基于數(shù)據(jù)可視化的冷鮮羊肉TPA指標(biāo)數(shù)據(jù)提取優(yōu)化方法

張國(guó)祥 張海瑜 李鑫星,3

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品質(zhì)量與安全北京實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院，煙臺(tái) 264670；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代食品產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，食品質(zhì)量安全問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注[1-3]。近年來(lái)，冷鮮羊肉(冷卻羊肉)因其良好的食用品質(zhì)而逐漸取代冷凍羊肉[4]。但是，冷鮮羊肉在生產(chǎn)、加工、儲(chǔ)運(yùn)以及銷(xiāo)售過(guò)程中存在腐敗變質(zhì)的可能性，極易因加工和貯藏環(huán)境的細(xì)微變化而導(dǎo)致羊肉理化特性變化和微生物生長(zhǎng)繁殖速率加快，進(jìn)而致使肉品迅速發(fā)生腐敗變質(zhì)[5]。

全質(zhì)構(gòu)分析法(Texture profile analysis，TPA)是冷鮮羊肉質(zhì)量安全檢測(cè)的重要方法，具有檢測(cè)效率高、綜合檢測(cè)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[6]。在冷鮮羊肉組織劣變過(guò)程中，其肌肉組織在蛋白酶和微生物作用下進(jìn)一步分解，肌纖維發(fā)生斷裂[7]，使其整體結(jié)構(gòu)變得松軟，冷鮮羊肉樣品表面出現(xiàn)具有粘性的蛋白月示和蛋白胨[8]。這些質(zhì)地特征變化可以被人類(lèi)感官所感知，同樣也可以使用專(zhuān)業(yè)質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行TPA質(zhì)構(gòu)檢測(cè)，通過(guò)準(zhǔn)確客觀(guān)的TPA指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合量化表達(dá)[9]。與剪切力測(cè)試、單次壓縮等質(zhì)構(gòu)檢測(cè)模式相比，質(zhì)構(gòu)儀在TPA模式下利用數(shù)據(jù)可視化方法形成的力度-時(shí)間曲線(xiàn)(TPA曲線(xiàn))包含了更全面的樣品質(zhì)地信息，在科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用中得到廣泛認(rèn)可[10-12]。

與國(guó)外相比，由于冷藏技術(shù)和消費(fèi)者偏好的差異，國(guó)內(nèi)冷鮮羊肉生產(chǎn)和消費(fèi)尚處于發(fā)展初期階段。與部分果蔬、奶酪等簡(jiǎn)單均質(zhì)食品相比，冷鮮羊肉具有更加復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外表面特征，而國(guó)內(nèi)與其相關(guān)的TPA質(zhì)構(gòu)檢測(cè)研究相對(duì)薄弱[13-14]。在冷鮮羊肉TPA質(zhì)構(gòu)檢測(cè)過(guò)程中，由于測(cè)量?jī)x器及其安裝和測(cè)量方法等因素的綜合影響，檢測(cè)系統(tǒng)生成的實(shí)際TPA曲線(xiàn)與理想曲線(xiàn)差別較大，存在部分異常峰值和較為明顯的曲線(xiàn)波動(dòng)，由此造成儀器檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)TPA曲線(xiàn)特征節(jié)點(diǎn)的選擇產(chǎn)生歧義和偏差，進(jìn)而導(dǎo)致獲取的部分TPA指標(biāo)數(shù)據(jù)存在較大的誤差[15]。

本文以市售冷鮮羊肉為研究對(duì)象，通過(guò)解析冷鮮羊肉的TPA質(zhì)構(gòu)檢測(cè)過(guò)程，驗(yàn)證其測(cè)量機(jī)理，分別進(jìn)行TPA曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)各特征節(jié)點(diǎn)的具體定位，提出基于數(shù)據(jù)可視化的冷鮮羊肉TPA指標(biāo)數(shù)據(jù)提取優(yōu)化方法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)相應(yīng)的自主檢測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，以證明優(yōu)化方法的合理性。

