（农业电气化与自动化专业论文）农产品气体传感器阵列检测系统及其应用研究.pdf

识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 三听憨厚 压f ( 年 月ff 日 农产品气体传感器阵列检测系统及其应用研究 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被查阅和借阅， 同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据库并向社会提 供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论 文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密 学位论文作者签名：及瘸辱 b 1 1 年舌月f f 日 文 中的一个重要环节。电子鼻技术作 越来越重要的作用。+ 我国的电子鼻 领域，实际应用的产品大多是进口 气体成份达上百种，商用化的电子 本研究在国家自然科学基金项目( 项目编号：3 0 9 7 1 6 8 5 ) 支持下，自主研制了用于农产 品品质检测的电子鼻检测柔性平台，用于检测农产品的风味特征。主要研究内容包括： 1 、电子鼻系统设计：电子鼻系统主要设计了包括以传感器信号采集调理电路板和 p l c 电气装置为核心实现对待测气体信号采集的硬件模块；基于组态软件和d e l p h i 分别进 行的触摸屏控制程序和上位机监测控制程序等软件设计。 2 、硬件模块的实现。选取日本费加罗公司金属氧化物型气体传感器t g s 2 6 0 0 ，2 6 0 2 ， 2 6 1 0 ，2 6 1 l ，8 1 3 ，8 2 2 ，8 2 2 t f ，8 2 5 ，8 2 6 ，8 8 0 和固体电解质型5 0 4 2 ，4 1 6 0 共1 2 个传感 器组成检测传感器阵列，采用台达公司的e h 0 2 作为p l c 系统的处理单元，并采用数据 采集卡d v p 0 4 a d 与触摸屏技术，设计出满足检测精度、可视化、便于操作的控制系统。 针对传感器性能的不同和输出电信号的差异，选用不同的放大器( a d 7 0 8 ，t l c 2 7 1 ) 组成 测试回路。考虑到电源性能对传感器造成的影响，选用低压差线性稳压器l m 3 1 7 作为稳 压器。 3 、软件设计的实现。包括实现电气控制功能的组态软件编程设计和由d e l p h i 设计的 上位机监测程序。上位机监测程序采用面向对象的编程语言d e l p h i ，利用其强大的数据库 功能，开发了电子鼻系统的上位机监测程序，可以通过串口通讯读取p l c 主机中保存的数 据，数据的实时显示与保存。利用数据库a d o 控件开发了对数据保存为e x c e l 数据库格 式等功能，为离线数据分析提供保证。 4 、利用电子鼻采集得到农产品品质信号并对其进行识别。利用研制的电子鼻系统 e n o s e 2 0 5 对三种不同风味的果酱进行测试，并采用主成份分析法提取特征向量，对冗余的 数据量进行降维处理；选用线性识别( l d a ) 和b p 神经网络的方法进行模式识别，同时 对训练过程中的特征提取等参数进行优化。成功地实现了对这三种风味果酱的区分，识别 农产品气体传感器阵列检测系统及其应用研究 效果达到9 5 。 本课题研发的用于农产品检测的电子鼻检测柔性平台，可实现对农产品风味特征的检 测，为农产品品质检测提供新的思路和手段，研究的成果对提高我国农产品品质的自动化 检测水平有积极的意义。 关键词：电子鼻，气体传感器，果酱，特征提取，模式识别 c o l l e c t i o nf o rt h eg a so fp l ce l e c t r i c a ld e v i c e s ，a n ds o f t w a r ei n c l u d i n gc o n f i g u r a b l es o f t w a r ed e s i g n h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c ep r o g r a ma n dd e l p h id e s i g np cm o n i t o r i n gc o n t r o lp r o c e d u r e s 2 i m p l e m e n t a t i o no fe l e c t r o n i cn o s eh a r d w a r es y s t e m i n t h i ss t u d y , g a ss e n s o r sa r r a yf o f d e t e c t i o nt h ea g r i c u l t u r a lp r o d u c t sq u a l i t yw a sd e v e l o p e