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标题: 食品工业应用中的传感器 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-11 16:16
标题: 食品工业应用中的传感器
国民经济的持续快速发展和城市化水平的提高，给中国的食品工业发展创造了巨大的需求空间，食品消费总量将不断增加，商品性消费日益取代自给型消费，工业化食品比重逐步增长，并为食品工业发展提供了巨大的市场空间。
　　在食品工业中，工艺流程自动化程度越来越高，比如自动化技术在包装生产线中已占50％以上，大量使用了电脑设计和机电一体化控制，目的是提高生产率，提高设备的柔性和灵活性。传感器作为自动化系统的关键核心，也已经大量应用在食品工业中。
　　传统热电阻和热电偶传感器在食品工业温度测量中的应用
　　在某食品加工中，工人在炒佐料的过程中，需要根据不同的时间段和温度混合不同的原材料，然后进行翻炒，并且在炒制的过程中要严格控制炒锅的温度，防止佐料被炒坏。所以准确测量车间炒锅的温度并在必要时进行报警就直接影响着佐料质量的好坏。而以前企业佐料车间炒锅的温度和时间控制全凭人工经验控制。
　　人工温度测量和时间的把握准确性不高，炒出来的佐料质量参差不齐，没有一个统一标准，影响产品质量。针对以上问题，可以选用温度传感器和仪表组成的回路，以达到提高准确测量温度和报警的目的。
　　图1所示为食品工业用的传统的热电阻，它通常分为用热电阻分铂热电阻和铜热电阻两大类。热电阻是利用物质在温度变化时自身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的。热电阻的受热部分（感温元件）是用细金属丝均匀地绕在绝缘材料制成的骨架上。当被测介质中有温度梯度存在时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。

图1 食品工业用的传统热电阻
　　目前，食品工业应用最广泛的热电阻材料是铂和铜：铂电阻精度高，适用于中性和氧化性介质，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高，电阻变化率越小；铜电阻在测温范围内，电阻值和温度呈线性关系，温度线数大，适用于无腐蚀介质，超过150度易被氧化。
　　国内最常用的有R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等几种，它们的分度号分别为Pt10、PT100、PT1000；铜电阻有R0=50Ω和R0=100Ω两种，它们的分度号为Cu50和Cu100。其中PT100和Cu50的应用最为广泛。
　　光纤传感系统在食品工业中的应用
　　FISO光纤传感器采用干涉原理，非常适合在食品工业环境和电介质传感器无法工作的环境。FISO传感器与其相应的信号调理器可以组成一个完整的光纤传感系统。
　　干涉测量传感器（FPI）一般由两面相对的镜子组成，分割两面镜子的空间称为空腔（或空洞）长度。反射到FPI中的光是经波长调制的，并与空腔长度完全相同。由精确设计的FPI将应变、温度、位移或压力转变成空腔长度的函数。
　　如图2所示为FISO传感器原理，当光束到达光纤尽头后进入一契形介质，在上下表面产生反射，进而导致光的干涉。反射发生的位置不同，相应的光程差亦不同。当契形介质的横向移动表明位移变化的时候，此位移变化将被FP腔探知并转化为Δλ。最终，当入射光经过法布利-比罗特（Fabry-Perot）传感器的探测部分之后，原本均匀分布在各个波长分量的光强，则变成了某些波长分量的光。某些因为干涉得到加强（λ1），而某些则得到衰减（λ2）。随着探测的物理量的变化，加强和衰减的波长分量也相应变化为（λ1’与λ2’）。两者差别为ΔλFP腔并且同时也运用在Δλ的测量。反射光通过通道选择被传输到所谓的白光正交相关仪。在这里，反射光首先被透镜转化为一组平行入射的光束。这组光束将通过一个契形介质。同样的，在契形介质的上下表面产生反射。此时上下表面的反射率很高，光线在契形体内将发生多次干涉。最终，干涉后的光束将出射入后端的接收CCD。当契形滤波器厚度不同时，其固有干涉的极大波长将不同。所以只有当入射的极大波长等于固有极大波长时，才会有光束透过滤波器，CCD相应像素才能接收到信号。通过FP腔滤波器，可以得到被测物理量的变化前后，相应的干涉极大对应波长的变化，从而实现传感。

图2 FISO传感器原理
　　由于FISO传感器完全抗电磁、微波和射频等干扰，多通道在线实时检测微波中的食物内各个温度的差异与变化，给研究食物在不同温度下的水分及含量提供了可靠准确的数据。
　　生物传感器在食品工业中的应用
　　生物传感器是将各种生物分子探针表面的生化反应转变成可定量测定的物理信号的一种电子元件，可以用于检测生物分子的存在与浓度等。生物传感器最先由美国发明于20世纪60年代中期，全面兴起开始于20世纪80年代。有人将21世纪称为生命科学的世纪，也有人把21世纪称为信息科学的世纪。生物传感器正是在生命科学和信息科学之间发展起来的一项新型交叉技术。
　　生物传感器主要有两种分类方式：根据敏感物质的不同，生物传感器可分酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。生物学工作者习惯于采用这种分类方法；根据生物传感器的信号转换器分类，生物传感器中可以利用电化学电极、场效应晶体管、热敏电阻、光电器件、声学装置等作为生物传感器中的信号转换器。
　　生物传感器在食品分析中，可用于食品成分、食品添加剂、有害毒物及食品鲜度等的测定分析和测定发酵过程中的各种参数。在食品工业中，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和贮藏寿命的一个重要指标。已开发的酶电极型生物传感器可用来分析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中的葡萄糖等。

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