一种检测牛肉新鲜度的空气传感器矩阵电子鼻
Zhe Zhang1，Jin Tong1，Dong-hui Chen1，Yu-bin Lan2
1.地面机械仿生工程重点实验室（中国教育部），吉林大学，长春大学130022，P.R 中国
- 航空应用技术，USDA-ARS-SP ARC-APMRU，学院站，TX 77845, USA
摘要：中国是世界大的肉类生产国。对食品安全的关注已经转移到肉的质量。对肉品质和类型的常规试验方法的应用受到诸多因素的限制，如更长的时间来准备样品和测试。一个传感器矩阵的几个单独的空气传感器构建和测试，直接进行检测牛肉新鲜度。结果表明，空气传感器：TGS2600，TGS2611，TGS2620和TGS2602由天津费加罗电子有限公司提供的，可以用来确定牛肉新鲜程度的，但tgs2442确定牛肉新鲜度是不合适的。本研究为使经济的牛肉新鲜度检测和实用的设计提供了基础。
关键词气敏传感器阵列牛肉新鲜度电子鼻
1引言
中国是一个大的肉类生产的国家。2003年中国肉类总产量100百万吨，占世界生产总量3亿吨[1]的三分之一。肉的化学成分很复杂。其中大约有10%-30%脂肪，10%-20%的蛋白质和1%-5%葡萄糖[2]。肉的腐败速度很快因为微生物可以轻松的繁殖。自从1990年代已经发生了许多食品安全的重大事故。例如：2001年初在法国肉类食品被Lis-teria感染,和在2006年贝类出口到欧洲，美国和加拿大来自亚洲的产品中被检测出氯霉素[3]。在发达国家每年平均都有多达8100万人食物中毒。因此, 食品安全问题在世界范围内的受到了极大的关注。
根据目前的质量标准的牛肉,羊肉和兔肉,有两种方法来评估质量的牛肉：感官评价和化学检测。感官评价是一个主观的方法，其结果取决于商家的销售技巧，但结果经常是有误的。还有更多的化学方法检测肉品的质量。例如挥发性盐基氮(TVBN)、PH、Triphenyltetra-zolium chloride (TTC)和测试纸。但是有很多缺点如步骤繁琐、时间长、成本高，而且没有特别精确的检测方法[5]。气味测量是肉质量评价的化学方法之一。气味检测时，在鼻子的嗅觉细胞会被刺激性气体刺激。气相色谱法测定常用于测量气体含量，它可以用于测量许多化学化合物并与标准的化学品进行比较。因此，客观，经济，高效的方法是需要评估的肉质。
食物的气味是许多化学物质的组成的。气味使食物有一些独特的品质和特点。可靠的检测和确定佳风味和口味的食品在食品发展行业中是至关重要的。一般来说，虽然使用了一些分析技术，但很难将其与感官信息关联起来。
电子鼻技术已被作为一种新的物理方法测量气味。电子鼻是由北大西洋条约Organi-zation（北约）于1989年对传感器信号的处理国际会议中定义的。电子鼻检测方法与其他基本的测量方法从客观，可重复使用，精度，成本上相比，结果发现，电子鼻是简单，快速，而且能实时测量。电子鼻的结构是类似的人的嗅觉，从分析，识别和鉴定气味的差异，以更高的精度的来分析。电子鼻技术是基于吸收和吸附的挥发性化学物质上的传感器组成的电子矩阵。当他们接触到不同气味和味道的气体，传感器会产生电阻值变化[7]。电子鼻技术是专门用于被长时间存放的食品快速的气体测量方法可以免除人体直接闻到有毒气体的风险。目前电子鼻主要用于对储量质量的分类、分析废水的处理、监测焙烧过程、检测和诊断肺部感染（例如，墙内铜）和通过呼气测试，测试新鲜的鱼和水果，控制奶酪、香肠、啤酒、面包的制做，检测肉类和蔬菜中的细菌生成。
电子鼻也被用来衡量牛肉新鲜度. Teng et al[13] 利用气敏传感器矩阵来测量德国产的牛肉的新鲜度，
它利用气敏传感器矩阵的德国产的牛肉的新鲜度，其中的传感器的数量和类型是固定的。Blixt and Borch使用了一个含有10个感官矩阵的金属氧化物组成的半导体场效应管，4个Tagushi型传感器和一个二氧化碳敏感传感器组成的电子鼻来检测的真空包装牛肉的变质。虽然至少使用了6个传感器，但是这些传感器不能构建成一个阵列。
有各种各样的商业电子鼻。集成型传感器的矩阵是用在其中的大部分，这表明一个电子鼻设计用于特定的目的。本研究的目的是使用气体传感器来构造一个传感器矩阵，用于确定牛的新鲜度。
2 实验