1 TPA質(zhì)構(gòu)檢測(cè)

TPA質(zhì)構(gòu)測(cè)量時(shí)的樣品質(zhì)地信息獲取主要包括力度數(shù)值實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)可視化處理及指標(biāo)數(shù)據(jù)提取等主要步驟，而20世紀(jì)80年代便開(kāi)始利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)測(cè)量步驟的自動(dòng)化處理[16-17]。借助計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，從利用數(shù)據(jù)可視化方法生成的TPA曲線(xiàn)中自動(dòng)分析提取所需的指標(biāo)數(shù)據(jù)已成為目前TPA質(zhì)構(gòu)測(cè)量的常規(guī)方法。如圖1所示，本文使用TA-XT PLUS型質(zhì)構(gòu)儀對(duì)冷鮮羊肉樣品進(jìn)行TPA質(zhì)構(gòu)檢測(cè)時(shí)，固接有力度傳感器的探頭對(duì)樣品進(jìn)行兩次循環(huán)往復(fù)的按壓過(guò)程，期間檢測(cè)系統(tǒng)借助數(shù)據(jù)可視化方法形成實(shí)時(shí)的TPA曲線(xiàn)。

通過(guò)進(jìn)一步分析獲得的TPA曲線(xiàn)可以提取所需冷鮮羊肉檢測(cè)樣品的6個(gè)質(zhì)地特性指標(biāo)，分別為硬度(Hardness)、彈性(Springiness)、內(nèi)聚性(Cohesiveness)、粘性(Adhesiveness)、回復(fù)性(Resilience)和咀嚼性(Chewiness)，其具體解釋定義如表1所示[18-19]。

表1 TPA指標(biāo)的具體解釋定義

結(jié)合圖1和表1可知，TA-XT PLUS型質(zhì)構(gòu)儀的TPA質(zhì)構(gòu)檢測(cè)系統(tǒng)識(shí)別出具體的6個(gè)曲線(xiàn)特征節(jié)點(diǎn)位置，并以此計(jì)算所需的曲線(xiàn)參數(shù)。而各個(gè)TPA指標(biāo)數(shù)值均可以通過(guò)峰值點(diǎn)、峰值面積以及壓縮時(shí)間等TPA曲線(xiàn)參數(shù)予以充分表達(dá)，再經(jīng)過(guò)相應(yīng)的公式換算后，可以得到測(cè)量TPA指標(biāo)具體計(jì)算方法：硬度為F2，彈性為T(mén)2/T1，內(nèi)聚性為A2/A1，粘性為A3，回復(fù)性為A5/A4，咀嚼性為內(nèi)聚性、硬度和彈性的乘積[19-20]。因此，通過(guò)確定曲線(xiàn)特征節(jié)點(diǎn)位置，獲得相應(yīng)的TPA曲線(xiàn)參數(shù)值，通過(guò)進(jìn)一步計(jì)算即可得到反映冷鮮羊肉檢測(cè)樣品質(zhì)地特性的TPA指標(biāo)數(shù)值。

但是在實(shí)際的冷鮮羊肉TPA質(zhì)構(gòu)檢測(cè)過(guò)程中，質(zhì)構(gòu)儀器由于受到儀器輕微震動(dòng)、測(cè)量條件設(shè)置不合理、人員操作誤差等因素的綜合影響，其檢測(cè)系統(tǒng)生成的TPA曲線(xiàn)會(huì)存在異常峰值和明顯的曲線(xiàn)波動(dòng)，使得檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于TPA曲線(xiàn)特征節(jié)點(diǎn)的選擇產(chǎn)生偏差，影響具體的TPA曲線(xiàn)參數(shù)，最終導(dǎo)致系統(tǒng)提取的部分TPA指標(biāo)數(shù)值存在較大的數(shù)據(jù)誤差[15, 21]。因此，本文提出了一種基于數(shù)據(jù)可視化的冷鮮羊肉TPA指標(biāo)數(shù)據(jù)提取優(yōu)化方法。

