一种用于检测番荔枝成熟度的电子鼻及其检测方法

摘要

本发明公开了一种用于检测番荔枝成熟度的电子鼻及其检测方法，用于检测番荔枝成熟度的电子鼻包括电源，八个不同的传感器，信号采集，处理单元，箱体和两个气泵。所述检测的方法包括以下步骤：步骤一：提取出各传感器的响应特征值初始值Vs；步骤二：采集番荔枝样品使其充分挥发到容器内；步骤三：利用信号采集和处理单元提取出各传感器的响应特征值稳定值Ve并记录从开始检测到响应达到稳定值所需要的时间Ti，得到上升速率；步骤四：利用非线性随机共振模型计算得到番荔枝成熟度特征参数Amature：步骤五：将Amature与番荔枝成熟度临界值进行关联，得到番荔枝成熟度结果。本发明能够快速、简便、准确的检测出番荔枝的成熟度。

说明书

技术领域

本发明涉及用于果品品质检测的电子鼻，尤其是一种用于检测番荔枝成熟度的电子鼻，以及利用该电子鼻进行番荔枝成熟度检测的方法。

背景技术

    番荔枝(Annona squamosa )原产热带美洲，为番荔枝科落叶小乔木，现广泛分布于世界热带和较温暖的亚热带地区，成熟期恰好在中秋节前后，具有较高的商品价值，价格高达50到100元/kg。但由于番荔枝鲜果极易腐烂，不耐贮运，从而制约其产业化发展。目前，国内番荔枝果实成熟后绝大多数仅限于产地自销，难以远销非产地市场，使其大量积压，出现烂果，更不能出口创汇而造成严重的经济损失。如果远销非产地市场，果实以八成熟，果肉可溶性固形物含量达到10%左右采收为宜，其果实完熟后，食用品质及色、香、味与九成熟的果实较为接近，耐藏性不受影响。低于七成熟的果实，其果肉软熟后的各项营养指标以及风味均较差，影响其食用价值和商品价值。因此，判断番荔枝的成熟度具有重要的意义。成熟度是影响番荔枝果实贮藏寿命和品质的主要因素之一。

    目前，判断番荔枝最佳采收成熟度标准有不同的方法。传统的方法是根据果皮的颜色、果肉硬度和总可溶性固形物（TSS）含量来判断。Onimawo认为以果实硬度变化来判断果实是否成熟比看颜色变化好。但是，如果单独通过硬度来判断番荔枝的成熟度度会有一定的局限性。

    不同水果具有不同的香味，这是由它们自身所含的芳香物质种类多少与组成所决定的，尽管芳香物质在水果中的含量甚微，但其对水果质量影响却较大，并且因品种、成熟度和贮藏时间的不同其含量不同。水果香味与芳香物质的检测一般采用气相色谱法( GC ) 和气相色谱-质谱联用技术( GC -MS)，但这些检测方法检测费用昂贵、检测周期长。特别是，所得气味成分都是样品经分离后的产物，需把产物重组后才可作对比，所以测试结果都难代表样品的整体性，与人的嗅觉很难作系统化和科学化的对照。

    因此，迫切需要一种客观、快速、有效的方法来检测番荔枝的成熟度。

中国专利申请公布号：CN101769889A，申请公布日2010 年7月7日，公开了一种农产品品质检测的电子鼻系统，包括一主要完成对低浓度气味收集的气体富集模块，一主要把气味信号转化为电信号的箱体气路模块及传感器阵列，一主要对传感器阵列输出信号进行滤波、模数转换、特征提取的传感器调理电路与数据预处理模块，一对信号进行识别和判断、且带有数据存储的嵌入式系统，一显示与结果输出模块；所述的气体富集模块由装填有吸附剂的吸附管、电热丝和温控装置构成。该发明不足之处：一是功能单一，无法实现对番荔枝成熟度的检测；二是所述传感器对农产品信息的采集方法存在随即性，影响测试结果；三是未提出系统对传感器采集的数据进行处理，以获得精确结果的方法。 

