一種檢測牛肉新鮮度的空氣傳感器矩陣電子鼻
Zhe Zhang1，Jin Tong1，Dong-hui Chen1，Yu-bin Lan2
1.地面機械仿生工程重點實驗室（中國教育部），吉林大學，長春大學130022，P.R 中國
- 航空應用技術，USDA-ARS-SP ARC-APMRU，學院站，TX 77845, USA
摘要：中國是世界大的肉類生產國。對食品安全的關注已經(jīng)轉移到肉的質量。對肉品質和類型的常規(guī)試驗方法的應用受到諸多因素的限制，如更長的時間來準備樣品和測試。一個傳感器矩陣的幾個單獨的空氣傳感器構建和測試，直接進行檢測牛肉新鮮度。結果表明，空氣傳感器：TGS2600，TGS2611，TGS2620和TGS2602由天津費加羅電子有限公司提供的，可以用來確定牛肉新鮮程度的，但tgs2442確定牛肉新鮮度是不合適的。本研究為使經(jīng)濟的牛肉新鮮度檢測和實用的設計提供了基礎。
關鍵詞氣敏傳感器陣列牛肉新鮮度電子鼻
1引言
中國是一個大的肉類生產的國家。2003年中國肉類總產量100百萬噸，占世界生產總量3億噸[1]的三分之一。肉的化學成分很復雜。其中大約有10%-30%脂肪，10%-20%的蛋白質和1%-5%葡萄糖[2]。肉的腐敗速度很快因為微生物可以輕松的繁殖。自從1990年代已經(jīng)發(fā)生了許多食品安全的重大事故。例如：2001年初在法國肉類食品被Lis-teria感染,和在2006年貝類出口到歐洲，美國和加拿大來自亞洲的產品中被檢測出氯霉素[3]。在發(fā)達國家每年平均都有多達8100萬人食物中毒。因此, 食品安全問題在世界范圍內的受到了極大的關注。
根據(jù)目前的質量標準的牛肉,羊肉和兔肉,有兩種方法來評估質量的牛肉：感官評價和化學檢測。感官評價是一個主觀的方法，其結果取決于商家的銷售技巧，但結果經(jīng)常是有誤的。還有更多的化學方法檢測肉品的質量。例如揮發(fā)性鹽基氮(TVBN)、PH、Triphenyltetra-zolium chloride (TTC)和測試紙。但是有很多缺點如步驟繁瑣、時間長、成本高，而且沒有特別精確的檢測方法[5]。氣味測量是肉質量評價的化學方法之一。氣味檢測時，在鼻子的嗅覺細胞會被刺激性氣體刺激。氣相色譜法測定常用于測量氣體含量，它可以用于測量許多化學化合物并與標準的化學品進行比較。因此，客觀，經(jīng)濟，高效的方法是需要評估的肉質。
食物的氣味是許多化學物質的組成的。氣味使食物有一些獨特的品質和特點?？煽康臋z測和確定佳風味和口味的食品在食品發(fā)展行業(yè)中是至關重要的。一般來說，雖然使用了一些分析技術，但很難將其與感官信息關聯(lián)起來。
電子鼻技術已被作為一種新的物理方法測量氣味。電子鼻是由北大西洋條約Organi-zation（北約）于1989年對傳感器信號的處理國際會議中定義的。電子鼻檢測方法與其他基本的測量方法從客觀，可重復使用，精度，成本上相比，結果發(fā)現(xiàn)，電子鼻是簡單，快速，而且能實時測量。電子鼻的結構是類似的人的嗅覺，從分析，識別和鑒定氣味的差異，以更高的精度的來分析。電子鼻技術是基于吸收和吸附的揮發(fā)性化學物質上的傳感器組成的電子矩陣。當他們接觸到不同氣味和味道的氣體，傳感器會產生電阻值變化[7]。電子鼻技術是專門用于被長時間存放的食品快速的氣體測量方法可以免除人體直接聞到有毒氣體的風險。目前電子鼻主要用于對儲量質量的分類、分析廢水的處理、監(jiān)測焙燒過程、檢測和診斷肺部感染（例如，墻內銅）和通過呼氣測試，測試新鮮的魚和水果，控制奶酪、香腸、啤酒、面包的制做，檢測肉類和蔬菜中的細菌生成。
