接触式鲜猪肉含水率检测仪的研究与试验

张文昭, 周文真, 陈爱武, 刘爱林



接触式鲜猪肉含水率检测仪的研究与试验

张文昭*, 周文真, 陈爱武, 刘爱林

(湖南科技学院 电子工程系, 湖南 永州, 425199)

为快速检测鲜猪肉的含水率, 设计一种单一平面电容传感器并用之制作成接触鲜猪肉含水率检测装置. 该装置由接触式电容传感器、AD7150转换器和单片机系统组成. 标定试验和检测结果表明, 当含水率在60%～77%的范围内时, 该装置所测定的含水率误差小于±1.0%; 温度偏差测试表明, 鲜猪肉在15～35 ℃的温度范围内变化时, 含水率偏差小于±0.3%.

接触式; 鲜猪肉; 含水率; AD7150

鲜肉食品是人类主要的食品来源之一, 其质量优劣关系到人类生活品质、营养水平及饮食安全, 受到质量管理者和肉制品工业的重视[1]. 鲜猪肉含水率检测是肉品质检测的首要任务. 目前, 鲜猪肉含水率的检测技术主要有超声波法[2]、光学图像法[3—4]、红外光谱分析法[5—6]、核磁共振法[7—8]、微波萃取分光光度法[9]、微波加热干燥法[10—11]、电容法[12—14]和烘干法等. 除电容法和烘干法外, 以上涉及其它方法的设备较复杂, 设备成本高, 且检测过程比较耗时, 不便普及使用. 烘干法是耗时最多的一种方法, 通常用烘干法作为其它方法的标准, 对其它方法进行标定. 文献[14]提出电容法快速检测猪肉含水率, 本文将对此方法深入研究, 设计一种接触式鲜肉含水率测量仪, 并进行标定与测量试验.

1 传感器探头及硬件电路设计

1.1 接触式传感器探头设计

如图1所示, 1为绝缘基架, 即整个电容的骨架, 2和3为电容有效极板, 4和5为屏蔽电极. 接触式电容传感器采用单一平面电容器, 该电容器采用静电场边缘效应, 单一平面电容器只应用其单面与鲜肉接触, 为减少周围环境的干扰, 电容周边和探测面背面均为地线, 起屏蔽作用. 电容器2个极板大小为30 mm´3 mm, 相距2.5 mm, 绝缘板厚1.5 mm, 整个传感器可用双面敷铜板蚀刻制成长50 mm、宽10 mm的电容传感器探头.

1.2 硬件电路设计

经测试, 传感器探头电容值的变化范围为0.1～7.0 pF, 当电容传感器探头正面对空时, 电容值约为0.1 pF; 当正面与鲜猪肉接触时, 电容值可达到近7 pF. 根据本电容的变化特征, 电容小, 电容最大值与最小值之间变化范围大, 不宜采用谐振电路, 这里采用一种新型器件: 电容数字转换器AD7150芯片. 该芯片的测量范围是0～14 pF, 最小分辨率为0.8 fF, 芯片响应时间为10 ms, 可以完全满足传感器探头的要求. AD7150利用电容数字转换技术, 直接将电容模拟值转换为数字量, 与单片机通过I2C接口实现传感器电容值的数据采集, 并由单片机进行处理. AD7150有2路电容数字转换接口, 可以同时检测2个电容值. 检测电路方框图如图2所示, 图中转换器为AD7150. 传感器感知的鲜肉含水率变化, 由转换器转成数字量, 通过I2C接口送给单片机, 由单片机处理后送到显示器进行显示.

