張文昭, 周文真, 陳愛(ài)武, 劉愛(ài)林

?

接觸式鮮豬肉含水率檢測(cè)儀的研究與試驗(yàn)

張文昭*, 周文真, 陳愛(ài)武, 劉愛(ài)林

(湖南科技學(xué)院 電子工程系, 湖南 永州, 425199)

為快速檢測(cè)鮮豬肉的含水率, 設(shè)計(jì)一種單一平面電容傳感器并用之制作成接觸鮮豬肉含水率檢測(cè)裝置. 該裝置由接觸式電容傳感器、AD7150轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)系統(tǒng)組成. 標(biāo)定試驗(yàn)和檢測(cè)結(jié)果表明, 當(dāng)含水率在60%～77%的范圍內(nèi)時(shí), 該裝置所測(cè)定的含水率誤差小于±1.0%; 溫度偏差測(cè)試表明, 鮮豬肉在15～35 ℃的溫度范圍內(nèi)變化時(shí), 含水率偏差小于±0.3%.

接觸式; 鮮豬肉; 含水率; AD7150

鮮肉食品是人類(lèi)主要的食品來(lái)源之一, 其質(zhì)量?jī)?yōu)劣關(guān)系到人類(lèi)生活品質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)水平及飲食安全, 受到質(zhì)量管理者和肉制品工業(yè)的重視[1]. 鮮豬肉含水率檢測(cè)是肉品質(zhì)檢測(cè)的首要任務(wù). 目前, 鮮豬肉含水率的檢測(cè)技術(shù)主要有超聲波法[2]、光學(xué)圖像法[3—4]、紅外光譜分析法[5—6]、核磁共振法[7—8]、微波萃取分光光度法[9]、微波加熱干燥法[10—11]、電容法[12—14]和烘干法等. 除電容法和烘干法外, 以上涉及其它方法的設(shè)備較復(fù)雜, 設(shè)備成本高, 且檢測(cè)過(guò)程比較耗時(shí), 不便普及使用. 烘干法是耗時(shí)最多的一種方法, 通常用烘干法作為其它方法的標(biāo)準(zhǔn), 對(duì)其它方法進(jìn)行標(biāo)定. 文獻(xiàn)[14]提出電容法快速檢測(cè)豬肉含水率, 本文將對(duì)此方法深入研究, 設(shè)計(jì)一種接觸式鮮肉含水率測(cè)量?jī)x, 并進(jìn)行標(biāo)定與測(cè)量試驗(yàn).

1 傳感器探頭及硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 接觸式傳感器探頭設(shè)計(jì)

如圖1所示, 1為絕緣基架, 即整個(gè)電容的骨架, 2和3為電容有效極板, 4和5為屏蔽電極. 接觸式電容傳感器采用單一平面電容器, 該電容器采用靜電場(chǎng)邊緣效應(yīng), 單一平面電容器只應(yīng)用其單面與鮮肉接觸, 為減少周?chē)h(huán)境的干擾, 電容周邊和探測(cè)面背面均為地線, 起屏蔽作用. 電容器2個(gè)極板大小為30 mm′3 mm, 相距2.5 mm, 絕緣板厚1.5 mm, 整個(gè)傳感器可用雙面敷銅板蝕刻制成長(zhǎng)50 mm、寬10 mm的電容傳感器探頭.

1.2 硬件電路設(shè)計(jì)

經(jīng)測(cè)試, 傳感器探頭電容值的變化范圍為0.1～7.0 pF, 當(dāng)電容傳感器探頭正面對(duì)空時(shí), 電容值約為0.1 pF; 當(dāng)正面與鮮豬肉接觸時(shí), 電容值可達(dá)到近7 pF. 根據(jù)本電容的變化特征, 電容小, 電容最大值與最小值之間變化范圍大, 不宜采用諧振電路, 這里采用一種新型器件: 電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD7150芯片. 該芯片的測(cè)量范圍是0～14 pF, 最小分辨率為0.8 fF, 芯片響應(yīng)時(shí)間為10 ms, 可以完全滿足傳感器探頭的要求. AD7150利用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù), 直接將電容模擬值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量, 與單片機(jī)通過(guò)I2C接口實(shí)現(xiàn)傳感器電容值的數(shù)據(jù)采集, 并由單片機(jī)進(jìn)行處理. AD7150有2路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換接口, 可以同時(shí)檢測(cè)2個(gè)電容值. 檢測(cè)電路方框圖如圖2所示, 圖中轉(zhuǎn)換器為AD7150. 傳感器感知的鮮肉含水率變化, 由轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成數(shù)字量, 通過(guò)I2C接口送給單片機(jī), 由單片機(jī)處理后送到顯示器進(jìn)行顯示.