d ；t a k i n gi n t oa c c o u n tj a mg a sc o m p o s i t i o n ， t g s 8s e r i e sa n d2 6 s e r i e ss e n s o r sf r o mf i g a r ow e r es e l e c t e dt oc o m p o s e ad e t e c t i o ns e n s o ra r r a yw l t h t w e l v e s e n s o r s t h ep l a t f o mc a nb ef l e x i b l yi n t e g r a t e d a n dr e p l a c e dt od e t e c t e dv o l a t i l eo d o r so f d i f 诧r e n ta g r i c u l t u r a lp r o d u c t s t h ep r o c e s s i n gu n i t o fp l cs y s t e mu s e de h - 0 2o fd e l t a , d a t a a c q u i s i t i o nc a r da n dt o u c hs c t ：e e nt e c h n o l o g yw e r eu s e da sw e l l t h ec o n t r o ls y s t e m i sv i s u a l i z e d ，e a s yf o r o p e r a t i o n ，c a nm e e td e t e c t i o na c c u r a c y c o n s i d e r i n gs e n s o ro u t p u ts i g n a l so ft h ed i f f e r e n c e s ，c h o s e n d i f f e r e n ta m p l i f i e r ( a d 7 0 8 ，t l c 2 7 1 ) c o m p o s i t i o nt e s tc i r c u i t s c o n s i d e r i n gt h ev o l t a g e s o u r c eo fs e n s o r a f f e c tp e r f o r m a n c e ，w ep i c k e du pl o wp r e s s u r ed i f f e r e n t i a ll i n e a rr e g u l a t o r sl m 3 17a ss t a b i l i z e r 3 i m p l e m e n t a t i o no fe l e c t r o n i cn o s es o f t w a r ed e s i g n t h es o f t w a r es y s t e mw a sc o m p o s e db y t o u c h s c r e e np r o g r a m m i n go fe l e c t r i c a l c o n t r o la c h i e v e db yc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，p l c l a d d e r p r o 掣a l m m i n go fw o r ks t a t u sa n dd e t e c t i n gi n t e r f a c eo fh o s tc o m p u t e rd e s i g n e db yd e l p h i a s a l l o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，d e l p h iw a ss e l e c t e d ，h o s tc o m p u t e rt e s t i n g p r o c e d u r e s o t e l e c t r o n i cn o s es y s t e mw a sd e v e l o p e df o ri t sp o w e r f u ld a t a b a s ec a p a b i l i t i e s ；w h i c h c a nr e a l i z et h es y s t e m p a r a m e t e rs e u i n g ，d a t ac o l l e c t i o n ，d a t a b a s ef i l es t o r a g ea n do t h e rf u n c t i o n s ，p r o v i d eag u a r a n t e e f o rt h e o f