基于电容传感器技术的食用油脂检测硬件系统设计与优化

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.63MB 51 页 15积分

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摘要

植物油的氧化酸败严重影响其营养价值和风味品质，并对人体健康构成威胁。

本课题使用基于电容技术的交指传感器，设计一种高效、低价、易操作的食用油

脂快速检测硬件系统。

在本课题所研制的食用油检测硬件系统中，所采用的电容传感器为交指型电容

传感器，通过对基本交指型、极化交指型、半交指型和固态电极型设计的对比，

结果显示，半交指型具有最优的设计。在该交指类型设计的基础上，进一步对交

指传感器参数进行了优化，优化结果显示，当电极宽度为 0.2mm，极间宽度为 3mm

时，传感器的敏感度最大。

本系统的检测电路设计包括三部分：文氏电桥振荡电路、频率电压转换电路、

仪器放大电路。根据 PSPICE 模拟和实验结果得到，在文氏电桥振荡电路中，集成

电路选用 LT1354，负反馈环路中电容 C2 被检测单元代替，电容 C1 为 5PF, 电阻

R1和 R2的值分别为 43kΩ和 169kΩ，文氏振荡器的基本输出频率是 245 kHz。

频率电压转换器选用 74HCT4046 通用锁相环集成电路，根据数据手册和实验所得，

其中 C8、R14 和 R15 的最终值分别为 10nF，100kΩ和 33kΩ，低通滤波器中 C9和 R13

最终参数值为 1200pF 和 200kΩ。仪器放大电路选用 AD627，放大倍数采用可调电

阻进行调节。

控制板作为整个系统的控制部分，其功能是最全面也是最复杂的。其主要功

能包括以下几个部分：模拟信号采集和 AD 转换、触摸屏显示、蠕动泵 PWM 驱动、

时钟记录、外部数据存储、蜂鸣器、打印机接口、USB 通讯等功能。

关键词：电容传感器油脂检测文氏电桥锁相环

ABSTRACT

Oxidative rancidity of vegetable oils seriously affects their nutritional value and

flavor quality, and it is the threat to human health. This subject designed a rapid

detection hardware system of edible oil which was efficient, cheap and easy to operate,

using cross-finger sensor based on capacitive technology.

In the rapid detection hardware system of edible oil of this issue, interdigitated

capacitive sensor was the detection sensor. The basic interdigitated sensor, the

polarization cross-finger sensor, semi-interdigitated sensor and solid electrode sensor

were designed and compared. The results show that semi-interdigitated is an optimal

design. Based on the semi-interdigitated, the sensor parameters were optimized.

Optimal results show that when the electrode width is 0.2mm and width between poles

is 3mm, the sensor is of the maximum sensitivity.

Detection circuit design of the system includes three parts: Wien bridge oscillator

circuit, frequency-voltage conversion circuit, the instrument amplifier. PSPICE

simulation and experimental results show, in the Wien bridge oscillator circuit, the IC

use LT1354, C2 of the negative feedback loop was replaced by the capacitance

detection unit , capacitor C1 is 5PF, resistors R1 and R2 values were 43kΩ and 169kΩ,

the fundamental output frequency of the oscillator is 245 kHz. Frequency voltage

converter IC used 74HCT4046 General PLL. According to data sheet and experiment,

the final value of C8, R14 and R15 respectively was 10nF, 100kΩ and 33K. In low-pass

filter, the final parameters of C9 and R13 value were 1200pF and 200kΩ.

Instrumentation amplifier used AD627, and adjustable resistor was used to adjust the

magnification.

The control panel was the control part of the whole system, and its function is the

most comprehensive and complex. Its main functions include the following sections:

analog signal acquisition and AD conversion, the touch screen display, peristaltic pump

PWM driving, the clock recording, external data storage, buzzer, printer interface, USB

communication and other functions.