電子鼻也被用來衡量牛肉新鮮度. Teng et al[13] 利用氣敏傳感器矩陣來測量德國產的牛肉的新鮮度，
它利用氣敏傳感器矩陣的德國產的牛肉的新鮮度，其中的傳感器的數(shù)量和類型是固定的。Blixt and Borch使用了一個含有10個感官矩陣的金屬氧化物組成的半導體場效應管，4個Tagushi型傳感器和一個二氧化碳敏感傳感器組成的電子鼻來檢測的真空包裝牛肉的變質。雖然至少使用了6個傳感器，但是這些傳感器不能構建成一個陣列。
有各種各樣的商業(yè)電子鼻。集成型傳感器的矩陣是用在其中的大部分，這表明一個電子鼻設計用于特定的目的。本研究的目的是使用氣體傳感器來構造一個傳感器矩陣，用于確定牛的新鮮度。
2 實驗
2.1 測頭的結構和工作原理
2.1.1 工作原理電子鼻的設計包括化學傳感器矩陣的設計，例如，氣體傳感器的設計和開發(fā)一個模式識別算法。傳感器矩陣從一個樣本中提取氣體，并作為一組測量值；然后對已知的材料測量的數(shù)據(jù)進行對比。氣體傳感器對許多不同的物質有非常廣泛的選擇性。事實上，這些在大多數(shù)應用中都是缺點，但是在電子鼻中是優(yōu)點。在矩陣中的每個傳感器都會對特定的化學物質產生不同的反應[5]。圖1顯示我們研制的電子鼻系統(tǒng)的結構圖。幾個傳感器有規(guī)律的排列在一起，構成一個傳感器矩陣。傳感器組成的矩陣檢測到氣味，然后生成電信號。然后信號經(jīng)過濾波和放大再由調整電路板（ACB）和A/D轉換成數(shù)字信號，然后計算機進行分析。
圖1 電子鼻系統(tǒng)
有許多不同工作原理和特性的氣體傳感器種類。這項研究中用的氣敏傳感器是由天津費加羅電子有限公司提供的。這些傳感器有金屬氧化物半導體制成，有成本低，壽命長，靈敏度高，電路簡單等優(yōu)點。型號TGS2600、TGS2602、TGS2610、TGS2611、TGS2620、TGS2442被選作來研究，測試它們是否時候牛肉發(fā)出的各種氣體。傳感器矩陣可以減少在一個單一的傳感器產生的固有誤差。表1列出了6個傳感器制造商推薦的用法。
表1 傳感器的推薦用法
型號用法主要測量對象特例
TGS 2610 可燃氣體檢測丙烷、異丁烷液化石油氣泄漏報警器
TGS 2600 空氣質量檢測煙、酒精空氣調節(jié)器
TGS 2611 可燃氣體檢測甲烷、天然氣天然氣泄漏報警器
TGS 2620 有機溶劑檢測酒精、有機溶劑有機溶劑檢測器TGS 2602 空氣質量檢測酒精、氨氣空氣調節(jié)器
TGS 2442 有毒氣體檢測一氧化碳一氧化碳報警器
Beijing Kangtuo Industrial Computer Ltd制造的ACB用的是型號CMB5464D，它可以調節(jié)8種模擬信號。信號被放大，然后被送入二階有源濾波器中進行分析。用于測試的A/D轉換器型號IPC5448是由Beijing Kangtuo Industrial Computer Ltd制造的。它將模擬信號轉換成數(shù)字信號。轉換器是12個bit，具有精密度高，速度快，測量范圍大和強大的抗干擾特性。分析程序和記錄的信號，可以在計算機中的Visual C++進行編寫和存儲。
2.1.2 電子鼻的測量頭圖2為研發(fā)的電子鼻測量頭，圖3是它的結構圖。
圖2 圖為研發(fā)的電子鼻測量頭
傳感器安裝在框架底部，不銹鋼的網(wǎng)絡線固定在中間，避免傳感器接觸牛肉樣本，確保傳感器與牛肉樣品之間合適的距離，因為傳感器與牛肉樣品之間的距離會影響到測量結果。測量時把牛肉樣品放到不銹鋼網(wǎng)格上。
圖3 研發(fā)的電子鼻測量頭的結構圖
