★研究背景

用于食品質(zhì)量控制的柔性傳感技術(shù)得到了一些研究。然而，大多數(shù)傳感器僅僅基于單一機制工作，傳感器的應(yīng)用范圍被限制了。因此，本研究的目的是研發(fā)一種新型的雙參數(shù)柔性傳感器，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的剛性傳感器和羊肉質(zhì)量指標測試方法，來評估羊肉的新鮮度。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張小栓教授團隊提出了一種羊肉新鮮度檢測改進方法。基于激光直寫技術(shù)制備了一種低成本，高性能的柔性阻抗-溫度電極，結(jié)合STM32單片機搭建了一套完整的柔性溫度-阻抗測量系統(tǒng)。使用四種不同的機器學(xué)習(xí)算法，羊肉新鮮度的檢測精度達到90%以上。所開發(fā)的系統(tǒng)彌補了傳統(tǒng)阻抗傳感器無法持續(xù)監(jiān)測羊肉新鮮度變化的不足，也為精確監(jiān)測羊肉溫度變化提供了一些獨特的見解。

★ 文章解析

將所開發(fā)的系統(tǒng)與依托品質(zhì)指標建立的傳統(tǒng)方程模型（圖1a）和依托微環(huán)境氣體感知系統(tǒng)（圖1b）的機器學(xué)習(xí)模型進行了比較，討論了柔性感知系統(tǒng)的獨特的優(yōu)勢。柔性感知系統(tǒng)的阻抗模式可以用作觸覺傳感器感知羊肉的新鮮度，溫度模式可以連續(xù)，精準監(jiān)測羊肉表面的溫度變化，這意味著系統(tǒng)具備定性和定量評估羊肉新鮮度的潛力（圖1c）。

圖1：傳統(tǒng)方法與本文方法的對比分析

用激光切割機（Tianlang Laser Technology Co., Ltd., China）在PI薄膜表面以120mm/s的速度和7.2w的功率誘導(dǎo)三維石墨烯電極（LIG），原始圖案是用AutoCAD2012軟件（Autodesk LTD, USA）設(shè)計的，柔性LIG電極即被用做阻抗電極層，又被用作溫度電極層，電極層的末端均由銀線引出。氧化石墨烯（GO）溶液直接從公司（Tanfeng GrapheneTechnology Co., Ltd., China）購買按原樣使用。用滴管將200uL的GO溶液滴注在直徑為12mm的PI薄膜中心圓形區(qū)域，在室溫下自然干燥24h。為防止滴注過程中溶液對外圍阻抗電極的影響，設(shè)計了封裝貼片將內(nèi)部圓形區(qū)域與外部相隔開。然后用激光雕刻機（Tianlang Laser Technology Co., Ltd., China）以2000mm/s的速度和2.5W的功率對干燥后的GO薄膜進行還原。將玻璃片上的PI薄膜剝離后放置在150℃的恒溫烘箱(Shanghai Jinghong Experimental Equipment Co., Ltd., China) 中25min,形成最終的熱還原氧化石墨烯（LTrGO）。溫度的變化改變了LTrGO（3D多孔泡沫結(jié)構(gòu)）的導(dǎo)電路徑，進而改變了傳感器的電阻。傳感器的耐熱性，耐濕性和疏水性由PI提供，傳感器的透氣性和穩(wěn)定性由多孔的LIG提供。

圖 2：柔性電極結(jié)構(gòu)

設(shè)計了一套完整的柔性阻抗-溫度傳感系統(tǒng)，系統(tǒng)由自制的柔性電極，主控芯片，轉(zhuǎn)換模塊，通信模塊和電源模塊組成,硬件搭建如圖3所示。核心芯片選擇STM32F103單片機最小系統(tǒng)板，轉(zhuǎn)換模塊包括AD5933阻抗轉(zhuǎn)換芯片和AD溫度芯片，這意味著系統(tǒng)能獲取溫度信息和阻抗信息。主控芯片內(nèi)部的USART串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a href="http://m.1cnz.cn/tags/藍牙/" target="_blank">藍牙模塊，系統(tǒng)通過5V鋰電池供電。阻抗信息的獲取方式為，首先通過AD5933中的頻率發(fā)生器產(chǎn)生不同頻率的激勵信號，接著利用自制電極的輸出端進行信號輸出，信號經(jīng)過羊肉樣品后，通過電極的輸入端接收響應(yīng)信號，然后通過片內(nèi)的ADC進行采樣，片上的DSP對數(shù)據(jù)進行離散傅里葉變換，將變換后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32主控板上。溫度信息的獲取方式為：通過溫度轉(zhuǎn)換芯片將感知到的電阻信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后單片機內(nèi)的ADC將電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，信號經(jīng)藍牙模塊無線傳輸至終端。

