食用油与地沟油鉴别系统的设计.doc

郑州大学课程设计（报告）题 目： 食用油与地沟油鉴别系统的设计 课 程： 传 感 器 与 检 测 技 术 任课教师： 刘 玉 怀 职称：教授学生姓名： 蔡迎飞 学号： 20122420101年级、专业、班级： 2012级 通信1班 院（系）： 信 息 工 程 学 院 完成时间： 2015年10月31日 食用油与地沟油鉴别系统的设计摘要:食用油在加工过程中一般不会混有金属离子，可通过电导率实现对食用油掺杂地沟油进行检测。在此基础上，设计了一种食用油掺杂地沟油快速检测系统。该系统以ARM为核心，利用数据采集技术，完成了食用油掺杂地沟油检测系统的软硬件设计。系统测试实验证明，该系统能够准确测定食用油的电导率信息，从而获知食用油中是否掺杂地沟油，以及分析食用油中掺杂地沟油含量的信息。该检测系统具有检测速度快、功耗低、价格低廉和便携的优点。关键词:地沟油;食品安全; ARM; 食用油; 数据采集Design of a rapid detection system of edible oil adulterated with swill cooked dirty oil Abstract: Edible oil cannt be mixed with metal ions during processing，so the detection of edible oil adulterated with swill cooked dirty oil can be realized by conductivity measurement On this basis，a rapid detection system of edible oil adulterated with swill cooked dirty oil was designedARM was adopted as the core chip，and the data acquisition technology was used to complete the software and hardware design in the detection system The test results of the system showed that the conductivity message of edible oil could be detected accurately by the system，thereby whether edible oil adulterated with swill cooked dirty oil or not was learned and the content of swill cooked dirty oil in the edible oil was analyzed The detection system had advantages of high detection speed，low power consumption，low cost and portabilityKey words: swill cooked dirty oil; detection; food safety; ARM; edible oil; data acquisition目录1.需求分析42.检测原理综述52.系统的软硬件设计52.1硬件设计52.1.1电导率传感器的选择52.1.2信号调理电路设计62.1.3数据采集电路62.2 软件设计63.系统测试73.1溶解试剂电导率测试83.2食用油掺杂地沟油电导率测试84.掺伪油种类识别方法研究95.总结和未来展望116.参考文献117.致谢111.需求分析随着生活水平的提高，我国居民人均食用油消费量不断增长，尤其以餐饮行业食用油消费量增加极为迅速。餐饮行业产生了大量的餐饮废弃油脂，这些废弃油脂被一些不法商贩收集，经过碱炼、脱水、脱色后，制成地沟油获取利益。随着各种地沟油事件的曝光，地沟油引起的食品安全问题成为舆论关注的焦点对地沟油进行快速、准确地检测也成迫切需求。随着社会经济的发展和人们物质生活水平的提高，健康卫生合格的食品成为人们饭桌上常常谈论的一个话题，也是食品监督部门的一个硬性标准。地沟油的概念很广泛，可分为类：）从宾馆、酒楼的剩饭、剩菜（通称泔水）或下水道的油腻悬浮物经过简单加工，提炼出来的地沟油；）劣质猪肉、猪内脏、猪皮加工以及提炼后产出的油；）在高温下反复用于油炸食品，发生氧化聚合等裂变，不可再食用的油。目前，绝大部分无良商家用地沟油来充当人们餐桌上的食用油，来获取更大的利润，消费者的健康得不到保障。