2.1 测头的结构和工作原理
2.1.1 工作原理电子鼻的设计包括化学传感器矩阵的设计，例如，气体传感器的设计和开发一个模式识别算法。传感器矩阵从一个样本中提取气体，并作为一组测量值；然后对已知的材料测量的数据进行对比。气体传感器对许多不同的物质有非常广泛的选择性。事实上，这些在大多数应用中都是缺点，但是在电子鼻中是优点。在矩阵中的每个传感器都会对特定的化学物质产生不同的反应[5]。图1显示我们研制的电子鼻系统的结构图。几个传感器有规律的排列在一起，构成一个传感器矩阵。传感器组成的矩阵检测到气味，然后生成电信号。然后信号经过滤波和放大再由调整电路板（ACB）和A/D转换成数字信号，然后计算机进行分析。
图1 电子鼻系统
有许多不同工作原理和特性的气体传感器种类。这项研究中用的气敏传感器是由天津费加罗电子有限公司提供的。这些传感器有金属氧化物半导体制成，有成本低，寿命长，灵敏度高，电路简单等优点。型号TGS2600、TGS2602、TGS2610、TGS2611、TGS2620、TGS2442被选作来研究，测试它们是否时候牛肉发出的各种气体。传感器矩阵可以减少在一个单一的传感器产生的固有误差。表1列出了6个传感器制造商推荐的用法。
表1 传感器的推荐用法
型号用法主要测量对象特例
TGS 2610 可燃气体检测丙烷、异丁烷液化石油气泄漏报警器
TGS 2600 空气质量检测烟、酒精空气调节器
TGS 2611 可燃气体检测甲烷、天然气天然气泄漏报警器
TGS 2620 有机溶剂检测酒精、有机溶剂有机溶剂检测器TGS 2602 空气质量检测酒精、氨气空气调节器
TGS 2442 有毒气体检测一氧化碳一氧化碳报警器
Beijing Kangtuo Industrial Computer Ltd制造的ACB用的是型号CMB5464D，它可以调节8种模拟信号。信号被放大，然后被送入二阶有源滤波器中进行分析。用于测试的A/D转换器型号IPC5448是由Beijing Kangtuo Industrial Computer Ltd制造的。它将模拟信号转换成数字信号。转换器是12个bit，具有精密度高，速度快，测量范围大和强大的抗干扰特性。分析程序和记录的信号，可以在计算机中的Visual C++进行编写和存储。
2.1.2 电子鼻的测量头图2为研发的电子鼻测量头，图3是它的结构图。
图2 图为研发的电子鼻测量头
传感器安装在框架底部，不锈钢的网络线固定在中间，避免传感器接触牛肉样本，确保传感器与牛肉样品之间合适的距离，因为传感器与牛肉样品之间的距离会影响到测量结果。测量时把牛肉样品放到不锈钢网格上。
图3 研发的电子鼻测量头的结构图
2.2 实验方法
2.2.1 牛肉样品制备长春皓月集团提供了用于测试的牛肉样品。把牛肉切成直径约45mm，厚度约4mm的圆片。这些碎片被分为三组，然后在同一个条件下重复测量三次。牛肉样本被放入孵化器中来模拟牛肉存储在机房环境下的变化。牛肉被存储为0，1,2,3,4,5和6天，分别以20?C的温度和60％相对湿度下储存。
2.2.2 电路设计图4为电子鼻的电路原理，其中VC是该传感器的工作电压，RS是传感器的电阻，RL是负载电阻，RS和RL串联，V Al是传感器的输出信号电压。由传感器的规格，V Al的小值为0.1V，大值为0.9V。传感器在输出电压范围（0.1V~ 0.9V）。V Al可以通过RL调节，该传感器是用来校准牛肉的。V Al的小值是储存了0天时牛肉样本的输出值。V Al的大值为储存了6天的牛肉样本的输出值。
图4 传感器的电路原理图
其中扩展ACB零度分别为0调整和放大调节电阻。零位调整的目的是为了校准放大器的初始状态。扩增根据V Al的变化范围进行调整. 放大器的输出应在V AL的大值为大，以确保放大器的线性响应。A／D转换卡的零点和增益应提前前进行调整。调整方法：调零位，调节放大增益。当增益被改变时，初始状态也会随着改变。为了调零，重复上述步骤，知道A/D转换卡的满刻度对应到ACB的大输出信号。
2.2.3 实验过程为了更好的模拟自然条件下，牛肉没有被存储在任何特殊的气体，电子鼻和实验室周围为同样的空气。首先从牛肉样品的颜色和气味上来评价然后记录。然后再用传感器来记录结果。传感器测量的结果通过感官评价因
