基於氣體傳感器陣列技術的食品氣味快速無損檢測方法及裝置的製作方法

2023-09-16 20:17:20 1

專利名稱：基於氣體傳感器陣列技術的食品氣味快速無損檢測方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種針對食品氣味的檢測方法及裝置，特指針對食品香氣和風味的基於氣體傳感器陣列和模式識別的快速無損檢測方法及裝置。
經檢索，有相關中國專利，申請號02111043.8「一種嗅覺模擬裝置及嗅覺模擬測試方法」，申請號02111963.5「可攜式智能電子鼻及其製備方法」，申請號0127299.3「電子鼻報警控制器」。由於食品所散發的氣味濃度一般都比較低，以上幾種所述的發明用來識別食品揮發的氣味有以下幾個問題1)檢測時不對所測試的環境進行控制，在敞開的測試環境中進行，而我們知道氣體傳感器對周圍測試環境的成分、溫度、溼度、氧分壓特別敏感，這樣傳感器對同一食品所散發的氣味的反應在早晨是一個值，而中午又是一個值，更不用說冬天和夏天的差異了，而且不同的地方，空氣環境中的氧分壓不同、成分不同，這樣產生的噪聲會比所需的信號大。(2)特徵提取簡單，只停留在時域範圍內取特徵值，有的只取穩定值，這樣會浪費大量有用信息。(3)所用的分析方法太過簡單，大多用誤差反傳BP神經網絡，而這種網絡的收斂能力和識別能力都有限的，只能識別幾種差異性大的簡單的氣體，不適於檢測食品揮發的氣味。
在裝置上，以上的幾種專利大都採用真空泵間歇式吸氣裝置，這種測試裝置看起來很象動物鼻子工作，但會產生以下幾個問題，(1)真空泵的吸氣，實際是以周圍的空氣為載氣，並且開始吸氣時，採集裝置會產生一定的真空，這樣氣體傳感器周圍的氧分壓會波動，對傳感器採集信號會產生很大的幹擾。(2)當所測食品氣味隨著空氣被真空泵吸入傳感器反應室後，會越來越稀，致使所有傳感器無法在同一氣味濃度下工作。(3)傳感器採集信號不進行調理，直接A/D轉換進入計算機，在中低濃度氣體樣品採集時是很難實現的。(4)用氧氣對氣體傳感器復原後馬上測試，雖能節省測試時間，但會使所用的傳感器過度氧化復原，就是不加所測的氣味，直接吸入空氣，傳感器的值也會變化。
另有相關美國專利，專利號為6,496,813，專利名稱為「Classifying apparatus usinga combination of statistical methods and neuronal networks，designed in particular for odourrecognition(專用於氣味識別的統計方法和神經網絡相結合的分類裝置)」，該專利主要注重傳感器數據分析方法上，所用的統計方法和神經網絡數據處理結果不是很好。專利號為6,450,008，專利名稱為「Food applications ofartificial olfactometry(用於食品的人工嗅味檢測方法)」，該發明也是對食品氣味進行檢測的裝置，但所用的檢測方法中，發明者用了好幾組氣體傳感器來檢測食品散發的氣味，且在檢測前需要預處理，處理過程比較煩瑣。
本發明的目的是通過以下方法實現的取相關食品的一部分樣品請專業人員對其進行感官評定，或對其做常規的理化分析，建立與食品質量相關的資料庫。
取另一部分樣品用傳感器陣列進行測定，通過用載氣把食品中的頂空氣味傳到傳感器陣列反應室，傳感器與氣體反應得到相應信號，該信號經調理電路放大和濾波後，由A/D採集卡進行A/D轉換輸入到計算機。