key Words: capacitance sensor, oil detection, Wien bridge,

phase-locked loop

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................ 1

§1.1 课题背景和意义 ............................................ 1

§1.2 国内外研究现状 ............................................ 1

§1.3 本课题的主要研究内容 ...................................... 4

第二章食用油脂快速检测系统的原理和设计方案 ........................ 5

§2.1 食用油脂快速检测硬件系统的原理 ............................ 5

§2.2 食用油脂快速检测硬件系统的组成 ............................ 6

§2.3 本课题的重点难点和创新点 .................................. 7

§2.3.1 设计中的重点难点 .....................................7

§2.3.2 设计中的创新点 .......................................7

§2.4 食用油脂检测硬件系统的设计方案 ............................ 8

§2.5 本章小结 .................................................. 9

第三章电容传感器的设计与优化 ..................................... 10

§3.1 交指电容传感器的设计 .....................................11

§3.1.1 基本交指型设计 ......................................11

§3.1.2 极化交指型和基本交指型设计对比 ......................12

§3.1.3 半交指型模型设计 ....................................14

§3.1.4 固态电极模型设计 ....................................15

§3.2 交指电容传感器参数优化 ...................................16

§3.2.1 电容传感器参数有限元模拟实验 ....................... 17

§3.2.2 水为介质电容传感器参数优化 ..........................17

§3.2.3 大豆油为介质电容传感器参数优化 ......................18

§3.3 本章小结 .................................................20

第四章检测电路的设计与优化 ....................................... 21

§4.1 振荡器电路的设计和优化 ...................................21

§4.1.1 振荡电路建模和电容参数优化 ......................... 22

§4.1.2 振荡电路建模和电阻参数优化 ......................... 24

§4.2 频率电压转换器设计和优化 .................................27

§4.3 放大器电路的设计 .........................................29

§4.4 本章小结 ................................................. 30

第五章控制系统硬件设计 ........................................... 31

§5.1 控制系统总体设计 .........................................31

§5.2 控制系统具体设计 .........................................31

§5.2.1 控制系统核心微控制器 ............................... 31

§5.2.2 模拟信号采集 ........................................33

§5.2.3 触摸屏显示器 ....................................... 34

§5.2.4 蠕动泵的 PWM 驱动电路 ............................... 36

§5.2.5 时钟电路 ........................................... 37

§5.2.6 外部存储电路 ....................................... 38

§5.2.7 蜂鸣器电路 ..........................................38

§5.2.8 打印机接口电路 ..................................... 39

§5.2.9 USB 通信接口 ........................................40

§5.2.10 电源 .............................................. 41

§5.3 本章小结 ................................................. 41

结论与展望 ........................................................ 43

附录 1 .............................................................44

附录 2 .............................................................45

