专利名称：基于阻抗谱的解冻肉与鲜肉识别方法
技术领域：
本发明涉及农业信息检测技术领域，特别涉及一种基于阻抗谱的解冻肉与鲜肉识 别方法。
背景技术：
生肉在冷冻贮藏过程中其内部会形成大块冰晶，这些冰晶不仅能破坏细胞膜、损 伤细胞组织结构、加速蛋白质变性，而且冰晶的大小和分布不均勻还会使食品在解冻过程 中流出大量的汁液，严重影响肉的品质，如风味的下降、汁液的流失、脂肪氧化、冰晶升华或 重结晶、脱水、嫩度下降、可溶性蛋白减少、蛋白质形成凝胶能力下降。国外报道，集中于欧 美、日本等国家，有8-15%的经冷冻然后完全解冻后的肉(以下简称解冻肉)被当作鲜肉出 售，此类情况在中国也有发生。客观地区分、识别冷冻肉，进而对肉品质评定有实用价值。现有技术中多基于酶学、DNA、核磁共振、电子显微镜等方法识别冷冻肉，由于方法 较为复杂，均不能满足于现场检测要求，且准确率低。
发明内容
(一 )要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是如何实现对解冻肉与鲜肉进行简单、准确地识别。( 二 )技术方案为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于阻抗谱的解冻肉与鲜肉识别方法， 包括以下步骤Si、产生连续多个不同频率、幅度均值为0的正弦波信号，并将所产生的正弦波信 号加载于待测生肉样品；S2、让每个频率&的正弦波信号所流过的支路上均含有所述待测生肉样品和一个 具有固定标称值的电阻R1，设所述待测生肉样品具有阻抗Zx(&)，分别检测阻抗Zx和电 阻Rl的分压值^汍)和现)；i为正整数，表示频率点编号；S3、将分压和％(&)之比转换为电压形式，然后转换为数字信号，根据电 阻Rl和所述数字信号计算出每个频率&上的阻抗ZJfi)，将阻抗Zx忧)随频率&的变化 表示为曲线，得到所述待测生肉样品的阻抗谱；S4、检测步骤Sl中所产生的多个正弦波信号与经过所述待测生肉样品后的信号 的相位差Δ Κ/)，将所述相位差转换为电压Wfi)输出，然后转换为数字信号，将 数字信号形式的相位差随频率&的变化表示为曲线，得到所述待测生肉样品的相 位谱；S5、根据所得到的所述待测生肉样品的阻抗谱和相位谱推导出反映所述待测生肉 样品特征的参数来识别解冻肉和鲜肉。其中，所述正弦波信号以电流形式加载到所述待测生肉样品上，且在步骤S3中， 按照如下公式计算阻抗Zx (fi)
及1。其中，利用如下公式将所述相位差Δ Κ/；)转换为电压V(A)输出
V(Zi) = αΑφ{/ι)+δ其中a、b与电路有关的参数，为经验值；用一组参数已知的RC串联电路进行试验， 计算得到所述经验值；试验方法如下将不同频率的正弦波信号加载到RC串联电路上，输出电压
(1 nI
V(fi)，根据RC串联电路的参数，得到A 的理论值为tair1 ——- ，tarT1表示反正
KP-TcflRC)
切函数，通过回归计算(优选为最小二乘算法)获得a、b。其中，在步骤S5中，根据所得到的所述待测生肉样品的阻抗谱推导出阻抗实部谱 和阻抗虚部谱，然后根据所述阻抗实部谱和阻抗虚部谱推导出反映所述待测生肉样品特征 的参数来识别解冻肉和鲜肉；其中，根据每个频率&对应的阻抗Zx (fj和相位差Δ<Κ_/；)按
照下式生成每个频率fi对应的阻抗实部值ZMal(fi)和阻抗虚部值Zimg (f》
ZreAf)=^ Xf^^(f))
ZimMi)=z^f将每个频率点上的阻抗实部值Zral (f》随频率&变化表示为曲线，得到阻抗实部 谱，将每个频率点上的阻抗虚部值Zimg随频率&变化表示为曲线，得到阻抗虚部谱。其中，通过电极A和电极B将正弦波信号加载于待测生肉样品，所述电极A具有两 个引脚，电极B也具有两个引脚，电极B置于电极A之间，所有电极引脚在一条直线上。其中，所述电极A和电极B均为金属电极。其中，对所述阻抗实部谱按如下公式计算反映所述待测生肉样品特征的参数α α = Maxi(么)Hx、fi))丨),其中，Max表示求取最大值，| |表示求取绝对