用計算機對所採集的數據進行處理，採用主成分分析法、神經網絡和遺傳算法構建高精度實時模式分類系統來處理氣體傳感器陣列的數據並與(1)中的資料庫聯繫起來進行學習、訓練，得到一個知識庫。使之能決定被測樣品的真偽、優劣、合格與否等不同規格的質量。
知識庫一旦形成，對這種食品的檢測就可以從第(2)步開始。
實現本發明的裝置由供氣部分、數據採集部分、計算機信號處理部分組成。
所述的供氣部分由氣體管道將載氣提供裝置、載氣過濾裝置、氣體流量計順序連接組成；所述的數據採集部分為一恆溫水浴測試箱體，箱體中設有條形的氣體傳感器陣列反應室，該條形的氣體傳感器陣列反應室兩端分別設有進氣口和出氣口，該進氣口和出氣口上分別設有進氣管道和出氣管道；進氣管道連接在二位三通的電磁閥的出氣端，電磁閥的進氣端連接有兩路管道，其中一路管道直接連接到供氣部分，另一路上順序設有氣體樣本產生室、電磁閥，再連接到供氣部分；出氣管道伸到恆溫水浴箱體外做排氣用；所述的條形的氣體傳感器陣列反應室內表面光滑，沒有氣體死角，裡面均勻交錯布置著多個氣體傳感器，形成傳感器陣列。
所述的氣體樣本產生室為密閉裝置，頂部裝有壓力、溫度、溼度傳感器，這樣可以使所測樣本在同一壓力、溫度、溼度下產生頂空氣體，使測試的精度和重複性提高；所述的計算機信號處理部分有信號調理電路板、A/D採集卡和計算機順序連接組成。所述的調理電路板與條形氣體傳感器陣列反應室內各氣體傳感器和氣體樣本產生室內的壓力、溫度、溼度傳感器輸出相連接的，以及提供電源和對電磁閥進行控制。
本發明的有益效果是由於把多種不同特性的氣體傳感器組合起來就構成了氣體傳感器陣列，均勻交錯布置在內表面光滑的條形的傳感器反應室裡，結構體積小，散熱性好，沒有氣體殘留。同時載氣帶動氣味通過時必需經過每個傳感器的表面，且氣味濃度沒有稀釋作用，傳感器易復原，與單個氣體傳感器檢測相比，氣體傳感器陣列裝置不僅檢測範圍更寬，而且其靈敏度、可靠性以及重複性都有很大的提高；用恆溫水浴裝置使測試環境的溫度控制在一定條件下，用一定流量的壓縮空氣經過濾後作為載氣，這樣可以控制測試的環境，保證每次測試條件一致，從而使測試的準確性和重複性提高。
密閉的氣體樣本產生室與傳感器響應室分開，在一定的壓力、溼度、溫度下獨立產生頂空後，由載氣將頂空氣味帶入傳感器反應室與傳感器反應，這樣儘量減少幹擾。
用高精度實時模式分類系統來處理氣體傳感器陣列的數據，提高了測試的靈敏度、選擇性和重複性，擴大其識別範圍。本發明的食品無損檢測裝置不僅能快速測量出分析食品氣味所含的微量、痕量乃至超痕量化學成分，尤其能快速準確地將測量數據轉換成與專家感官評定相一致的結果。它不僅可以根據各種不同的氣味測到不同的信號，而且可以將這些信號與經學習建立的資料庫中的信號加以比較，進行識別判斷。
本發明與氣相色譜法相比，此方法技術操作快速簡便，樣品不需前處理，也不需任何有機溶劑進行萃取，測定一個樣品小於5分鐘，而且對未知樣品具有人工智慧的識別作用。與人的嗅覺相比，測定結果更客觀、可靠。可為食品行業對產品進行物理化學分析提供新的無損檢測方法與裝置，以其輔助或代替專業品評人員。


圖1本發明的技術方案示意圖。
圖2本發明檢測裝置的一個實例。
圖3本發明實施例中氣體傳感器在氣體傳感器陣列反應室中布置示意圖。
圖4本發明實施例的數據處理軟體界面。
圖5本發明實施例1對五種捲菸的主成分分析數據處理方法的結果。
圖6本發明實施例2對五種不同濃度乙醇溶液的主成分分析數據處理方法的結果。