此被证实。在实验条件下测量，没有任何特殊条件，如在购物中心、餐厅、储藏室和其他地方完成。根据传感器说明书，器件应该被预热10分钟，但是这是不够的，因此，我们使用1.5个小时的预热时间，从而产生一个稳定的初始值。传感器的输出电压由电压表测出并记录。在测量时间为5分钟至10分钟时，牛肉样品被放入期间内，当电压稳定时然后读出并记录。下一次测量开始时初始值是稳定的。
3 结果与讨论
图5显示出了六个传感器对储藏的牛肉的测试结果。除了TGS2442，其他的传感器的输出电压从开始上升，然后下降到稳定值。
图5六个传感器通过对存储的牛肉的典型响应试验结果。
表2列出的电压读数的平均值是从检测的六个传感器中的值的平均值。每个数据是在相同的条件下，三次测量的平均值。图6显示的是对应表2传感器的输出曲线。表3列出的是感官评价的结果。
表2 传感器输出电压
气敏传感器
储藏时间（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
图6 传感器输出电压曲线
表3 感官评价结果
储藏时间颜色气味
0 鲜红色无异味
1 深红色无异味
2 暗红色无异味
3 黑红色淡淡的异味
4 黑色难闻的气味
5深黑色 恶臭
6暗黑色 腐烂的恶臭
不同的传感器可以对应不同的气体（表1），这表明每个传感器对每种气体对应不同的输出电压。牛肉的气味来自气体化合物的混合物。因此每个传感器都有对应牛肉有个不同的输出电压。这一结论的结果被证实如表2所示。我们使用不同的传感器来构造一个传感器矩阵。气味是有多个传感器同时测量和数据处理得到的。可以实现高测量精度和可重复性。除了TGS2442，牛肉样品的存储时间会增加传感器的输出电压。我们从图六中发现TGS2442的输出曲线与存储的时间成平行线，表明该传感器不能用来衡量牛肉新鲜度。由此得，该传感器不能用在牛肉新鲜度检测的电子鼻矩阵中，这表明在传感器矩阵中只有五个传感器。TGS2600和TGS2620与存储时间有关的输出的近似线性函数可以表示为：
)9752.0(619.01330.02=+=R x y , for.TGS2600
)9856.0(1876.01265.02=+=R x y ,for.TGS2620
其中，y 是输出电压，x 是存储时间，R2是相关系数，从而显示出良好的线性函数。TGS2600函数的斜率大于TGS2620函数的斜率，这表明传感器TGS2600对牛肉的气味有较高的灵敏度。所以这两个传感器可以用来确定牛肉的存储时间。
在前两天TGS2644的输出电压几乎不变，但存储时间到第三天时，输出电压突然上升。TGS2611的输出电压比其他的存放时间超过三天的电压更大，这表明该传感器对新鲜的牛肉没有反应，但对变质的牛肉很敏感。因此，它可以用来确定保质期。TGS2610类似于TGS2611，但前者当存储时间超过三天后相对后者来说输出电压没有增加。一般来说传感器TGS2611、TGS2610和TGS2602对变质的牛肉敏感，虽然它们对新鲜的牛肉不敏感，它们可以用来指示变质的牛肉。
有很多公司生产的不同型号的传感器。由此，一个传感器矩阵是由针对不同气体敏感的各种传感器组成的。目前电子鼻是由传感器集成的矩阵组成。每个电子鼻主要是为特定的目的而设计的。所以在市场上的电子鼻都是昂贵的和有限的使用空间。在我们研究成果的基础上，传感器矩阵可以有不同的传感器集成，这也是电子鼻的研究和发展方向。这种方法可以使电子鼻价格便宜和扩展他们的应用空间。
4 结论
单独用一个传感器来对传感器构建的矩阵与牛肉质量之间的关系进行研究。实验结果表明，一些传感器的输出电压与牛肉储藏时间没有线性关系，不能清晰的检测到牛肉的变质程度，所以不能用来检测牛肉质量。一些传感器对新鲜牛肉没有反应，但对腐烂的牛肉有强烈的反应，所以传感器矩阵可以根据各个传感器反应的不同进行组合，这样可以提高检测牛肉新鲜度的可靠性和灵敏度。
致谢
这项工作得到了吉林省科技基金（批准号：20060217）和“985工程”吉林大学的支持。还要感谢生物与农业工程学院，吉林大学张守勤教授和他对该项工作的有意的言论。
参考文献
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