电子鼻优化设计及其在坚果品质检测中的应用

摘要

近年来，坚果品质检测愈发受到社会各界的关注。然而，因其坚硬外壳的阻挡，使得坚果内部品质信息很难被直接准确地获取。作为一种嗅觉仿生仪器，电子鼻基于样品挥发性气体的“指纹图谱”信息进行内部品质的快速判定，令其在坚果品质检测领域具有较好的应用前景。
　　目前，电子鼻的研发主要朝着自动化、智能化方向发展。而现有电子鼻主要分为便携式与台式两种，其中便携式电子鼻主要存在人机交互性差、数据处理效率低等问题;台式电子鼻则缺少自动进样机构，自动化程度低下等缺点。针对上述问题及不同应用环境，本文分别研发了基于DSP的嵌入式便携电子鼻和基于DELTA并联机械臂的全自动电子鼻系统，并以山核桃为研究对象，进行系统实际检测能力的验证。本文主要研究内容和结论如下:
　　(1)研制了基于DSP的嵌入式便携电子鼻系统，包括气体采集响应模块、信号采集及调理模块、DSP控制处理模块和信息显示交互模块。系统采用FLUENT流体分析进行气室的优化设计，并基于PS-LCD进行人机交互界面开发，以实现检测过程可视化。同时，通过将数据预处理、特征值提取、模式识别算法移植进DSP使电子鼻具有独立运算能力。
　　(2)研制基于DELTA并联机械臂的全自动电子鼻系统，包括插拔式传感器响应模块、自动进样模块、信号采集及进样控制模块和上位机交互界面。系统通过传感器安装底座的设计实现不同类型传感器的快速插拔，并经FLUENT流体分析确定传感器分布及进气口高度最佳方案。自动进样模块则采用DELTA3自由度并联机械臂结构进行设计。同时，根据系统功能模块，基于Matlab GUI开发环境为系统提供一个高集成度的人机交互界面。
　　(3)针对不同检测对象，基于非搜索性特征选择策略，采用均值分析、变异系数分析、聚类分析、相关性分析及方差膨胀因子分析对由平均微分值、稳定值、面积值构成的初始特征矩阵进行逐步优化，并根据最终获得的优化矩阵选择相应的传感器阵列进行应用。
　　(4)进行了未加工山核桃陈化时间、加工山核桃货架期及掺杂比例检测。结果表明，不同陈化时间的未加工山核桃基于PCA算法能获得很好的区分效果;LDA较PCA能更好的对加工山核桃货架期及不同掺杂比例进行检测。同时，上述实验分别基于经PCA降维处理的数据进行了PLSR和BPNN预测模型的构建。其中，加工山核桃货架期评定实验中，PLSR模型预测精度较低，建议采用精度更高的BPNN模型。而其他两组实验所构建的PLSR和BPNN模型对样品均具有较好的预测性能。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景与意义

1．2 电子鼻国内外研究现状

1．2．1 电子鼻概述

1．2．2 电子鼻研究现状

1．3 课题来源

1．4 主要研究内容

第二章 基于DSP的嵌入式便携电子鼻的研制

2．1 系统总体方案设计

2．1．1 系统功能要求

2．1．2 系统设计思路与方案

2．1．3 系统主要部件的选型

2．2 系统硬件设计

2．2．1 气体采集响应模块

2．2．2 信号采集及调理模块

2．2．3 DSP控制处理模块

2．2．4 信息显示交互模块

2．3 系统软件设计

2．3．1 DSP控制处理模块程序设计

2．3．2 TFT人机交互界面设计

2．4 系统测试

第三章 基于DELTA并联机械臂的全自动电子鼻的研制

3．1系统总体方案设计

3．1．1 系统功能要求

3．1 系统总体方案设计

3．1．2 系统设计思路与方案

3．2 系统硬件设计

3．2．1 插拔式传感器响应模块

3．2．2 自动进样模块

3．2．3 信号采集与进样控制模块

3．3 系统软件设计

3．3．1 信号采集与进样控制模块程序设计

3．3．2 上位机交互界面及程序设计

3．4 系统测试

第四章 电子鼻在山核桃品质检测中的应用

4．1 电子鼻在未加工山核桃品质检测中的应用

4．1．1 实验材料与检测方法

4．1．2 传感器阵列优化

4．1．3 不同陈化时间山核桃区分及预测模型建立

4．2 电子鼻在加工山核桃货架期评定和掺杂检测中的应用

4．2．1 实验样品处理

4．2．2 加工山核桃货架期评定

4．2．3 加工山核桃掺杂比例检测

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读学位期间主要科研成果

致谢