食用油检测毕设论文.docx

食用油检测毕设论文.docx

《食用油检测毕设论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《食用油检测毕设论文.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

食用油检测毕设论文

摘要

随着我国改革开发以来，由于我国经济的不断发展以及人们物质精神生活水平的不断提高，健康合格的食品安全问题成为人们饭桌上常常谈论的一个话题，同时也是食品监督部门的一个硬性标准。

在人们的平常生活中，食品的质量安全问题已然成为一个不能忽视的热点话题，能够直接影响我们国家人民生活的水平质量，同时也会对国家的经济及发展也产生及其重大影响。

所以，食品质量安全问题是一个重要的国家重大公共卫生和经济和政治问题，其中涉及到的身心健康，影响社会稳定的周期。

食用油在食品中占有一定的比例，是人们一天三餐中的必备品，食用油质量的好与坏和人们的健康息息相关，对食品行业的的发展也有着极为重要的影响。

因此，为了保证食用油的质量安全问题得到有效解决，一套有效适用于食用油质量简单快速检测技术需要尽快建立并逐步完善，食用油质量快速检测技术的研制极为迫切。

本篇论文基于食品安全问题日益严峻，食用油的安全问题被人们逐步重视，设计了一款传感器系统，通过设计一款平行板电容传感器，基本原理是不同食用油的介电常数的是不同的，这样会导致平行板电容器的电容值发生变化。

具体实现方法是以每种物体的介电常数值不同作为研究点，利用可编程电容－数字转换器AD7746和嵌入式微控制器STM32作为核心控制模块组成的检测系统完成对油样品对应产生电容值的检测，结果由液晶显示。

之后利用这套传感器系统，用制作好传感器对自制油，煎炸老油，符合国家标准的食用油在不同条件下进行多次电容值测量，之后用公式计算出各种对应的介电常数；最后比较自制油，煎炸老油，符合国家标准的食用油的介电常数的差异，找出一个区分煎炸老油和符合国家标准的食用油的介电常数大致分布区间。

关键词：

stm32；ad7746；油质检测；介电常数；平行板电容传感器

Abstract

SinceChina'sreformanddevelopment,duetothecontinuousdevelopmentofChina'seconomyandthecontinuousimprovementofpeople'smaterialandspirituallife,qualifiedhealthfoodsafetyissuesbecomeatableofpeopleoftentalkaboutthetopic,alsoisfoodandsupervisiondepartmentsofarigidstandards.Inpeople'sdailylife,theissueoffoodqualityandsafetyhasalreadybecomeacannotignorethehottopic,candirectlyaffectsthequalityoflifeofpeopleofourcountrylevel,butalsoonthecountry'seconomicdevelopmentandalsoproducedandthemajorimpact.Therefore,foodqualityandsafetyissuesareanimportantnationalmajorpublichealthandeconomicandpoliticalissues,whichrelatetothephysicalandmentalhealth,theimpactofsocialstabilitycycle.

Edibleoilinfoodoccupiescertainproportionisnecessarypeoplethreemealsaday,edibleoilqualitygoodandbadandpeople'shealthiscloselyrelatedtothedevelopmentoffoodindustryalsohasaveryimportantinfluence.Therefore,inordertoensurefoodqualityandsafetyproblemsoftheoilhasbeeneffectivelyresolved,asetofeffectiveapplicationinedibleoilqualityrapidandsimpledetectiontechnologyneedassoonaspossibletoestablishandgraduallyimprove,edibleoilqualityfastdetectiontechnologydevelopmentisextremelyurgent.

Thispaperbasedonthefoodsafetyproblemisbecomingmoreandmoreserious,edibleoilsecurityissuesbypeoplegraduallypaymoreattentiontodesignasensorsystem,throughthedesignofaparallelplatecapacitancesensor,thebasicprincipleisthedielectricconstantofdifferentedibleoilisdifferent,thiswillleadtoparallelplatecapacitorcapacitancechange.Specificmethodistoeachobjectofthedielectricconstantvaluesdifferentastheresearchpoint,theuseofprogrammingcapacitancetodigitalconverterad7746andembeddedmicrocontrollerSTM32asthecorecontrolmoduleconsistingofadetectionsystemofoilsamplescorrespondingtoproducecapacitancedetection.Theresultsbytheliquidcrystaldisplay.Afterusingthissensorsystem,sensorofself-madeoil,fryingoil,inlinewithnationalstandardsforedibleoilunderdifferentconditionswererepeatedlycapacitancevaluemeasuring,afterusingtheformulacalculatedthedielectricconstantofthecorresponding;theself-madeoil,fryingoil,inlinewiththedifferenceofthedielectricconstantofthenationalstandardofedibleoil,findadistinguishedoldfryingoilandbroadlydistributedintervalaccordswiththedielectricconstantofthenationalstandardofedibleoil.

