电容法猪肉含水率快速检测的研究.pdf

第 28 卷第 20 期农 业 工 程 学 报Vol.28No.202722012 年10 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural EngineeringOct.2012电容法猪肉含水率快速检测的研究张文昭1，刘志壮1,2，周文真1（1.湖南科技学院电子研究所，永州 425100；2.华南农业大学/南方农业机械与装备关键技术重点实验室，广州 510642）摘要：猪肉的含水率检测对猪肉市场管理、贮藏和加工有很大的意义。为快速检测猪肉含水率，采用电容法设计并制作单一平面电容传感器探头和硬件电路，采用干燥法制作标准含水率样品，对传感器进行标定与验证试验。试验结果表明，利用电容法可以快速检测猪肉的含水率，含水率在 60%76.4%，测量误差 1.2%以内。温度特性试验表明猪肉的介电常数受温度影响很小，在常温范围内温度影响可以忽略。该研究可为猪肉市场管理、贮藏和加工提供参考。关键词：肉，电容测定，含水率，单一平面电容doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.20.036中图分类号：O657.39；TP216+.1文献标志码：A文章编号：1002-6819(2012)-20-0272-04张文昭，刘志壮，周文真.电容法猪肉含水率快速检测的研究J.农业工程学报，2012，28(20)：272275.Zhang Wenzhao,Liu Zhizhuang,Zhou Wenzhen.Quick detection of water content for pork by capacitance methodJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2012,28(20):272275.(inChinese with English abstract)0引言肉类是在国内国际市场销售量较大的食品，而猪肉在肉类市场中又占重要份额。从鲜猪肉到猪肉制品，很多环节都需要检测其含水率；另外，一些地区注水猪肉进入市场，使猪肉容易腐败变质，又不易加工、影响口感，所以检测猪肉中的含水率十分重要。依据有关资料，检测肉类含水率的方法有传统的电容法1-2、核磁共振法3、超声波法4、磁共振成像法5、光谱法6-8、近红外光谱法9-13、微波加热干燥法14-15、烘干法16-17、微波萃取分光光度法18和阻抗谱法19等。核磁共振法、磁共振成像法、光谱法、近红外光谱法等方法技术含量高，设备体积大、结构复杂昂贵，测量一次需要几分钟以上；微波加热干燥法和烘干法需要数小时，采用分光光度法缩短了检测时间，但也需要 30 min 左右才能完成18，未能实现实时、快速检测猪肉含水率的要求。传统电容法一般采用针式探头，利用电容谐振电路振荡频率变化或电容阻抗变化进行测量，这收稿日期：2012-01-17修订日期：2012-04-11基金项目：2009 年湖南省科技计划项目（2009GK3037）；2010 年湖南省教育厅项目(10C0742)；湖南科技学院“电路与系统”重点学科建设项目资助。作者简介：张文昭（1968），女，湖南永州人，高级实验师，研究方向为电子技术在农业中应用。永州湖南科技学院电子研究所，425100。Email：通信作者：刘志壮（1969），男，湖南蓝山人，教授，博士，研究方向为计算机检测与控制技术。永州湖南科技学院电子研究所，425100。Email：种方法的缺点是精度不够高，且漂移较大。阻抗谱法电路结构相对也较复杂，功耗电流 300 mA，所用电极存在生锈问题，测量 1 次需要约 20 s1。为实现猪肉含水率的快速准确检测，设计 1 种接触式单一平面电容传感器，并利用电容数字转换芯片直接将电容模拟量转换成电容数字量，通过单片机处理获得鲜肉含水率，解决传统电容法的精度和漂移问题，以实现对鲜猪肉含水率的快速准确检测。1电容传感器及硬件电路1.1接触式平面电容传感器结构如图 1 所示，为检测猪肉含水率，设计一种接触式单一平面电容传感器探头。图 1a 为探头正面，朝向猪肉，通过薄膜隔离后紧贴猪肉；图 1b 为探头背面。电容极板的大小为 3 mm30 mm，两电容极板平行且相距 2.5 mm，绝缘板厚为 1.5 mm，该电容传感器探头可以采用双面敷铜板蚀刻而成。2个电容极板形成单一平面电容传感器20，屏蔽电极接地，其作用是消除周围环境干扰，确保电容改变量仅与探头正面介质属性相关。当正面的介质的介电常数变化时，电容量将发生改变。经测试，探头正面是空气时，基本电容量为 0.16 pF，当正面与鲜猪肉接触时，电容量最大可达到约 10 pF。1.2电容数字转换电路电容传感器探头的容量极小，为 0.110pF，且电容最大值是最小值的大约 100 倍，传统电容法采用阻抗式和谐振式很难做到精确测量。