食品工業(yè)應用中的傳感器

國民經(jīng)濟的持續快速發(fā)展和城市化水平的提高，給中國的食品工業(yè)發(fā)展創(chuàng )造了巨大的需求空間，食品消費總量將不斷增加，商品性消費日益取代自給型消費，工業(yè)化食品比重逐步增長(cháng)，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(lái)越高，比如自動(dòng)化技術(shù)在包裝生產(chǎn)線(xiàn)中已占50%以上，大量使用了電腦設計和機電一體化控制，目的是提高生產(chǎn)率，提高設備的柔性和靈活性。傳感器作為自動(dòng)化系統的關(guān)鍵核心，也已經(jīng)大量應用在食品工業(yè)中。

傳統熱電阻和熱電偶傳感器在食品工業(yè)溫度測量中的應用

在某食品加工中，工人在炒佐料的過(guò)程中，需要根據不同的時(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(guò)程中要嚴格控制炒鍋的溫度，防止佐料被炒壞。所以準確測量車(chē)間炒鍋的溫度并在必要時(shí)進(jìn)行報警就直接影響著(zhù)佐料質(zhì)量的好壞。而以前企業(yè)佐料車(chē)間炒鍋的溫度和時(shí)間控制全憑人工經(jīng)驗控制。

人工溫度測量和時(shí)間的把握準確性不高，炒出來(lái)的佐料質(zhì)量參差不齊，沒(méi)有一個(gè)統一標準，影響產(chǎn)品質(zhì)量。針對以上問(wèn)題，可以選用溫度傳感器和儀表組成的回路，以達到提高準確測量溫度和報警的目的。

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

圖1 食品工業(yè)用的傳統熱電阻

目前，食品工業(yè)應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)，穩定性好，具有一定的非線(xiàn)性，溫度越高，電阻變化率越小;銅電阻在測溫范圍內，電阻值和溫度呈線(xiàn)性關(guān)系，溫度線(xiàn)數大，適用于無(wú)腐蝕介質(zhì)，超過(guò)150度易被氧化。

國內最常用的有R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等幾種，它們的分度號分別為Pt10、Pt100、Pt1000;銅電阻有R0=50Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號為Cu50和Cu100。其中Pt100和Cu50的應用最為廣泛。

光纖傳感系統在食品工業(yè)中的應用

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(wú)法工作的環(huán)境。FISO傳感器與其相應的信號調理器可以組成一個(gè)完整的光纖傳感系統。

干涉測量傳感器(FPI)一般由兩面相對的鏡子組成，分割兩面鏡子的空間稱(chēng)為空腔(或空洞)長(cháng)度。反射到FPI中的光是經(jīng)波長(cháng)調制的，并與空腔長(cháng)度完全相同。由精確設計的FPI將應變、溫度、位移或壓力轉變成空腔長(cháng)度的函數。

如圖2所示為FISO傳感器原理，當光束到達光纖盡頭后進(jìn)入一契形介質(zhì)，在上下表面產(chǎn)生反射，進(jìn)而導致光的干涉。反射發(fā)生的位置不同，相應的光程差亦不同。當契形介質(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腔探知并轉化為Δλ。最終，當入射光經(jīng)過(guò)法布利-比羅特(Fabry-Perot)傳感器的探測部分之后，原本均勻分布在各個(gè)波長(cháng)分量的光強，則變成了某些波長(cháng)分量的光。某些因為干涉得到加強(λ1)，而某些則得到衰減(λ2)。隨著(zhù)探測的物理量的變化，加強和衰減的波長(cháng)分量也相應變化為(λ1’與λ2’)。兩者差別為ΔλFP腔并且同時(shí)也運用在Δλ的測量。反射光通過(guò)通道選擇被傳輸到所謂的白光正交相關(guān)儀。在這里，反射光首先被透鏡轉化為一組平行入射的光束。這組光束將通過(guò)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(xiàn)在契形體內將發(fā)生多次干涉。最終，干涉后的光束將出射入后端的接收CCD。當契形濾波器厚度不同時(shí)，其固有干涉的極大波長(cháng)將不同。所以只有當入射的極大波長(cháng)等于固有極大波長(cháng)時(shí)，才會(huì )有光束透過(guò)濾波器，CCD相應像素才能接收到信號。通過(guò)FP腔濾波器，可以得到被測物理量的變化前后，相應的干涉極大對應波長(cháng)的變化，從而實(shí)現傳感。

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(xiàn)實(shí)時(shí)檢測微波中的食物內各個(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確的數據。

生物傳感器在食品工業(yè)中的應用

生物傳感器是將各種生物分子探針表面的生化反應轉變成可定量測定的物理信號的一種電子元件，可以用于檢測生物分子的存在與濃度等。生物傳感器最先由美國發(fā)明于20世紀60年代中期，全面興起開(kāi)始于20世紀80年代。有人將21世紀稱(chēng)為生命科學(xué)的世紀，也有人把21世紀稱(chēng)為信息科學(xué)的世紀。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(lái)的一項新型交叉技術(shù)。

生物傳感器主要有兩種分類(lèi)方式：根據敏感物質(zhì)的不同，生物傳感器可分酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細胞器傳感器、免疫傳感器等。生物學(xué)工作者習慣于采用這種分類(lèi)方法;根據生物傳感器的信號轉換器分類(lèi)，生物傳感器中可以利用電化學(xué)電極、場(chǎng)效應晶體管、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轉換器。

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定分析和測定發(fā)酵過(guò)程中的各種參數。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。已開(kāi)發(fā)的酶電極型生物傳感器可用來(lái)分析白酒、蘋(píng)果汁、果醬和蜂蜜中的葡萄糖等。