参考文献 .......................................................... 46

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................... 48

致谢 ............................................................. 49

第一章绪论

§1.1 课题背景和意义

食用油脂在储藏与加工过程中的氧化酸败产物不仅会降低食品的品质，还会严

重影响人体的健康。食用油脂在阳光、氧气、水分及其他氧化剂、微生物解脂酶

的作用下会分解成甘油二酯、甘油一酯及相关的脂肪酸，再进一步氧化，就形成

过氧化合物、羰基化合物、低分子脂肪酸。在食品研究中，对于油脂酸败原理性

的研究早在几十年前就引起了许多研究者的重视[1-3]。当前，这个方向的研究越来

越关注油脂退化过程对人体健康的影响。例如，研究者发现，这些氧化产物会直

接影响食用者对食物的消化，比如它们可以干扰人体对蛋白质或叶酸的吸收。更

多的研究证明它们可以造成消化道黏膜的病理性病变，抑制酶活性，导致血浆中

胆固醇和过氧化物的增加，并加速动脉硬化的过程[4-7]。因此，如何有效地对油脂

品质进行监控和检测，不单是国家目前高度重视的食品安全领域中所面临的重要

挑战，同时也是很多食品加工企业产品质量控制中亟需解决的难题。此外，中式

食品文化中，油脂涉及几乎所有的加工过程，油脂质量的优劣将直接影响大部分

食品的安全指标。然而，目前仅有的几种食用油脂质量传感器核心技术都被国外

垄断，且价格昂贵，只有极少量的食品监察机构有能力购买。这大大限制了我国

监督部门对食用油脂的检查力度，同时也限制了食品工业的自动化和食品工业实

时质量控制的能力。比如，由于该类传感设备较低的普及性和操作的复杂性，才

造成了众所周知的“潲水油”被不法商贩们肆意使用，而躲避法律的制裁。另外，

国外在开发油脂传感器过程中，忽略了中式食品加工的复杂工艺在油脂酸败过程

中的影响，因而也无法准确地反应中式食品油脂的质量问题。如果能够针对中式

食品自身的加工特点，在了解油脂的变化机理的基础上，建立合理的模型，提出

相应的解决方案，则可以有效地改善我国的食品安全状况。因此，一个快速、准

确、低价的，基于中国国情的油脂监控传感器的开发，关系着我国食品安全控制

水平的提高，关系着我国食品工业的现代化。

§1.2 国内外研究现状

各国研究人员对油脂的检测已经进行了大量的研究，发展了多种检测方法，其

中包括国标所使用的滴定法、色谱法（GC， HPLC）、核磁共振（NMR）、傅立叶变

基于电容传感器技术的食用油脂检测硬件系统设计与优化

化近红外法（FT-IR）、折光法、表面声波法（SAW）及电容法，各方法都具有相应

的优缺点。

色谱法是植物油各成分检测的主选方法之一，该法因其精度高已在油脂检测领

域得到广泛应用[8-9]。AOAC 根据色谱法制定了植物油品质的相关标准（1990）；Obert

（2007）使用 HPLC 对棉籽油中的脂肪酸进行定量分析；Dalls 等（2006）运用 GC-FIR

法测量油脂中的氧化成分，并对该检测方法的不确定因素进行了分析；李培武等

（2009）则通过量化多种反应成分，优化了基于气相法的反式脂肪酸检测方法。

核磁共振技术自上世纪 70 年代被广泛应用以来，已从医疗测试等领域拓展到

食品检测领域。核磁共振主要是通过检测油脂中 1H与13C 的属性来表征油脂的酸败

程度[10]，准确度很高，因此该方法的研究在油脂检测领域得到了很大发展。Sega 通

过对 NMR 方法的研究，做到了对油脂碘价、过氧化值、粘度等重要参数的一次性

测量（2010）。Alonso-Salces 等（2010）则采用 NMR 法对橄榄油进行鉴定，并对

被检测物的产地，质量，属性进行追溯。

另一种得到较多关注的油脂检测方法是 FT-IR[11-13]。Baeten 等人（2005）使用

该方法对油脂中的痕量物质进行探测，相对于一些官方标准，精度得到了很大提

高。该方法与神经网络法相结合，还可用于不同种类的植物油的区分，进一步拓

展了应用的空间。最近，国内的研究人员也利用该方法对油脂进行定量分析，提

供了相应的 FR-IR 实验室解决方案。此外，表面声波技术油脂检测法判别油脂的

方法也时有报道，目前该方法主要被用于基于电子鼻技术的测试系统中。

尽管以上检测方法精度较高，效果也较好，但受限于较高的测试成本，不能满

足市场便捷、快速的检测要求。因而，在低价便携方面，基于电容探测的方法得

到了发展。德图仪器公司的 testo 265 在这方面一直保持着领先的优势。美国 C-CTI

AG 公司的 food oil sensor Capsens5000 也在实验室油脂检测中得到了应用[15]。

这些产品都是基于普通电容技术的检测方法，具有低成本、易维护的优点，但测

试精度较低的缺点限制了该法的推广。

通过对以上各种检测手段的比较，可以发现，高精度的检测方法，只有相对少

量的监察机构和企业才有能力拥有，从而限制了监督部门对食用油脂的监察力度，

也限制了食品工业的自动化和实时质量控制能力。正是这种状况，才形成了小到

众所周知的街头小贩的“潲水油”，大到 KFC 这样的食品巨头使用过期油脂的丑闻。

因此，一种高效、低价、易操作，可定量的油脂快速检测方法对食品安全建设和

食品工业质量监管都具有重要意义。

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摘要植物油的氧化酸败严重影响其营养价值和风味品质，并对人体健康构成威胁。本课题使用基于电容技术的交指传感器，设计一种高效、低价、易操作的食用油脂快速检测硬件系统。在本课题所研制的食用油检测硬件系统中，所采用的电容传感器为交指型电容传感器，通过对基本交指型、极化交指型、半交指型和固态电极型设计的对比，结果显示，半交指型具有最优的设计。在该交指类型设计的基础上，进一步对交指传感器参数进行了优化，优化结果显示，当电极宽度为0.2mm，极间宽度为3mm时，传感器的敏感度最大。本系统的检测电路设计包括三部分：文氏电桥振荡电路、频率电压转换电路、仪器放大电路。根据PSPICE模拟和实验结果得到，在文氏电桥...

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