2 TPA指標(biāo)數(shù)據(jù)提取優(yōu)化方法

通過(guò)對(duì)實(shí)際檢測(cè)力度數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波處理，消減曲線(xiàn)波動(dòng)對(duì)TPA指標(biāo)數(shù)據(jù)提取的影響，并通過(guò)對(duì)TPA曲線(xiàn)上各個(gè)特征節(jié)點(diǎn)的具體位置、標(biāo)志意義以及影響曲線(xiàn)參數(shù)進(jìn)行分析，在數(shù)據(jù)可視化方法基礎(chǔ)上，分別進(jìn)行TPA曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)的各個(gè)特征節(jié)點(diǎn)具體定位，構(gòu)建TPA指標(biāo)數(shù)據(jù)提取優(yōu)化模型。在模型方法研究基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有TA-XT PLUS型質(zhì)構(gòu)儀工作原理，自主設(shè)計(jì)并組裝了一套冷鮮羊肉TPA質(zhì)構(gòu)檢測(cè)系統(tǒng)，生成的TPA曲線(xiàn)及其特征節(jié)點(diǎn)位置情況如圖2所示。

如圖2所示，在所設(shè)計(jì)的基于數(shù)據(jù)可視化的TPA指標(biāo)數(shù)據(jù)提取優(yōu)化方法中，使用壓頭部件對(duì)冷鮮羊肉樣品兩次循環(huán)往復(fù)按壓，力度傳感器檢測(cè)TPA質(zhì)構(gòu)檢測(cè)過(guò)程中的樣品受力情況，借助數(shù)據(jù)可視化方法形成實(shí)時(shí)的TPA曲線(xiàn)。所構(gòu)建TPA指標(biāo)數(shù)據(jù)提取優(yōu)化模型將特征節(jié)點(diǎn)4按照計(jì)算不同TPA指標(biāo)數(shù)值的需要拆分為新的節(jié)點(diǎn)4和節(jié)點(diǎn)5，在對(duì)利用數(shù)據(jù)可視化方法形成TPA曲線(xiàn)進(jìn)行特征節(jié)點(diǎn)定位方面，除了對(duì)波峰和波谷等曲線(xiàn)特征進(jìn)行識(shí)別外，增加了更多壓頭行程距離和行程時(shí)間的計(jì)算[15]，完成對(duì)7個(gè)曲線(xiàn)特征節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)識(shí)別。完整的TPA曲線(xiàn)可以用檢測(cè)力度與時(shí)間的函數(shù)方程表達(dá)，即

y=F(t)

(1)

首先利用預(yù)設(shè)值找到整體TPA曲線(xiàn)的起始位置，確定起始時(shí)間t0，然后對(duì)TPA曲線(xiàn)進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波處理，以消減曲線(xiàn)波動(dòng)帶來(lái)的數(shù)據(jù)誤差[22]，其基本原理為

(2)

式中f(t)——t時(shí)刻的濾波結(jié)果，g

t——壓頭測(cè)試時(shí)的行程時(shí)間，s

n——滑動(dòng)窗口半徑

如式(2)所示，通過(guò)設(shè)定一個(gè)寬度固定的滑動(dòng)窗口，該窗口沿著時(shí)間序列滑動(dòng)，同時(shí)提取窗內(nèi)檢測(cè)力度數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為輸出值，形成濾波后的檢測(cè)力度和時(shí)間的TPA曲線(xiàn)，其各個(gè)特征節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的測(cè)試時(shí)間節(jié)點(diǎn)隨著特征節(jié)點(diǎn)編號(hào)依次增大，其檢測(cè)到的實(shí)時(shí)力度滿(mǎn)足的函數(shù)關(guān)系可以表達(dá)為

ym=f(tm)

(3)

式中ym——實(shí)時(shí)檢測(cè)力度，g

tm——特征節(jié)點(diǎn)m對(duì)應(yīng)的測(cè)試時(shí)間節(jié)點(diǎn)，s

如圖2所示，特征節(jié)點(diǎn)1處于完整TPA曲線(xiàn)的最前端，代表壓頭到達(dá)冷鮮羊肉樣品表面，樣品開(kāi)始受力壓縮，檢測(cè)力度穩(wěn)定增加，因此研究同樣采用設(shè)定定量預(yù)壓力度的方式確定特征節(jié)點(diǎn)1，并以此確定壓頭從復(fù)位高度H(距樣品托盤(pán)高度)到達(dá)冷鮮羊肉樣品表面的位移S1和測(cè)試時(shí)間節(jié)點(diǎn)t1，公式為

y1=f(t1)=FD

(4)