当前地沟油检测方法虽然有很多，包括对油中酸价、极性组分、羟基价等指标的含量进行检测，这都是利用化学仪器检测，检测周期长；还有一些是不使用化学试剂进行检测，但它们检测成本高、仪器昂贵。目前，对于食用油掺杂地沟油的检测研究相对较少。发达国家建立了完善的地沟油回收制度，虽然这些国家对地沟油的检测并未上升到专项研究的层次，但是大多数发达国家都对食用油监测建立了油质数据库，要检测油质需要相应的检测机关进行专门的检测。对于我国来说，如何监测社会上流通的食用油油质，除了需要加强立法和相应规章制度建立地沟油的良性利用环境之外，实际有效的检测手段也是必不可少的。目前已出现了多种食用油质量检测的方法，如物理化学评价法、化学感官系统法、柱层析法、感官评价法、红外检测法以及核磁共振光谱法等，但其都不适用于现场检测。油脂属于非导电物质，电导率很低，而油脂作为一种溶剂，在食品加工过程中，会溶入金属离子、微生物和杂质，可以通过检测电导率实现食用油掺杂地沟油检测。本设计的目的是研制一套食用油掺杂地沟油快速检测系统，通过此系统实现油品的电导率检测，掌握食用油中掺杂的地沟油含量信息，从而了解和分析食用油的质量。2.检测原理综述电导率在地沟油的检测中被证明是一种可靠快速的方法。在实际的检测过程中，由于食用油的种类繁多，检测中有大量的数据需要记录、处理并进行最后的研究。所以本研究设计了一个电导率检测的系统。另外，本研究还提出了相关系数法作为地沟油掺假种类识别的核心算法。食用油掺杂地沟油快速检测系统可以看作是一便携式智能化仪器。该系统可以完成油品电导率参数的检测、信号调理、数据采集、数据处理、数据分析和显示功能。食用油掺杂地沟油快速检测系统整体设计方案如图 1 所示。为了保证系统测量的精度，设计了温度采集电路，实现对测量得到的电导率数据进行温度修正。电导是指电解质溶液中离子在电场的影响下产生移动并传递电子。溶液导电能力的强弱即电导率。餐厨废油脂会混人大量的水溶性物质， 如食盐等调味品和洗涤剂等。这类物质会大幅度升高水的电导率，而正常的食用油脂中，水溶性物质含量极低。根据实验研究，在温度 22 28范围内得到表 1数据。表 1 餐饮业废油和食用油样品的电导率样品 地沟油 泔水油 煎炸老油 菜籽油 大豆油 花生油 调和油电导率/s/cm 108.5 53.3 36.6 8.5 8.7 13.3 14.8电导率法通过直接检测样品电导率的方法来鉴别地沟油和合格食用油，操作简单，对仪器与设备要求低，是一种快速检测地沟油方法。 图 1系统框图核心模块各部分的作用和功能:电导率传感器，实现电导率信号的检测;信号调理电路，对电导率传感器输出的信号进行放大和滤波等调理工作;AM 电路，通过 AM 实现电导率数据采集和数据处理功能;数据存储电路，实现采集的电导率数据的存储;系统电源，为系统电路和传感器提供电源，供电电压 3 V;PC 机，将系统的数据导入计算机进行处理和相关的分析。2.系统的软硬件设计2.1硬件设计2.1.1电导率传感器的选择要完成电导率的测定，电导率传感器选型是关键，本设计中使用的电导率传感器需要考虑传感器体积、功耗、传感器的线性范围、频率响应特性、电导率测量范围、信号输出方式、灵敏度和精度等因素。由于电导率传感器工作在液体环境中，因此对选用的传感器还需要有很好的稳定性和耐腐蚀性等功能。目前，市面上的电导率传感器根据测定原理与方法的不同可分为电极型、电感型和超声波型。考虑到电极型电导率传感器具有测定精度高和使用方便的优点，本系统选用不锈钢电镀铂黑电极作为电导率传感器，该传感器测定范围为 0 50 S /cm，工作温度 0 50 ，承压为 0 0 5 MPa。使用过程中，应避免电导池间因有气泡或静水而造成数据失准。2.1.2信号调理电路设计电导率电极内置的两块电极片的位置和距离固定，当电极插入到某种液体或导电性的流体中，电流流经其中的一块极片时，另一块极片上将会接收到部分电流。为实现电导率的测定，通过在电极间加上恒定的电压源，电极上会流过一定的电流，电流的大小取决于溶液中所含离子的数量，被测介质的电导率与运算放大器输出电压成正比，该方法在量程范围内线性度较好，输出信号的幅值与被测电导成正比。设计的信号调理电路如图 2 所示，图中 X 为两块极片之间的液体电阻。 图 2信号调理电路2.1.3数据采集电路设计采用的 AM 为 LPC2131，该芯片拥有 1 个 8 路 10 位的 A/D 转换器，其参考电压由 Vref 引脚提供。由于本系统只需要 2 个采集通道，一路用于采集电导率信号，另一路用于采集温度信号。只需将信号调理电路中的每路单端输出连接到 LPC2131 的不同模拟输入引脚即可。采集数据时，通过写 A/D控制寄存器切换通道，大大简化数据采集部分的硬件。