专利名称：基于电子鼻的食品品质检测系统和检测方法
技术领域：
本发明涉及食品品质检测领域，尤其是涉及一种基于电子鼻的食品品质检测系统和检测方法。
背景技术：
食品品质是食品质量的重要指标之一，也是食品能否为消费者接受的主要因素之一。目前食品品质一般采用人工感官品评方法，但人的感觉器官易受环境、品评员个体差异以及主观因素的干扰，从而降低了品评结果的准确性。同时，人工感官防范更不适合品评有毒害物质。以色谱类为代表的仪器分析方法虽可定性和定量分析食品气味成分，但该方法普遍存在耗时长、成本高、设备昂贵、有毒害等不足，不适合现场检测的需要。例如，中国专利授权公告号CN101769889A，授权公告日2010年7月7日，公开了一种农产品品质检测的电子鼻系统，包括一主要完成对低浓度气味收集的气体富集模块， 一主要把气味信号转化为电信号的气室气路模块及传感器阵列，一主要对传感器阵列输出信号进行滤波、模数转换、特征提取的传感器调理电路与数据预处理模块，一对信号进行识别和判断、且带有数据存储的嵌入式系统，一显示与结果输出模块；所述的气体富集模块由装填有吸附剂的吸附管、电热丝和温控装置构成。该发明不足之处是对检测数据的处理方法单一；能够检测的产品范围窄。又如，中国专利授权公告号CN101382531A，授权公告日2009年3月11日，公开了一种利用电子鼻检测虾新鲜度的方法，包括下述步骤将待检测虾样品放入密封容器中，恒温水浴加热；在测试室中通入流速稳定的气体，将加热后的虾样品放入测试室中，使气流携带样品散发出的气味经过由5个不同类型的气体传感器组成的阵列进行检测；收集气体传感器阵列采集的数据，对采集的数据进行数据处理，根据数据处理结果评定虾新鲜度。该发明不足之处是对检测数据的处理方法单一，能够检测的产品范围窄，且没有解决气体传感器长时间工作出现的基线漂移问题，这都限制了电子鼻技术在食品快速检测领域所发挥的作用。
发明内容
本发明的目的在于构建出一套电子鼻系统，提出一种基于电子鼻的食品品质检测系统和检测方法。为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案
一种基于电子鼻的食品品质检测系统，包括电子鼻系统、空气滤清装置和微型计算机， 还包括样品容器，所述空气滤清装置包括第一空气滤清装置和第二空气滤清装置；电子鼻系统与微型计算机相连接；第一空气滤清装置与样品容器相连接，第二空气滤清装置与电子鼻系统相连接。电子鼻技术是近年来发展较快的一种人工嗅觉系统，它利用多个具有不同敏感特性的气敏传感器阵列，结合模式识别的数据处理方法，仿生人体的嗅觉系统，对被测气体进行智能化检测。电子鼻在食品生产质量控制领域处于刚刚兴起阶段，使用方便而且迅速。与传统的人工感官品评法相比，它能避免人为误差，重复性好，还能检测一些人鼻不能够检测的气体，如毒气或一些刺激性气体，它在许多领域，尤其是食品行业发挥着越来越重要的作用。 相比色谱、光谱等分析技术，电子鼻技术具有检测速度快、响应灵敏、样品前处理简单、价格低廉、易于使用等优点；其测定评估范围广，它可以检测各种不同种类的食品；这些特点使电子鼻系统成为食品行业非常具有开发潜力的检测仪器。作为优选，微型计算机中设有用于控制电子鼻系统进行工作参数设置、样品检测、 传感器清洗、实验数据收集、处理和分析的上位机控制软件。作为优选，所述电子鼻系统包括传感器阵列、供气动力装置和若干个气室。作为优选，所述传感器阵列包括若干个气体传感器；每个传感器处于独立的气室内；所述气室采用聚四氟乙烯耐高温材料制成。作为优选，所述空气滤清装置包括活性炭材料和容纳器具。作为优选，所述供气动力装置包括采样泵、清洗泵和电磁阀，电磁阀包括第一电磁阀和第二电磁阀；采样泵通过聚乙烯导管与第一电磁阀相连接，清洗泵一端与第二空气滤清装置通过聚乙烯导管相连，清洗泵另一端与第二电磁阀通过聚乙烯导管相连接，第一电磁阀和第二电磁阀分别通过聚乙烯导管与传感器气室相连接。电子鼻系统包含的传感器阵列是由8类半导体气体传感器构成，它们的型号和性能如表I所示。每个传感器的气室独立，气室采用耐高温材料制成，气体可均匀泵入每个传感器的气室，这样做的优点在于避免了传感器间的相互干扰，提高检测精度。表I传感器型号及性能特点
传感器编号传感器型号敏感气体种类ITGS-825硫化物2TGS-821氢气等可燃性气体3TGS-826氨气4TGS-822酒精、甲苯、二甲苯等5TGS-842碳氢组分气体(C1~C8)6TGS-813甲烷、丙焼、丁烷7TGS-2610丙焼、丁焼8TGS-2201氮氧化物