‘{ Max(ZrJJiJ) )
值；对所述阻抗虚部谱按如下公式计算反映所述待测生肉样品特征的另一参数 β (fi)β (fi) = Zimg (fi+1)-Zimg (fi)。其中，在步骤Sl中所产生的所述正弦波信号的频率范围为lHZ-500kHZ，电流 峰-峰值范围为50-200 μ A。得到上述变化的参数α、β (f》之后，按照如下规律来识别解冻肉和鲜肉在满足条件(1)Zreal (A) < 100 Ω ；条件(2) α < 0. 2 ；和条件(3)当 β (^) = 0， fi > IOOkHz, β (f》非单调增加的情况下，将生肉样品判断为解冻肉的概率为96% ；在满足条件(1)Zreal (A) > 100 Ω ；条件(2) α > 0. 3 ；和条件(3)当 β (^) = 0， fi < IOOkHz, β (fD单调增加的情况下，将生肉样品判断为鲜肉的概率为99% ；
在满足条件(1)Zreal (A) > 100 Ω ；条件(2) α < 0. 2 ；和条件(3)当 β (^) = 0， fi > IOOkHz, β (f》非单调增加的情况下，将生肉样品判断为解冻肉的概率为94% ；在满足条件(1)Zreal (A) > 100 Ω ；条件(2) α < 0. 2 ；和条件(3)当 β (^) = 0， fi > IOOkHz, β (f》非单调增加的情况下，将生肉样品判断为解冻肉的概率为94% ；在满足条件(1)Zreal忧)> 100 Ω ；条件(2)0. 3 > α > 0. 2 ；和条件(3)当 β (^) =0，fi > IOOkHz, β (fD单调增加的情况下，将生肉样品判断为解冻肉的概率为80% ；在满足条件(1)Zreal忧)< 100 Ω ；条件(2)0. 3 > α > 0. 2 ；和条件(3)当 β (^) =0，fi > IOOkHz, β (fD非单调增加的情况下，将生肉样品判断为解冻肉的概率为80% ；在满足条件(1)Zreal (A) < 100 Ω ；条件(2) α > 0. 3 ；和条件(3)当 β (^) = 0， fi > IOOkHz, β (f》非单调增加的情况下，将生肉样品判断为解冻肉的概率为80% ；在满足条件(1)Zreal (A) < 100 Ω ；条件(2) α > 0. 3 ；和条件(3)当 β (^) = 0， fi < IOOkHz, β (f》非单调增加的情况下，将生肉样品判断为解冻肉的概率为70% ；在满足条件(1)Zreal (A) > 100 Ω ；条件(2) α < 0. 2 ；和条件(3)当 β (^) = 0， fi < IOOkHz, β (f》非单调增加的情况下，将生肉样品判断为解冻肉的概率为60% ；在满足条件(1)Zreal (A) < 100 Ω ；条件(2) α > 0. 3 ；和条件(3)当 β (^) = 0， fi < IOOkHz, β (fD单调增加的情况下，将生肉样品判断为解冻肉为50% ；在满足条件>100 Ω ；条件(2)0. 3> α <0. 2 ；和条件(3)当 β (^) =0，fi < IOOkHz, β (fD非单调增加的情况下，将生肉样品判断为解冻肉的概率为70% ；在满足条件(1)Zreal忧)> 100 Ω ；条件(2)0. 3 > α < 0. 2 ；和条件(3)当 β (^) =0，fi < IOOkHz, β (fD单调增加的情况下，将生肉样品判断为解冻肉的概率为30%。(三)有益效果本发明根据肉品冷冻并解冻后细胞膜受到破坏，电容作用减小，肉具有更低的保 水能力和更高的水分损失，使肉缺少多汁性，使肉品电物特性改变；解冻时产生的流出液滴 中含有水溶性蛋白质、盐类、肌苷酸等成分及无机盐，在50kHz-200kHz复阻抗实部降低，表 明细胞外液浓度增高，导电性增强这些规律，采用得到反映上述规律的生肉的生物阻抗谱 的方法来识别解冻肉。从实验结果可以看出，本发明的方法可简单、准确地实现对解冻肉与 鲜肉的识别；且用于实现该方法的检测装置成本低，便于携带，且适合应用于现场检测。
