理化指标和仿生嗅觉的果蔬品质快速检测方法研究【字数：13389】
理化指标和仿生嗅觉的果蔬品质快速检测方法研究[160515232740998x]
摘 要仿生嗅觉技术作为近年来流行的智能检测技术,在工业和农业以及医学等方面都得到了广泛的应用研究,其具有检测速度快、识别效果好、实时无损的优点加速了它的发展。由于仿生嗅觉技术满足农产品品质无损检测的要求,它正在被越来越多地运用到农业研究之中。本课题仿照生物嗅觉系统，设计出一套包含全封闭的气室、调理信号的电路、控制气动元件的电路以及美国NI公司研发生产出的数据采集卡的装置。首先密封气室采集新鲜茭白挥发的气体，之后通过传感器阵列获得响应信号，经过信号调理电路处理后，连接到数据采集卡上，最后采用LABVIEW软件语言所编写的程序对多路原始信号进行采集和预处理。选择主成分分析方法（PCA）对采集后的数据进行降维，使用粒子群算法对不同新鲜等级的茭白进行聚类分析，与判断茭白新鲜度的理化指标总酸含量实验结果对比，来验证与算法处理过的结果是否一致。试验证明了采用仿生嗅觉系统对茭白衰变程度监测的可行性，为果蔬品质信息实时监测提供参考。目录
1.绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2仿生嗅觉在果蔬品质检测中的应用 1
1.3对环境及社会可持续发展的影响 2
1.4课题主要研究内容 3
2.仿生嗅觉系统设计 4
2.1仿生嗅觉系统原理和整体方案设计 4
2.2仿生嗅觉的硬件设计 5
2.2.1气室设计及采样方法 5
2.2.2气敏传感器阵列 5
2.2.3气动元件的选型 6
2.2.4信号调理电路 6
2.2.5数据采集卡 7
2.3仿生嗅觉系统软件设计 8
3.基于理化指标和仿生嗅觉的果蔬品质快速检测方法研究 10
3.1理化指标结果分析 10
3.2仿生嗅觉气味信息的采集试验 11
3.3数据预处理及特征提取 11
3.3.1异常数据剔除 11
3.3.2均值滤波 12
3.3.3特征提取 12
4.基于粒子群算法的聚类分析 18
4.1粒子群算法 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
的基本原理 18
4.2算法流程 19
4.3基于粒子群算法聚类分析结果 19
4.3.1实现方法 19
4.3.2基于最大响应值的粒子群算法聚类分析 23
4.3.3基于最大斜率的粒子群算法聚类分析 25
4.3.4两种方法的粒子群算法聚类分析与对比 27
5.总结 29
参考文献 30
附录一 实验采集平台 32
附录二 科研参与情况 33
附录三 本文主要程序 34
致谢 39
1.绪论
1.1课题研究背景及意义
食品主要来源于鱼肉、农产品及一些加工产品，其一直被社会广泛重视和高度关心，因为它与生命健康紧密相关。但由于近年来食品安全问题频频曝光、层出不穷，因此人们更加关注此问题。实时、快速、无损检测一直是农产品品质分析所追求的目标，在此前提下，市场大量需要简便快捷、高效实时的检测技术及仪器设备。目前农产品常用的两种检测方法：仪器分析和感官评价。传统仪器分析的方法存在一些缺陷，如对样品进行合适的预处理，周期检测时间长，技术成本高。外界因素和周围环境也是不可避免的因素，导致感官评价容易带有主观性，评审结果因评判要求不同而产生差别；综上所述，农产品检测要求的快速无损这两种方法都很难满足。生物嗅觉系统一直是科学家们的主要研究对象，它功能具有独特性，因此本课题的仿生嗅觉智能系统根据其原理而设计，主要由三大部分组成：气敏传感器阵列、信号处理和算法分析，通过采集被测物挥发性出气体，检测气体定性或定量成分，十分符合市场对农产品检测的实时便捷、快速无损的要求。本课题依照当前市场检测智能化、无损化的需求，采用基于理化指标的仿生嗅觉技术对果蔬新鲜度进行检测。
1.2仿生嗅觉在果蔬品质检测中的应用
无损检测智能是仿生嗅觉技术的一大重要特征。不破坏被测对象的前提下，运用多种物理学的方法如光、声、磁、电等对被测物体进行分析检测。仿生嗅觉的研究最先由国外兴起并流行，主要是对果蔬、酒类、鱼和肉等食品的挥发气味来进行采集，再通过软件编写程序来进行识别与分类,从而对照相关的标准实现质量分级和新鲜度判别。
根据以往研究，仿生嗅觉技术在工业、医学和食品领域应用较早，也相对成熟，如工业中有毒气体的检测、食品品质分类鉴别、发酵过程控制及在线监测等。相比较而言，其在农产品检测中研究较晚,应用范围较少,而我国农产品资源十分丰富，每年都有大量农产品进出口，农产品在贮藏、运输以及加工过程中都会释放一定的特征气体如O2、CO2、NO2、C2H5OH、NH3、H2S等特征气体，农产品自身的品质、腐败以及成熟的变化都与其散发出的浓度息息相关,因此有必要使用仿生嗅觉技术来快速、实时监测这些特征气体及其浓度,弥补了传统仪器及人为评定理化指标的不足,使农产品安全检测更加理想而权威。
在上个世纪末,仿生嗅觉的探索研究在国际上发展非常迅速,尤其是欧美发达国家，人们具有更强的先进意识，开始出现了流通于市场的仿生嗅觉仪器,目前常用的市场化的仿生嗅觉如德国Airsense公司研发的PEN3、美国Electronic Sensor Technology研发的zNose、英国Aroma Scan公司研发的AromaScanA32S等,售价范围110万美元,选取其中一些列出，如表1所示。
表1几种商品化的电子鼻
公司名称
产地
型号
核心元件
EST
美国
zNose系列
声表面波与气相色谱联用
松下
日本
口腔监测仪
TGS550MOS传感器
Aroma Scan
英国
AromaScanA32S
32个导电聚合物传感器
Airsense
德国
PEN3
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