圖1 電容傳感器探頭. 1 絕緣基架; 2、3 電容極板; 4、5 屏蔽電極(接地)

電路原理圖如圖3所示, 設(shè)計(jì)2個(gè)同樣尺寸的電容傳感器Cx1和Cx2, 分別連接到AD7150的4、6引腳和3、5引腳, AD7150的9、10引腳分別為I2C接口的串行時(shí)鐘和數(shù)據(jù)(SCL、SDA). 單片機(jī)采用STC12LE5204, 該芯片采用3.3 V供電, 與AD7150電源匹配, 通過(guò)串口在線下載, 編程方便. J1為程序下載口, J2為顯示接口, 顯示模塊采用LCD1602, 為節(jié)省單片機(jī)引腳資源, LCD1602與單片機(jī)采用4位數(shù)據(jù)連接方式. S1—S3為檢測(cè)儀按鍵, 用功能選擇與啟停設(shè)置.

圖2 系統(tǒng)方框圖

圖3 電路原理圖

2 鮮豬肉含水率標(biāo)定與測(cè)試

2.1 鮮豬肉含水率標(biāo)定

標(biāo)定過(guò)程所用的儀器有: BL-2200H型電子秤(SHIMADZU CORPORATION JAPAN日本島津公司, 2 200 g/0.01 g), ZBY149-83干燥箱(上海躍進(jìn)醫(yī)療儀器廠), 干燥皿, 水銀溫度計(jì)(精度為0.2 ℃). 所用材料為鮮豬肉和保鮮膜.

表1 樣品含水率

注: 平均含水率76.47%

2.1.1 鮮豬肉標(biāo)準(zhǔn)含水率的測(cè)定

采用烘干法進(jìn)行鮮豬肉含水率測(cè)定, 采集鮮豬肉樣品5份, 質(zhì)量分別為49.4、49.7、51.5、52.3和48.9 g, 分別放在5個(gè)干燥皿中, 將5份樣品放入干燥箱中, 將干燥箱溫度設(shè)置為103 ℃, 連續(xù)干燥16 h[7], 之后每隔1 h測(cè)量樣品質(zhì)量1次, 當(dāng)樣品質(zhì)量恒定后, 樣品最后質(zhì)量視為其干質(zhì)量(表1). 鮮肉含水率計(jì)算公式為:

其中, M0為鮮肉含水率(%); W1鮮豬肉樣品質(zhì)量(g); W2為干肉樣品質(zhì)量(g). 同一批次相同取樣點(diǎn)鮮豬肉認(rèn)為含水率相同.

2.1.2 傳感器標(biāo)定試驗(yàn)

采集前面5份樣品的同時(shí), 采集25份含水率相同的樣品, 其含水率可視為76.47%, 分別測(cè)量其質(zhì)量并進(jìn)行標(biāo)號(hào)1～25, 用保鮮膜密封包好, 并存放在冰箱冷藏室內(nèi). 取其中樣品1—15號(hào)打開(kāi)保鮮膜放入干燥皿中, 并送入干燥箱在40 ℃的溫度下烘干, 每過(guò)10 min測(cè)量豬肉的質(zhì)量, 并應(yīng)用式(1)計(jì)算出此刻豬肉的含水率, 同時(shí)用檢測(cè)儀測(cè)量其對(duì)應(yīng)的電容值. 所得含水率與電容值數(shù)據(jù)擬合曲線如圖4所示. 由擬合曲線可知鮮肉的含水率實(shí)驗(yàn)公式為:

= 4.52+ 50.02, (2)

式(2)中,為含水率(%);為電容值(pF). 用檢測(cè)儀測(cè)量出電容量便可由式(2)計(jì)算出含水率.

2.2 鮮豬肉含水率測(cè)試

將鮮豬肉樣品16—20號(hào)取出, 用檢測(cè)儀測(cè)試其含水率結(jié)果如表2所示(標(biāo)稱(chēng)含水率76.47%). 由測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn), 鮮豬肉含水率誤差為0.2%以?xún)?nèi). 將豬肉樣品16—20號(hào)在干燥箱中逐步烘干, 用儀器法測(cè)得豬肉含水率與烘干法測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行比較, 誤差見(jiàn)圖5.