图1为本发明实施例的一种基于阻抗谱的解冻肉与鲜肉识别方法的流程图；图2为实现本发明实施例的一种基于阻抗谱的解冻肉与鲜肉识别装置的方法的 装置结构示意图；图3为分别对鲜肉、解冻肉实施图1所示实施例的方法得到的阻抗实部谱；图4为分别对鲜肉、解冻肉实施图1所示实施例的方法得到的阻抗虚部谱。 图5为RC串联电路模型示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作 进一步地详细描述。
如图2所示，本发明实施例提供了一种基于阻抗谱的解冻肉与鲜肉识别装置，主 要包括中央处理单元201，用于设置输出信号的扫描起始频率、扫描终点频率，频率改变 增量值、信号在每个频率所持续的时间，以及相邻频率信号的间隔时间，并启动正弦信号产 生单元按照以上设置产生连续多个不同频率、幅度均值为0的正弦波信号；还用于根据所 接收的数字信号计算每个频率对应的相位差和阻抗值；正弦信号产生单元203，与所述中央处理单元连接，用于产生连续多个不同频率、 幅度均值为0的正弦波信号；检测单元204，用于将所述正弦波信号加载于待测生肉样品，并输出加载于所述待 测生肉样品上的正弦波信号与经过所述待测生肉样品后的信号的幅度比与相位差，并将该 幅度比与相位差转换为电压输出；信号处理单元206，用于将检测单元输出的电压模拟信号转换为数字信号，然后将 所述数字信号传输到所述中央处理单元。其中，所述正弦信号产生单元203包括相互连接的正弦信号发生器2031和基线调 整电路2032。其中，所述检测单元204包括与所述基线调整电路2032连接的电极2041、与所述 电极2041连接的前置放大器2042，以及与所述前置放大器2042连接的相位及幅度比检测 电路2043。其它部件将在下面结合方法详细介绍。如图1所示，本发明实施例的方法包括步骤101、中央处理单元设置输出信号的扫描起始频率，并设置频率改变增量值， 以及扫描终点频率，每个频率信号所持续时间，相邻频率信号的间隔时间，中央处理单元启 动正弦信号产生单元，按照设置产生连续的不同频率、幅度均值为0的正弦波信号；频率范 围为lHZ-500kHZ、电流峰-峰值为50-200 μ Α、将该正弦波信号加载于待测生肉样品。步骤102、让每个频率&的正弦电流信号所流过的支路上含有待测生肉样品和一 个具有固定标称值的纯电阻R1，待测生肉样品具有阻抗Zx汍)，通过前置放大电路检测在 Zx (fj)和 Rl 的分压值 Vx (f J 和 Ve (f J，Rl = 100 Ω。步骤103、检测单元将分压值Vx(A)和％(&)之比(幅度比)转换为电压形式，然 后转换为数字信号，根据电阻Rl和所述数字信号计算出每个频率A上的阻抗ZJfi)，将阻 抗厶(&)随频率&的变化表示为曲线，得到所述待测生肉样品的阻抗谱。步骤104、检测单元输出加载的频率为频率&的正弦源信号与经过待测
生肉样品后的信号相位差Δ Κ/；)，将相位差Δ^/；)用电压K/)输出，表示为信号处理单元将电压值转换为数字信号，中央处理单元计算将每个频率 点上的相位差随频率&变化表示为曲线就是相位谱。α、b取值的计算方法在下面 详述。步骤105、根据所得到的生肉样品的阻抗谱、相位谱，由阻抗谱、相位谱推导出的反 映其特征的参数来识别解冻肉、鲜肉，并给出判别的概率值。