圖中1.壓縮空氣瓶，2.減壓閥，3.活性炭過濾器，4.氣體流量計，5.氣路三通件，6.電磁閥A，7.恆溫水浴測試箱體，8.氣體樣品產生室，9.電磁閥B，10.氣體傳感器陣列反應室(裡面裝有13個氣體傳感器)，11.排氣口，12.計算機，13.A/D採集卡，14.傳感器陣列調理電路，15.溫度傳感器，17.溼度傳感器，16.壓力傳感器，18.盛樣器，19.矽膠過濾器，s1～s13為氣體傳感器。
供氣部分由氣體管道將載氣提供裝置、載氣過濾裝置、氣體流量計順序連接組成；其中載氣提供裝置由壓縮空氣瓶(1)和減壓閥減壓(2)組成；載氣過濾裝置由活性炭過濾器(3)和矽膠過濾器(19)組成，氣體流量計(4)有調節氣體流量的功能。
所述的數據採集部分為一恆溫水浴測試箱體(7)，箱體中設有條形的氣體傳感器陣列反應室(10)，該條形的氣體傳感器陣列反應室(10)兩端分別設有進氣口和出氣口，該進氣口和出氣口上分別設有進氣管道和出氣管道；進氣管道連接在二位三通的電磁閥B(9)的出氣端，電磁閥的進氣端連接有兩路管道，其中一路管道直接連接到供氣部分，另一路上順序設有氣體樣本產生室(8)、電磁閥A(6)，再連接到供氣部分；出氣管道伸到恆溫水浴測試箱體(7)外做排氣用；所述的條形的氣體傳感器陣列反應室(10)內均勻交錯布置著多個氣體傳感器(如圖3中的s1～s13)，形成傳感器陣列；所述的氣體樣本產生室(8)為密閉裝置，頂部裝有壓力傳感器(16)、溫度傳感器(15)、溼度傳感器(17)，這樣可以使所測樣本在同一壓力、溫度、溼度下產生頂空氣體，使測試的精度和重複性提高；該恆溫水浴測試裝置另一主要特點是，氣體傳感器陣列始終處在一定流量的載氣中，避免了載氣的幹擾。
計算機信號處理部分包括傳感器陣列調理電路(14)、A/D採集卡(13)和計算機(12)。所述的傳感器陣列調理電路(14)與條形氣體傳感器陣列反應室(10)內各氣體傳感器(s1～s13)和氣體樣本產生室內(8)的壓力傳感器(16)、溫度傳感器(15)、溼度傳感器(17)輸出相連接的，以及提供電源和對電磁閥(6)、(9)進行控制。所述的計算機(12)不但要對傳感器經A/D採集卡(13)轉換的多維數位訊號進行保存、處理和識別，還要對電磁閥發送控制命令。
本發明實施例選用13個性能彼此重疊的無機金屬氧化物型半導體傳感器組成氣體傳感器陣列，它的功能是把不同的氣味分子在其表面的作用轉化為可測的物理信號。該傳感器陣列均勻交錯布置在條狀的氣體傳感器反應室裡，使得載氣在經過傳感器反應室時必須經過所有傳感器的表面，如圖3中的s1～s13。
現在結合附圖將詳細介紹本發明的實施例。
實施例1為利用本發明對捲菸質量進行檢測評價。
如圖1所示，收集所測食品樣本，通過專業人員感官評定或常規理化分析對樣本進行標定，這裡請捲菸評定專家對所檢測的捲菸進行評定，得到專家對不同捲菸評定的數據，組建成資料庫；這一資料庫中的數據將作為以後模式識別學習、訓練的標定值和期望值。
圖2所示的檢測裝置針對捲菸的檢測過程如下a.開始工作時，打開計算機和啟動工作裝置，氣體樣本產生室(8)和氣體傳感器陣列反應室(10)有恆溫水浴裝置控制在一定的溫度下。電磁閥A(6)關閉，電磁閥B(9)處於使一定流量的載氣(500ml/min空氣)經過濾後，直接進入傳感器反應室，氣體傳感器在該流量的載氣中達到穩定。在此同時把所測的捲菸樣本(取10克菸絲，或注射一20ml的煙氣，)裝在盛樣器(18)中，放入氣體樣本產生室(8)裡密閉，在一定的溫度、壓力、溼度下產生頂空氣體。b.