对传感器获得的信号经过气敏传感器信号放大及滤波电路、模数转换电路处理后，将转换的结果传至嵌入式系统保存。气敏传感器输出的电压值很小，在模数转换时，模数转换芯片存在误差，过小的电压值会使误差造成的影响过大，所以需要对电压信号进行放大处理。另外，由于一些不稳定的因素，可能会使输出信号产生一些毛刺，需要滤去这些毛刺。模数转换将连续的模拟量(如电压、电流等)通过取样转换成离散的数字量。在嵌入式系统中处理的数据都是0和I组成的二进制数，是一种数字量，而从传感器出来的信号是连续的模拟量，必须要经过模数转换将其转化为数字量才能被嵌入式系统接受。模数转换电路的任务是将传感器输出的连续的电压信号转换成离散的数字信号。将处理后的数字信号输入阈值随机共振互相关系数分析系统，可以克服半导体气体传感器工作时间长温度高所造成的基线漂移的问题，更精确的对不同风味的食品样本数据进行处理和分析。一种基于电子鼻的食品品质检测系统的检测方法，包括下述步骤(O开启电子鼻和与其连接的微型计算机，运行电子鼻上的上位机控制软件，以经过活性炭滤清的空气清洗电子鼻传感器30分钟，使电子鼻各传感器的响应回归至基线值；
(2)将待测食品样品置于密闭容器中，在室温下静置30分钟，使容器顶空中积累一定量的草鱼样品挥发气体；
(3)样品检测时电子鼻气室内先通入洁净空气稳定60秒，然后设定好电子鼻工作参数 (包括工作传感器的选择，检测时间、检测载气流速、清洗时间、清洗气体流速等的设定)；将检测探头插入样品容器内，并同时将空气滤清器插入样品容器以平衡气压，将样品挥发的气体吸入电子鼻气室，挥发性气体成分与各传感器接触并作用，各传感器电导率发生变化， 产生电信号；
(4)采集各传感器的数据，并通过高速USB接口将数据传输至微型计算机进行显示和存储；
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(5)选取电子鼻响应初始值(Vs)、稳定值(Ve)、上升时间(Ti)、上升速率()4
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个原始特征值；
(6)将电子鼻响应初始值(Vs)、稳定值(Ve)、上升时间(Ti)、上升速率输入电
子鼻系统内的固化有阈值随机共振算法的数字信号处理器DSP芯片内，计算互相关系数特征值foe ；
由多个阈值单元构成的并行网络在工程中广泛存在，因此阈值上随机共振具有实际的应用价值和广阔的应用前景。由多个传感器组成的加和阵列，其中每个传感器具有一定的灵敏度，存在对信号响应的阈值，就是典型的多阈值加和并行网络系统。多个阈值单元组成的并行网络在实际系统中广泛存在，因此许多实际工程问题都可以简化为单个或多个阈上随机共振模型的排列分布。电子鼻系统是有多传感器阵列构成的分立-叠加复杂系统。 阵列中的每一个传感器都具有独立的灵敏度，检测信号响应存在着阈值，因此我们可以把智能电子鼻系统视作一种多阈值分立-叠加的复杂体系。图2所示为多个分立阈值单元叠加构成的网络体系，其中~= (Xl Xj Μ)为
输入信号，VM和肖分别为第f个单元上的噪声和对应单元的阈值。Xi)为输出信号，取值范围为[O, I] OW = I(I)
实际系统的输入多为非周期性信号，对于非周期输入信号的随机共振系统通常采用互相关系数来表征，互相关系数表征了系统的随机输入与输出信号之间匹配程度。(7)对不同品质的食品样品的互相关系数特征值foe进行主成分分析，绘制出主成分分析图，根据分析图判断食品品质。本发明构建出一套用于食品品质分析的新型电子鼻系统，该系统内置的数字信号处理芯片(DSP)可实时处理电子鼻检测数据并输出互相关系数特征值foe，根据互相关系数特征值判定食品品质的优劣。固化在DSP内的阈值随机共振程序可以克服现有模式识别方法的不足，提高样品区分和识别的准确度。同时可有效解决现有气体传感器基线漂移的问题，提闻检测精度。(8)检测结束后，用清洗泵吸取滤清空气清洗传感器，使个传感器的响应恢复至基线值，待下次测量。作为优选，所述步骤(7)和步骤(8)之间插入下述步骤
(8-1)根据不同品质的食品的互相关系数特征值foe拟合出不同的食品品质预测模
型；