需要说明的是，在步骤103和104中，幅度比和相位差是被检测的物理量，也可以 用示波器等仪器观察一个信号经过分压与延迟后，与原始信号的幅度比与相位差，但用检 测单元检测这个物理量时，可以将它转换成一定的电压，这样更方便信号处理单元进行处理。图2为图1所示方法的实现装置的结构示意图，如图2所示，该装置包括中央处 理单元201、存储单元202、正弦信号发生器2031和基线调整电路2032 ( 二者组成正弦信号 产生单元203)、检测单元204、输入输出单元205 (包括显示器2051和键盘2052)、信号处理 单元206和生肉样品207。中央处理单元201，可以是一个8位的微控制器C8051F020中的微处理器；可控制 的存储单元202可以为C8051F020中的随机读写存储器RAM和闪速存储器Flash ROM ；中 央处理单元201所设置的输出信号的扫描起始频率，频率改变增量值，扫描终点频率，每个 频率信号所持续时间，相邻频率信号的间隔时间等参数存储于C8051F020中Flash ROM。中央处理单元201启动正弦信号产生单元203，按照设置产生连续的不同频率、 幅度均值为0的正弦波电流信号；可设置的频率范围为lHZ-500kHZ，电流峰-峰值范围为 50-200 μ A，该正弦波电流信号通过2041中电极A (—个正端+，一个负端-)加载于生肉样 品207，电极A材料直径可以为5mm、长度IOmm的银柱，两极间距为40mm，2041中电极B为 检测电极，该电极B材料亦可为直径为5mm、长度IOmm的银柱，两极间距为20mm，电极B在 电极A之间，电极A、电极B在一条直线上。更具体地，中央处理单元201向扫频信号发生单 元203传送频率设置信息及频率控制字，该频率控制字用于改变扫频信号发生单元203输 出的扫频信号的频率。频率控制字可以控制扫频信号在IHz至500kHz范围内以等间隔的 递增间隔依次输出，例如IHz、50Hz、IOOHz...... 500kHz。正弦信号发生单元203在中央处理单元1的控制下依次产生不同频率的正弦波信 号，其中，完成所有频率信号产生所需要的时间可以设置并保存在存储单元202中，如从产 生IOHz正弦波信号到产生200KHZ正弦波信号的扫频时间设定为小于等于40s，则后续检测 单元204和中央处理单元201完成一次检测的时间可以小于或等于40s。在本实施例中例 如，正弦信号发生单元203采用由直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer, 简称DDS)集成芯片AD9850输出，正弦信号发生单元203可包括正弦信号发生器2031 (此 处为AD9850)，由于AD9850输出的正弦信号均值不为0，为了产生均值为0的正弦信号，基 线调整电路2032采用仪器仪表放大器AD620，放大倍数设置为1倍，以及AD844，AD9850输 出信号端接其负载电阻& 一端，&另一端接地，AD9850输出信号端连至AD620的引脚2， AD620的另一引脚3接一个1. 5V参考电压将实现基线调整使信号满足要求。AD620的输出 引脚6通过AD844(基线调整电路中的一个器件)实现电压-电流转换，AD844输出端接一 个阻值为100 Ω的电阻Rf，Rf另一端接2041中电极A的正端，2041中电极A的正端电极插 入生肉样品207，2041中电极A的负端接地并将其也插入生肉样品207，这样电流信号经过 生肉样品207。2041中电极B两端均插入生肉，前置放大器2042由两个AD620实现，用1 个AD620测量Rf两端电压AD620输出为Vk (^)，用1个AD620测量电极B两端电压，其输出 为 Vx(fi)。进一步地，VJfi)分别连至相位及幅度比检测电路2043(用于检测相 位差和幅度比)，本实施例相位及幅度比检测电路采用集成相位和幅度测量器件AD8302，Vx (fi)连至AD8302引脚2，VK(fi)连至AD8302引脚6，AD8302内部电路完成Vx忧)与Vjfi) 之比的运算，从AD8302的引脚13输出以电压表示的比值结果，这里表示为Vrate ； AD8302内 部电路同时完成％(&) %Vx(fi)的相位差Δ^/)的测量，结果以电压形式从AD8302的引 脚9输出，这里表示为Vphs。用如表1所示的一组4对已知电阻和电容的RC串联电路模型 校准得到α、b值，校准时，RC串联电路模型按照如图5所示的连接方式完成，由于参数已 知，每一个RC串联电路模型理论上的Vx忧)与^忧)幅度比和相位差也已知，这样可以校 准AD8302的相位输出，于是，本实施例中获得
