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具有自动进样和恒温控制的电子舌检测系统的研制和应用

任奇锋  
【摘要】:近年来人们对食品问题越来越重视,社会各界对食品检测设备的需求也不断增加。电子舌作为一种新型的检测设备,具有快速、多用途和全面反映被测物信息的优点,已逐渐被应用于食品检测领域。目前国内外电子舌研究主要集中在传感器研发上,设备的自动化和集成化程度较低,需要人工进样、清洗、控温和检测,存在操作过程复杂、工作量大、人员需长期值守等不足。针对存在的问题,本文研发了一台具备全自动样品调温、进样、检测和电极清洗功能的伏安型电子舌,并对电子舌进行了性能测试,验证其主要功能模块性能,将电子舌应用于牛奶、水、啤酒、茶叶的检测中,以测试其实际检测能力。本文的主要研究内容和结论如下:(1)研制了一台伏安型电子舌检测系统,包括电极与信号采集模块、自动进样模块、恒温槽模块、按键显示模块、控制模块和上位机电脑。上位机是运行基于LabVIEW程序的计算机,是设备的显示和控制终端。下位机是以STC12系列单片机为核心的控制模块,接受上位机串口命令,直接控制多个功能模块。电极与信号采集模块是电子舌实现检测的核心,采用三电极体系。由贵金属裸电极阵列、调理电路和采集卡组成。上位机通过USB向电极和信号采集模块发送激发信号,并采集反馈信号。(2)为探索电子舌主要功能模块的性能特点和运行效果,对自动进样模块、恒温槽模块与电极和信号采集模块进行了性能测试。测试结果显示进样和清洗流程准确无误,运行稳定可靠。25℃为较佳的恒温控制温度,恒温槽内各处温度均匀性好,各位置样品的温度控制精度25±1℃。电极信号随时间漂移较小,但样品温度对检测信号幅值和特征值有显著影响,使用恒温槽控制样品温度能有效提高电子舌的检测精度。(3)为验证电子舌的基本检测性能,应用该电子舌检测不同种类的牛奶、啤酒、水,以信号曲线与X轴的包围面积作为特征值,对数据采用PCA、LDA分析,结果显示电子舌均能良好区分。此外在实验中还发现,增加清洗杯数能显著提高电极清洗效果,样品中的气泡会影响检测稳定性,去除气泡能有效提高检测区分效果。(4)针对市面上西湖龙井茶掺假泛滥,传统检测手段区分困难的问题,使用电子舌对不同等级、不同比例新陈和等级掺假情况的样品检测分析。检测数据的PCA和LDA分析图显示,上述各类掺假情况均能有效区分。对三类数据分别进行多元线性回归建模并预测,结果表明,不同等级茶叶和等级掺假的掺假比例的预测效果较好,新陈掺假的掺假比例的预测效果一般。针对新陈掺假预测不佳,再次对两种掺假情况的数据使用神经网络建模预测,结果两种掺假情况的预测正确率均达到了较高水平。


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