f - l i n ed a t aa n a l y s i s 4 u s i n ge l e c t n i cn o s e sa c q u i s i t i o ng e ta g r i c u l t u r a lq u a l i t ys i g n a la n dc a r r i e so n t h er e c o g n i t i o n p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ( p c a ) w a su s e d t or e d u c et h ed i m e n s i o no f r e d u n d a n td a t a , l i n e a r d i s c r i m i n a n ta n a l y s i s ( l d a ) a n db pn e u r a ln e t w o r km e t h o da c h i e v e dd i s t i n c t i o no ft h et h r e ef l a v o r s s u c c e s s f u u y m e a n w h i l e ，i n t h ep r o c e s so f t e s t i n g , p a r a m e t e r s o ff e a t u r ee x t r a c t i o na n do t h e r sw e r e o p t i m i z e d t h er e s u l t sc o n f i r m e dt h ef e a s i b i l i t yo fe n o s e 2 0 5 ，s e l f - d e v e l o p e de l e c t r o n i c n o s es y s t e m ， s u c c e s s f u l l vd i s t i n g u i s ht h r e ef l a v o r so ft h ef r u i tj a ma n dr e c o g n i t i o np e r f o r m a n c e r e a c h e dt o9 5 t h i sw o r kd e v e l o p e da ne l e c t r o n i cn o s es y s t e mw h i c hc o n t a i n e dt w e l v eg a ss e n s o r sa r r a y , i tc a nb e 农产品气体传感器阵列检测系统及其应用研究 u s e dt od e t e c tt h ef l a v o rc h a r a c t e r i s t i c so fa g r i c u l t u r a lp r o d u c t sa n d p r o v i d en e wi d e a sa n dm e t h o d si nt h e f i e l do fa g r i c u l t u r a lp r o d u c tq u a l i t yi n s p e c t i o n r e s e a r c hr e s u l ti s s i g n i f i c a n tt oi m p r o v et h ea u t o m a t e d m e a s u r e m e n to f o a g r i c u l t u r a lp r o d u c t sq u a l i t yi nc h i n a k e y w o r d s ：e l e c t r o n i cn o s e ，g a ss e n s o r , f r u i t j a m ，f e a t u r ee x t r a c t i o n ，p a t t e r nr e c o g n i t i o n 1 1 1 1 1 ：! ：! ：! 4 1 2 1 电子鼻在食品行业中应用4 1 2 2 商用化的电子鼻系统与国外研究现状5 1 3 选题的目的和意义一6 1 4 本文的主要研究内容一7 第二章电子鼻系统设计方案9 2 1 电子鼻系统主要技术路线9 2 2 系统整体设计方案o 1 0 第三章电子鼻系统硬件设计。1 3 3 1 气体采集模块，1 3 3 1 1 气体传感器阵列1 3 3 1 3 气体控制回路的设计1 7 3 1 4 气室的优化设计- 1 7 3 2 信号采集与调理电路18 3 2 1 电源电路设计18 3 2 2 传感器信号采集电路2 1 3 2 3 信号调理电路2 4 3 3 数据采集及显示部分2 5 3 3 1p l c 系统简介2 6 3 3 2 系统性能要求2 7 3 3 3 数据采集卡及触摸屏设备2 7 第四章电子鼻系统软件设计3 l 4 1 组态软件和d e l p h i 介绍3 l 4 1 1p l c 组态软件一3 l 4 1 2d e l p h i7 介绍。