Keywords:

stm32;ad7746;Oiltesting;Dielectricconstant;Parallelplatecapacitancesensor

引言

作为信息技术的三大基础之一的传感器技术，是现在各大发达国家竞相发展的高新技学技术，是进入21世纪以来优先发展的十大尖端技术之一。

传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。

人类社会对传感器提出了越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力，而现代科学技术突飞猛进则提供了坚强的后盾。

传感器是信息系统的源头，在某种程度上是决定系统特性和性能指标的关键部件。

而当前地沟油的现象越来越严重，给消费者的身体健康带来了严重的伤害，给有关执法部门制造了难题。

主要是因为没有一种高效可靠的地沟油检测传感仪器，无法为执法部门提供强有力的测量依据，从而造成不法商人可以肆意妄为的局面。

1绪论

1.1研究的背景以及意义

随着我国改革开发以来，由于我国经济的不断发展以及人们物质精神生活水平的不断提高，健康合格的食品安全问题成为人们饭桌上常常谈论的一个话题，同时也是食品监督部门的一个硬性标准。

在人们的平常生活中，食品的质量安全问题已然成为一个不能忽视的热点话题，能够直接影响我们国家人民生活的水平质量，同时也会对国家的经济及发展也产生及其重大影响。

所以，食品质量安全问题是一个重要的国家重大公共卫生和经济和政治问题，其中涉及到的身心健康，影响社会稳定的周期。

健康卫生的食用油不仅使食物美味可口、增进食欲，还是人体生活健康所必不可少的营养物质，同时还可以作为原料加工各种食品。

然而近些年来，地沟油事件不断被曝光，使人们对食用油安全卫生产生了极大的恐惧。

地沟油是人们对废弃各类劣质油脂的统称，主要可分为三类:

一是从餐饮业油水分离系统或下水道中捞取的油腻漂浮物，经过加热等多道工序加工而成的地沟油;二是劣质家禽肉（包括猪、鸡、鸭）及其内脏经过加热后产出的油;三是反复利用煎炸食品的煎炸老油。

地沟油绝大部分指标都严重不符合国家规定的食用油卫生标准，其危害极大，一旦直接被人们食用后，则可能会引起食物中毒。

更为严重的是地沟油中含有酸败的指标含量远远超出国家规定的标准，如果长期摄入，将会影响人们的体重和发育，易患腹泻和肠炎，并有肝、心和肾肿大以及脂肪肝等一系列疾病。

此外，地沟油中的黄曲霉毒性不仅易使人发生肝癌，在其他部位也可以发生肿瘤，如胃腺癌、肾癌、直肠癌及乳癌、卵巢、小肠等部位癌变。

这些危害极大地威胁了人们的身体健康，可见地沟油就像是一个无形的杀手。

当前地沟油回流到饮食行业的现象十分严重，为了防止地沟油回流入饮食行业，保护人民群众的身体健康和生命安全，必须规范管理、严格管理、加大执法力度，查处非法经营者，让造假者血本无归，遏制住地沟油市场。

与此同时，地沟油快速检测设备也应该应运而生，让不法分子无机可乘，执法部门有据可依。

然而，目前对地沟油的检测主要依赖于实验室的分析设备，这些设备检测过程复杂且价格昂贵，难以满足广泛应用的需求。

因此，探讨研究出一种低成本、快速有效、结构简易的地沟油检测传感器设备，将会给地沟油检测带来极大的便利，就能为执法部门提强有力的执法依据，从严从重处理违规餐饮店、打击地沟油生产小作坊，杜绝地沟油对粮油市场及饮食行业的侵蚀。