表2 鮮豬肉含水率測(cè)試/%

圖5 含水率誤差

2.3 溫度偏差試驗(yàn)

考慮到電介質(zhì)可能受溫度影響, 為確定鮮豬肉受溫度影響情況, 取出鮮豬肉樣品21—25號(hào), 將樣品21—25號(hào)設(shè)置為不同溫度, 當(dāng)溫度穩(wěn)定后, 用檢測(cè)儀測(cè)量其含水率, 結(jié)果見(jiàn)表3. 測(cè)試結(jié)果表明, 溫度對(duì)電容值沒(méi)有明顯的影響, 含水率沒(méi)有明顯的偏差, 與標(biāo)稱(chēng)值相比最大偏差為0.3%.

表3 溫度偏差試驗(yàn)

3 結(jié)論

采用單一平面電容設(shè)計(jì)了一種接觸鮮豬肉含水率檢測(cè)裝置. 該裝置由平面接觸式電容傳感器、電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片AD7150和單片機(jī)系統(tǒng)組成. 對(duì)裝置進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)和溫度試驗(yàn), 測(cè)試結(jié)果表明: ① 當(dāng)含水率在60%～77%的范圍內(nèi)時(shí), 該裝置含水率檢測(cè)誤差小于±1.0%; ② 當(dāng)鮮豬肉在15～35 ℃的溫度范圍內(nèi)變化時(shí), 偏差小于±0.3%.

[1] 成芳, 廖宜濤, 馬君偉. 豬肉品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)研究進(jìn)展[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào): 農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版, 2010, 36(2): 199—206.

[2] Coupland J N. Low intensity ultrasound [J]. Food Research International, 2004, 37(6): 537—543.

[3] Tan J L. Meat quality evaluation by computer vision [J]. Journal of Food Engineering, 2004, 61(1): 27—35.

[4] Lu J, Tan J, Shatadal P, et al. Evaluation of pork color by using computer vision [J]. Meat Science, 2000, 56(1): 57—60.

[5] Woodcock T, Downey G, O’Donnell C P. Better quality food and beverages: the role of near infrared spectroscopy [J]. Journal of near Infrared Spectroscopy, 2008, 16(1): 1—29.

[6] Hoving-Bolink A H, Vedder H W, Merks J W M, et al. Perspective of NIRS measurement s early post mortem for prediction of pork quality [J]. Meat Science, 2005, 69(3): 417—423.

[7] Sorland G H, Larsen P M, Lundby F, et al. Determination of total fat and moisture content in meat using low field NMR [J]. Meat Science, 2004, 66(3): 543—550.

[8] Shaarani S M, Nott K P, Hall L D, et al. Combination of NMR and MRI quantitation of moisture and structure changes for convection cooking of fresh chicken meat [J]. Meat science, 2006, 72(3): 398—403.

[9] 劉興梅, 曹彥波, 游景艷, 等. 微波萃取-分光光度法測(cè)定新鮮豬肉中的含水量[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè), 2008, 34(2): 130—132.

[10] Clerjon S, Damez J. Microwave sensing for meat and fish structure evaluation [J]. Measurement Science and Techno- logy, 2007, 18: 1038.

[11] 丁相軍, 鞠偉, 左娟. 微波技術(shù)在食品水分檢測(cè)中的應(yīng)用[J]. 肉類(lèi)工業(yè), 2006(1): 4—5.

[12] Kandala C V K, Butts C L, Nelson S O. Capacitance sensor for nondestructive measurement of moisture content in nuts and grain [J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2007, 56(5): 1809—1813.

[13] McIntosh R B, Casada M E. Fringing field capacitance sensor for measuring the moisture content of agricultural commodeties [J]. Sensors Journal, 2008, 8(3): 240—247.

[14] 張文昭, 劉志壯, 周文真. 電容法豬肉含水率快速檢測(cè)的研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2012, 28(20): 272—275.

Study and experiment on contact-type detector of pork moisture content

ZHANG WenZhao, ZHOU WenZhen, CHEN AiWu, LIU AiLin

(Department of Electronics Engineering, Hunan University of Science and Engineering, Yongzhou 425199, China)

In order to detect fresh pork moisture content, a contact-type detector of pork moisture content was designed with a uniplanar capacitance sensor probe for acquiring fresh pork moisture content. This device consists of contact-type capacitance sensor, converter AD7150, and microprocessor. Calibration experiment and detection result show that moisture content error is less than±1.0% when pork moisture content is in 60%～77%. Temperature departure experiments show that moisture content error is less than±0.3% when pork temperature is in 15～35 ℃.

contact-type; capacitance; fresh pork; moisture content; AD7150

10.3969/j.issn.1672-6146.2014.04.014

O 657.39; TP 216+.1

1672-6146(2014)04-0055-04

email:liuzz168@126.com.

2014-06-08

2013年湖南省科技廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013NK3026); 湖南科技學(xué)院重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目.

(責(zé)任編校:劉剛毅)