电容、复阻抗、损耗因数等与被测生肉试样生化属性的相关性。实质上生肉试样生化属性决定其介电常数，内部介电常数变化反映到传感器探头电极电容、复阻抗等参数的测量值。

ANSYS仿真实验验证了被测物内部介电常数变化对边缘场传感器电容的影响。当R₁、R₂、S分别取值4.1mm、5mm、0.5mm，被测物距平面电极0.2mm，高度从0.1到2mm变化，其内部介质介电常数发生变化，由3到4.5改变，仿真得到电极电容相应变化曲线，如图3所示。

关于圆环平面传感器阵列：

为了进一步提高生肉品质检测传感器灵敏度，上述同心圆环单元阵列传感器设计，设计结构为2X2、3X3两种。ANSYS仿真比较单环结构，R1、R2、S分别取值3mm、4.5mm、0.5mm与同样参数（间距L=2mm）2X2阵列时，单一正电极和4电极互联对公共负电极自电容，请参阅图4，可得到圆环平面传感器阵列能够有效提高传感器的电容灵敏度。

关于叉指型平面传感器：

叉指型平面传感器采用叉指型电极有利于增大传感器的电容值，能够改善电场分布情况，提高介质变化响应灵敏度。

通过有限元电磁场仿真工具软件分析得到：在相同叉指数量条件下，叉指长、宽越大，间距越小，两电极的电容越大；间距小则灵敏度线性区变小。传感器结构参数经过电磁场有限元分析工具软件仿真优化获得：叉指长度(L=20mm)，叉指间距（d=0.4mm），叉指宽度（W=1mm）,叉指数为16。

本研究采用双面印制电路板设计制作叉指型电容传感器为：上层板制成同心圆环、叉指型电极单元结构传感器探头和2X2、3X3阵列传感器，下层板为屏蔽保护层，上下层板均涂覆不导电绝缘油。采用平面电容传感器可以避免接触电极测量阻抗时，接触阻抗对测量结果的影响。

一般保鲜储藏第三天时间已经达70小时以上，猪肉肉质已由次新鲜到开始变质；在感官上肉色泽由暗到无光泽，表面开始粘手，有氨或酸味变臭味表明猪肉已经变质。本次实验采集屠宰后的鲜猪肋骨肉当天、第2天和第3天的测量数据。实验前制成当天、第2天、第3天时间段的试样各5份；检测分析猪肉新鲜度与其介电参数电容的复阻抗的相关性。

基于Cole-Cole理论，生物组织内存在α、β和γ频散，其中α频散主要发生在音频频段，组织内细胞离子层发生变化，表现为细胞膜电容减小。实验测量频率选取20Hz-10kHz范围，电容和损耗因数采用LCR测量仪（固纬LCR-817）进行测量。LCR测量仪选取频率点为：20Hz、40Hz、79Hz、158Hz、319Hz、638Hz和1.28kHz、3.61kHz、5kHz、10kHz共10点，可直接测量相应频率下电容和损耗因数。实验数据均取所检测试样的平均值。

首先检测未放置试样，传感器探头空置时电容值，表2-3中C0为空置时电容值；第二步放置各时间段试样时传感电容值的变化情况。测试数据如表2-3中 C_1d、C_2d、C_3d为放置猪肉试样三个时间段的电容值，单位为pF；D_1d、D_2d、D_3为相应的损耗因数测量值。

通过表2，对比测量数据可以得出：⑴在频率较低时，猪肉试样电容值随频率增加下降很快，大于1kHz后增加不明显；⑵随储藏时间增加，损耗因数在较低频率时增加，较高频率时减少。

表2,猪肉试样电容和介电损耗因数实验测量值

实验主要分析屠宰后不同时段试样的复阻抗变化规律，可由直接测量的试样电容和介电损耗因数得到，从而得到复阻抗实部损耗电阻值和虚部的容抗值频谱变化。实验数据结果如图5、图6所示。图5为复阻抗虚部—Xc表示容抗，图6为复阻抗实部—R表示损耗电阻；1d、2d、3d表示当天、第2天、第3天时间段。