因此本文提出了基于嵌入式系统的液体电介质检测系统，用于地沟油检测，与传统的测量方法相比，此检测系统具有直接对地沟油进行判断、制作简单、便于携带和成本低等优点。

1.2现有食用油检测技术的优缺点

油脂在熔点、相对密度、茹度、表面张力、溶解性、热性质折射率、介电常数等物理性质方面的差异，使得食用油品质检测上的检测手段各有不同。

现今国内外相关研究部门在食用油品质检测方面，均未形成统一的检测方法以及规定一整套配套完善的检查仪器，对于食用油的掺伪鉴别方面的研究也不系统全面。

现今食用油质量检测方法主要包含:

气相色谱法、高效液相色谱法、电导率测定法、GC-MS脂肪酸组成测定法、外源性污染物残留测定法等。

此外，基于核磁技术的指纹图谱结合多变量分析检测方法也运用到了食用油检测，该法具有这样的特点破坏性小、灵敏度好、图谱信息丰富。

与此同时，传统仪器分析方法样品前处理复杂，无法满足现场快速检测的需要，高精度仪器设备购置价格较高，难于满足日常检测的需求。

近年来，各种检测技术逐渐开始研究和食用油行业，应用更高效，方便，准确，完整，逐步取代传统的检测方法，

有以下特点:

1）操作简单易行先进的检测方法。

诸如此类比较先进的检测方法一般具备能够在短时间完成在线检测;2）结果重复性好，精度高;3）减少有机试剂用量，降低对人体及环境的危害等。

多种传统方法可以用于出食用油质量安全的检测。

见图1.1

图1.1常用食用油检测方法优缺点

相比之下，传统的检测方法费时费力，存在很多不方便之处，需要进行更新及改进。

目前，在众多快速检测方法当中比较常用的是测量油脂煎炸或者掺假当中样品介电性质的变化。

因此，可以确定油中的偏振分量的变化间接地通过测试样品的介电常数测定的变化，反映了油样的重复使用或混合其他劣质油。

该方法简单、方便、可靠，检测操作，省时，成本低，可以在现场使用，用于测量，以了解食用油的质量状况。

在测量介电性质的众多方法中，最常用的是电容测量法，即将电容改装成为一种检测感应探头，通过电路连接及信号放大等处理过程，将检测样品的介电性质快速简单的反映出来。

1.3论文主要内容

本文主要利用原有电容传感器原理，对电容器结构进行更深一步的探索研究，并通过信号转换电路及软件模块设计，实现新型食用油品质检测手段的开发及完善。

电容检测法主要是利用电容传感器进行被测物电容值的测定，然后通过合适的信号调理电路进行信号转换，最终实现样品介电性质的在线检测分析。

运算放大器式电路、调频式电路、充放电式电路是常用的测量电路的代表。

以上检测方法中，为了达到检测灵敏度和精确度，研究者一般会对调理电路进行优化改进，从而提高寄生电容对系统的影响。

本研究中为了克服上述缺点，利用集成元件替代相应的调理电路，以期设计出一种新型检测技术。

本课题设计的电容传感器对不同的油样本进行了检测，得到了油质的好坏与输出电容量的大小对应关系，与已有研究进行对比分析，发现本课题对油样品测量的结果与已有结论接近，证明了油的极化成分与其对应的介电常数是有关联的。

课题重点研究了该检测技术原理及设计过程，包括检测系统硬件与软件设计，并开发出这种检测技术的便携式原理样机。

本文主要研究内容如下:

第一章，简单介绍了现在食品安全问题的严峻性，由此提出食用油油品质量检测的必要性以及重要性，同时介绍了一些常用的油质检测设备的优缺点；介绍了食用油检测的研究背景、研究意义以及研究现状。

第二章，介绍了食用油检测系统采用的传感器设计原理以及设计思路，介绍介电常数，由一般传感器组成与分类，传感器通常有敏感元件和转换元件及其辅助环节组成，到一般传感器的基本特性。

第三章，介绍分析一些常用的电容测量电路，通过对比这些电路的性能以及特点，最后提出了以AD7746芯片作为核心的微小电容的检测方案，介绍了AD7746的结构以及机理，设计了AD7746电容测量电路。