3 3 4 2 软件设计实现3 4 4 2 1 数据采集方式设定3 4 v 农产品气体传感器阵列检测系统及其应用研究 4 2 2 上下位机数据通信3 7 4 2 3 数据库操作3 8 4 2 4 温度控制4 l 4 2 5 气路控制4 3 第五章电子鼻系统在果酱识别中应用4 5 5 1 试验材料与方法4 5 5 1 1 试验材料4 5 江苏大学硕士论文 第一章绪论 随着我国加入世界贸易组织，农产品出口市场竞争日益加剧，对我国的农产品品质提 出了更高的要求。农产品的品质检测，作为流通和加- 1 - 过程中的一个重要环节，其水平不 仅直接关系到人们的健康，而且还对农产品在国际、国内市场竞争力有重要影响。通过对 农产品按照质量进行等级评定，实行以质论价、优质优价，从而提高农产品的附加值，这 样不仅满足国外对农产品质量的要求，扩大农产品出口市场，还可以提高我国农产品的国 际竞争力，促进农民增收。因此，研究快速、高效的农产品品质检测技术，对推动农业的 健康、持续发展，提高农产品交易价格，确保我国农业大国的地位，具有十分重要的现实 意义“1 。 农产品的品质检测主要包括农产品外观品质、内部成分、气味、滋味等方面品质的检 测。气味作为反映农产品内部品质的一个重要因素，经常被用于判别农产品的品质口1 。传 统上，常采用气相色谱或气质联用的方法检测农产品挥发性气味，采用这些方法检测农产 品的品质过程较为繁琐。首先要对样品进行处理，一般采用的固相萃取的方法，这种方法 预处理的过程繁琐口一3 。其次，采用气相色谱方法，检测分析时间较长，且检测费用较高。 最近几十年，随着生产过程中各环节自动化程度的提高，快速无损检测技术 ( n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，n d t ) 越来越多的被应用到检测的各个方面隋3 。无损检测技术 综合了感官评定和理化分析的优点，具有检测时间短，精度高等优点，在农产品品质检测 领域具有广阔的应用前景。农产品无损检测是指在不破坏被检测农产品的情况下，应用一 定的检测技术和分析方法对农产品的外观品质或内部品质进行测定，并按一定的标准对其 做出评价的过程。 基于人体仿生学的电子鼻技术作为无损检测技术中近年来发展起来的新技术，随着气 体传感器技术的不断进步，得到快速发展，在农产品检测中也得到广泛应用勺1 。目前，气 体传感器性能和模式识别方法对电子鼻检测精度有很大的影响，但与气相色谱等化学分析 的方法相比，不需要复杂的预处理过程，电子鼻技术响应时间短、检测速度快，并且能够 避免人为误差，重复性好，检测范围广。此夕卜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。因此，在许多领域尤其是食品行业，发挥着越来越重要的作用。随 着传感器材料技术的发展和生物技术的进步，电子鼻将会有更广阔的应用前景。 农产品气体传感器阵列检测系统及其应用研究 1 1 电子鼻系统 电子鼻是由有选择性的气体传感器阵列和适当的信号处理和识别方法组成的仪器，能 识别简单和复杂的气味。电子鼻的基本工作原理是模仿人类气味识别机制的，即我们常说 的嗅觉能力阻1 。 1 1 1 人工嗅觉过程 从解剖学可知，人类的嗅觉系统是由：嗅黏膜、嗅泡、嗅神经皮层组成n 0 | 。 人类的嗅觉过程首先通过吸气将周围环境中的气体吸入鼻腔，气味分子通过鼻腔中的 对流和扩散双重作用运动到纤毛处和嗅黏膜受体结合，并在其中扩散，逐步与埋藏于深处 的嗅细胞相接处。嗅黏膜电导的变化会改变膜电位的大小，同时，嗅细胞将会随着膜电位 的变化引起相应的变化并致使嗅泡接受到神经纤维产生的信号。 底层的神经冲动信号在嗅泡内经过信号处理过程向上传递到神经中枢中。嗅泡包含嗅 小球层、粒状细胞层以及僧帽细胞层三部分，其中最重要的处理单元是嗅小球。嗅小球外 形为球状，大约包含有2 万多个传入神经元以及几十传出神经元。这些传入传出神经元对 信号起到相当的容错能力，在信号整合上发挥着重要作用。这些嗅觉信号经过僧帽细胞传 送到大脑之后，由大脑对其进行再次的分析处理，从而控制嗅觉反应或者其他的条件反射 过程的产生。嗅觉是由嗅神经、嗅细胞和大脑神经中枢三者相互作用的表现。因此，人类 对气味的识别能力即嗅觉能力是一个整体效应。图1 1 所示为人类嗅觉系统的实现原理。 气体 l；l 大脑 匦圈寺匝乎匝曰吨匦母国 il l嗅泡i 、u ：，：，j ： 图1 1 人类嗅觉系统过程 f i g 1t h ep r o c e s so f t h eh u m a no l f a c t o r ys y s t e m 1 1 2 电子鼻系统构成 通过上述分析，可以得出：人类的嗅觉系统可分为气体获取、反应信号传输和分析识 别这三个部分。