2.2 實驗方法
2.2.1 牛肉樣品制備長春皓月集團提供了用于測試的牛肉樣品。把牛肉切成直徑約45mm，厚度約4mm的圓片。這些碎片被分為三組，然后在同一個條件下重復測量三次。牛肉樣本被放入孵化器中來模擬牛肉存儲在機房環(huán)境下的變化。牛肉被存儲為0，1,2,3,4,5和6天，分別以20?C的溫度和60％相對濕度下儲存。
2.2.2 電路設計圖4為電子鼻的電路原理，其中VC是該傳感器的工作電壓，RS是傳感器的電阻，RL是負載電阻，RS和RL串聯(lián)，V Al是傳感器的輸出信號電壓。由傳感器的規(guī)格，V Al的小值為0.1V，大值為0.9V。傳感器在輸出電壓范圍（0.1V~ 0.9V）。V Al可以通過RL調節(jié)，該傳感器是用來校準牛肉的。V Al的小值是儲存了0天時牛肉樣本的輸出值。V Al的大值為儲存了6天的牛肉樣本的輸出值。
圖4 傳感器的電路原理圖
其中擴展ACB零度分別為0調整和放大調節(jié)電阻。零位調整的目的是為了校準放大器的初始狀態(tài)。擴增根據(jù)V Al的變化范圍進行調整. 放大器的輸出應在V AL的大值為大，以確保放大器的線性響應。A／D轉換卡的零點和增益應提前前進行調整。調整方法：調零位，調節(jié)放大增益。當增益被改變時，初始狀態(tài)也會隨著改變。為了調零，重復上述步驟，知道A/D轉換卡的滿刻度對應到ACB的大輸出信號。
2.2.3 實驗過程為了更好的模擬自然條件下，牛肉沒有被存儲在任何特殊的氣體，電子鼻和實驗室周圍為同樣的空氣。首先從牛肉樣品的顏色和氣味上來評價然后記錄。然后再用傳感器來記錄結果。傳感器測量的結果通過感官評價因
此被證實。在實驗條件下測量，沒有任何特殊條件，如在購物中心、餐廳、儲藏室和其他地方完成。根據(jù)傳感器說明書，器件應該被預熱10分鐘，但是這是不夠的，因此，我們使用1.5個小時的預熱時間，從而產生一個穩(wěn)定的初始值。傳感器的輸出電壓由電壓表測出并記錄。在測量時間為5分鐘至10分鐘時，牛肉樣品被放入期間內，當電壓穩(wěn)定時然后讀出并記錄。下一次測量開始時初始值是穩(wěn)定的。
3 結果與討論
圖5顯示出了六個傳感器對儲藏的牛肉的測試結果。除了TGS2442，其他的傳感器的輸出電壓從開始上升，然后下降到穩(wěn)定值。
圖5六個傳感器通過對存儲的牛肉的典型響應試驗結果。
表2列出的電壓讀數(shù)的平均值是從檢測的六個傳感器中的值的平均值。每個數(shù)據(jù)是在相同的條件下，三次測量的平均值。圖6顯示的是對應表2傳感器的輸出曲線。表3列出的是感官評價的結果。
表2 傳感器輸出電壓
氣敏傳感器
儲藏時間（天）
TGS2610 TGS2600 TGS2611 TGS2620 TGS2602 TGS2442
0 0.183,333 0.246，667 0.256，667 0.306，667 0.116，667 0.036，667
1 0.206，667 0.420，000 0.306，667 0.566，667 0.253，333 0.036，667
2 0.260，000 0.616，667 0.316，667 0.566，667 0.253，33
3 0.036，667
3 0.326，667 0.703，333 0.523，333 0.763，333 0.630，000 0.033，330
4 0.573，333 0.843，333 0.656，667 0.816，667 0.726，667 0.033，333
5 0.826，667 1.003，333 0.956，667 0.946，667 0.936，667 0.040，000
