食品工業(yè)應(yīng)用中的傳感器

國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展和城市化水平的提高，給中國(guó)的食品工業(yè)發(fā)展創(chuàng)造了巨大的需求空間，食品消費(fèi)總量將不斷增加，商品性消費(fèi)日益取代自給型消費(fèi)，工業(yè)化食品比重逐步增長(zhǎng)，并為食品工業(yè)發(fā)展提供了巨大的市場(chǎng)空間。

在食品工業(yè)中，工藝流程自動(dòng)化程度越來越高，比如自動(dòng)化技術(shù)在包裝生產(chǎn)線中已占50%以上，大量使用了電腦設(shè)計(jì)和機(jī)電一體化控制，目的是提高生產(chǎn)率，提高設(shè)備的柔性和靈活性。傳感器作為自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵核心，也已經(jīng)大量應(yīng)用在食品工業(yè)中。

傳統(tǒng)熱電阻和熱電偶傳感器在食品工業(yè)溫度測(cè)量中的應(yīng)用

在某食品加工中，工人在炒佐料的過程中，需要根據(jù)不同的時(shí)間段和溫度混合不同的原材料，然后進(jìn)行翻炒，并且在炒制的過程中要嚴(yán)格控制炒鍋的溫度，防止佐料被炒壞。所以準(zhǔn)確測(cè)量車間炒鍋的溫度并在必要時(shí)進(jìn)行報(bào)警就直接影響著佐料質(zhì)量的好壞。而以前企業(yè)佐料車間炒鍋的溫度和時(shí)間控制全憑人工經(jīng)驗(yàn)控制。

人工溫度測(cè)量和時(shí)間的把握準(zhǔn)確性不高，炒出來的佐料質(zhì)量參差不齊，沒有一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，影響產(chǎn)品質(zhì)量。針對(duì)以上問題，可以選用溫度傳感器和儀表組成的回路，以達(dá)到提高準(zhǔn)確測(cè)量溫度和報(bào)警的目的。

圖1所示為食品工業(yè)用的傳統(tǒng)的熱電阻，它通常分為用熱電阻分鉑熱電阻和銅熱電阻兩大類。熱電阻是利用物質(zhì)在溫度變化時(shí)自身電阻也隨著發(fā)生變化的特性來測(cè)量溫度的。熱電阻的受熱部分(感溫元件)是用細(xì)金屬絲均勻地繞在絕緣材料制成的骨架上。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)中有溫度梯度存在時(shí)，所測(cè)得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層中的平均溫度。

圖1 食品工業(yè)用的傳統(tǒng)熱電阻

目前，食品工業(yè)應(yīng)用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅：鉑電阻精度高，適用于中性和氧化性介質(zhì)，穩(wěn)定性好，具有一定的非線性，溫度越高，電阻變化率越小;銅電阻在測(cè)溫范圍內(nèi)，電阻值和溫度呈線性關(guān)系，溫度線數(shù)大，適用于無腐蝕介質(zhì)，超過150度易被氧化。

國(guó)內(nèi)最常用的有R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等幾種，它們的分度號(hào)分別為Pt10、Pt100、Pt1000;銅電阻有R0=50Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號(hào)為Cu50和Cu100。其中Pt100和Cu50的應(yīng)用最為廣泛。

光纖傳感系統(tǒng)在食品工業(yè)中的應(yīng)用

FISO光纖傳感器采用干涉原理，非常適合在食品工業(yè)環(huán)境和電介質(zhì)傳感器無法工作的環(huán)境。FISO傳感器與其相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理器可以組成一個(gè)完整的光纖傳感系統(tǒng)。

干涉測(cè)量傳感器(FPI)一般由兩面相對(duì)的鏡子組成，分割兩面鏡子的空間稱為空腔(或空洞)長(zhǎng)度。反射到FPI中的光是經(jīng)波長(zhǎng)調(diào)制的，并與空腔長(zhǎng)度完全相同。由精確設(shè)計(jì)的FPI將應(yīng)變、溫度、位移或壓力轉(zhuǎn)變成空腔長(zhǎng)度的函數(shù)。