同样，根据仿生学的原理，电子鼻系统也应该具备人工嗅觉系统的这几个 基本功能模块，电子鼻系统的结构示意图如图1 2 所示。 2 江苏大学硕士论文 图1 2 电子鼻系统的结构示意图 f i g 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fe l e c t r o n i cn o s es y s t e m s ( 1 ) 信号采集。首先，由若干个不同检测类型的传感器组建为传感器阵列，并将其封 装在密闭容器中，传感器阵列与嗅黏膜的作用类似。将目标混合物以气态形式引入到密闭 容器中，气体和传感器之间的反应导致传感器电导率的变化，使其输出电压信号随之改变， 这些变化依赖于气体中各成分与传感器之间复杂的相互作用。气体采样系统用来将待测样 本挥发的气体混合物通过一定方式输送到密闭的含有气体传感器阵列的反应室中。常见的 气体采样方法有项空采样法、固相微萃取法、搅拌棒吸附萃取法等，此外，为了加速气体 流动，采用真空泵或者在反应室中加装风扇的方法促进气体流动并充分与传感器接触，可 使气体充分均匀的扩散在气室中。 其中，气体传感器阵列作为电子鼻的核心检测器件，其性能对样本质量的检测效果都 起着至关重要的作用。根据工作原理的不同，传感器分为压电传感器、电化学传感器、光 学传感器、热传感器等。电化学传感器技术最成熟、制造工艺相对简单，性能稳定，成本 低，在目前国外的电子鼻系统中应用最为广泛。电化学传感器中应用最多的是金属氧化物 半导体( m o s ) 传感器，此类传感器是_ 种电阻式的电化学传感器。其工作原理是：不同 种类和浓度的气体吸附在半导体材料的表面，导致金属氧化物材料的电阻发生相应的变 化，从而可以识别出不同种类或各个浓度的气体。一般的m o s 型气体传感器常采用s n 0 2 制成。随着传感器技术的进步，金属氧化物传感器具备性能稳定、选择性高、功耗小、使 用寿命长等优点。但同时为了提高传感器响应时间和灵敏度，需要在一定环境温度下工作。 ( 2 ) 信号预处理。电信号经过调理电路进行滤波、放大等处理并传输到计算机，然后 利用模式识别方法对气体进行识别。其中，调理电路的功能相当于嗅觉系统中起到反映信 号传输和预处理的嗅泡和部分传输单元的作用。由于存在电磁干扰等因素的影响，利用传 感器阵列获得的原始电压( 电流) 信号需要进行预处理。主要工作包括：滤波去除外界电 磁信号的干扰；放大是为了满足人工智能化识别的需求，要将原始信号值放大到适合a d 采样系统的范围内。 3 农产品气体传感器阵列检测系统及其应用研究 ( 3 ) 模式识别。模式识别( p a t t e r nr e c o g n i t i o n ) 是指对表征事物或现象的各种形式的 ( 数值的、文字的和逻辑关系的) 信息进行处理和分析，以对事物或现象进行描述、辨认、 分类和解释的过程，是信息科学和人工智能的重要组成部分n 。统计模式识别( s t a t i s t i c p a t t e r nr e c o g n i t i o n ) 是对模式的统计分类方法，即把模式类看成是用某个随机向量实现的 集合，又称为决策理论识别方法。基本原理是：有相似性的样本在模式空间中互相接近， 并形成“集团”，即“物以类聚”。统计模式识别方法就是用给定的有限数量样本集，在已知研 究对象统计模型或己知判别函数类条件下，根据一定的准则通过学习算法把门维特征空间 划分为c 个区域，每一个区域与每一类别相对应。模式识别系统在进行工作时只要判断被 识别的对象落入哪一个区域，就能确定出它所属的类别。由噪声和传感器所引起的变异性， 可通过预处理而部分消除；而模式本身固有的变异性则可通过特征抽取和特征选择得到控 制，尽可能地使模式住该特征空间中的分布满足上述理想条件。针对电子鼻系统，模式识 别即是对所测定的传感器阵列，对不同样本的数据，通过不同的模式识别算法对样本进行 归类，并得出最后的辨识结果。 从处理问题的性质和解决问题的方法等角度，模式识别方法可分为有监督方法及无监 督方法。典型的无监督方法有主成份分析法( p r i n c i p a lc o m p o n e n t a n a l y s i s ，p c a ) ，聚类分 析( c l u s t e r a n a l y s i s ，c a ) 等。有监督模式识别方法包括线性判别分析( l i n e a rd i s c r i m i n a n t a n a l y s i s ，l d a ) 、偏最小二乘( p a r t i a ll e a s ts q u a r e s ，p l s ) 、k 邻近方法( t h ek - n e a r e s t n e i g h b o r s ，k n n ) 、分类模拟独立模型( s o f ti n d e p e n d e n tm o d e l i n go fc l a s sa n a l o g y , s i m c a ) 、支持向量机( s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ，s v m ) 、人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k s ，a n n ) 等。 