(8-2)将互相关系数特征值foe代入下述食品品质预测模型的公式中，计算食品品质系数
权利要求
1.一种基于电子鼻的食品品质检测系统，包括电子鼻系统(4)、空气滤清装置和微型计算机(5)，其特征在于，还包括样本容器(3)，所述空气滤清装置包括第一空气滤清装置(I)和第二空气滤清装置(2);电子鼻系统与微型计算机相连接；第一空气滤清装置与样品容器相连接，第二空气滤清装置与电子鼻系统相连接。
2.根据权利要求I所述的基于电子鼻的食品品质检测系统，其特征在于，所述微型计算机中设有用于控制电子鼻系统进行工作参数设置、样品检测、传感器清洗和实验数据收集、处理和分析的上位机控制软件。
3.根据权利要求I所述的基于电子鼻的食品品质检测系统，其特征在于，所述电子鼻系统包括传感器阵列、供气动力装置和若干个气室。
4.根据权利要求3所述的基于电子鼻的食品品质检测系统，其特征在于，所述传感器阵列包括若干个气体传感器；每个传感器处于独立的气室内。
5.根据权利要求I所述的基于电子鼻的食品品质检测系统，其特征在于，所述空气滤清装置包括活性炭材料和容纳器具。
6.根据权利要求3所述的基于电子鼻的食品品质检测系统，其特征在于，所述供气动力装置包括采样泵、清洗泵和电磁阀，电磁阀包括第一电磁阀和第二电磁阀；采样泵通过聚乙烯导管与第一电磁阀相连接，清洗泵一端与第二空气滤清装置通过聚乙烯导管相连，清洗泵另一端与第二电磁阀通过聚乙烯导管相连接，第一电磁阀和第二电磁阀分别通过聚乙烯导管与传感器气室相连接。
7.一种基于电子鼻的食品品质检测系统的检测方法，适用于权利要求I所述的基于电子鼻的食品品质检测系统，其特征在于，包括下述步骤(O开启电子鼻和与其连接的微型计算机，运行电子鼻上的上位机控制软件，以经过活性炭滤清的空气清洗电子鼻传感器30分钟，使电子鼻各传感器的响应回归至基线值；(2)将待测食品样品置于密闭容器中，在室温下静置30分钟，使容器顶空中积累一定量的草鱼样品挥发气体；(3)样品检测时电子鼻气室内先通入洁净空气稳定60秒，然后设定好电子鼻工作参数；将检测探头插入样品容器内，并同时将空气滤清器插入样品容器以平衡气压，将样品挥发的气体吸入电子鼻气室，挥发性气体成分与各传感器接触并作用，各传感器电导率发生变化，产生电信号；(4)采集各传感器的数据，并通过高速USB接口将数据传输至微型计算机进行显示和存储；(5)选取电子鼻响应初始值(Vs)、稳定值(Ve)、上升时间(Ti)、上升速率( Ve 一 Vs) 4个原始特征值；Ti(6)将电子鼻响应初始值(Vs)、稳定值(Ve)、上升时间(Ti)、上升速率(4^)输入电Ti子鼻系统内的固化有阈值随机共振算法的数字信号处理器DSP芯片内，计算互相关系数特征值foe ；(7)对不同品质的食品样品的互相关系数特征值foe进行主成分分析，绘制出主成分分析图，根据分析图判断食品品质；(8)检测结束后，用清洗泵吸取滤清空气清洗传感器，使个传感器的响应恢复至基线值，待下次测量。
8.根据权利要求7所述的基于电子鼻的食品品质检测系统的检测方法，其特征在于， 所述步骤(7)和步骤(8)之间插入下述步骤(8-1)根据不同品质的食品的互相关系数特征值foe拟合出不同的食品品质预测模型；(8-2)将互相关系数特征值foe代入下述食品品质预测模型的公式中，计算食品品质系数其中，foe为互相关系数特征值，Qf为食品品质系数； (8-3)根据食品品质系数判断食品品质。
全文摘要
本发明公开了一种基于电子鼻的食品品质检测系统和检测方法，包括电子鼻系统、空气滤清装置和微型计算机，还包括样本容器，所述空气滤清装置包括第一空气滤清装置和第二空气滤清装置；电子鼻系统与微型计算机相连接；第一空气滤清装置与样品容器相连接，第二空气滤清装置与电子鼻系统相连接。微型计算机中设有用于控制电子鼻系统进行工作参数设置、样品检测、传感器清洗和实验数据收集、处理和分析的上位机控制软件。电子鼻系统包括传感器阵列、供气动力装置和若干个气室。本发明系统的阈值随机共振互相关系数分析技术克服了半导体气体传感器的基线漂移的问题，提高食品品质分析的准确性。
文档编号G01N27/12GK102590288SQ20121001421
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月17日 优先权日2012年1月17日
发明者张千金, 惠国华, 汤旭祥, 陈丹妮 申请人:浙江工商大学