发明内容

本发明的目的在于：提供一种用于检测番荔枝成熟度的电子鼻，能够快速、简便、准确的检测出番荔枝的成熟度。

本发明的另一目的在于：提供一种利用所述电子鼻进行番荔枝成熟度检测的方法，能够减少贮存条件对检测结果的影响，测定结果客观可靠。

为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：

本发明一种用于检测番荔枝成熟度的电子鼻，包括电源，把番荔枝挥发气味信息转换为电信号的多个传感器，所述传感器的信号采集和处理单元，控制单元，容置所述传感器的箱体及气泵，多个所述传感器共有八个，分别为芳香苯类传感器、氢气传感器、氮氧化物传感器、甲烷传感器、硫化氢气体传感器、乙醇传感器、氨类传感器和芳香烷烃传感器，且每一个传感器均设在一个由耐高温材料制成的独立的气腔内；所述气泵有两个，分别为用于向各所述气腔的入口输送洁净空气的清洗泵和用于向各所述气腔的入口输送待检测气体的采样泵，各气腔的出口通过管路与箱体外的大气单向相通。

所述清洗泵的输出口设有第一气阀，所述采样泵的输出口设有第二气阀。

一种利用所述的用于检测番荔枝成熟度的电子鼻进行番荔枝成熟度检测的方法，包括以下步骤：

步骤一：开启所述电子鼻的电源，清洗泵将洁净空气送入各气腔内，运行8-12min，使仪器处于初始状态，然后由传感器的控制单元控制各传感器对洁净空气进行检测，信号采集和处理单元提取出各传感器的响应特征值初始值Vs；

步骤二：将待检测的番荔枝样品分别放入洁净干燥的样品容器中，用封口膜密封瓶口，静置20-40min，使待测番荔枝样品的气体充分挥发到容器内； 

步骤三：常温常压下将电子鼻的进样针头插入装有番荔枝样品的容器，由采样泵将静置的样品所散发出的气体吸入电子鼻箱体中的各气腔内，由传感器的控制单元控制各传感器对气腔内的气体进行检测，检测时间为40-60s，信号采集和处理单元提取出各传感器的响应特征值稳定值Ve并记录从开始检测到响应达到稳定值所需要的时间Ti，从而得到上升速率（Ve –Vs）/Ti；

步骤四：信号采集和处理单元根据步骤三得到的响应特征值Vs、Ve、Ti和（Ve –Vs）/Ti，输入非线性随机共振模型计算得到番荔枝成熟度特征参数Amature：

所述非线性随机共振模型算法如下：

随机共振系统包含三个因素：双稳态系统，输入信号和外噪声源，以一个在双稳态势阱中被周期力驱动的过阻尼布朗运动粒子来描述系统特性：

    dx/dt=-dV(x)/dx+Asin(2πf₀t+ψ)+（2D）^1/2ξ(t)      （1）

V(x)为非线性对称势函数，ξ(t)为高斯白噪声，其自相关函数为：

E[ξ(t)ξ(0)] = 2Dδ(t)，A是输入信号强度， f₀ 是调制信号频率，ψ是输入信号的相位，D 是噪声强度，δ(t)是标准冲激函数，a和b是两个实参数，

           V(x)=1/4ax⁴-1/2bx²                    (2)

因此式（1）可以改写为：

dx/dt=bx-ax³+Asin(2πf₀t+ψ) +（2D）^1/2ξ(t)     (3)

取信噪比特征值为：

       SNR=2[lim∫S(ω)dω]/S_N(Ω)                 (4)

是信号频谱密度，是信号频率范围内的噪声强度，根据番荔枝样品的信噪比特征值拟合得到番荔枝成熟度参数：

Amature = f(SNR_max )