利用STM32微处理器对AD7746检测电容电路进行控制以及数据的读取，以及LCD1602显示电路的实际以及相应的介绍。

第四章，对检测系统的软件设计模块化进行了总体概括，详细地介绍了各个功能模块的应用及步骤。

第五章，用制作好的食用油检测系统对自制食用油，国标食用油，多次煎炸老油进行电容值测量，得出数据转换为相应的介电常数，之后对这三种油进行加温处理，。

加热温度越高，介电常数增加越快，说明在高温下，油分子的化学反应更加剧烈，生成较多的极化成分。

经过加热煎炸处理后，电容值普遍增大，随着煎炸次数增加，从健康角度考虑，煎炸时间长极化分子增多，当超出一定范围时对健康构成潜在威胁，因此食用油煎炸时间、次数应尽量减少，食用油加工的炸油应定期更换，不要长期煎炸。

第六章，总结了所做工作与以及取得的相应成果。

对测量结果进行了分析以及总结，对存在的问题以及进一步研究方向提出建议。

2传感器的相关原理以及设计

2.1介电常数原理介绍

介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场（真空中）与介质中电场的比值即为相对介电常数（relativepermittivity或dielectricconstant），又称诱电率，与频率相关。

介电常数是相对介电常数与真空中绝对介电常数乘积。

如果有高介电常数的材料放在电场中，电场的强度会在电介质内有可观的下降。

理想导体的相对介电常数虽然为1，但是由于无穷大的电导率导致趋肤深度为零，所以内部场强总为零形成电磁屏蔽。

介电常数（又称电容率），以ε表示，ε=εr*ε0，ε0为真空绝对介电常数，ε0=8.85*10^（-12）F/m。

需要强调的是，一种材料的介电常数值与测试的频率密切相关。

一个电容板中充入介电常数为ε的物质后电容变大εr倍。

电介质有使空间比起实际尺寸变得更大或更小的属性。

例如，当一个电介质材料放在两个电荷之间，它会减少作用在它们之间的力，就像它们被移远了一样。

当电磁波穿过电介质，波的速度被减小，有更短的波长。

根据物质的介电常数可以判别高分子材料的极性大小。

通常，相对介电常数大于3.6的物质为极性物质；相对介电常数在2.8—3.6范围内的物质为弱极性物质；相对介电常数小于2.8为非极性物质。

物质的介电常数是不同的，是有物质本身的特性所决定的，根据这个特点，食用油和地沟油的介电常数也是有所区别的，根据这个用来区分标准油以及地沟油的依据。

电介质与电导体不同，电导体中存在着大量可自由移动的带电粒子（如电子等），在外加电场的作用下，带电粒子的定向移动即形成电流。

理想的电介质中不存在可自由移动的带电粒子，在外加电场的作用下，电介质的表面会形成一些束缚电荷，束缚电荷构建起的内建电场具有抵抗外加电场的作用。

从物质材料的导电性来说，有导体、半导体和绝缘体3类划分，但从严格的意义上来说，并没有哪一种物体是绝对不导电的，只是3类材料的导电机理与导电性有比较大的差异而已。

理想的电介质是不导电的，因而电介质也是电绝缘的。

组成电介质的原子或分子中的正负电荷束缚得很紧，在一般条件下不能相互分离，因此在电介质内部能作自由运动的电荷（电子）极少。

一般情况下，电介质的存在方式主要有有固态、气态和液态这三种情况。

例如，空气即是一种常态为气态的电介质;润滑油是一种常态为液态的电介质;大量的绝缘材料（印刷电路板基材等）是常态为固态的电介质。

真空是没有原子和分子的，也是不导电的，因而真空也具有理想电介质的许多特性。

在有关电介质的应用及研究中常将真空选作一个标准的参照。

空气的电介质特性与真空的情况相近似，实际中也常将空气中的情况等同于真空来处理。

我们通常所说的介电常数，就是指介质相对于真空中介电常数的倍数，即相对介电常数。

空气的介电常数为1.0005，就表是空气中这个常量是真空中的1.0005倍。

2.2一般传感器的组成以及分类

传感器是将被检测物体的不是电信号量转换成电信号的设备或者部件，常常按照某一规律按照某一精确度把被测量转换为和自身有一定对应关系的、方便运用的某一检测输出信号的设备，通常情况下有敏感元器件、换元器件及其辅助环节组成。