2.2 软件设计ARM (Advanced RISC Machines，高级RISC微处理器)地沟油检测鉴别系统分为硬件,软件两部分，由硬件设计搭建出地沟油检测鉴别平台； 软件设计部分完成地沟油鉴别算法的运算、 系统的控制及对其它模块进行控制和监测。食用油掺杂地沟油快速检测系统软件包含单片机部分软件和计算机部分软件，单片机部分软件使用 C 语言进行编写，主要实现电导率数据采集和数据分析处理和传输功能;计算机端软件选用虚拟仪器开发工具VB语言进行编写，实现实时曲线显示、数据处理和分析、温度补偿等功能。由于食用油的种类繁多，各个厂家品牌生产的产品在掺伪后电导率也会有可能不同，所以对检测的试验数据量来说也必定是大量的。建立一个数据库来对检查的数据进行存储和管理是十分必要的，同时对于历史数据的查询来进行分析，进一步分析了解食用油的惨伪情况是很关键的。图1 窗体的设计效果图2 主窗口界面设计图3 掺伪油种类识别界面设计本系统采用VB语言进行开发，VB是一种面向对象的，可视化的且采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言，用于对Windows环境下的多种程序开发。其具有功能强，效率高，图形界面丰富。3.系统测试为了验证设计的食用油掺杂地沟油快速检测系统的实用性和正确性，在对测试系统进行标定和温度补偿设计后，对压榨菜籽油、大豆油和地沟油( 取自郑州某高校附近火锅店) 进行了食用油掺杂地沟油模拟测试。测试通过采用去离子水萃取油脂( 用石油醚溶解) 中的杂质离子，通过测定水相电导率实现各种油脂电导率的测定。3.1溶解试剂电导率测试分别量取 10 mL 石油醚及去离子水置于 30 mL 烧杯中，放入 25 恒温水槽中测定其电导率，测定两次，测试结果如表 1 所示。表 1溶解试剂电导率S/cm试剂电导率12平均值石油醚0 010 010 010去离子水0 660 650 655由表 1 可知，石油醚和去离子水的电导率很低，对结果影响不大。3.2食用油掺杂地沟油电导率测试用量筒分别量取 5、10、15、20 mL 地沟油，分别加入压榨菜籽油和大豆油直至 25 mL，配制成地沟油体积分数为 20% 、40% 、60% 、80% 的混合油样，倒入烧杯中。用 10 mL 石油醚溶解混合油样，然后加入 30 mL 去离子水，振荡 1 min，静置分层后，在 25 恒温水槽中测定水相电导率，测定两次，掺杂不同体积分数地沟油的压榨菜籽油、大豆油的水相电导率如表 2、表 3 所示。表 2掺杂不同体积分数地沟油的压榨菜籽油水相电导率12平均值01 691 811 75202 762 982 87404 454 794 62606 867 016 948010 3410 5010 4210011 5613 6012 58水相电导率/( S/cm) 地沟油体积分数/%表 3掺杂不同体积分数地沟油的大豆油水相电导率12平均值02 182 342 21203 543 803 67405 886 166 02609 019 239 128010 6710 9210 8010011 5613 6012 58水相电导率/( S/cm) 地沟油体积分数/%由表 2、表 3 可知，压榨菜籽油、大豆油的水相电导率比较低，而地沟油的水相电导率则比较高;随着压榨菜籽油、大豆油掺杂地沟油量的增加，测得的水相电导率逐渐增大。通过对实验数据进行分析发现，食用油中掺杂地沟油的体积分数与测得的电导率之间具有一定的线性关系，合格的食用油的水相电导率总是小于掺杂地沟油的电导率。因此，通过建立各种食用油电导率数据库，可实现食用油中是否掺杂地沟油的快速鉴别，以及分析食用油中掺杂地沟油含量的信息。4.掺伪油种类识别方法研究用分析天平称取菜籽油、大豆色拉油、芝麻油、地沟油各50 g，分别置于50 mL烧杯中，然后在250 mL烧杯中加入去离子水100 mL与所取油样混合搅拌，最后在250 mL分液漏斗静置分层，取水相测定电导率。对地沟油先将其加热融化，同时将去离子水加热至合适温度，提取后的水相冷却至室温测定电导率。重复上述步骤，将地沟油掺入到食用油中进行电导率的测定。为了能够对种类进行识别，所以选取合适的模式相似性测度，来对模式间进行描述显得十分关键。模式相似性测度一般分为相似测度、匹配测度和距离测度三种。相似测度的原理是以两矢量的方向是否相近，作为模式识别的基础，矢量的长度并不重要；匹配测度常用在医学和生物的分类中，当特征只有两个状态的时候，对象或具有此特征或不具有此特征，若对象具有此特征，则相应分量定义为1，反之则定义为0，这就是所谓的二值特征；距离测试原理是以两个矢量段距离作为考虑的基础，所以距离测度值是两矢量各相分量之差的函数。