其中，选取信噪比曲线极大值SNRmax 作为信噪比特征值。

步骤五：将番荔枝成熟度参数Amature与番荔枝成熟度临界值进行关联，得到番荔枝成熟度结果。

所述番荔枝成熟度临界值的检测步骤为：

采用国标对番荔枝的成熟度进行检测并分级，将番荔枝分为三个等级：一级为一成熟到七成熟，二级为八成熟，三级为九成熟以上；

采用所述的步骤一至四，确定不同等级的番荔枝标品的成熟度临界值，一级成熟度临界值为S1，二级成熟度临界值为S2，三级成熟度临界值为S3；

番荔枝样品的Amature < S1，为一级成熟度；

番荔枝样品的S1 ≤ Amature < S2，为二级成熟度；

番荔枝样品的Amature ≥S3，已达到货架期终点。

    所述各气腔的容积均为5mL，清洗泵的工作流量是4L/min，采样泵的工作流量是1L/min。

    与现有技术相比本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，采用芳香苯类传感器、氢气传感器、氮氧化物传感器、甲烷传感器、硫化氢气体传感器、乙醇传感器、氨类传感器、芳香烷烃传感器等8个不同类型的传感器组成的电子鼻，且每一个传感器均设在一个由耐高温材料制成的独立的气腔内对番荔枝样品进行检测，这种结构，检测结果全面、客观，既避免了多个传感器共处一箱体而形成的相互干扰，又提高了检测精度，快捷，重复性好；这种结构，无需把番荔枝样品制成果泥，简化了检测操作过程，而且减少了番荔枝制成果泥的处理过程对检测结果的影响；这种结构，能够检测判断番荔枝的成熟度，有利于准确掌握番荔枝的采摘时间，避免过早采摘带来的风味差的问题和过完采摘带来的腐烂问题。

本发明所述的方法，通过对8个输出信噪比极大值的确定，分析过程简单，传感器的用量小，检测方法简单方便，费用低；本发明的检测方法无需把番荔枝样品制成果泥，简化了检测操作过程，而且减少了番荔枝制成果泥的处理过程对检测结果的影响；本发明检测方法能够检测判断番荔枝的成熟度，有利于准确掌握番荔枝的采摘时间，避免过早采摘带来的风味差的问题和过完采摘带来的腐烂问题；本发明检测方法能够降低整体腐化可能，减少物流过程的损失，降低水果价格；本发明的检测方法气体直接通过检测的传感器阵列，气体能够充分的与传感器接触，检测时间短。

本发明所述方法的进一步有益效果是：清洗泵的工作流量是4L/min，采样泵的工作流量是1L/min，流量太大，携带挥发性成分的气体很快通过传感器，传感器来不及检测；流量太小，致使检测时间加长。气体采样泵和箱体清洁泵的区别是流量不一样，设定这样流量的大小就能保证传感器在一个合理的时间内恢复初始状态。再进一步的有益效果是：本发明的检测方法，可以适时调整所述临界值S1、S2和S3的数值，使检测结果更准确，更适合不同品种、不同种类水果成熟度的准确、快速检测，具有自我不断更新和完善的功能。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种用于检测番荔枝成熟度的电子鼻，包括电源1，把番荔枝挥发气味信息转换为电信号的芳香苯类传感器（TGS-825）201、氢气传感器（GS-821）202、氮氧化物传感器（TGS-826）203、甲烷传感器（TGS-822）204、硫化氢气体传感器（TGS-842）205、乙醇传感器（TGS-813）206、氨类传感器（TGS-2610）207、芳香烷烃传感器（TGS-2210）208，每一个传感器均设在一个由耐高温材料制成的独立的气腔内，所述各气腔的容积均为5mL，还包括传感器的控制单元3，信号采集和处理单元4，容置各所述传感器和气腔的箱体5，及用于向各所述气腔的入口输送洁净空气的清洗泵601和用于向各所述气腔的入口输送待检测气体的采样泵602，各气腔的出口通过管路与箱体5外的大气单向相通。所述清洗泵601的输出口设有第一气阀701，所述采样泵602的输出口设有第二气阀702。