本文采用电容数第 20 期张文昭等：电容法猪肉含水率快速检测的研究273字转换专用芯片AD7150（美国AnalogdeviceInc.生产）检测电容，并转换成电容数字量直接由单片机处理。AD7150 是双通道电容数字转换器，测量范围是 014pF，最小分辨率为0.8fF，芯片响应时间为10 ms，1 次测量所需时间不到 1s。测量范围、响应时间和测量精度满足猪肉含水率快速检测要求。如图2 所示。a.正面b.反面注：1.绝缘板 2.电容极板 3.电容极板 4、5.屏蔽电极（接地）图 1传感器探头结构Fig.1Structure of sensor为传感器探头与 AD7150 芯片所构成的传感器硬件电路，串行数据、串行时钟分别与单片机 I/O口相连接。其中探头等效电路由 C1、C2和 C3组成，C1由 2 个电容极板构成的有效电容，用于敏感正面鲜肉含水率，C2和 C3是电容极板与地之间产生的寄生电容，其电容量是常数。AD7150 采用通用 I2C接口与单片机进行通讯，单片机及其相关电路本文不再介绍。整个电路功耗电流小于 30 mA。注：C1为传感器探头主要电容，C2、C3为传感器探头分布电容；R1、R2为上拉电阻；AD7150 为电容数字转换芯片。图 2传感器硬件电路原理Fig.2Sensor hardware circuit2材料与方法标定试验所用仪器有 Model 438F 恒温干燥箱（Fisher Scientific 公司）；TR-8102D 电子天平（美国丹佛仪器公司）量程及精度分别为 810 g、0.01 g；水银温度计（精度为 0.5）、秒表和干燥皿。所需材料有保鲜膜和待测鲜猪肉。考虑到肥肉干燥时产生油液，所以采样部位为腰椎至肋骨间的瘦肉。2.1标准含水率样品准备本研究采用干燥法制作猪肉标准含水率样品，取鲜猪肉样品 46.16、45.37、43.58 g，恒温干燥箱设置温度为 103，样品连续干燥 16 h3，之后每 1 h称质量 1 次，当样品质量恒定后最后猪肉质量视为干质量，由式（1）计算出鲜猪肉的含水率，如表 1所示。00100%WWMW（1）式中，M0为鲜肉含水率，%；W 鲜肉质量，g；W0为干质量，g。同批次相同取样点鲜猪肉视为相同含水率，不同批次猪肉用同样的方法测试标准含水率。表 1鲜肉含水率计算Table 1Fresh pork moisture content样品鲜质量/g干质量/g含水率/%平均值/%146.1610.8876.42245.3710.5976.65343.5810.3076.3676.432.2不同含水率样品的制作和电容量标定方法取含水率为 76.43%的鲜猪肉样品 22 份。实时测出每个样品不同失水程度样品的质量，再利用式（1）计算出样品部分失水时的标准含水率。操作时，将上面 22 种样品分为 2 类，样品 118 用于标定试验，样品 1922 用于对比试验。利用干燥箱对样品进行干燥，在不同含水率时，利用电子天平测量在该含水率下的样品质量，同时用电容传感器测量该含水率下的电容量，测量时注意探头正面与猪肉充分接触，并且每次测试加 1 N 恒定的压力以确保测试结果的一致性，电容量测量 7 次取平均。应用统计软件将所获得数据进行曲线拟合，即获得电容量与含水率的标定曲线。另取不同含水率的样品 5 份，用于验证试验。3结果与分析3.1传感器标定试验在室温为 22的实验室完成传感器测定猪肉含水率标定试验。对 2.2 节已确定含水率的样品 118 通过干燥法获得不同含水率的猪肉样品，考虑到鲜猪肉的含水率为 70%77%，用干燥法制作样品的含水率在 60%76.43%，利用该传感器测量不同含水率时相应电容量，对所获得的猪肉含水率与电容量的关系进行线性拟合，如图 3 所示。注：M 为含水率，%；C 为电容量，pF。图 3传感器标定拟合曲线Fig.3Fitted curve on sensor4.52650.02MC（2）农业工程学报2012 年274式（2）为所设计传感器测定猪肉含水率拟合曲线实验公式，其中，M 为含水率，%；C 为电容量，pF，相关性 R2=0.9854。利用含水率与电容量的关系式（2），测出电容量可以直接由单片机显示含水率。3.2温度试验考虑到有些物质的介电常数受温度影响，为了解温度变化对测量结果的影响，需要进行温度特性测试，并进行温度修正。取猪肉样品 50.25 g，用保鲜膜密封，确保含水率恒定。当样品温度在 1240变化时，进行温度特性测试，其结果如表 2 所示。表 2温度特性测试Table 2Temperature features test温度/电容值/pF以 20为参照偏差/pF126.00-0.04206.040306.140.1406.130.09由表中数据可见，温度对鲜猪肉的介电常数影响很小，以 20为参照温度，电容量变化绝对值最大为 0.1 pF，最大变化率为 1.6%，在常温 1240范围内其影响可以忽略。3.3误差测试对2.2 节准备的样品1922 进行对比试验。