摘要：圍繞真空包裝食品質(zhì)量檢測(cè)中存在的一些問(wèn)題，基于LC諧振電路原理及經(jīng)典電路等理論，提出適用于真空包裝食品質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)的、低成本、無(wú)線和無(wú)源食品阻抗測(cè)量傳感器設(shè)計(jì)方案，分析、實(shí)驗(yàn)構(gòu)成阻抗傳感器的電容、電感、電阻等元件的不同連接方式、具體電路結(jié)構(gòu)、傳感器材料、傳感器振蕩頻率等對(duì)阻抗測(cè)量性能的影響，給出傳感器測(cè)試結(jié)果，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，以完成一種適用于所開發(fā)的阻抗傳感器的阻抗測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：真空包裝 食品質(zhì)量 無(wú)損失檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TS206.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-5336（2014）12-0030-03

1 引言

真空包裝作為一種保鮮包裝技術(shù)，已經(jīng)在食品工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)過(guò)真空包裝，食物能夠鎖住水分，保持新鮮，延長(zhǎng)保存日期，便于儲(chǔ)存、運(yùn)輸[1]。但由于真空包裝損壞、真空包裝中空氣殘留、儲(chǔ)存環(huán)境不規(guī)范等因素的存在，即使處于保質(zhì)期內(nèi)的真空包裝食品，其產(chǎn)品質(zhì)量有時(shí)也不能得到保證。另外，缺乏相應(yīng)國(guó)家規(guī)范，一些無(wú)良的食品生產(chǎn)廠家，往往任意延長(zhǎng)或標(biāo)識(shí)食品的生產(chǎn)日期或保質(zhì)期，從而誤導(dǎo)食品的儲(chǔ)運(yùn)、銷售和使用者，而引發(fā)的食品安全事故。食品安全事故已引起了高度重視，紛紛采取各種措施控制食品污染，確保食品安全，因而真空包裝食品質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)受到大家關(guān)視。其中，開發(fā)和設(shè)計(jì)不同類型的檢測(cè)系統(tǒng)，改進(jìn)現(xiàn)有檢測(cè)手段，加強(qiáng)食品的質(zhì)量檢測(cè)就是最重要的措施之一。

2 工作原理與模型

由于食品的含水量對(duì)食品質(zhì)量具有重大影響，即當(dāng)食品因受潮或其它細(xì)菌污染等原因?qū)е沦|(zhì)量下降或品質(zhì)惡化，其含水量往往發(fā)生變化。根據(jù)這一特點(diǎn)，通過(guò)檢測(cè)食品的含水量變化，可以間接判斷食品質(zhì)量變化。

據(jù)上所述，構(gòu)建真空包裝食品質(zhì)量檢測(cè)的低成本、無(wú)損、快速、在線檢測(cè)系統(tǒng)模型如圖1所示，該系統(tǒng)在不打開食品包裝的情況下，即可實(shí)現(xiàn)食品質(zhì)量檢測(cè)。其中食品阻抗測(cè)量傳感器是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的核心。傳感器的設(shè)計(jì)由理論分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，主要完成以下兩方面功能：

（1）完成食品質(zhì)量變化與可測(cè)量電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換和檢測(cè)。由于食品的含水量變化會(huì)引起食品的復(fù)介電常數(shù)、電導(dǎo)率等參數(shù)變化，因此，利用電容傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、響應(yīng)時(shí)間短、分辨率高、對(duì)使用環(huán)境要求不高等特點(diǎn)，通過(guò)設(shè)計(jì)電容式傳感器，檢測(cè)電容量的值或改變情況即可得到食品復(fù)介電常數(shù)的變化，得到食品質(zhì)量變化的準(zhǔn)確信息[2]；利用基于靜電場(chǎng)與場(chǎng)中導(dǎo)體和電介質(zhì)之間關(guān)系的經(jīng)典電路理論，確定被測(cè)食品復(fù)介電常數(shù)與電容傳感器的電容量之間的函數(shù)關(guān)系。

（2）完成低成本、無(wú)線、無(wú)源阻抗傳感器的設(shè)計(jì)。首先利用射頻通訊原理和LC諧振電路、耦合電感等電路理論知識(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)如圖2所示的LC諧振電路，即可實(shí)現(xiàn)電容傳感器的感應(yīng)供電和檢測(cè)信號(hào)的無(wú)線發(fā)送，該諧振電路即為完整的阻抗測(cè)量傳感器。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定相應(yīng)參數(shù)。

其中電容值及電感值的計(jì)算公式如下。

其中，l、a、b、d0、d1為對(duì)應(yīng)空間尺寸。

第二以測(cè)試過(guò)程中積累的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用PSPICE、MATLAB、SCILAB等計(jì)算機(jī)仿真和數(shù)值分析工具，分析影響食品質(zhì)量的食品含水量、大腸桿菌、李氏桿菌等菌落數(shù)量變化與食品復(fù)介電常數(shù)變化之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，建立食品復(fù)介電常數(shù)變化與阻抗傳感器輸出之間的數(shù)學(xué)模型，分析溫度濕度變化、寄生電容、諧振頻率等因素對(duì)復(fù)電阻抗變化的影響，從理論上提 高測(cè)量精度的方法以提高阻抗傳感器精度設(shè)計(jì)。

