真空包裝食品質(zhì)量的低成本無損失檢測系統(tǒng)設計

摘要：圍繞真空包裝食品質(zhì)量檢測中存在的一些問題，基于LC諧振電路原理及經(jīng)典電路等理論，提出適用于真空包裝食品質(zhì)量無損檢測的、低成本、無線和無源食品阻抗測量傳感器設計方案，分析、實驗構(gòu)成阻抗傳感器的電容、電感、電阻等元件的不同連接方式、具體電路結(jié)構(gòu)、傳感器材料、傳感器振蕩頻率等對阻抗測量性能的影響，給出傳感器測試結(jié)果，并對測試結(jié)果進行分析，以完成一種適用于所開發(fā)的阻抗傳感器的阻抗測量裝置的設計。

關(guān)鍵詞：真空包裝 食品質(zhì)量 無損失檢測

中圖分類號：TS206.6 文獻標識碼：A 文章編號：1672-5336（2014）12-0030-03

1 引言

真空包裝作為一種保鮮包裝技術(shù)，已經(jīng)在食品工業(yè)中得到廣泛應用。經(jīng)過真空包裝，食物能夠鎖住水分，保持新鮮，延長保存日期，便于儲存、運輸[1]。但由于真空包裝損壞、真空包裝中空氣殘留、儲存環(huán)境不規(guī)范等因素的存在，即使處于保質(zhì)期內(nèi)的真空包裝食品，其產(chǎn)品質(zhì)量有時也不能得到保證。另外，缺乏相應國家規(guī)范，一些無良的食品生產(chǎn)廠家，往往任意延長或標識食品的生產(chǎn)日期或保質(zhì)期，從而誤導食品的儲運、銷售和使用者，而引發(fā)的食品安全事故。食品安全事故已引起了高度重視，紛紛采取各種措施控制食品污染，確保食品安全，因而真空包裝食品質(zhì)量檢測技術(shù)受到大家關(guān)視。其中，開發(fā)和設計不同類型的檢測系統(tǒng)，改進現(xiàn)有檢測手段，加強食品的質(zhì)量檢測就是最重要的措施之一。

2 工作原理與模型

由于食品的含水量對食品質(zhì)量具有重大影響，即當食品因受潮或其它細菌污染等原因?qū)е沦|(zhì)量下降或品質(zhì)惡化，其含水量往往發(fā)生變化。根據(jù)這一特點，通過檢測食品的含水量變化，可以間接判斷食品質(zhì)量變化。

據(jù)上所述，構(gòu)建真空包裝食品質(zhì)量檢測的低成本、無損、快速、在線檢測系統(tǒng)模型如圖1所示，該系統(tǒng)在不打開食品包裝的情況下，即可實現(xiàn)食品質(zhì)量檢測。其中食品阻抗測量傳感器是整個檢測系統(tǒng)的核心。傳感器的設計由理論分析及實驗驗證相結(jié)合，主要完成以下兩方面功能：

（1）完成食品質(zhì)量變化與可測量電信號之間的轉(zhuǎn)換和檢測。由于食品的含水量變化會引起食品的復介電常數(shù)、電導率等參數(shù)變化，因此，利用電容傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、響應時間短、分辨率高、對使用環(huán)境要求不高等特點，通過設計電容式傳感器，檢測電容量的值或改變情況即可得到食品復介電常數(shù)的變化，得到食品質(zhì)量變化的準確信息[2]；利用基于靜電場與場中導體和電介質(zhì)之間關(guān)系的經(jīng)典電路理論，確定被測食品復介電常數(shù)與電容傳感器的電容量之間的函數(shù)關(guān)系。

（2）完成低成本、無線、無源阻抗傳感器的設計。首先利用射頻通訊原理和LC諧振電路、耦合電感等電路理論知識，通過設計如圖2所示的LC諧振電路，即可實現(xiàn)電容傳感器的感應供電和檢測信號的無線發(fā)送，該諧振電路即為完整的阻抗測量傳感器。通過實驗確定相應參數(shù)。

其中電容值及電感值的計算公式如下。

其中，l、a、b、d0、d1為對應空間尺寸。

第二以測試過程中積累的數(shù)據(jù)為基礎，利用PSPICE、MATLAB、SCILAB等計算機仿真和數(shù)值分析工具，分析影響食品質(zhì)量的食品含水量、大腸桿菌、李氏桿菌等菌落數(shù)量變化與食品復介電常數(shù)變化之間的數(shù)學關(guān)系，建立食品復介電常數(shù)變化與阻抗傳感器輸出之間的數(shù)學模型，分析溫度濕度變化、寄生電容、諧振頻率等因素對復電阻抗變化的影響，從理論上提 高測量精度的方法以提高阻抗傳感器精度設計。

