基于阻抗谱的鱼新鲜度检测关键技术研究

发布时间：2020-08-22 06:49

【摘要】：传统肉品新鲜度检测方法操作繁琐、检验周期长、对操作人员的专业水平和实验室的硬件条件均有一定要求。阻抗谱检测技术具有快速、无损、低成本、易于便携化等优点,在农业工程、食品科学、生物技术等领域有着广阔的应用前景。当前,在样品来源和检测环境都相对稳定的实验室研究中,面向鱼新鲜度评价的阻抗谱检测能取得良好效果。而在实际应用场景下,同样的测量方法却难以实现与实验室研究相当的检测精度。三个关键问题制约着阻抗谱技术的进一步发展与普及应用,它们是:生物个体差异对检测结果的影响;环境温度对检测结果的影响;现有基于数据拟合的分析模型缺乏能够反映内在机理和本质规律的理论支撑,普适性较差,难以对实验和数据分析进行有效指导。针对上述三个关键问题,论文从实验平台架构与测量系统参数优化,特征参数提取与筛选,分类模型构建与评价、温度补偿建模与分类模型的温度修正等层面进行研究,形成能够有效降低个体差异和环境温度对检测结果影响的阻抗谱鱼新鲜度评估方法。论文的主要创新性工作内容归纳如下:1、针对不同来源样品基础电学特性差异对阻抗谱检测结果的影响,分别提出利用正交各向异性特征参数与形态特征参数作为新鲜度评价指标。相对于传统分类模型,基于正交各向异性特征参数的模型对复杂来源样品的分类正确率提高了22-25个百分点。结合生物阻抗谱基础理论对特征参数的机理进行探讨,发现形态特征参数与论文在常规等效电路元件基础上深入挖掘得到的常相位角系数在物理意义上具有相似性,本质上都与鱼肉新鲜度变化过程中具有电阻和电容特性细胞组分的相对变化有关。2、鉴于传统以回归分析和数据拟合为基础的建模方法对样品数量敏感、缺乏理论支撑、普适性较差,提出一种基于阻抗谱特征参数曲线与鱼肉品质变化阶段内在关联的非拟合建模方法。相比前者,该方法所构建的新鲜度分类模型对复杂来源样品的分类正确率提高了28-31个百分点。非参数拟合建模方法在样品宏观电学特性改变与新鲜度变化过程中组织细胞微观结构变化之间建立联系,为生物阻抗谱技术的研究从统计规律层面深入到内在机理层面进行了初步尝试。3、提出基于模型相似度的阻抗谱多参数融合鱼肉新鲜度分类模型。现有加权融合算法中权重系数的确定难以完全摆脱对经验的依赖。为了彻底消除主观性和不确定性对融合结果的影响,对阻抗谱各特征参数模型之间的差异性进行量化,并以此作为融合参数权重系数的确定依据。相比单一的评价指标,多参数融合模型对复杂来源样品的新鲜度分类正确率提高了9-12个百分点。4、为了降低检测环境温度对阻抗谱新鲜度评价结果的影响,构建温度补偿模型。并将该模型与前文筛选出的最优新鲜度分类算法进行融合。相比未经温度补偿的分类结果,经过温度修正后,新鲜度分类正确率提高了38个百分点。研究结果表明:对于在线监测应用场景,基于特征参数曲线与鱼肉品质变化阶段内在关联的非拟合模型新鲜度分类效果最佳;对于实时检测应用场景,基于正交各向异性特征参数的模型分类效果最佳。在环境温度多变的现场检测场景下,温度补偿模型可以显著提升新鲜度分类效果。该研究针对影响阻抗谱鱼新鲜度检测关键问题所提出的研究思路和解决方法,对面向其他对象的阻抗谱生物检测技术的研究亦有一定参考价值。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TS254.7
【图文】：

逻辑结构图,核心模块,逻辑结构,论文

江苏大学博士学位论文提出阻抗谱正交各向异性特征参数提出阻抗谱形态特征参数深入挖掘阻抗谱等效电路参数传统绝对坐标参数：模，相位角相对贮藏时间的变化趋势利用相对标准差分析各参检测系统的最优参数配置方案激励电压和频率优化研究电极安置方式优化研究

低频电流,中高频,导电通路,生物组织

图 2.1 生物组织中高频和低频电流的导电通路ductive path of high frequency and low frequency current in biolog图 2.2 生物电阻抗三元件等效电路模型Fig.2.2 Bio-impedance three-element equivalent circuit model效电路的复阻抗为：2 2 22 2 2 2 2 ) ( )( ) 1 ( ) 1 ( )m i e m e i e i m em e i e i m e i mj C R R C R R R R C Rj R R R R C R R Cω ω ωω ω + += + + + + +：2 2 2 21R C Rω+（）ReRiCm

配置方式,电极,材料

4SCkdεπ= 的接触面积可以有效增加电极和被测材料接触表面的双电层电低接触部分交流激励的高频阻抗。片状电极的缺点是表面电流，容易形成涡流，以至于对测量结果造成难以预测的影响。过薄在插入被测材料时产生形变，从而造成电场的不规则分布。而太仅难以插入被测材料中，也很难保证微小激励的条件下电极表面测对象为固相生物材料时，针式两电极测量系统较片状两电极稳定的测量结果。N1 N2N1 N2 N3 N4（a）（b）

【参考文献】