1 2 电子鼻的应用与研究现状 自从1 9 8 2 年，p e r s u a d 和) o d d 提出电子鼻的概念开创电子鼻研究的先河n 2 1 ，历经几 十年的发展，电子鼻技术的研究已经取得巨大进步。与传统气体分析方法如气象色谱法、 质谱法等相比，具有实验过程简单，操作方便，检验周期短等优点，现己广泛应用在食品， 医疗，环境检测，公安海关等领域。 1 2 1 电子鼻在食品行业中应用 农产品检测被认为是电子鼻最有价值的应用领域。由于各种农产品都有其独特的特征 气味，并且原料的气味特征会随着时间或环境状况的不同而变化，所以可以利用电子鼻对 其气味进行辨识和分析，实现对原料的成熟度、新鲜度的检测，进而可以对原料进行有效 的分类和分级，便于以后的加工过程。此外，利用电子鼻对原料进行气味跟踪分析，根据 4 江苏大学硕士论文 气味的变化，判断原料质量的变化，并采取相应的控制措施，可以实现对原料的有效贮藏。 电子鼻在农产品品质检测的研究较为深入，已涉及到农产品科学的方方面面n 纠8 1 。如b t u d u 等研究电子鼻用于红茶的质量评估，提出具有增强学习特性的r b f 神经网络解决神经网 络在处理传感器阵列数据量的问题，并用模式识别算法对红茶的气味进行分类，获得较好 的辨识效果。s b u r a t t 等利用电子鼻结合分光光度计方法，预测不同品牌意大利红酒的感 官描述，应用遗传算法选择变量，建立预测网归模型。s p a n i g r a h i 等使用基于导电聚合物 的电子鼻系统( c y r a n o s e 3 2 0 ) 用于分析牛肉的新鲜度。国内，f i l j d , 波等通过自制的电子 鼻对苹果质量进行评定，并对传感器特征提取做了深入研究。张军利用电子鼻检测鲢鱼新 鲜度，并对试验参数进行优化。王俊等研究电子鼻在龙井茶、柑橘、桃、硬红柿等农产品 品质检测取得了较好的结果。但利用电子鼻技术对果酱品质方面的检测研究还未见报道。 此外，在医疗诊断、环境监测、公共安全领域，电子鼻也都有广泛的应用。 1 2 2 商用化的电子鼻系统与国外研究现状 国外在电子鼻技术上研究较早，已经形成较完备的商业化的电子鼻系统。目前比较著 名的电子鼻系统有英国的n e o t r o n i c ss y s t e m 和a r o m a s c a ns y s t e m 、b l o o d h o u n d 和法国的 a l p h am o s 系统。另外，还有日本的f r g a r o 和我国台湾的s m e l l 和k e n nw e e n 等公司。表 1 1 列出较普遍的电子鼻系统的性能参数。 表1 1 国外商用电子鼻性能比较 t a b l e1 1p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no ff o r e i g nc o m m e r c i a le l e c t r o n i cn o s e 5 农产品气体传感器阵列检测系统及其应用研究 1 3 选题的目的和意义 ( 1 ) 目前，我国的电子鼻系统的研究水平落后于国外的研究。国内商用化的电子鼻系 统技术仍不成熟，尤其是在食品安全检测领域，实际应用的产品都是采用进口国外成熟的 商用化电子鼻系统，如m o s 公司的p e n 产品等，这就不可避免的存在着由于市场垄断而 造成的价格昂贵问题。同时，采用国外的电子鼻产品，不仅存在知识产权问题，而且我国 不掌握对产品品质、等级等评定的详细参数信息，对我国的食品安全以及出口产品质量都 有一定的影响。此外，农产品气味组成复杂，气体成分可达上百种，在已经商用化的电子 鼻系统中，采用固定的气体传感器阵列有利于对特定检测对象的检测，但应用范围较窄。 针对不同的检测对象，缺乏一定的柔性。基于此，本研究设计了针对农产品应用方向的具 有可更换气体传感器阵列的电子鼻系统柔性平台。 ( 2 ) 果酱具有很高的营养价值，市场前景广阔。果酱是以鲜果为主料，经去皮、除核、 灭菌、杀酶、护色、保味后用高科技工艺配方深加工而成，使果酱在高温焙烤后仍能保持 鲜果独有的天然风味，香甜宜人。果酱营养成分较高，富含钙、磷、钾、锌等微量元素， 可预防佝偻病，能消除疲劳，增强记忆力，还能增加血色素，对缺钙性贫血有辅助疗效。 另外，为了迎合社会上健康的饮食风尚，还陆续研发了一些保健型的果酱，如根据其抗氧 化剂含量而选取水果材料制作的抗皱果酱等，既能满足对美食的欲望，同时又能达到防衰 老的目的，很受一些女性的喜爱。在欧美地区，果酱更是消费者青睐的主流食品，面包搭 配果酱的饮食习惯一直是他们最普通也最受欢迎的生活方式。同样，在亚洲国家，近几年 来果酱的消费量都急剧增加。