第三開發(fā)便攜式阻抗傳感器的阻抗測(cè)量。該裝置主要由頻譜掃描電路、阻抗測(cè)量電路等部分構(gòu)成。為了覆蓋整個(gè)ISM頻段且匹配阻抗傳感器所有可能的諧振頻率取值，頻譜掃描電路的設(shè)計(jì)采用壓控振蕩器，利用鎖相環(huán)芯片和現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列芯片，即可產(chǎn)生分辨率為1Hz、頻寬為0-870MHz的射頻掃描信號(hào)[3]；無(wú)損耗信號(hào)發(fā)射子電路主要由高頻信號(hào)天線（即圖1中的外部感應(yīng)線圈）構(gòu)成，它既用來(lái)實(shí)現(xiàn)頻譜掃描信號(hào)的輸出，也是阻抗測(cè)量電路的輸入裝置，天線的設(shè)計(jì)對(duì)傳感器信號(hào)的無(wú)線傳輸距離具有影響，使用環(huán)形天線來(lái)同時(shí)滿足這些要求，并通過(guò)電路實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬的方式來(lái)優(yōu)化天線的形狀、直徑、圈數(shù)和間距等，優(yōu)化的目標(biāo)盡可能的減少損耗，在所需的頻率范圍內(nèi)具有最大的品質(zhì)因數(shù)。

其中阻抗測(cè)量電路的阻抗定義為被測(cè)電路兩端電壓和流經(jīng)被測(cè)電路電流的矢量比，即

式中 Z——被測(cè)電路的阻抗值。

檢測(cè)含水量時(shí)，信號(hào)源在感應(yīng)線圈上輸出不同頻率正弦量，同時(shí)測(cè)量外部感應(yīng)線圈兩端的阻抗，并記錄與其最小值對(duì)應(yīng)的角頻率，以確定諧振傳感器的角頻率。

在軟件設(shè)計(jì)方面，系統(tǒng)上電復(fù)位進(jìn)行初始化，然后處于待機(jī)狀態(tài)。進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由按鍵輸入諧振傳感器編號(hào)、食品編號(hào)、輸出頻率的最小/大值和頻率變化步長(zhǎng)等參數(shù)，確定后進(jìn)行感應(yīng)線圈校正，即測(cè)量自阻抗，校正完成后，可以啟動(dòng)測(cè)量。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

利用圖3所示實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證諧振傳感器檢測(cè)的有效性。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為20小時(shí)，其中空氣相對(duì)濕度從20%逐步提高到60%，分別記錄兩個(gè)諧振傳感器的諧振頻率值，圖4給出了諧振頻率隨時(shí)間變化的對(duì)比曲線。

從圖4發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，所設(shè)A、B兩個(gè)樣本的諧振頻率值均為24.4Hz。隨著空氣相對(duì)濕度由20%逐步提高到60%，樣本A的頻率變化曲線基本保持平直，而樣本B的頻率變化曲線明顯呈下降趨勢(shì)。其中樣本B的食品已變質(zhì)，質(zhì)量已下降。實(shí)驗(yàn)證明利用食品含水量來(lái)檢測(cè)食品質(zhì)量變化的方法是可行有效的。

實(shí)驗(yàn)中使用的諧振傳感器的制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，為作為一次性材料的生產(chǎn)提供了可能性，也可隨食品一起包裝使用。因此檢測(cè)手段廣泛應(yīng)用于食品行業(yè)，滿足儲(chǔ)運(yùn)或銷售過(guò)程中低成本無(wú)損檢測(cè)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)固態(tài)和液態(tài)真空包裝食品，利用食品含水量變化反映食品質(zhì)量變化這特點(diǎn)，開發(fā)無(wú)線無(wú)源諧振傳感器，同時(shí)完成檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可有效完成食品質(zhì)量的在線檢測(cè)，達(dá)到相應(yīng)精度。其檢測(cè)方法和技術(shù)對(duì)電阻抗譜分析方法在食品企業(yè)中的應(yīng)用，以及電容式生物傳感器設(shè)計(jì)應(yīng)用具有一定的推動(dòng)作用，其經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益也將比較明顯。

參考文獻(xiàn)

[1]郭小華.一種密封包裝食品質(zhì)量檢測(cè)方法的初步研究 [J].農(nóng)機(jī)化研究，2010（4）.

[2]韓安太，郭小華，陳志強(qiáng)，孫延偉.基于LC諧振傳感器的包裝茶葉含水率無(wú)損檢測(cè)[J].茶葉科學(xué)，2009，29（5）：395-401.

[3]黃玉蘭.一種新的ISM頻段低噪聲放大器設(shè)計(jì)方法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2010（5）.