茶香气电子鼻系统中气敏传感器阵列筛选方法研究

发布时间：2020-07-15 07:38

【摘要】：电子鼻是当前较为先进的气味检测仪器,通过气敏传感器可以对一种或多种气体进行综合判断。目前,电子鼻技术在食品药品的加工过程监测以及品质鉴定等方面得到了广泛的应用。由于茶香气的组成成分较为复杂,尽管很多人在算法层面进行了多种尝试,但检测效果依然不尽人意。明确检测过程中的实验参数,筛选更具针对性的气敏传感器阵列是解决该问题的关键所在。本文确定了基于相关系数及区分性能值的气敏传感器剔除方法,在此基础上根据聚类分析及区分性能值的气敏传感器阵列筛选方法,分别筛选出了针对绿茶(炒青绿茶、烘青绿茶)、红茶、乌龙茶三大茶类的气敏传感器阵列。构建以STM32为核心的电子鼻硬件系统,并在软件中集成了基于均值和最大方差时刻响应值的PCA、LDA模式识别算法。采用中位值平均滤波法对采集的数据进行滤波处理。除此之外,通过实验对比确定了茶香气检测过程中的最佳实验参数。基于茶香气的组成成分,筛选了 15种金属氧化物气敏传感器,通过相关性分析找到其中存在的冗余传感器组合。在此基础上结合区分性能值,剔除冗余传感器组合中区分性能值差的一个,完成对冗余气敏传感器的剔除。基于聚类分析及区分性能值的气敏传感器阵列筛选方法,通过聚类分析明确各传感器的独立性,筛选时从区分性能值最大的传感器开始,逐步选取独立性大的气敏传感器,最终筛选得到最佳的气敏传感器阵列。基于相关系数及区分性能值的冗余气敏传感器剔除方法和基于聚类分析及区分性能值的气敏传感器阵列的筛选方法,筛选出了针对红茶(Lb)、乌龙茶(Lo)、炒青绿茶(Lf)以及烘青绿茶(Lh)的气敏传感器阵列。在随机森林及四种基本模式识别方法下,使用气敏传感器阵列检测其对应的茶香气,区分准确率可达到98%以上。通过交叉实验进一步验证了当传感器阵列的针对性越强时,传感器的检测效果越好。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;TS272.7
【图文】：

气相色谱,质谱,设备,气相色谱质谱联用仪

色谱－质谱联合分析了福建地区的半发酵茶的香气成分，分析出的主要香气成分包括：菇烯逡逑醇、苯甲醇、苯乙醇等，并且证明这些成分在高品质级茶中的含量较多。逡逑目前使用比较广泛的质谱仪是韩国ＹＬ９９００Ｌ的质谱仪，如图１．２邋（ａ）所示。在１９９３逡逑年，赵和涛等［１２］利用色谱－质谱－计算机联用技术（ＧＣ－ＭＳ）分析红茶香气，分析表明构成祁逡逑门红茶的芳香物质主要是主要是醇类、醋类、酸类、醌类等化合物。如图１．２邋（ｂ）所示，逡逑为聚光科技公司的Ｍａｒｓ－６１００气相色谱质谱联用仪，目前气相色谱质谱联用仪的发展越来逡逑越小型化，便携化，如图１．２邋（ｃ）所示，为聚光科技公司的Ｍａｒｓ－４００Ｐｌｕｓ便携式快速气逡逑相色谱－质谱联用仪，该设备首次将快速低热容气相色谱技术和三维离子阱质谱技术有机逡逑结合。近些年来，全二维气相色谱／航行时间质谱（ＧＣＸＧＣ—ＴＯＦＭＳ）被广泛熟知，如图逡逑１．３所示，该技术可以更为准确、快速地判断茶叶种类及品质。逡逑＃rP?逦ｊ逡逑Ｉ逦－１＾—ｔ逦ｍｍ逡逑卜逦＾邋Ｊ邋⑶逡逑？＾邋ｊ邋Ｊ邋．一逡逑（ａ）邋ＹＬ９９００Ｌ质谱仪逦（ｂ）邋Ｍａｒｓ－６１００气相色谱质谱联用仪逡逑（ｃ）邋Ｍａｒ?

飞行时间质谱仪,气相色谱质谱联用仪,质谱仪

电子鼻

用德国Ａｉｒｓｅｎｓｅ公司的ＰＥＮ２电子鼻研究了邋３种不同等级信阳毛尖茶的挥发性气味，建逡逑立了传感器信号和信阳毛尖茶的茶多酚含量之间的检测模型，该研究证明了电子鼻结合有逡逑效地模式识别方法可以对不同种类及品质的茶香气进行区分。ＰＥＮ２电子鼻如图１．４所示，逡逑是目前应用较为广泛的电子鼻之一。逡逑歐，．一逡逑图１．４邋ＰＥＮ２电子鼻逡逑Ｍ电子鼻系统研究现状逡逑（１）国外研究现状逡逑近些年来，电子鼻技术快速发展，１９９３年，Ｗｉｎｑｕｉｔ等自主研发了筒易的电子鼻系逡逑统。２０００年，黄俊雄等［２１］采用英国ＡｒｏｍａＳｃａｎ公司的ＬａｂＳｔａｔｉｏｎ电子鼻进行了香烟的检逡逑测，该电子鼻包括了邋３２个气敏传感器并融合了数据处理及图像识别算法。德国Ａｉｒｓｅｎｓｅ公逡逑司生产的ＰＥＮ系列的电子鼻系统中包含１０种气敏传感器系统，目前以广泛应用于食品质逡逑

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