利用上述用于检测番荔枝成熟度的电子鼻进行番荔枝成熟度检测的方法：

步骤一：开启所述电子鼻的电源1，清洗泵601将洁净空气送入各气腔内，其工作流量是4L/min，运行10min，使仪器处于初始状态，然后由传感器的控制单元3控制各传感器对洁净空气进行检测，信号采集和处理单元4提取出各传感器2的响应特征值初始值Vs：

芳香苯类传感器（TGS-825）201的响应特征值初始值Vs=0、

氢气传感器（GS-821）202的响应特征值初始值Vs=0、

氮氧化物传感器（TGS-826）203的响应特征值初始值Vs=0、

烷烃类传感器（TGS-822）204的响应特征值初始值Vs=0、

硫化氢气体传感器（TGS-842）205的响应特征值初始值Vs=0、

乙醇传感器（TGS-813）206的响应特征值初始值Vs=0、

氨类传感器（TGS-2610）207的响应特征值初始值Vs=0、

芳香烷烃传感器（TGS-2210）208的响应特征值初始值Vs=0；

步骤二：取三份待检测的番荔枝样品释迦果分别放入洁净干燥的样品容器中，用保鲜膜密封瓶口，静置30min，使待测番荔枝样品的气体充分挥发到容器内； 

步骤三：常温常压下将电子鼻的进样针头插入装有番荔枝样品的容器，将静置的三份样品所散发出的气体分别由采样泵602吸入电子鼻箱体5中的各气腔内，采样泵602的工作流量是1L/min，由传感器的控制单元3控制各传感器对气腔内的气体进行检测，信号采集和处理单元4提取出各传感器的响应特征值稳定值Ve：