日本每年消费果酱在万吨以上，且每年增幅都在2 0 左右。 因此，针对果酱食用安全，品质分级都有很大市场应用前景“鲫。 ( 3 ) 果酱的品质检测空白。目前，大多数国内外的研究工作都集中在对果酱品质方面， 特别是对果酱中防腐剂、农药残留以及营养元素含量的检测。采用气相色谱，质谱及液相 色谱质谱等方法，来检测果酱中农药等残留伽3 。如陈琦等采用搅拌棒吸附萃取发法对番 茄酱进行前处理，用气相色谱质谱质谱法测定果酱中苯甲酸、山梨酸以及对羟基苯甲酸 甲酯、对羟基苯甲酸丙酯、对羟基苯甲酸异丙酯、对羟基苯甲酸异丁酯和对羟基苯甲酸庚 酯等7 种食品防腐剂的方法。林华山等以毒性较低的乙酸乙酯提取有机磷农药，并通过气 相色谱毛细管柱分离，火焰光度检测器检测，外标法定量果酱中其中有机磷农药。穆赫塔 尔等采用紫外分光光度法测定玫瑰花果酱中维生素a 、c ，总黄酮等含量，并通过原子吸 收分光光度法测定其中钾、钠、钙等微量元素的含量。采用仪器分析的方法需要采用化学 试剂对样本进行预处理等操作，因而检验周期长，操作复杂，不利于果酱的快速识别和检 6 江苏大学硕士论文 测。 本研究自行研制了一套基于组态软件，具有可集成和更换传感器的柔性平台的电子鼻 系统，并对三种风味的果酱做了分类研究。这对于果酱的品质检测提供了一种新的方法， 同时，对果酱等级评定也能提供借鉴作用。 1 4 本文的主要研究内容 由于农产品的风味多样化，通常一个传感器只能检测特定的一种或几种性质相近的气 体。本研究自发研制了气体传感器研究平台，选取日本费加罗公司金属氧化物型气体传感 器t g s 2 6 0 0 ，2 6 0 2 ，2 6 1 0 ，2 6 1 l ，8 1 3 ，8 2 2 ，8 2 2 t f ，8 2 5 ，8 2 6 ，8 8 0 和固体电解质型5 0 4 2 ， 4 1 6 0 共1 2 个传感器组成检测传感器阵列。通过电子鼻技术结合模式识别方法检测不同风 味的果酱，为果酱品质鉴定提供了一种新的技术思路。 第一章综述电子鼻技术的发展与研究现状，国内外成熟的电子鼻系统以及应用，并简 要叙述电子鼻技术在农产品检测中的应用进展，对果酱检测方向做了说明，提出本文的主 要研究方向与内容。 第二章介绍国内研制电子鼻系统主要采用的技术方法，简要说明本研究研制的电子鼻 系统的技术路线。 第三章主要说明系统的硬件设计：包括气体传感器阵列，信号采集和调理电路板，数 据采集卡和p l c 控制设备。其中，传感器阵列采用费加罗公司的通用型与专用型共1 2 个 传感器构成。传感器阵列采用柔性机械结构设计，针对不同的检测对象，采用更换相应的 若干传感器，即可实现更优的检测结果。针对不同的气体传感器，信号调理电路做出有针 对性的设计，使该系统检测精度高，速度较快，实用价值高。 第四章在设计的硬件系统的基础上，分别设计触摸屏的控制程序，实现对采集过程数 据采集卡采样范围，实验过程中气体通路和温度的控制；上位机d e l p h i 设计的监测程序， 主要实现对1 2 路传感器输出信号的数据库操作包括读取，显示与保存等，便于离线模式 识别。 第五章利用研制的电子鼻系统获得不同类型果酱的响应数据，采用p c a 方法提取特 征信息，然后用l d a 和b p 神经网络的方法进行模式识别，辨别不同风味的果酱品种。同 时，对试验中的参数进行优化。 最后，总结全文所作的研究工作，提出了电子鼻系统的不足以及今后在功能实现上的 研究方向。 7 农产品气体传感器阵列检测系统及其应用研究 8 江苏大学硕士论文 第二章电子鼻系统设计方案 电子鼻系统是对气体传感器阵列响应的电信号进行模式识别的整个过程。研究的核心 工作集中在两个方面：气体传感器性能的提高和对响应的数据获取方式与分析方法改善。 我国的电子鼻系统研究工作起步较晚，对气体传感器性能的研究工作还比较少。一般研究 都采用国外成熟的，商用化的气体传感器阵列。 本章主要奔绍国内研制电子鼻系统主要的技术路线，并提出本研究电子鼻系统整体系 统结构。 2 1 电子鼻系统主要技术路线 从对目前国内电子鼻装置的研究现状来看，比较常见的方法是以嵌入式系统为核心， 通过数据转换芯片进行模数转换，并通过串口通信的方式与上位机进行数据传输昭。典型 的电子鼻硬件设计如图2 1 所示。 图2 1 电子鼻系硬件统结构 f i g2 1h a r d w a r es t r u c t u r eo f a ne l e c t r o n i cn o s es y s t e m 在具体实现方法上，根据不同的系统要求又有个体差异。 ( 1 ) 数据采集方式的选择。根据系统数据量的复杂程度，采用数据采集卡或者模数转 换芯片。数据采集卡主要应用于大数据量，多路，高a d 转换分辨率。如中国科技大学郑 鹏，李民强乜2 1 就采用北京阿尔泰科技发展有限公司的u s b 2 0 0 5 采集卡。