智舌应用稳定性关键技术研究

论文摘要

智舌是本实验室自主研发的一种新型电子舌系统,由传感器阵列、信号激发与接收电路以及智能算法三个部分组成。前期研究表明：智舌在酒类辨识、茶类分级、原乳监控以及病菌检测等多个领域具有良好的应用前景。因此,本论文在实验室研究基础上,从参比电极稳定性、采样频率与采集信号稳定性的关系、激励信号稳定性以及检测软件的整体性和完整性四个方面,针对智舌产业化过程中稳定性的关键技术进行了系统研究。主要研究工作及结果如下：(1)传感器参比电极稳定性研究Ag/AgCl参比电极易漏液且需要定期维护,稳定性较低,不适合产业化应用,因此需要一种更稳定的参比电极来代替它。本研究以四种饮料为样品,对铂柱电极和Ag/AgCl电极分别作为参比电极的检测稳定性进行了研究。研究发现：铂柱电极和Ag/AgCl电极作为参比电极时,智舌对于样品的区分能力没有显著性差异。此外,铂柱电极奇异值比例为13.9%、11.7%、14.4%和16.1%,平均值为14.0%；Ag/AgCl电极奇异值比例为13.3%、12.2%、19.4%和12.7%,平均值为14.4%,针对智舌应用,前者稳定性略高。因此,在区分能力相近的基础上,选择更适合在线实时检测的铂柱电极作为参比电极解决智舌在线实时检测稳定性问题。(2)智舌信号采样频率研究由于信号采样频率与采集信号真实度之间具有一定关联,并会影响稳定性,需要选择一个合适的采样频率进行信号采集以保证智舌系统的稳定性。本研究利用LabVIEW修改智舌程序,设计了500、1 K、10 K和20 K四个采样频率,并以四种绿茶为样品,对四个采样频率下智舌检测稳定性进行研究。研究发现：在20 K采样频率下,样品响应信号真实度最高,样品区分程度最高为90.06,重复检测区分稳定性最高。因此,选择20 K作为采样频率来解决智舌产业化应用中采集信号稳定性问题。(3)智舌激励信号研究由于波形产生系统的物理局限性,方波信号无法在实际应用时稳定激发,需要一种更为稳定的信号来代替其作为激励信号。本研究通过对不同激励信号对比研究,建立了以正弦波为基础的包络激励信号。研究发现：包络激励信号对于不同类样品以及同类样品具有良好地区分辨识效果；包络激励信号和大幅脉冲激励信号的重复检测区分值分别为25.7和26.1,效果接近；包络激励信号检测漂移程度小于大幅脉冲信号,重复检测稳定性高。因此,选择包络信号作为激励信号以解决智舌在产业化应用过程中的信号激发和重复检测稳定性问题。(4)智舌检测软件研究通过Matlab软件GUI和Data Acquisition Toolbox(数据采集工具箱)开发了新版本智舌检测软件并实现实际应用。相比于旧版基于LabVIEW平台开发的检测软件,新版软件首次实现Matlab软件与Access数据库的实时数据传输,并于智舌数据处理软件实现一体化,有效提高了智舌数据传输与处理的稳定性。综上所述,本论文通过研究解决了智舌参比电极稳定性、采集信号稳定性、激励信号稳定性以及数据传输处理稳定性关键技术,有效提高其应用稳定性,为智舌产业化奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 电子舌简介
• 1.1.1 电子舌原理
• 1.1.2 电子舌种类
• 1.1.3 电子舌在食品中的应用
• 1.2 研究内容及技术路线
• 1.2.1 研究内容
• 1.2.2 技术路线
• 第二章 智舌传感器阵列铂柱参比电极和Ag/AgCl参比电极稳定性选择研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验仪器及材料
• 2.2.1 主要试剂
• 2.2.2 实验仪器
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 传感器清洗
• 2.3.2 样品制备
• 2.3.3 样品检测
• 2.4 数据处理方法
• 2.4.1 主成分分析
• 2.4.2 DI值计算
• 2.4.3 奇异值分析
• 2.5 结果与分析
• 2.5.1 主成分分析DI值研究
• 2.5.2 奇异值分析
• 2.6 结论
• 第三章 智舌信号采样频率与信号稳定性研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验仪器及材料
• 3.2.1 主要试剂
• 3.2.2 实验仪器
• 3.3 实验方法
• 3.3.1 传感器清洗
• 3.3.2 样品制备
• 3.3.3 样品检测
• 3.4 数据处理方法
• 3.4.1 数据还原分析
• 3.4.2 区分能力分析
• 3.4.3 稳定性分析
• 3.5 结果与分析
• 3.5.1 数据还原分析
• 3.5.2 区分能力分析
• 3.5.3 稳定性分析
• 3.6 结论
• 第四章 智舌激励正弦波信号与方波信号稳定性比较研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验仪器及材料
• 4.2.1 主要试剂
• 4.2.2 实验仪器
• 4.3 实验方法
• 4.3.1 传感器清洗
• 4.3.2 样品制备
• 4.3.3 样品检测
• 4.4 数据处理方法
• 4.4.1 傅立叶变换
• 4.4.2 主成分分析
• 4.5 结果与分析
• 4.5.1 激励信号对比研究
• 4.5.2 样品响应信号研究
• 4.5.3 包络激励信号区分能力研究
• 4.5.4 包络激励信号检测稳定性研究
• 4.6 结论
• 第五章 基于Matlab的智舌检测软件研究
• 5.1 引言
• 5.2 GUI及Data Acquisition Toolbox简介
• 5.2.1 GUI简介
• 5.2.2 Data Acquisition Toolbox简介
• 5.3 软件系统设计
• 5.4 软件实现
• 5.4.1 检测参数设置实现
• 5.4.2 样品检测实现
• 5.4.3 数据库建立选择及文件保存实现
• 5.4.4 软件运行
• 5.5 结论
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 研究生期间发表论文
• 致谢