式中FD——事先人工輸入的定量預(yù)壓力度，g

特征節(jié)點(diǎn)2處于第1次壓縮形成的循環(huán)正值峰的峰頂點(diǎn)，第1次壓縮過(guò)程中的探頭實(shí)時(shí)感知力達(dá)到最大，依據(jù)設(shè)定的壓縮比p計(jì)算獲得其壓頭到達(dá)預(yù)定位置所需的行程時(shí)間t′2，公式為

(5)

式中S——壓頭測(cè)試時(shí)的行程距離，mm

v——系統(tǒng)設(shè)定的壓頭運(yùn)行測(cè)量速度，mm/s

以得到的行程時(shí)間t′2為基準(zhǔn)，取前后固定時(shí)間(0.25 s)范圍的最大值為特征節(jié)點(diǎn)2對(duì)應(yīng)的檢測(cè)力度y2，并確定其對(duì)應(yīng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)t2，公式為

y2=f(t2)=argmax{f(t′2-0.25),f(t′2+0.25)}

(6)

同樣參考行程時(shí)間t′2可以確定壓頭返回至冷鮮羊肉樣品表面所需的時(shí)間，確定特征節(jié)點(diǎn)4所對(duì)應(yīng)的測(cè)量時(shí)間節(jié)點(diǎn)t4并確定其實(shí)時(shí)檢測(cè)力度f(wàn)(t4)，公式為

y4=f(t4)

(7)

其中

t4=2t′2-t1

(8)

特征節(jié)點(diǎn)4處于第1次壓縮過(guò)程中的循環(huán)負(fù)值峰的末端點(diǎn)，代表第1次壓縮過(guò)程結(jié)束，而特征節(jié)點(diǎn)3是第1次壓縮過(guò)程的循環(huán)正值峰末端點(diǎn)，其探頭實(shí)時(shí)感知力為零，因此是處于t2和t4之間零值點(diǎn)，公式為

y3=f(t3)=0

(9)

特征節(jié)點(diǎn)5是第2次壓縮過(guò)程的循環(huán)正值峰前端點(diǎn)，標(biāo)志第2次壓縮過(guò)程開(kāi)始，依據(jù)設(shè)定的兩次循環(huán)壓縮的間隔時(shí)間tD得以確定，公式為

y5=f(t5)

(10)

其中

t5=t4+tD

(11)

特征節(jié)點(diǎn)6是第2次壓縮過(guò)程的循環(huán)正值峰峰值點(diǎn)，代表第2次壓縮探頭實(shí)時(shí)感知力達(dá)到最大，其計(jì)算方法與特征節(jié)點(diǎn)2相一致，在獲得壓頭行程時(shí)間t′6基礎(chǔ)上，計(jì)算得到時(shí)間節(jié)點(diǎn)t6并確定其實(shí)時(shí)檢測(cè)力度f(wàn)(t6)，公式為

t′6=t5+t′2-t1

(12)

y6=f(t6)=argmax{f(t′6-0.25),f(t′6+0.25)}

(13)

特征節(jié)點(diǎn)7是完整TPA曲線(xiàn)最末端點(diǎn)，代表TPA質(zhì)構(gòu)測(cè)量的結(jié)束，探頭完全脫離樣品表面，其計(jì)算方法與特征節(jié)點(diǎn)3相一致，為曲線(xiàn)末端的零值點(diǎn)，公式為

y7=f(t7)=0

(14)

由此，研究得到具體的冷鮮羊肉TPA指標(biāo)數(shù)據(jù)提取優(yōu)化模型，借助程序語(yǔ)言可以在自主設(shè)計(jì)組裝的冷鮮羊肉TPA質(zhì)構(gòu)檢測(cè)系統(tǒng)上加以實(shí)現(xiàn)，且可以精準(zhǔn)地確定曲線(xiàn)上的7個(gè)特征節(jié)點(diǎn)位置，減少數(shù)據(jù)誤差的影響，提高TPA指標(biāo)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。

3 冷鮮羊肉TPA質(zhì)構(gòu)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

本文自主設(shè)計(jì)組裝的冷鮮羊肉TPA質(zhì)構(gòu)檢測(cè)系統(tǒng)，主要包括檢測(cè)硬件和上位機(jī)軟件兩個(gè)主要組成部分。由檢測(cè)硬件部分完成冷鮮羊肉樣品的TPA質(zhì)構(gòu)測(cè)量環(huán)節(jié)，采集的數(shù)據(jù)信息最終被傳輸至PC端的上位機(jī)軟件中，依據(jù)相應(yīng)的檢測(cè)算法和數(shù)據(jù)模型，生成相應(yīng)的冷鮮羊肉樣品TPA質(zhì)構(gòu)檢測(cè)結(jié)果，通過(guò)模擬界面的形式進(jìn)行展現(xiàn)。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