采集卡的主要性 能指标如下：模拟电压输入范围：i o v ；a d 转换分辨率：1 6 b i t ，f i f o 存储器保证a d 数据的完整性；3 2 单端模拟信号输入；1 6 双端模拟信号输入；1 6 路开关量输入；1 6 路开 关量输出；硬增益范围：l 、2 、4 、8 或1 、1 0 、1 0 0 、1 0 0 0 0 ；可以选择内外时钟信号和内 外触发信号。 针对传感器个数较少的电子鼻系统，采用常用的模数转换芯片就可以满足性能要求。 9 农产品气体传感器阵列检测系统及其应用研究 厦门大学的郑万溪，黄元庆圳等采用了国家半导体公司生产的a d c 0 8 3 8 作为a d 转换芯 片，该器件是种输入端町编程、单端8 通道、差分4 通道、8 位串行a d c ，其数据输入 输出口可以分时共用。 可以看出，数据采集卡具有多路，高精度的转换能力，对于l o 路以上的传感器阵列， 能发挥很好的性能。但数据采集价格价高，对于作为商用化的电子鼻系统，将会提高成本。 对于传感器个数较少的电子鼻系统，采用模数转换芯片也基本上能满足性能要求，而且价 格便宜，性价比高。 ( 2 ) 与上位机的数据传输方式。基本上都采用r s 2 3 2 串口电缆直连的方式与上位机进 行通信。串行通信是指一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式，其特点是成本 较低廉，传输速度较低，适用于传输距离较近的场合。近年来，无线通信技术作为一种新 的通信技术，在空问和数据传输速度上有一定的优势，在电子鼻系统中也有所应用3 。杨 红远等利用t i n y o s 研究无线网络的节点设计，完成了基于气敏传感器的无线电子鼻传感 器节点实现，并对测试结果进行了分析，通过测试表明，传感器节点在硬件、软件各个模 块工作稳定，电子鼻节点功能正常一。 ( 3 ) 上位机检测程序编程语言的选择。根据系统构成，有多种选择方式。张军等利用 l a b v i e w 虚拟仪器技术与n i p c i 6 0 2 4 e 数据采集卡相结合的方式，设计出基于4 个气体 传感器的电子鼻系统，应用于对水产品的品质检测陋引。石志标等利用v i s u a lc 抖设计上位 机检测程序，并加入神经网络的学习机制对四类白酒进行鉴别。 2 2 系统整体设计方案 本研究通过对各种方案的比较和讨论，根据实际性能需要最终选择的由1 2 个气体传 感器构成的传感器检测阵列，采用了p l c 设备实现温度控制，a d 转换并连接触摸屏控制 检测过程和显示传感器数据。传感器数据可在触摸屏检测界面都实时显示，同时，通过串 行通信方式与上位机通信，使得传感器数据也可在上位机中实时显示，且在上位机中可以 对数据进行保存等数据库操作。上位机显示界面选用具有较强数据库功能的面向对象的编 程语言d e l p h i 开发。 电子鼻系统设计包括硬件部分和软件部分两大类。以传感器信号采集调理电路板和 p l c 电气装置为核心实现待测气体的采集，气体回路的构成以及信号调理电路和a d 采集 模块属于硬件系统。软件部分包括由组态软件实现的电气控制部分的触摸屏编程，工作状 态的p l c 梯形图编程和由d e l p h i 设计的上位机检测界面组成。 图2 2 所示为电子鼻系统整体结构。电子鼻系统的硬件核心采用了p l c 模块设计。这 1 0 江苏大学硕士论文 是由于考虑到温度对传感器的响应数据有较大影响，采用p l c 系统与空气压缩机和冷凝风 扇相连接，控制电子鼻反应室的温度。系统组建采用台达系列的p l c 主机来控制压缩机的 运行等状态，对传感器阵列的响应信号通过p l c 扩展的a d 采集卡模块进行采样。信号 同时传输至触摸屏和上位机检测软件。采用p l c 系统来组建整个控制模块不仅实现了恒 温、便于回路电磁阀控制的技术要求，同时高精度的a d 采集卡以及防电磁干扰的设备给 数据采集的精确度提供保证。触摸屏设备的采用，方便了试验过程的控制。 p l j c 模块 反应室 一鹋铲卜 网 l 传感器阵列i 气体通路电磁 阋通断 广 r 习 围 j i l 堡塑型h 婴h 茹赫 一1r 真空泵 触摸屏组态 电稼雷理 i 图2 2 电子鼻系统设计万案 f i 9 2 2d e s i g no f e l e c t r o n i cn o s es y s t e m 同时对测试回路做了优化设计。气体传感器对气体的响应实质是传感器内部金属氧化 物的氧化还原过程。在每次测试完成之后，要对传感器进行还原作用，使之恢复到初始状 态，以便于重复试验。通常依靠空气流动对传感器进行还原需要较长时间。考虑到检测气 体要进行大量重复试验，为了缩短试验时间，对气体通路做了一定的优化设计。气体检测 时，保证测试气体仅在集气室、真空泵与反应室三者之间做循环。还原传感器时，让外部 配比好的还原性气体依次通过集气室，真空泵和反应室。这样既保证管路中最少的气体残 留，又可以最大限度的缩短试验时间。 图2 3 为研制的电子鼻系统工作流程图，图中分别用1 ，2 ，3 表示出电磁阀的位置。 亡吲鏖气窜 信 还 ，飞 号 _