過一段時間後，保持載氣流量不變，打開電磁閥A(6)，切換電磁閥B(9)通路使載氣通過氣體樣本產生室(8)，把所測樣品的頂空氣味帶到氣體傳感器陣列反應室(10)與氣體傳感器陣列(s1～s13)反應，產生一組信號，該組信號經氣體傳感器調理電路(14)，對傳感器產生的電信號進行濾波、放大；再通過A/D採集卡(15)，將模擬電信號轉換成數位訊號輸入計算機(16)；計算機在此過程中一直記錄所有傳感器的信號數據。c.記錄一段時間的數據後停止採集，計算機軟體對所採集的數據經去噪、平滑、特徵提取和模式識別分析的數據處理。得出所測的氣味類別、氣體成分、濃度估計值等。同時控制電磁閥(6)、(9)使載氣回到原來的氣路上，即載氣直接通過傳感器反應室，對傳感器進行復原；從氣體樣本生成室裡取出所測樣品，並用載氣對其進行吹掃清洗，以便下一次測試。
重複以上a，b，c步驟可進行多次測試。
本實施例中計算機數據處理軟體實施實例的界面如圖4所示，各傳感器的數值直接反應在界面上，並可以選擇性的顯示各氣體傳感器的反應曲線。可以設定採集頻率和隨時監控氣體樣本產生室和氣體傳感器陣列反應室的溫度、溼度和壓力等，並在採集時把數據保存到文件中，且對各氣閥進行控制。當按下停止採集後，再按下數據分析按鈕後就會對所採集的數據進行處理，得出結果。
圖5是本發明實施例1測試五種捲菸的主成分分析數據處理方法的結果。
實施例1中，本發明建立了捲菸內在質量的遺傳神經網絡評定模型，用計算機得到的氣體傳感器數值作為遺傳神經網絡的輸入，前面專家評定的資料庫作為網絡的期望值，對香氣、協調、雜氣、刺激性、餘味以及總分6個指標的訓練集分別進行訓練，用訓練過的網絡對相應的訓練集和測試集進行計算，可得訓練集和測試集的計算結果，如表1和2所示。表1為本發明的裝置對訓練集與測試集網絡計算結果的正確率，表2為本發明的裝置對測試集網絡評定值與捲菸專家評定值對比。
表1訓練集與測試集遺傳神經網絡網絡計算結果的正確率(％)指標 香氣協調 雜氣 刺激性 餘味 總分訓練集回判正確率 97 94 100 100 10097測試集測試正確率 100 100100 100 100100表2測試集遺傳神經網絡網絡評定值與捲菸專家評定值對比指 評定 樣 品編 號標 結果 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10香 網絡 27 2626 26 30 3031 32 3332氣 專家 26 2626 26 30 3031 31 3232協 網絡 3.63.5 3.63.64.64.4 5.15.15.1 4.9調 專家 3.53.5 3.53.54.54.5 5.05.05.0 5.0雜 網絡 11 1111 11 13 1313 14 1414氣 專家 11 1111 11 13 1313 13 1414刺網絡 12 1212 12 13 1314 14 1414激專家 12 1212 12 13 1314 14 1414性餘 網絡 13 1213 13 14 1516 16 1616味 專家 12 1213 13 15 1516 16 1616總 網絡 68.4 67.3 70.7 70.7 80.8 79.1 84.7 84.7 87.1 84.1分 專家 67.0 67.0 70.0 70.0 79.5 79.5 83.5 83.5 86.5 86.5實施例2對5種不同濃度乙醇溶液進行檢測，在組建資料庫時用常規化學方法測定各溶液的濃度數據，作為以後對溶液進行模式識別學習、訓練的標定值和期望值。每次用檢測裝置測試樣本時取5毫升的溶液裝在盛樣器(18)中，放入氣體樣本產生室(8)裡密閉，其它工作過程與實施例1相同。最後計算機對五種不同濃度乙醇的主成分分析結果為圖6。