圖 3：柔性溫度-阻抗雙參數(shù)傳感系統(tǒng)的設(shè)計

展示了不同溫度下羊肉在7天內(nèi)相位角的變化趨勢。可以看出，同一激勵頻率下，隨著羊肉貯藏天數(shù)的增加，相位角總體呈增大趨勢。4℃和8℃下，相位角還呈現(xiàn)先增大后略微下降的趨勢。這可能是因為較高的溫度使得羊肉在冷藏的過程中細胞結(jié)構(gòu)變形，逐漸變質(zhì)。隨著激勵頻率的升高，相位角呈先減少后趨于平緩或略微增大趨勢。10kHz之前，相位角下降的速率較快，10kHz～20kHz時，相位角逐漸趨于平緩，20kHz之后，相位角呈現(xiàn)略微增大趨勢。

圖 4：不同溫度下7天羊肉阻抗幅值和相位角的變化

冷鏈中傳統(tǒng)的冷鮮肉溫度監(jiān)測方法通常是在制冷位置處或艙室側(cè)壁安裝剛性的溫度傳感器。但根據(jù)文獻，傳感器感知的環(huán)境溫度與冷鮮肉表面的實際溫度有差異，這種差異隨冷鮮肉堆積密度的增加變大。為驗證所開發(fā)的柔性溫度電極在冷鏈中溫度監(jiān)測的可行性和量化羊肉表面和外部溫度感知的差異，同樣以冷鮮羊肉為研究對象進行了恒溫箱內(nèi)的羊肉儲藏試驗。在0℃，4℃和8℃三種溫度下，設(shè)置了三種不同的傳感器貼附方式，將剛性熱電偶分別貼附在恒溫箱側(cè)壁（方式一）和羊肉的表面（方式二），將柔性溫度電極（方式三）貼附在羊肉的表面，時間持續(xù)4h。柔性溫度電極具有快速的響應(yīng)/恢復(fù)時間，較高的靈敏度和線性度，這證明了傳感器具有監(jiān)測低溫下溫度波動的潛力。三個傳感器在恒溫箱的溫度從室溫降低到設(shè)定的溫度閾值（0℃，4℃和8℃）過程中的溫度演變?nèi)鐖D。箱子內(nèi)壁溫度下降最快，約10min,7min,6min后就達到了設(shè)定溫度。對于羊肉表面剛性熱電偶的溫度演化，約3.9h,3.6h和1.7h后達到設(shè)定溫度附近，其拐點溫度分別在0.96℃，4.17℃和8.07℃。對于羊肉表面柔性電極的溫度演化，約3.8h,3.7h和2.1h后達到設(shè)定溫度附近，其拐點溫度分別在1.01℃，4.32℃和8.09℃。可以看出，針對羊肉的表面溫度，柔性電極與剛性熱電偶所測得的數(shù)值具有較高的一致性，但與恒溫箱側(cè)壁剛性熱電偶所測的溫度有較大的差別。由于傳感器的尺寸和冷鏈過程中的振動等因素，溫度的監(jiān)測通常是基于方式一進行的，方式二由于剛性傳感器的振動，容易造成羊肉的損壞，因此本文的柔性溫度電極（方式三）提供了一種持續(xù)監(jiān)測溫度波動的潛力。

圖5：柔性溫度電極的性能評價與探討

柔性系統(tǒng)的阻抗模式能夠代替羊肉質(zhì)量指標來表征羊肉的新鮮度變化，機器學(xué)習(xí)預(yù)測模型比傳統(tǒng)的Arrhenius方程預(yù)測模型具有更高的精度，預(yù)測精度與基于氣體信息的預(yù)測精度相當。柔性系統(tǒng)的溫度模式能夠更為精確的監(jiān)控冷鮮羊肉的溫度變化，具有持續(xù)，精準的表征羊肉品質(zhì)變化的潛力。系統(tǒng)評估表明，柔性系統(tǒng)具有較高的靈敏度（-0.0047℃-1）和線性度（0.9914），相比剛性傳感器具有更低的成本。該文為提高冷鮮肉的質(zhì)量控制水平提供了一種新的解決方案。

未來的工作可以研究實際運輸過程中溫度對羊肉新鮮度的影響，比較運輸和冷藏過程中羊肉新鮮度變化的差異，同時進一步提高預(yù)測模型的預(yù)測精度和穩(wěn)定性，結(jié)合柔性傳感技術(shù)形成更低成本的新鮮度測試系統(tǒng)。