步骤四：信号采集和处理单元4根据步骤三得到的响应特征值Vs、Ve、Ti和（Ve–Vs）/Ti，

由第一份待检测的番荔枝样品取得如下第一组数据：

芳香苯类传感器（TGS-825）201的响应特征值稳定值Ve1=0.56V、

氢气传感器（GS-821）202的响应特征值稳定值Ve1=0.05V、

氮氧化物传感器（TGS-826）203的响应特征值稳定值Ve1=0.24V、

烷烃类传感器（TGS-822）204的响应特征值稳定值Ve1=0.81V、

硫化氢气体传感器（TGS-842）205的响应特征值稳定值Ve1=0.28V、

乙醇传感器（TGS-813）206的响应特征值稳定值Ve1=0.22V、

氨类传感器（TGS-2610）207的响应特征值稳定值Ve1=0.21V、

芳香烷烃传感器（TGS-2210）208的响应特征值稳定值Ve1=0.065V、

并记录从开始检测到响应达到稳定值所需要的时间Ti= 40s，

由第二份待检测的番荔枝样品取得如下第二组数据：

芳香苯类传感器（TGS-825）201的响应特征值稳定值Ve2=0.57V、

氢气传感器（GS-821）202的响应特征值稳定值Ve2=0.045V、

氮氧化物传感器（TGS-826）203的响应特征值稳定值Ve2=0.24V、

烷烃类传感器（TGS-822）204的响应特征值稳定值Ve2=0.815V、

硫化氢气体传感器（TGS-842）205的响应特征值稳定值Ve2=0.27V、

乙醇传感器（TGS-813）206的响应特征值稳定值Ve2=0.23V、

氨类传感器（TGS-2610）207的响应特征值稳定值Ve2=0.215V、

芳香烷烃传感器（TGS-2210）208的响应特征值稳定值Ve2=0.07V、

并记录从开始检测到响应达到稳定值所需要的时间Ti =40s，

由第三份待检测的番荔枝样品取得如下第三组数据：

芳香苯类传感器（TGS-825）201的响应特征值稳定值Ve3=0.56V，

氢气传感器（GS-821）202的响应特征值稳定值Ve3=0.05V，

氮氧化物传感器（TGS-826）203的响应特征值稳定值Ve3=0.23V、

烷烃类传感器（TGS-822）204的响应特征值稳定值Ve3=0.81V、

硫化氢气体传感器（TGS-842）205的响应特征值稳定值Ve3=0.275V、

乙醇传感器（TGS-813）206的响应特征值稳定值Ve3=0.225V、

氨类传感器（TGS-2610）207的响应特征值稳定值Ve3=0.208V、

芳香烷烃传感器（TGS-2210）208的响应特征值稳定值Ve3=0.071V、

并记录从开始检测到响应达到稳定值所需要的时间Ti= 40s，

每一种传感器的三组响应值取平均数值，然后分别计算每一种传感器的上升速率（Ve–Vs）/Ti：

芳香苯类传感器（TGS-825）201的上升速率（Ve–Vs）/Ti=0.04225，

氢气传感器（GS-821）202的上升速率（Ve–Vs）/Ti=0.003625，

氮氧化物传感器（TGS-826）203的上升速率（Ve–Vs）/Ti=0.01775、

烷烃类传感器（TGS-822）204的上升速率（Ve–Vs）/Ti=0.060875，

硫化氢气体传感器（TGS-842）205的上升速率（Ve–Vs）/Ti=0.020625，

乙醇传感器（TGS-813）206的上升速率（Ve–Vs）/Ti=0.016875，

氨类传感器（TGS-2610）207的上升速率（Ve–Vs）/Ti=0.015825，

芳香烷烃传感器（TGS-2210）208的上升速率（Ve–Vs）/Ti=0.00515，

将8种传感器的上升速率取平均值，利用非线性随机共振模型计算得到番荔枝成熟度特征参数Amature：

所述非线性随机共振模型算法如下：

随机共振系统包含三个因素：双稳态系统，输入信号和外噪声源，以一个在双稳态势阱中被周期力驱动的过阻尼布朗运动粒子来描述系统特性：

     dx/dt=-dV(x)/dx+Asin(2πf₀t+ψ)+（2D）^1/2ξ(t)     （1）

V(x)为非线性对称势函数，ξ(t)为高斯白噪声，其自相关函数为：

E[ξ(t)ξ(0)] = 2Dδ(t)，A是输入信号强度， f₀ 是调制信号频率，ψ是输入信号的相位，D 是噪声强度，δ(t)是标准冲激函数，a和b是两个实参数，

           V(x)=1/4ax⁴-1/2bx²                    (2)

因此式（1）可以改写为：

dx/dt=bx-ax³+Asin(2πf₀t+ψ) +（2D）^1/2ξ(t)     (3)

取信噪比特征值为：

       SNR=2[lim∫S(ω)dω]/S_N(Ω)                 (4)

是信号频谱密度，是信号频率范围内的噪声强度，根据番荔枝样品的信噪比特征值拟合得到番荔枝成熟度参数：

Amature = f(SNR_max )

其中，选取信噪比曲线极大值作为特征值计算得到Amature = -69.84。

步骤五：将番荔枝成熟度参数Amature与番荔枝成熟度临界值进行关联，得到番荔枝成熟度结果。

所述番荔枝成熟度临界值的检测步骤为：

采用国标对番荔枝的成熟度进行检测并分级，将番荔枝分为三个等级：一级为一成熟到七成熟，二级为八成熟，三级为九成熟以上；

采用上面所述的步骤一至四，确定不同等级的番荔枝标品的成熟度临界值，一级成熟度临界值为S1= -67.38，二级成熟度临界值为S2= -71.72，三级成熟度临界值为S3=-74.26；

番荔枝样品的Amature ≥ S1= -67.38，为一级成熟度；

番荔枝样品的S2= -71.72 ≤ Amature < S1，为二级成熟度；

番荔枝样品的S3= -74.26 ≤ Amature < S2，为三级成熟度。

经过以上分析，Amature = -69.84的番荔枝样品为二级成熟度。