在检测系统中有着一定的重要作用，决定着检测电路的特性优良。

传感器通常有敏感元件、转换元件、所对应辅助环节构成。

（1）敏感元件指能够敏锐地感受被测变化量并做出特定回应的元件。

能够感受到直接的传感器测量的部分。

不同的传感器，它的敏感元件是不同的。

传感器的输出与被测物理量来确定总的物理关系仍然是非电量。

（2）转换元件一般指的是传感器的电气信号的测量，为方便运输或可测量将敏锐地感觉或反应的组成部分。

如果转换组件是可变的电位器，通过移动刷，这将改变位移输入电阻。

辅助电源是一般传感器转化元件所必备的配件。

（3）辅助环节一般是指支持测得的部分转换成电能的一部分。

如转换元件的电路参数，辅助链路参数可以被转换成电压，频率和其他形式的能源。

到目前为止，传感器原理，不同种类，根据不同的标准，可以有多种划分。

目前，常用有以下两种划分。

按工作性质分，如图2.l；按照工作原理划分，如图2.2所示。

图2.1传感器按照性质划分

图2.2传感器按照工作原理划分

2.3一般传感器的基本特性

在现代的实验和生产，参数应控制和检测的不同，它要求传感器可以检测从测量的变化，并将其转换为可用的信号和测量的某种确定的函数关系，传感器的基本特性决定了传感器相关的和准确的完成检测任务

传感器的静态性能的灵敏度，线性度，精确程度。

（1）灵敏度:

输出与输入特性曲线的斜率。

（2）线性度:

又称非线性误差。

（3）精确度:

精度反映传感器测量结果与真值得接近程度。

传感器的动态性能，传感器的动态特性测量传感器的输出信号的动态响应特性的传感器，用于时变输入，体现传感器在测量动态信号时的一种能力。

对于数字传感器，主要的问题是在工作上，不要失去数。

因此，变化的速度输入量是一个关键因素。

所以，数字式传感器动态特性指标是:

输入量的临界速度。

2.4平行板电容传感器的设计

电容传感器通常可以分为变化间隙式、变化介电常数式、变化相对面积式。

本章主要通过分析传统结构的电容传感器在食用油品质测量使用中的情况，得到新型的叉指电容传感器结构。

在食用油品质测量的研究当中，主要是变介电常数式。

电介质有着极其广泛的应用，但最基本的应用还是用来制作电容器。

通过电介质的束缚电荷效应可以有效地增大电容器的电容量，具体推理如下所示

图2.3平行板电容器原理模型

图2.3为填充有电介质的平板电容器在外加电场情况下的示意图。

电容器的电容量与极板尺寸大小以及其电介质的性质有关。

对于图2.1所示的平行极板电容器来说，其电容量可表示为:

其中，C为极板间电容;d为极板间距离;εr:

为极板间介质的相对介电常数;ε0为真空中的介电常数，值为8.8542×10-12F/m;A为极板间有效面积。

如图2.3所示为平板电容式传感器的传统结构，电容器的两相对极板的面积S、极板间距离d和介质间的相对介电常数ε与电容量C有关。

当保持两极板面积S不变，间距d保持不变时，电容量C与两极板间介质的相对介电常数ε线性相关。

这种电容量的变化可通过与之相对应的外接的检测电路将电容的变化量转换成频率、电流、电压等电信号的变化，根据输出信号的变化可以从测量的电容变化信息的获取。

经过对平行板进行多次试验，最后确定了电容传感器的极板为正方形S（边长为2cm）和板间距离d为3cm。

当平行板电容传感器处于空气中时，可以检查到一个微弱的电容值，当平行板电容传感器中间填充了各种油质之后，整个平行板电容传感器的介电常数发生变化，于是平行板电容传感器的电容值也发生了相应的变化，通过不同油在相同的平行板电容传感器中，最后平行板电容传感器的电容值的不同，可以用公式求出各种油的相对介电常数。

3检测系统的硬件设计以及实现

3.1几种常用的电容检测电路

对于由于电容无法直接测量，目前用于电容测量电路主要有充放电法和交流法，其基本原理是被测电容由外加电场连续进行充放电，通过测读取电容两端的电流或电压信号，计算出所测电容值。

目前主要有四种类型:

振荡器式、谐振式、充/放电、、AC桥式。

1.振荡法电容测量电路

振荡法又称调频法，其测量原理如图2-2所示，将待测电容作为振荡电路的一部分，由电容的变化转化为振荡电路的频率的变化，该频率信号经过限幅、鉴频、放大处理后可由微控制器采样处理，以反算出电容值。

图3.1调频法电容测量电路

由上可得:

式中:

L一振荡电感，C一振荡总电