6 0.843，333 1.023，333 1.036，66
7 1.046，667 1.013，333 0.036，667
圖6 傳感器輸出電壓曲線
表3 感官評價結果
儲藏時間顏色氣味
0 鮮紅色無異味
1 深紅色無異味
2 暗紅色無異味
3 黑紅色淡淡的異味
4 黑色難聞的氣味
5深黑色 惡臭
6暗黑色 腐爛的惡臭
不同的傳感器可以對應不同的氣體（表1），這表明每個傳感器對每種氣體對應不同的輸出電壓。牛肉的氣味來自氣體化合物的混合物。因此每個傳感器都有對應牛肉有個不同的輸出電壓。這一結論的結果被證實如表2所示。我們使用不同的傳感器來構造一個傳感器矩陣。氣味是有多個傳感器同時測量和數(shù)據(jù)處理得到的?？梢詫崿F(xiàn)高測量精度和可重復性。除了TGS2442，牛肉樣品的存儲時間會增加傳感器的輸出電壓。我們從圖六中發(fā)現(xiàn)TGS2442的輸出曲線與存儲的時間成平行線，表明該傳感器不能用來衡量牛肉新鮮度。由此得，該傳感器不能用在牛肉新鮮度檢測的電子鼻矩陣中，這表明在傳感器矩陣中只有五個傳感器。TGS2600和TGS2620與存儲時間有關的輸出的近似線性函數(shù)可以表示為：
)9752.0(619.01330.02=+=R x y , for.TGS2600
)9856.0(1876.01265.02=+=R x y ,for.TGS2620
其中，y 是輸出電壓，x 是存儲時間，R2是相關系數(shù)，從而顯示出良好的線性函數(shù)。TGS2600函數(shù)的斜率大于TGS2620函數(shù)的斜率，這表明傳感器TGS2600對牛肉的氣味有較高的靈敏度。所以這兩個傳感器可以用來確定牛肉的存儲時間。
在前兩天TGS2644的輸出電壓幾乎不變，但存儲時間到第三天時，輸出電壓突然上升。TGS2611的輸出電壓比其他的存放時間超過三天的電壓更大，這表明該傳感器對新鮮的牛肉沒有反應，但對變質的牛肉很敏感。因此，它可以用來確定保質期。TGS2610類似于TGS2611，但前者當存儲時間超過三天后相對后者來說輸出電壓沒有增加。一般來說傳感器TGS2611、TGS2610和TGS2602對變質的牛肉敏感，雖然它們對新鮮的牛肉不敏感，它們可以用來指示變質的牛肉。
有很多公司生產的不同型號的傳感器。由此，一個傳感器矩陣是由針對不同氣體敏感的各種傳感器組成的。目前電子鼻是由傳感器集成的矩陣組成。每個電子鼻主要是為特定的目的而設計的。所以在市場上的電子鼻都是昂貴的和有限的使用空間。在我們研究成果的基礎上，傳感器矩陣可以有不同的傳感器集成，這也是電子鼻的研究和發(fā)展方向。這種方法可以使電子鼻價格便宜和擴展他們的應用空間。
4 結論
單獨用一個傳感器來對傳感器構建的矩陣與牛肉質量之間的關系進行研究。實驗結果表明，一些傳感器的輸出電壓與牛肉儲藏時間沒有線性關系，不能清晰的檢測到牛肉的變質程度，所以不能用來檢測牛肉質量。一些傳感器對新鮮牛肉沒有反應，但對腐爛的牛肉有強烈的反應，所以傳感器矩陣可以根據(jù)各個傳感器反應的不同進行組合，這樣可以提高檢測牛肉新鮮度的可靠性和靈敏度。
致謝
這項工作得到了吉林省科技基金（批準號：20060217）和“985工程”吉林大學的支持。還要感謝生物與農業(yè)工程學院，吉林大學張守勤教授和他對該項工作的有意的言論。
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轉載請注明出處：傳感器應用_儀表儀器應用_電子元器件產品 – 工采資訊 http://www.negome.com/21275.html
