柔性傳感-羊肉新鮮度無(wú)損檢測(cè)雙參數(shù)柔性溫度-阻抗傳感器

★研究背景

用于食品質(zhì)量控制的柔性傳感技術(shù)得到了一些研究。然而，大多數(shù)傳感器僅僅基于單一機(jī)制工作，傳感器的應(yīng)用范圍被限制了。因此，本研究的目的是研發(fā)一種新型的雙參數(shù)柔性傳感器，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的剛性傳感器和羊肉質(zhì)量指標(biāo)測(cè)試方法，來(lái)評(píng)估羊肉的新鮮度。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)張小栓教授團(tuán)隊(duì)提出了一種羊肉新鮮度檢測(cè)改進(jìn)方法。基于激光直寫(xiě)技術(shù)制備了一種低成本，高性能的柔性阻抗-溫度電極，結(jié)合STM32單片機(jī)搭建了一套完整的柔性溫度-阻抗測(cè)量系統(tǒng)。使用四種不同的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，羊肉新鮮度的檢測(cè)精度達(dá)到90%以上。所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)阻抗傳感器無(wú)法持續(xù)監(jiān)測(cè)羊肉新鮮度變化的不足，也為精確監(jiān)測(cè)羊肉溫度變化提供了一些獨(dú)特的見(jiàn)解。

★ 文章解析

將所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)與依托品質(zhì)指標(biāo)建立的傳統(tǒng)方程模型（圖1a）和依托微環(huán)境氣體感知系統(tǒng)（圖1b）的機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行了比較，討論了柔性感知系統(tǒng)的獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。柔性感知系統(tǒng)的阻抗模式可以用作觸覺(jué)傳感器感知羊肉的新鮮度，溫度模式可以連續(xù)，精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)羊肉表面的溫度變化，這意味著系統(tǒng)具備定性和定量評(píng)估羊肉新鮮度的潛力（圖1c）。

圖1：傳統(tǒng)方法與本文方法的對(duì)比分析

用激光切割機(jī)（Tianlang Laser Technology Co., Ltd., China）在PI薄膜表面以120mm/s的速度和7.2w的功率誘導(dǎo)三維石墨烯電極（LIG），原始圖案是用AutoCAD2012軟件（Autodesk LTD, USA）設(shè)計(jì)的，柔性LIG電極即被用做阻抗電極層，又被用作溫度電極層，電極層的末端均由銀線引出。氧化石墨烯（GO）溶液直接從公司（Tanfeng GrapheneTechnology Co., Ltd., China）購(gòu)買(mǎi)按原樣使用。用滴管將200uL的GO溶液滴注在直徑為12mm的PI薄膜中心圓形區(qū)域，在室溫下自然干燥24h。為防止滴注過(guò)程中溶液對(duì)外圍阻抗電極的影響，設(shè)計(jì)了封裝貼片將內(nèi)部圓形區(qū)域與外部相隔開(kāi)。然后用激光雕刻機(jī)（Tianlang Laser Technology Co., Ltd., China）以2000mm/s的速度和2.5W的功率對(duì)干燥后的GO薄膜進(jìn)行還原。將玻璃片上的PI薄膜剝離后放置在150℃的恒溫烘箱(Shanghai Jinghong Experimental Equipment Co., Ltd., China) 中25min,形成最終的熱還原氧化石墨烯（LTrGO）。溫度的變化改變了LTrGO（3D多孔泡沫結(jié)構(gòu)）的導(dǎo)電路徑，進(jìn)而改變了傳感器的電阻。傳感器的耐熱性，耐濕性和疏水性由PI提供，傳感器的透氣性和穩(wěn)定性由多孔的LIG提供。

圖 2：柔性電極結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)了一套完整的柔性阻抗-溫度傳感系統(tǒng)，系統(tǒng)由自制的柔性電極，主控芯片，轉(zhuǎn)換模塊，通信模塊和電源模塊組成,硬件搭建如圖3所示。核心芯片選擇STM32F103單片機(jī)最小系統(tǒng)板，轉(zhuǎn)換模塊包括AD5933阻抗轉(zhuǎn)換芯片和AD溫度芯片，這意味著系統(tǒng)能獲取溫度信息和阻抗信息。主控芯片內(nèi)部的USART串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a href="http://ttokpm.com/tags/藍(lán)牙/" target="_blank">藍(lán)牙模塊，系統(tǒng)通過(guò)5V鋰電池供電。阻抗信息的獲取方式為，首先通過(guò)AD5933中的頻率發(fā)生器產(chǎn)生不同頻率的激勵(lì)信號(hào)，接著利用自制電極的輸出端進(jìn)行信號(hào)輸出，信號(hào)經(jīng)過(guò)羊肉樣品后，通過(guò)電極的輸入端接收響應(yīng)信號(hào)，然后通過(guò)片內(nèi)的ADC進(jìn)行采樣，片上的DSP對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅里葉變換，將變換后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32主控板上。溫度信息的獲取方式為：通過(guò)溫度轉(zhuǎn)換芯片將感知到的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后單片機(jī)內(nèi)的ADC將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，信號(hào)經(jīng)藍(lán)牙模塊無(wú)線傳輸至終端。