在研究的频率范围内，分析实验数据和实验曲线可以得出：

（1）猪肉试样容抗随频率增加出现一次峰值，出现最大值的频率对应特征频率，其随时间段增加有所增大，峰值向右侧移动；

（2）试样容抗和损耗电阻随频率增加，趋势减小，第3天时段在数值上明显大于前两天试样数值；

（3）屠宰当天和第2天的鲜肉生化特性相近，试样损耗电阻和电容容抗数值变化不大，当频率大于1kHz时，两者测量数值相近。

生鲜肉随着周围环境变化和贮存时间增加，特别是接近变质时，内部物质成分发生了复杂的生理化学反应，导致损耗电阻和电容容抗明显增加。分析实验测量数据变化特点，选择频率为160Hz时，三个时段内的相应损耗电阻和容抗差别最为明显，选择该频率下损耗电阻和电容容抗作为检验的标准值，再结合特征频率的变化值，可作为一种有效识别猪肉新鲜度的评价方法。

上述方法经过初步基础实验，选用同批次的鲜猪肉和相同部位瘦肉进行多次试验验证，识别变质猪肉总的准确率达到93%以上。针对不同批次和生肉检验部位检测需要对介电参数：损耗电阻和电容容抗重新标定，相关是深入研究需要在后续研究项目中完成。

为设计高精度的注水肉检测系统相关理论依据和相应的检验方法。系统能够实时检测受检肉类组织的电导谱数据，通过一系列的相关计算得出受检肉类是否注水。

设计的检测水分含量实验用的多环传感器探头外形直径为10mm，检测电容量非常小，未放置试样时，电容测量值小于0.5pF左右。电容传感器探头的测量电容为0.4～20 pF，电容最大值是最小值的大约50 倍，传统电容测量方法很难做到精确测量。本文采用阻抗转换器件AD5933，频率分辨率为0.1Hz，最高频率可达100KHz阻抗测量范围为100Ω到10MΩ，测量误差范围为0.5%。可产生特定的频率来激励外部的复阻抗，每个特定输出频率下得到的实部值R和虚部值I，虚部值即为电容容抗。

本研究采用恒温干燥法测定猪肉标准含水率样品，取鲜猪肉样品32.21、33.37、33.58g，恒温干燥箱设置温度为105，连续干燥8小时；之后每隔一小时称量质量一次，直到质量不发生变化，最后测量质量为干燥后干物质。经计算得到鲜猪肉标准含水率，如表3所示。同批次相同取样点鲜猪肉视为相同含水率。

表3 猪肉试样标准含水率恒温干燥法测定

取常规含水率的鲜猪肉样品20份。其中15份用于传感器标定试验，5份用于对比验证试验。通过控制干燥时间，实时测出每个样品不同失水程度样品的质量，得到58%~76.21%各个含水率试样。

在室温为23℃的实验室完成传感器测定猪肉含水率标定，利用该传感器测量不同含水率时相应电容量，对所获得的猪肉含水率与电容量的关系进行线性拟合，如图7所示。

利用5份样本采用等温干燥法制作各种含水率试样，进行传感器误差测定对比试验。含水率测量结果与干燥法获得结果的误差如图8，最大误差≦±2.5%，误差存在随机性。

试验表明：能即时显示猪肉的含水率，每次测量大约需0.5 s，猪肉含水率在60%～76.2%时，误差在±2.5%以内，能够满足实际使用测量精确度要求。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种基于边缘电场传感器的生肉品质检测方法，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于边缘电场传感器的生肉品质检测方法，其特征在于：在步骤S1中，平面边缘场传感器包括：同心圆环平面传感器，圆环平面传感器阵列以及叉指型平面传感器。