两模式越相似，其距离测度越小。根据本系统的种类识别的特点，我们选用相似度中的相关系数法作为种类识别的核心算法。相关系数法实际上是数据中心化后的矢量夹角余弦。（1）由相关系数法的核心思想，对于某一末知油样的为何种油样及是否掺伪地沟油，掺入了多少地沟油，只需要对末知油样按照前述方法测得其电导率及求出其摸拟掺伪后的回归直线方程。计算该回归直线与已知合格食用油进行掺伪后的回归直线的斜率比，即相关系数，斜率比值越接近1，则可以认为是该种油的油样。油样的电导率值代入已知的合格食用油的回归直线方程，可以求得掺伪地沟油的质量分数，但是需要提出的是对于求掺伪地沟油的质量分数是在试验室条件下掺伪量，可能所求结果会有误差。对于实际中具体的掺伪量大小，还需要对地沟油的电导率进行更进一步的研究，在试验室条件下和实际测量中进行误差补偿。菜籽油掺地沟油的质量分数与平均电导率一元线性回归方程为：Y=83.067X+16.2 R2=0.986 （2）大豆油掺地沟油的质量分数与平均电导率一元线性回归方程为：Y=81.073X+11.39 R2=0.975 （3）芝麻油掺地沟油的质量分数与平均电导率一元线性回归方程为：Y=82.139X+8.87 R2=0.972 （4）油样1曲线与大豆油掺伪曲线相似度：81.073 84.685=0.957 3油样1曲线与菜籽油掺伪曲线相似度：83.067 84.685=0.980 9油样1曲线与芝麻油掺伪曲线相似度：82.139 84.685=0.969 9可以识别出油样1为菜籽油。油样2曲线与大豆油掺伪曲线相似度：81.073 81.958=0.989 2油样2曲线与菜籽油掺伪曲线相似度：81.958 83.067=0.980 9油样2曲线与芝麻油掺伪曲线相似度：81.958 82.139=0.997 8可以识别出油样2为芝麻油。油样3曲线与大豆油掺伪曲线相似度：80.958 81.073=0.998 6油样3曲线与菜籽油掺伪曲线相似度：80.958 83.067=0.974 6油样3曲线与芝麻油掺伪曲线相似度：80.958 82.139=0.985 6可以识别出油样3为大豆油。从相似度可以识别出，该油样1为菜籽油、油样2 为芝麻油、油样3为大豆油。如果在实际中进行检测，由于食用油种类很多，品牌很多，需要对各种食用油的掺伪曲线进行求解，这样才能使结果具有说服性。本试验只是对该算法进行了验证，来说明其具有可行性。油样未掺伪地沟油的电导率与试验所用合格食用油电导率相差不大，所以对其是否掺有地沟油暂时还无法辨别，如果相差很大，则可以认为其中掺有地沟油，至于对掺入地沟油量的定量分析，可以代入菜籽油掺伪曲线求得，但所得结果只是在该试验条件下的值。要想对食用油掺伪（地沟油）进行定量的分析，不仅要对地沟油的标准有一界定，还需要对各种油的掺伪曲线进行建立。这些都有待于进一步的工作研究。5.总结和未来展望(1)提出了一种食用油掺杂地沟油快速检测系统的设计方案，从系统的硬件设计和软件设计详细地阐述了该检测系统的设计过程。(2)通过食用油掺杂地沟油快速检测系统，检测人员可以掌握油品的电导率信息，从而获知食用油中是否掺杂地沟油，以及分析食用油中掺杂地沟油含量的信息。(3)设计的食用油掺杂地沟油快速检测系统具有体积小、功耗低、温度补偿、量程自动转换和重复性好等优点，可用于现场检测。(4)由于目前我国食用油种类繁多，各食用油厂家生产的食用油在掺杂地沟油后电导率会有所不同，建立一个食用油电导率数据库和专家管理系统对于实现食用油中掺杂地沟油含量的准确测量十分关键。地沟油检测是一个比较复杂的、系统的工作。(5)研究着重从电导率这个因素对掺假展开了研究。在实验室条件下进行的检测系统设计，可能在精度上有所欠缺。对食用油掺伪地沟油的种类识别方法提出，只能对掺伪油的种类进行定性的分析，也还需要大量的试验来进行验证。在今后的研究工作中要将重点放在掺伪量定量分析的研究上。这方面的研究工作找到一个电导率的当量，能够比较准确的衡量地沟油掺入到食用油中的电导率值。最后，还需要对检测系统进行完善，要想比较全面的、综合的对地沟油进行检测分析，还要将食用油的其他因素考虑其中，比如酸价、过氧化值、碘值等等。总之，对于食用油掺伪地沟油检测，需要在今后的研究中不断努力，克服方方面面的不足。这样检测工作才能更为系统、全面。6.参考文献1.张蕊，祖丽亚，樊铁，等 测定胆固醇含量鉴别地沟油的研究 中国油脂，20062.朱锐，食用油掺地沟油检测方法及装置研究 昆明: 昆明理工大学，20103.全常春，尹平河，赵玲，等 精炼餐饮业地沟油挥发性危害成分的 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