如圖2所示為FISO傳感器原理，當(dāng)光束到達(dá)光纖盡頭后進(jìn)入一契形介質(zhì)，在上下表面產(chǎn)生反射，進(jìn)而導(dǎo)致光的干涉。反射發(fā)生的位置不同，相應(yīng)的光程差亦不同。當(dāng)契形介質(zhì)的橫向移動(dòng)表明位移變化的時(shí)候，此位移變化將被FP腔探知并轉(zhuǎn)化為Δλ。最終，當(dāng)入射光經(jīng)過法布利-比羅特(Fabry-Perot)傳感器的探測(cè)部分之后，原本均勻分布在各個(gè)波長(zhǎng)分量的光強(qiáng)，則變成了某些波長(zhǎng)分量的光。某些因?yàn)楦缮娴玫郊訌?qiáng)(λ1)，而某些則得到衰減(λ2)。隨著探測(cè)的物理量的變化，加強(qiáng)和衰減的波長(zhǎng)分量也相應(yīng)變化為(λ1’與λ2’)。兩者差別為ΔλFP腔并且同時(shí)也運(yùn)用在Δλ的測(cè)量。反射光通過通道選擇被傳輸?shù)剿^的白光正交相關(guān)儀。在這里，反射光首先被透鏡轉(zhuǎn)化為一組平行入射的光束。這組光束將通過一個(gè)契形介質(zhì)。同樣的，在契形介質(zhì)的上下表面產(chǎn)生反射。此時(shí)上下表面的反射率很高，光線在契形體內(nèi)將發(fā)生多次干涉。最終，干涉后的光束將出射入后端的接收CCD。當(dāng)契形濾波器厚度不同時(shí)，其固有干涉的極大波長(zhǎng)將不同。所以只有當(dāng)入射的極大波長(zhǎng)等于固有極大波長(zhǎng)時(shí)，才會(huì)有光束透過濾波器，CCD相應(yīng)像素才能接收到信號(hào)。通過FP腔濾波器，可以得到被測(cè)物理量的變化前后，相應(yīng)的干涉極大對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的變化，從而實(shí)現(xiàn)傳感。

圖2 FISO傳感器原理

由于FISO傳感器完全抗電磁、微波和射頻等干擾，多通道在線實(shí)時(shí)檢測(cè)微波中的食物內(nèi)各個(gè)溫度的差異與變化，給研究食物在不同溫度下的水分及含量提供了可靠準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

生物傳感器在食品工業(yè)中的應(yīng)用

生物傳感器是將各種生物分子探針表面的生化反應(yīng)轉(zhuǎn)變成可定量測(cè)定的物理信號(hào)的一種電子元件，可以用于檢測(cè)生物分子的存在與濃度等。生物傳感器最先由美國(guó)發(fā)明于20世紀(jì)60年代中期，全面興起開始于20世紀(jì)80年代。有人將21世紀(jì)稱為生命科學(xué)的世紀(jì)，也有人把21世紀(jì)稱為信息科學(xué)的世紀(jì)。生物傳感器正是在生命科學(xué)和信息科學(xué)之間發(fā)展起來的一項(xiàng)新型交叉技術(shù)。

生物傳感器主要有兩種分類方式：根據(jù)敏感物質(zhì)的不同，生物傳感器可分酶?jìng)鞲衅鳌⑽⑸飩鞲衅?、組織傳感器、細(xì)胞器傳感器、免疫傳感器等。生物學(xué)工作者習(xí)慣于采用這種分類方法;根據(jù)生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器分類，生物傳感器中可以利用電化學(xué)電極、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、熱敏電阻、光電器件、聲學(xué)裝置等作為生物傳感器中的信號(hào)轉(zhuǎn)換器。

生物傳感器在食品分析中，可用于食品成分、食品添加劑、有害毒物及食品鮮度等的測(cè)定分析和測(cè)定發(fā)酵過程中的各種參數(shù)。在食品工業(yè)中，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和貯藏壽命的一個(gè)重要指標(biāo)。已開發(fā)的酶電極型生物傳感器可用來分析白酒、蘋果汁、果醬和蜂蜜中的葡萄糖等。