另外，實現上述功能的檢測裝置除載氣貯存裝置(空氣壓縮瓶)外，都能緊湊地封裝在一個普通個人計算機機箱大小的箱子中，提供與個人計算機的接口和軟體。因此這種食品檢測裝置機動靈活，對所測食品不需任何預處理，只要將定量的樣品放入氣味產生室裡密封好，然後操縱計算機對各閥進行控制與檢測。
權利要求
1.基於氣體傳感器陣列技術的食品氣味快速無損檢測方法，其特徵在於a.取相關食品的一部分樣品請專業人員對其進行感官評定，或對其做常規的理化分析，建立與食品質量相關的資料庫；b.取另一部分樣品用傳感器陣列進行測定，通過用載氣把食品中的頂空氣味傳到傳感器陣列反應室，傳感器與氣體反應得到相應信號，該信號經調理電路放大和濾波後，由A/D採集卡進行A/D轉換輸入到計算機；c.用計算機對所採集的數據進行處理，採用主成分分析法、神經網絡和遺傳算法構建高精度實時模式分類系統來處理氣體傳感器陣列的數據並與已建立的資料庫聯繫起來進行學習、訓練，得到一個知識庫，使之能決定被測樣品的真偽、優劣、合格與否等不同規格的質量。知識庫一旦形成，對這種食品的檢測就可以從第b步開始。
2.實施權利要求1的基於氣體傳感器陣列技術的食品氣味快速無損檢測裝置，由供氣部分、數據採集部分、計算機信號處理部分組成，其特徵在於所述的供氣部分由氣體管道將載氣提供裝置、載氣過濾裝置、氣體流量計順序連接組成；所述的數據採集部分為一恆溫水浴測試箱體(7)，箱體中設有條形的氣體傳感器陣列反應室(10)，該條形的氣體傳感器陣列反應室(10)兩端分別設有進氣口和出氣口，該進氣口和出氣口上分別設有進氣管道和出氣管道；進氣管道連接在二位三通的電磁閥B(9)的出氣端，電磁閥的進氣端連接有兩路管道，其中一路管道連接到供氣部分，另一路上順序設有氣體樣本產生室(8)、電磁閥A(6)，再連接到供氣部分；出氣管道伸到恆溫水浴測試箱體(7)外做排氣用；所述的條形的氣體傳感器陣列反應室(10)內布置著多個氣體傳感器(s1～s13)，形成傳感器陣列；
3.根據權利要求1所述的基於氣體傳感器陣列技術的食品氣味快速無損檢測裝置，其特徵在於所述的氣體樣本產生室(8)為密閉裝置，頂部裝有壓力傳感器(16)、溫度傳感器(15)、溼度傳感器(17)。
4.根據權利要求1所述的基於氣體傳感器陣列技術的食品氣味快速無損檢測裝置，其特徵在於所述的計算機信號處理部分有傳感器陣列調理電路(14)、A/D採集卡(13)和計算機(12)順序連接組成，所述的調理電路板(14)與條形氣體傳感器陣列反應室(10)內各氣體傳感器和氣體樣本產生室(8)內的傳感器輸出相連接的。
全文摘要
本發明涉及一種針對食品氣味的檢測方法及裝置，取相關食品的一部分樣品請專業人員對其進行感官評定或做常規理化分析，建立與食品質量相關的資料庫；再取另一部分樣品用傳感器陣列進行測定，通過用載氣把食品中的頂空氣味帶到傳感器陣列反應室，傳感器產生的信號經調理電路放大和濾波後，由A/D採集卡進行A/D轉換輸入到計算機。用計算機對所採集的數據進行處理，並與已建立的資料庫聯繫起來進行學習、訓練，得到一個知識庫，使之能決定被測樣品的真偽、優劣、合格與否等不同規格的質量。此方法操作快速簡便，樣品不需前處理，也不需任何有機溶劑進行萃取，對未知樣品具有人工智慧的識別作用。可為食品行業對產品進行物理化學分析提供方便。
文檔編號G01N33/02GK1453584SQ03131660
公開日2003年11月5日 申請日期2003年6月2日 優先權日2003年6月2日
發明者趙傑文, 鄒小波, 黃星奕, 劉木華, 蔡健榮 申請人:江蘇大學