权利要求
一种基于阻抗谱的解冻肉与鲜肉识别方法，其特征在于，包括以下步骤S1、产生连续多个不同频率、幅度均值为0的正弦波信号，并将所产生的正弦波信号加载于待测生肉样品；S2、让每个频率fi的正弦波信号所流过的支路上均含有所述待测生肉样品和一个具有固定标称值的电阻R1，设所述待测生肉样品具有阻抗Zx(fi)，分别检测阻抗Zx(fi)和电阻R1的分压值Vx(fi)和VR(fi)；i为正整数，表示频率点编号；S3、将分压值Vx(fi)和VR(fi)之比转换为电压形式，然后转换为数字信号，根据电阻R1和所述数字信号计算出每个频率fi上的阻抗Zx(fi)，将阻抗Zx(fi)随频率fi的变化表示为曲线，得到所述待测生肉样品的阻抗谱；S4、检测步骤S1中所产生的多个正弦波信号与经过所述待测生肉样品后的信号的相位差将所述相位差转换为电压V(fi)输出，然后转换为数字信号，将数字信号形式的相位差随频率fi的变化表示为曲线，得到所述待测生肉样品的相位谱；S5、根据所得到的所述待测生肉样品的阻抗谱和相位谱推导出反映所述待测生肉样品特征的参数来识别解冻肉和鲜肉。FSA00000233993500011.tif,FSA00000233993500012.tif,FSA00000233993500013.tif
2.如权利要求1所述的基于阻抗谱的解冻肉与鲜肉识别方法，其特征在于，所述正弦 波信号以电流形式加载到所述待测生肉样品上，且在步骤S3中，按照如下公式计算阻抗 Zx
3.如权利要求1所述的基于阻抗谱的解冻肉与鲜肉识别方法，其特征在于，利用如下 公式将所述相位差Δ Κ/)转换为电压V(A)输出
4.如权利要求1所述的基于阻抗谱的解冻肉与鲜肉识别方法，其特征在于，在步骤S5 中，根据所得到的所述待测生肉样品的阻抗谱推导出阻抗实部谱和阻抗虚部谱，然后根据 所述阻抗实部谱和阻抗虚部谱推导出反映所述待测生肉样品特征的参数来识别解冻肉和 鲜肉；其中，根据每个频率4对应的阻抗Zx和相位差Δ Κ/；)按照下式生成每个频率fi 对应的阻抗实部值Zral忧)和阻抗虚部值Zimg忧)
5.如权利要求3所述的基于阻抗谱的解冻肉与鲜肉识别方法，其特征在于，通过电极A 和电极B将正弦波信号加载于待测生肉样品，所述电极A具有两个引脚，电极B也具有两个 引脚，电极B置于电极A之间，所有电极引脚在一条直线上。
6.如权利要求4所述的基于阻抗谱的解冻肉与鲜肉识别方法，其特征在于，所述电极A 和电极B均为金属电极。
7.如权利要求3所述的基于阻抗谱的解冻肉与鲜肉识别方法，其特征在于，对所述阻 抗实部谱按如下公式计算反映所述待测生肉样品特征的参数α α =似4丨^(么)-^二(/))1]，其中，Max表示求取最大值，I I表示求取绝对值； ( Max(ZreaXfi)) )对所述阻抗虚部谱按如下公式计算反映所述待测生肉样品特征的另一参数β (fi) β (fi) = Zifflg (fi+1)-Zifflg (f,)
8.如权利要求2所述的基于阻抗谱的解冻肉与鲜肉识别方法，其特征在于，在步骤Sl 中所产生的所述正弦波信号的频率范围为lHZ-500kHZ，电流峰-峰值范围为50-200 μ A。
