CN108469455A - 一种用于草莓新鲜度判别的便携式电子鼻系统的设计及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于草莓新鲜度判别的便携式电子鼻系统的设计及方法，实现了电子鼻系统小型化、便携式的设计。该系统设计主要分为气路模块、电路模块和便携式电脑端的模式判别系统。系统应用于草莓新鲜度的检测，静态提取草莓样品顶部空间的气体后，传感器阵列接触样气获得响应的电压信号，经模数转换成数值输送给电脑端后，由模式判别系统对实验数据进行预处理、特征提取及模式识别，最终获得判别结果。该电子鼻系统简易、便携，所建立的草莓新鲜度检测模型具有较高的分类正确率，可实现草莓流通过程中的实时在线检测，为草莓新鲜度的检测提供了一种新的无损化方法。

Description

一种用于草莓新鲜度判别的便携式电子鼻系统的设计及方法
技术领域
本发明设计一种电子鼻系统的设计及方法，尤其是一种用于草莓新鲜度判别的便携式电子鼻系统的设计及方法。
背景技术
草莓浆果易腐、易损，在整个流通过程中损失较为严重。而其在贮藏过程中挥发性香味成分会发生改变，气敏传感器对这些挥发性气味有较好的响应，能够从一定程度上反映出草莓的新鲜程度。
品质等级及新鲜度是食品检测的两个重要指标，传统的分析方法有感官评价和理化指标检测，但感官评价往往受主观因素影响，重复性差，而理化指标检测又相对耗时，操作复杂。电子鼻作为一款新型、智能化的感官分析仪器，可通过对食品挥发性气体的检测，以区分食品不同品质等级及新鲜度。其分析速度快、复现性较好，且具有检测方法无损化的优势。本发明的电子鼻系统模拟人的嗅觉系统设计而成，主要包括传感器阵列、信号采集模块和模式判别模块三大单元，使用灵活、实现了小型化、便携式的设计。
发明内容
为判别流通过程中不同新鲜程度的草莓，本发明公开了一种便携式电子鼻系统的设计及方法。
本发明所设计的系统主要包括气路模块、电路模块和便携式电脑端的模式判别系统(1)。气路模块由封闭式气室(2)、传感器阵列(3)、空气净化装置(4)、气泵(5)和节流阀(6)构成；电路模块分为传感器检测电路、模数转化模块(7)及电源模块：
封闭气室具有一定的气密性及热稳定性，待草莓样品(8)平衡后，静态提取其顶部空间的样气用于检测。
所述气室的进气口与出气口分别与封闭气室及洗气装置相连，封闭气室内部置有传感器阵列。所述传感器阵列由6个金属氧化物传感器(MOS)及温湿度传感器模块构成。所述6个金属氧化物传感器分别为甲烷等烷烃类气体传感器(S1)、乙醇气体传感器(S2)、乙醇/有机溶剂类气体传感器(S3)、芳香型化合物气体传感器(S4)、酒精/VOCs气体传感器(S5)、硫化氢气体传感器(S6)。
空气净化装置选用活性炭作为吸附剂，滤去水蒸气，并吸附空气中二氧化碳、挥发性硫氧化物等干扰气体，以净化后的环境气体作为标准气体。
MOS传感器检测电路由6路电路并联而成，每个电路连有一个气敏传感器，采用分压式设计。为传感器阵列加热，并将传感器阵列所采集的气体响应值转化为电压信号。
模数转化(AD)模块采用8通道12位的数据采集器，通过USB与便携式电脑连接。AD模块电路与检测电路相连，以I/O接口形式实现并行通信，经模数转换将6路传感器的模拟信号转换为数值并输送给电脑端，通过软件实现数据动态显示和存储。
电源模块为5V直流电压，为传感器阵列供电。
静态采集草莓样品顶部空间的气体后，经AD模块转换后的数值信号先进行预处理，扣除基线值后，提取各传感器稳定后的响应数值作为特征值进行模式判别。所述模式判别采用偏最小二乘法判别分析(PLS-DA)及支持向量机模型(SVM-C)对提取的特征值进行建模。
本发明所设计的电子鼻具有简易、便携的特点，并运用PLS-DA、SVM-C的模式判别方法，对草莓新鲜度的检测具有一定的可行性，可作为智能化的检测设备应用于流通过程，为检测草莓新鲜度提供一种新的无损化方法。
附图说明
图1为本发明的电子鼻系统设计结构图
图2为本发明的数据采集分析流程图
图3为本发明的软件系统流程图
图4为本发明电子鼻检测传感器的响应信号图
图5为本发明基于PLS-DA判别方式的草莓新鲜度建模结果
图6为本发明基于SVM-C判别方式的草莓新鲜度建模结果
具体实施方式
以下将结合附图对本发明做具体的说明。
本发明所设计的系统主要包括气路模块、电路模块和便携式电脑端的模式判别系统(1)。气路模块由封闭式气室(2)、传感器阵列(3)、空气净化装置(4)、气泵(5)和节流阀(6)构成；电路模块分为传感器检测电路、模数转化模块(7)及电源模块：
附图1出示了本发明的系统设计结构，其检测过程如下所述：
(1)预热：传感器阵列预热，使各传感器达到一个初始稳定状态。
(2)洗气：打开气泵，空气经活性炭过滤去除空气中的水蒸气，并吸附干扰性气体，最终使气室内气体组分达到一个稳定的平衡，并以氮气作为参考气体。
(3)检测：密闭样品使其顶部气体达到一个相对饱和状态，静态提取其顶部空间的气体，传感器获得响应值，直至响应值呈现一个平稳状态停止检测。
(4)清洗：同洗气环节。洁净空气通入传感器气室，带走前一次检测残留的被测气体。同时检测传感器的响应信号，当信号恢复到检测前的基线水平时，说明已达到清洗效果，可以进行下一次检测。
所述传感器阵列由6个金属氧化物传感器(MOS)及温湿度传感器模块构成。所述6个金属氧化物传感器分别为甲烷等烷烃类气体传感器(S1)、乙醇气体传感器(S2)、乙醇/有机溶剂类气体传感器(S3)、芳香型化合物气体传感器(S4)、酒精/VOCs气体传感器(S5)、硫化氢气体传感器(S6)。
附图2出示了本发明的数据采集分析流程图。传感器接触到样气，获得响应的电压信号，由模数转换成数值输送给便携式电脑，并由模式判别系统对实验数据进行预处理、特征提取及模式识别，最后输出判别结果。附图3为本发明便携式电脑的软件系统流程图。
实施例
一种利用所设计的便携式电子鼻系统判别草莓新鲜度的方法，具体步骤如下：
(1)样本选取：采摘南京琐石村生态园的八成熟“红颜”草莓，挑选无损伤，无病害，大小、颜色基本一致的草莓240颗于20℃，相对湿度80-90％恒温恒湿箱中贮藏。以采摘当天为起始0d，每天提取电子鼻信号，连续测定6天，每次测定40个样本。
(2)传感器响应信号的获取：于室温(约25℃)密闭样品5min，使其顶部气体达到一个相对的饱和状态，静态提取其顶部空间的气体，传感器获得响应值，检测时间约为80s，响应值呈现一个平稳状态。模数转换将6路传感器的模拟信号转换为数值并输送给电脑端。附图4给出了检测过程中传感器信号的响应。
(3)建立草莓新鲜度的判别模型：终端接收到由模数转换后的数字信号，实现数据动态显示和存储。提取响应曲线上平稳阶段(78-80s)的平均值作为特征值，采用偏最小二乘法判别分析(PLS-DA)及支持向量机模型(SVM-C)对提取的特征值进行建模，将模型分为五组。结果表明PLS-DA模型的训练集和验证集的总正确率分别为82.72和82.05％。SVM-C的模型则优于PLS-DA，其训练集和验证集的总正确率分别为96.91和97.43％，具有较好的区分效果。附图5、6分别给出了基于PLS-DA和SVM-C两种不同判别方式的建模结果。
(4)流通过程中草莓新鲜程度判别的实现：将新鲜程度未知的草莓按上述步骤(2)实施，获取电子鼻信号；将获取的信号值作为特征值，应用步骤(3)所建模型进行判别，最终得到待检测草莓的新鲜程度。