第三開發(fā)便攜式阻抗傳感器的阻抗測量。該裝置主要由頻譜掃描電路、阻抗測量電路等部分構(gòu)成。為了覆蓋整個ISM頻段且匹配阻抗傳感器所有可能的諧振頻率取值，頻譜掃描電路的設計采用壓控振蕩器，利用鎖相環(huán)芯片和現(xiàn)場可編程邏輯門陣列芯片，即可產(chǎn)生分辨率為1Hz、頻寬為0-870MHz的射頻掃描信號[3]；無損耗信號發(fā)射子電路主要由高頻信號天線（即圖1中的外部感應線圈）構(gòu)成，它既用來實現(xiàn)頻譜掃描信號的輸出，也是阻抗測量電路的輸入裝置，天線的設計對傳感器信號的無線傳輸距離具有影響，使用環(huán)形天線來同時滿足這些要求，并通過電路實驗和計算機模擬的方式來優(yōu)化天線的形狀、直徑、圈數(shù)和間距等，優(yōu)化的目標盡可能的減少損耗，在所需的頻率范圍內(nèi)具有最大的品質(zhì)因數(shù)。

其中阻抗測量電路的阻抗定義為被測電路兩端電壓和流經(jīng)被測電路電流的矢量比，即

式中 Z——被測電路的阻抗值。

檢測含水量時，信號源在感應線圈上輸出不同頻率正弦量，同時測量外部感應線圈兩端的阻抗，并記錄與其最小值對應的角頻率，以確定諧振傳感器的角頻率。

在軟件設計方面，系統(tǒng)上電復位進行初始化，然后處于待機狀態(tài)。進行檢測時，由按鍵輸入諧振傳感器編號、食品編號、輸出頻率的最小/大值和頻率變化步長等參數(shù)，確定后進行感應線圈校正，即測量自阻抗，校正完成后，可以啟動測量。

3 實驗數(shù)據(jù)及分析

利用圖3所示實驗裝置驗證諧振傳感器檢測的有效性。實驗時間為20小時，其中空氣相對濕度從20%逐步提高到60%，分別記錄兩個諧振傳感器的諧振頻率值，圖4給出了諧振頻率隨時間變化的對比曲線。

從圖4發(fā)現(xiàn)，實驗開始時，所設A、B兩個樣本的諧振頻率值均為24.4Hz。隨著空氣相對濕度由20%逐步提高到60%，樣本A的頻率變化曲線基本保持平直，而樣本B的頻率變化曲線明顯呈下降趨勢。其中樣本B的食品已變質(zhì)，質(zhì)量已下降。實驗證明利用食品含水量來檢測食品質(zhì)量變化的方法是可行有效的。

實驗中使用的諧振傳感器的制造工藝簡單，價格低廉，為作為一次性材料的生產(chǎn)提供了可能性，也可隨食品一起包裝使用。因此檢測手段廣泛應用于食品行業(yè)，滿足儲運或銷售過程中低成本無損檢測要求。

4 結(jié)語

本文主要針對固態(tài)和液態(tài)真空包裝食品，利用食品含水量變化反映食品質(zhì)量變化這特點，開發(fā)無線無源諧振傳感器，同時完成檢測系統(tǒng)。通過實驗結(jié)果分析，可有效完成食品質(zhì)量的在線檢測，達到相應精度。其檢測方法和技術(shù)對電阻抗譜分析方法在食品企業(yè)中的應用，以及電容式生物傳感器設計應用具有一定的推動作用，其經(jīng)濟效益、社會效益也將比較明顯。

參考文獻

[1]郭小華.一種密封包裝食品質(zhì)量檢測方法的初步研究 [J].農(nóng)機化研究，2010（4）.

[2]韓安太，郭小華，陳志強，孫延偉.基于LC諧振傳感器的包裝茶葉含水率無損檢測[J].茶葉科學，2009，29（5）：395-401.

[3]黃玉蘭.一種新的ISM頻段低噪聲放大器設計方法[J].電子技術(shù)應用，2010（5）.