图1 电容传感器探头. 1 绝缘基架; 2、3 电容极板; 4、5 屏蔽电极(接地)

电路原理图如图3所示, 设计2个同样尺寸的电容传感器Cx1和Cx2, 分别连接到AD7150的4、6引脚和3、5引脚, AD7150的9、10引脚分别为I2C接口的串行时钟和数据(SCL、SDA). 单片机采用STC12LE5204, 该芯片采用3.3 V供电, 与AD7150电源匹配, 通过串口在线下载, 编程方便. J1为程序下载口, J2为显示接口, 显示模块采用LCD1602, 为节省单片机引脚资源, LCD1602与单片机采用4位数据连接方式. S1—S3为检测仪按键, 用功能选择与启停设置.

图2 系统方框图

图3 电路原理图

2 鲜猪肉含水率标定与测试

2.1 鲜猪肉含水率标定

标定过程所用的仪器有: BL-2200H型电子秤(SHIMADZU CORPORATION JAPAN日本岛津公司, 2 200 g/0.01 g), ZBY149-83干燥箱(上海跃进医疗仪器厂), 干燥皿, 水银温度计(精度为0.2 ℃). 所用材料为鲜猪肉和保鲜膜.

表1 样品含水率

注: 平均含水率76.47%

2.1.1 鲜猪肉标准含水率的测定

采用烘干法进行鲜猪肉含水率测定, 采集鲜猪肉样品5份, 质量分别为49.4、49.7、51.5、52.3和48.9 g, 分别放在5个干燥皿中, 将5份样品放入干燥箱中, 将干燥箱温度设置为103 ℃, 连续干燥16 h[7], 之后每隔1 h测量样品质量1次, 当样品质量恒定后, 样品最后质量视为其干质量(表1). 鲜肉含水率计算公式为:

其中, M0为鲜肉含水率(%); W1鲜猪肉样品质量(g); W2为干肉样品质量(g). 同一批次相同取样点鲜猪肉认为含水率相同.

2.1.2 传感器标定试验

采集前面5份样品的同时, 采集25份含水率相同的样品, 其含水率可视为76.47%, 分别测量其质量并进行标号1～25, 用保鲜膜密封包好, 并存放在冰箱冷藏室内. 取其中样品1—15号打开保鲜膜放入干燥皿中, 并送入干燥箱在40 ℃的温度下烘干, 每过10 min测量猪肉的质量, 并应用式(1)计算出此刻猪肉的含水率, 同时用检测仪测量其对应的电容值. 所得含水率与电容值数据拟合曲线如图4所示. 由拟合曲线可知鲜肉的含水率实验公式为:

= 4.52+ 50.02, (2)

式(2)中,为含水率(%);为电容值(pF). 用检测仪测量出电容量便可由式(2)计算出含水率.

2.2 鲜猪肉含水率测试

将鲜猪肉样品16—20号取出, 用检测仪测试其含水率结果如表2所示(标称含水率76.47%). 由测试结果发现, 鲜猪肉含水率误差为0.2%以内. 将猪肉样品16—20号在干燥箱中逐步烘干, 用仪器法测得猪肉含水率与烘干法测得的结果进行比较, 误差见图5.

表2 鲜猪肉含水率测试/%

图5 含水率误差

2.3 温度偏差试验

考虑到电介质可能受温度影响, 为确定鲜猪肉受温度影响情况, 取出鲜猪肉样品21—25号, 将样品21—25号设置为不同温度, 当温度稳定后, 用检测仪测量其含水率, 结果见表3. 测试结果表明, 温度对电容值没有明显的影响, 含水率没有明显的偏差, 与标称值相比最大偏差为0.3%.

表3 温度偏差试验

3 结论

采用单一平面电容设计了一种接触鲜猪肉含水率检测装置. 该装置由平面接触式电容传感器、电容数字转换芯片AD7150和单片机系统组成. 对装置进行了标定试验和温度试验, 测试结果表明: ① 当含水率在60%～77%的范围内时, 该装置含水率检测误差小于±1.0%; ② 当鲜猪肉在15～35 ℃的温度范围内变化时, 偏差小于±0.3%.

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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年湖南省科技厅科技计划项目(2013NK3026); 湖南科技学院重点学科建设项目.

(责任编校:刘刚毅)