Claims (2)

1.一种用于草莓新鲜度判别的便携式电子鼻系统的设计，其特征在于：系统设计主要包括气路模块、电路模块和便携式电脑端的模式判别系统(1)；气路模块由封闭式气室(2)、传感器阵列(3)、空气净化装置(4)、气泵(5)和节流阀(6)构成；电路模块分为传感器检测电路、模数转化模块(7)及电源模块：
所述封闭气室其特征在于：具有一定的气密性及热稳定性，待草莓样品(8)平衡后，静态提取其顶部空间的样气用于检测；
所述气室的进气口与出气口分别与封闭气室及洗气装置相连，封闭气室内部置有传感器阵列；所述传感器阵列由6个金属氧化物传感器(MOS)及温湿度传感器模块构成；所述6个金属氧化物传感器分别为甲烷等烷烃类气体传感器(S1)、乙醇气体传感器(S2)、乙醇/有机溶剂类气体传感器(S3)、芳香型化合物气体传感器(S4)、酒精/VOCs气体传感器(S5)、硫化氢气体传感器(S6)；
所述空气净化装置选用活性炭作为吸附剂，滤去水蒸气，并吸附空气中二氧化碳、挥发性硫氧化物等干扰气体，以净化后的环境气体作为标准气体；
所述传感器检测电路其特征在于：MOS传感器检测电路由6路电路并联而成，每个电路连有一个气敏传感器，采用分压式设计，为传感器阵列加热，并将传感器阵列所采集的气体响应值转化为电压信号；
所述模数转化(AD)模块采用8通道12位的数据采集器，通过USB与便携式电脑连接；AD模块电路与检测电路相连，以I/O接口形式实现并行通信，经模数转换将6路传感器的模拟信号转换为数值，并输送给电脑端，通过软件实现数据动态显示和存储；
所述的电源模块为5V直流电压，为传感器阵列供电。
2.一种用于草莓新鲜度判别的便携式电子鼻系统的方法，其特征在于：静态采集草莓样品顶部空间的气体后，经AD模块转换后的数值信号先进行预处理，扣除基线值后，提取各传感器稳定后的响应数值作为特征值进行模式判别；所述模式判别采用偏最小二乘法判别分析(PLS-DA)及支持向量机模型(SVM-C)对提取的特征值进行建模。
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