圖 3：柔性溫度-阻抗雙參數(shù)傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

展示了不同溫度下羊肉在7天內(nèi)相位角的變化趨勢(shì)。可以看出，同一激勵(lì)頻率下，隨著羊肉貯藏天數(shù)的增加，相位角總體呈增大趨勢(shì)。4℃和8℃下，相位角還呈現(xiàn)先增大后略微下降的趨勢(shì)。這可能是因?yàn)檩^高的溫度使得羊肉在冷藏的過(guò)程中細(xì)胞結(jié)構(gòu)變形，逐漸變質(zhì)。隨著激勵(lì)頻率的升高，相位角呈先減少后趨于平緩或略微增大趨勢(shì)。10kHz之前，相位角下降的速率較快，10kHz～20kHz時(shí)，相位角逐漸趨于平緩，20kHz之后，相位角呈現(xiàn)略微增大趨勢(shì)。

圖 4：不同溫度下7天羊肉阻抗幅值和相位角的變化

冷鏈中傳統(tǒng)的冷鮮肉溫度監(jiān)測(cè)方法通常是在制冷位置處或艙室側(cè)壁安裝剛性的溫度傳感器。但根據(jù)文獻(xiàn)，傳感器感知的環(huán)境溫度與冷鮮肉表面的實(shí)際溫度有差異，這種差異隨冷鮮肉堆積密度的增加變大。為驗(yàn)證所開(kāi)發(fā)的柔性溫度電極在冷鏈中溫度監(jiān)測(cè)的可行性和量化羊肉表面和外部溫度感知的差異，同樣以冷鮮羊肉為研究對(duì)象進(jìn)行了恒溫箱內(nèi)的羊肉儲(chǔ)藏試驗(yàn)。在0℃，4℃和8℃三種溫度下，設(shè)置了三種不同的傳感器貼附方式，將剛性熱電偶分別貼附在恒溫箱側(cè)壁（方式一）和羊肉的表面（方式二），將柔性溫度電極（方式三）貼附在羊肉的表面，時(shí)間持續(xù)4h。柔性溫度電極具有快速的響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間，較高的靈敏度和線性度，這證明了傳感器具有監(jiān)測(cè)低溫下溫度波動(dòng)的潛力。三個(gè)傳感器在恒溫箱的溫度從室溫降低到設(shè)定的溫度閾值（0℃，4℃和8℃）過(guò)程中的溫度演變?nèi)鐖D。箱子內(nèi)壁溫度下降最快，約10min,7min,6min后就達(dá)到了設(shè)定溫度。對(duì)于羊肉表面剛性熱電偶的溫度演化，約3.9h,3.6h和1.7h后達(dá)到設(shè)定溫度附近，其拐點(diǎn)溫度分別在0.96℃，4.17℃和8.07℃。對(duì)于羊肉表面柔性電極的溫度演化，約3.8h,3.7h和2.1h后達(dá)到設(shè)定溫度附近，其拐點(diǎn)溫度分別在1.01℃，4.32℃和8.09℃?？梢钥闯?，針對(duì)羊肉的表面溫度，柔性電極與剛性熱電偶所測(cè)得的數(shù)值具有較高的一致性，但與恒溫箱側(cè)壁剛性熱電偶所測(cè)的溫度有較大的差別。由于傳感器的尺寸和冷鏈過(guò)程中的振動(dòng)等因素，溫度的監(jiān)測(cè)通常是基于方式一進(jìn)行的，方式二由于剛性傳感器的振動(dòng)，容易造成羊肉的損壞，因此本文的柔性溫度電極（方式三）提供了一種持續(xù)監(jiān)測(cè)溫度波動(dòng)的潛力。

圖5：柔性溫度電極的性能評(píng)價(jià)與探討

柔性系統(tǒng)的阻抗模式能夠代替羊肉質(zhì)量指標(biāo)來(lái)表征羊肉的新鮮度變化，機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型比傳統(tǒng)的Arrhenius方程預(yù)測(cè)模型具有更高的精度，預(yù)測(cè)精度與基于氣體信息的預(yù)測(cè)精度相當(dāng)。柔性系統(tǒng)的溫度模式能夠更為精確的監(jiān)控冷鮮羊肉的溫度變化，具有持續(xù)，精準(zhǔn)的表征羊肉品質(zhì)變化的潛力。系統(tǒng)評(píng)估表明，柔性系統(tǒng)具有較高的靈敏度（-0.0047℃-1）和線性度（0.9914），相比剛性傳感器具有更低的成本。該文為提高冷鮮肉的質(zhì)量控制水平提供了一種新的解決方案。

未來(lái)的工作可以研究實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程中溫度對(duì)羊肉新鮮度的影響，比較運(yùn)輸和冷藏過(guò)程中羊肉新鮮度變化的差異，同時(shí)進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)精度和穩(wěn)定性，結(jié)合柔性傳感技術(shù)形成更低成本的新鮮度測(cè)試系統(tǒng)。