基于传感器阵列的玉米汁饮料智能检测方法研究

来源 :吉林大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:menghuilong
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玉米汁饮料富含丰富的膳食纤维和人体必需的铁、钙、硒、锌、钾、镁、锰、磷、葡萄糖、氨基酸等多种营养物质,同时具有玉米特色香气,清爽可口,粘滞适当,口感极佳,并且方便食用。随着玉米汁饮料市场占有率的提高,其质量控制及感官品质均一性得到更多的关注。目前,玉米汁饮料的感官品质的控制基本由人工完成,检测过程需要耗费大量的人力和物力,并且人工感官鉴评结论极易受到人体生理和心理因素的影响。随着玉米汁饮料规模化生产,现有的采样检测手段反馈周期过长,不利于生产线上实时控制,迫切需要实时快速并且完整表征感官鉴评结论的自动检测方法。本文主要针对玉米汁饮料味觉信息和模拟流动态检测方面,构建味觉传感器阵列和基于模糊集建立智能检测模型,对玉米汁饮料的感官品质智能检测和模拟流动态检测进行了以下研究:1.构建了味觉传感器阵列,阵列中工作电极包含2个玻璃电极、7个难溶盐(固体)膜电极、3个液膜电极。针对传感器阵列中各个传感器工作电极的敏感膜构造机理和成分的差异,确定活化参数及稳定状态。分析构建的味觉传感器阵列对基本味觉的辨识能力,对代表酸、甜、苦、咸、鲜5种基本味觉的呈味物质响应信号进行分析。利用主成分分析法分析基本味觉信息,提取累积方差贡献率为89.915%的前三个主成分作为PNN网络输入神经元。对基本味觉的辨识正确率C R为100%,辨识效果良好。2.利用构建完成的味觉传感器阵列对玉米汁饮料进行信号采集并对响应信号进行分析。利用主成分分析法对整体数据进行了降维处理,提取累积方差贡献率为87.376%前3个主成分。对玉米汁信号进行系统聚类分析,类间平均距离为3.44时,同种玉米汁饮料聚为一类。利用PNN网络对全部数据进行分析,输入神经元为主成分分析中的前3个主成分,输出层神经元个数依据玉米汁种类,玉米汁饮料的分类辨识正确率CR为95.06%。针对玉米汁辨识效果对传感器阵列进行优化。利用因子分析表述传感器各个变量间的内在联系,将传感器分类如下,G1,S4,S5为一类,P1,S2为一类,P3,S3为一类,P2,S6,S7各自为一类。在包含全部类别信息的前提下得到不同组合的传感器阵列。构建平滑参数为0.01的PNN网络,依据各组分类结果差异判断出获得最优分类效果的传感器阵列组成。优化后的传感器阵列包含S4,S2,P2,P3,S6,S7这6个传感器,大幅减少了阵列中传感器数目。优化后的传感器阵列在快速检测中对玉米汁分类辨识正确率为98.016%,有效提高了检测准确率。3.为了完整表示玉米汁饮料感官鉴评中由于样本差异、鉴评人员生理和心理因素导致的鉴评结果的模糊性和随机性,建立一个能够完成定性概念和定量数值之间自由转换的数学模型。利用一维正向正态云模型对玉米汁饮料总体评分标准中的各个剖面进行解释,并对该种模型依据实际情况进行改进,将评分标准中的描述性语言转化为相应的定量数值表示。利用基于X的逆向云模型将感官鉴评试验中得到的具体数值转化为定性概念,同时将云模型推广至多维。并提出综合定性概念特征(综合期望Exz、综合熵Enz、综合超熵Hez)用来反映整体概念特性。在实现感官鉴评结论定性定量云模型转换的基础上,分析传感器对玉米汁饮料滋味的不同剖面的敏感度差异,通过模糊神经网络完成云模型结论和传感器信号二者之间的映射。模糊神经网络以传感器阵列采集信息为输入,感官鉴评云模型转换的信息为输出,训练模糊神经网络,调整模糊化层中心值,模糊化层节点宽度值和模糊决策层调节参数,确定网络结构,得到适用的模糊神经网络。利用该模糊神经网络进行预测,误差百分比为0.00243-0.09177,综合评价信息的误差百分比更低于0.00923,实现了玉米汁饮料滋味模糊信息自动鉴评。4.构建模拟流动态玉米汁饮料自动检测装置。自动检测装置主要分为升降运动装置、水平旋转运动装置及自动控制系统,能够实现传感器阵列浸入流态玉米汁中自动采集数据、洗脱和连续检测。升降直线运动选择丝杠螺母传动机构的运动方案,主要由丝杠、丝杠螺母、支撑机构、联轴器、步进电机、支撑导向板等组成。旋转运动装置主要部件有支撑圆台、旋转主轴、蜗轮蜗杆减速器、联轴器及步进电机等。控制系统为二相混合式步进电机(57HS7630A4)及配套驱动器(MB450A)。选择专用运动控制芯片TMC429对步进电机进行控制。流动态无稀释状态下的玉米汁饮料的检测传感器阵列包含传感器S1、S3、S4、S5、S6和S7。对流动态检测传感器阵列洗脱效果的分析发现,空白电势差值与初始平衡状态扫描电势差值的偏差范围为0.008655~0.077657。设计搭建了模拟流动态玉米汁试验系统,经试验检测,该系统对流动态无稀释玉米汁饮料的辨识正确率为85%,证明了模拟试验系统的有效性与可靠性。综上所述,本文所做的基于传感器阵列的玉米汁饮料智能检测方法研究工作,为玉米汁饮料生产过程中的感官品质自动控制提供了理论基础和技术支持。并且实现了玉米汁饮料在类别上的高准确率的辨识,在模糊层面上的感官品质味觉剖面的自动鉴评,以及模拟流动态玉米汁的自动检测系统构建。
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