9.如权利要求7所述的基于阻抗谱的解冻肉与鲜肉识别方法，其特征在于，得到上述 变化的参数α、β (f》之后，按照如下规律来识别解冻肉和鲜肉在满足条件(I)Zreal^i) < 100 Ω ；条件⑵α < 0. 2 ；和条件(3)当β (^) = 0，f^>IOOkHz, β (f》非单调增加的情况下，将生肉样品判断为解冻肉的概率为96% ；在满足条件(I)Zreal^i) > 100 Ω ；条件⑵α > 0. 3 ；和条件(3)当β (^) = 0，f^<IOOkHz, β (fD单调增加的情况下，将生肉样品判断为鲜肉的概率为99% ；在满足条件(I)Zreal^i) > 100 Ω ；条件⑵α < 0. 2 ；和条件(3)当β (^) = 0，f^>IOOkHz, β (f》非单调增加的情况下，将生肉样品判断为解冻肉的概率为94% ；在满足条件(I)Zreal^i) > 100 Ω ；条件⑵α < 0. 2 ；和条件(3)当β (^) = 0，f^>IOOkHz, β (f》非单调增加的情况下，将生肉样品判断为解冻肉的概率为94% ；在满足条件(1) Zreal (A) > 100 Ω ；条件(2)0. 3 > α >0.2 ；和条件(3)当 β (^)= 0，f, > IOOkHz, β (fD单调增加的情况下，将生肉样品判断为解冻肉的概率为80% ；在满足条件(1)Zreal (A) < 100 Ω ；条件(2)0. 3 > α >0.2 ；和条件(3)当 β (^)= 0，f, > IOOkHz, β (fD非单调增加的情况下，将生肉样品判断为解冻肉的概率为80% ； 在满足条件(I)Zreal^i) < 100 Ω ；条件⑵α > 0. 3 ；和条件(3)当β (^) = 0，f^>IOOkHz, β (f》非单调增加的情况下，将生肉样品判断为解冻肉的概率为80% ；在满足条件(I)Zreal^i) < 100 Ω ；条件⑵α > 0. 3 ；和条件(3)当β (^) = 0，f^<IOOkHz, β (f》非单调增加的情况下，将生肉样品判断为解冻肉的概率为70% ；在满足条件(I)Zreal^i) > 100 Ω ；条件⑵α < 0. 2 ；和条件(3)当β (^) = 0，f^<IOOkHz, β (f》非单调增加的情况下，将生肉样品判断为解冻肉的概率为60% ；在满足条件(I)Zreal^i) < 100 Ω ；条件⑵α > 0. 3 ；和条件(3)当β (^) = 0，f^<IOOkHz, β (fD单调增加的情况下，将生肉样品判断为解冻肉为50% ；在满足条件(1)Zreal (fi) > 100 Ω ；条件(2)0. 3 > α <0.2 ；和条件(3)当 β (^)= 0，f, < IOOkHz, β (fD非单调增加的情况下，将生肉样品判断为解冻肉的概率为70% ；在满足条件(1)Zreal (A) > 100 Ω ；条件(2)0. 3 > α <0.2 ；和条件(3)当 β (^)= 0，f, < IOOkHz, β (fD单调增加的情况下，将生肉样品判断为解冻肉的概率为30%。
全文摘要
本发明公开了一种基于阻抗谱的解冻肉与鲜肉识别方法，包括S1、产生连续多个不同频率、幅度均值为0的正弦波信号加载于生肉样品；S2、让正弦波信号流过的支路上含有生肉样品和具有固定标称值的电阻R1，检测阻抗和电阻R1的分压值；S3、将分压值之比转换为电压形式，然后转换为数字信号，根据电阻R1和数字信号计算每个频率fi上的阻抗，将阻抗随频率fi的变化表示为曲线，得到阻抗谱；S4、检测步骤S1产生的多个正弦波信号与经待测生肉样品后的信号的相位差，将相位差转换为电压输出，转换为数字信号，将相位差随频率fi的变化表示为曲线，得到相位谱；S5、根据阻抗谱和相位谱导出参数识别解冻肉。本发明可全面客观地实现对解冻肉与鲜肉进行识别。
文档编号G01N27/02GK101949876SQ20101025638
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月18日 优先权日2010年8月18日
发明者丁强, 何建昕, 王忠义, 黄岚 申请人:中国农业大学