通过干燥法制作不同含水率的猪肉，含水率变化范围是60%76.43%，含水率预测结果与干燥法获得结果的误差如图4，最大误差为1.2%，误差存在随机性。注：4 次重复测量结果。图 4传感器含水率误差Fig.4Sensor determination errors of moisture content3.4精度测试、温度漂移及速度测试试验用含水率不同的猪肉样品 5 份，在 20的室温内用所标定的传感器进行含水率预测试验，再与干燥法测量结果进行比较，如表 3 所示。表 3含水率预测结果误差Table 3Errors for determination of moisture样品号干燥法结果/%预测结果/%相对误差/%176.276.60.5275.574.6-1.2373.472.5-1.2475.175.50.5571.872.20.5从 5 种样品预测结果可知，在 20时，传感器对鲜猪肉样品预测含水率与干燥法测得含水率最大相对误差为1.2%，与传统电容法相比，精确度提高了 0.5%。另取猪肉样品用保鲜膜密封后进行漂移试验，间隔 10 分钟测量 1 次，重复 6 次，结果如表 4。表 4漂移测试Table 4Drifting test时间/min01020304050含水率/%74.774.674.674.774.674.6测试表明，该传感器稳定、漂移小。用秒表对每次测量所需时间进行测定，从开始测试到显示结果平均为耗时约 0.3 s，耗时主要在程序运行上。4结论本文新设计并制作了接触式单一平面电容传感器探头，并利用电容数字转换芯片和单片机构建电容传感器检测电路，利用腰椎至肋骨间的瘦肉完成标定与验证试验。试验表明：该装置漂移小、能即时显示猪肉的含水率，每次测量只需0.3 s，比常规方法缩短20 s 以上；每次测试使用 1N 恒定压力；猪肉含水率在 60%76.4%时，误差在 1.2%以内，比传统电容法精确度提高 0.5%。在 1240常温条件下，猪肉的介电常数受温度影响甚小，传感器测出电容变化率为 1.6%，在该温度范围内可以不加温度修正。测试过程建议采用无肥肉的瘦肉进行，以提高精度。参考文献1Kandala C V K,Butts C L,Nelson S O.Capacitancesensor for nondestructive measurement of moisture contentin nuts and grainJ.IEEE Transactions on Instrumentationand Measurement,2007,56(5):18091813.2McIntosh R B,Casada M E.Fringing field capacitancesensor for measuring the moisture content of agriculturalcommoditiesJ.Sensors Journal,2008,8(3):240247.3Sorland G H,Larsen P M,Lundby F,et al.Determinationof total fat and moisture content in meat using low fieldNMRJ.Meat Science,2004,66(3):543550.4Benedito J,Carcel J,Rossello C,et al.Compositionassessment of raw meat mixtures using ultrasonicsJ.Meat 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capacitance detection method in this study.The standard moisture samples wereprepared by oven drying method.The calibration experimental results showed that the proposed method candetermine pork moisture content quickly for moisture contents were in the range of 60%-76.4%with less than 1.2%error.The temperature experiments showed that the pork dielectric constant was slightly affected bytemperature.The effect of temperature can be neglected within the normal temperature.Key words:meats,capacitance measurement,water content,uniplanar capacitance