冷鮮羊肉TPA質(zhì)構(gòu)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)硬件主要由結(jié)構(gòu)框架、直線(xiàn)導(dǎo)軌、壓頭等機(jī)械結(jié)構(gòu)部件和下位機(jī)控制系統(tǒng)組成，如圖3所示。

檢測(cè)硬件的整體高度約為330 mm，質(zhì)量約為5 kg，主體框架采用鋁合金材質(zhì)，承載臺(tái)采用硬質(zhì)絕緣的3D打印樹(shù)脂材料，用于施加TPA質(zhì)構(gòu)檢測(cè)作用力的壓頭采用不銹鋼材質(zhì)。

3.1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行TPA質(zhì)構(gòu)檢測(cè)工作時(shí)，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)帶輪、同步帶和從動(dòng)帶輪帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，配套絲杠螺母帶動(dòng)壓桿沿直線(xiàn)導(dǎo)軌上下移動(dòng)，固接在壓桿端部的壓頭對(duì)放在承載臺(tái)上的冷鮮羊肉樣品進(jìn)行施壓作業(yè)[23-24]。傳遞動(dòng)力采用的絲杠部件自主設(shè)計(jì)完成，其具體尺寸參數(shù)如圖4所示。

相比較現(xiàn)有質(zhì)構(gòu)儀在懸梁部位放置力度傳感器，自主檢測(cè)系統(tǒng)的力度傳感器及其附件置于承載臺(tái)下方，降低重心高度，提高整體硬件結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)也不改變其受力變化，如圖5所示。

進(jìn)行冷鮮羊肉樣品的TPA質(zhì)構(gòu)檢測(cè)時(shí)，放置好冷鮮羊肉樣品后，將承載臺(tái)、受力承臺(tái)及檢測(cè)肉塊視為統(tǒng)一整體進(jìn)行受力分析，其重力為G，F(xiàn)N為非接觸狀態(tài)下的支撐力，F(xiàn)4為下壓過(guò)程中壓頭施加作用力，F(xiàn)5為上拉過(guò)程中壓頭受到的肉塊粘附拉力，由于作用力與反作用力大小相等，在系統(tǒng)檢測(cè)過(guò)程中，壓頭受到的反作用力和承載臺(tái)內(nèi)置的力度傳感器受到力度變化在數(shù)值上相等。因此，相比較TA-XT PLUS型質(zhì)構(gòu)儀在懸梁部位放置力度傳感器，將力度傳感器放在承載臺(tái)下部，所采集的力度數(shù)據(jù)并沒(méi)有區(qū)別。

3.1.2下位機(jī)控制系統(tǒng)

根據(jù)實(shí)際工作要求及所用到的檢測(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下位機(jī)控制系統(tǒng)，如圖6所示，主要包括STM32控制板、壓頭運(yùn)動(dòng)單元、力度數(shù)據(jù)采集單元和外部按鍵4部分。

其中，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收來(lái)自STM32控制板的控制信號(hào)，根據(jù)信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)完成轉(zhuǎn)動(dòng)、停止等動(dòng)作，上限位光電開(kāi)關(guān)和下限位光電開(kāi)關(guān)用于測(cè)量壓頭的上、下極限位置，起到保護(hù)作用。外部按鍵用于操作人員直接控制檢測(cè)硬件，并可以在發(fā)生故障時(shí)緊急停止檢測(cè)硬件運(yùn)行。

力度數(shù)據(jù)采集單元由力度傳感器和數(shù)據(jù)變送器組成，當(dāng)壓頭對(duì)冷鮮羊肉樣品施壓時(shí)，力度傳感器的內(nèi)部應(yīng)變片受力發(fā)生變化，導(dǎo)致其實(shí)時(shí)阻值發(fā)生改變，通過(guò)相應(yīng)的檢測(cè)電路把阻值變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由數(shù)據(jù)變送器采集并進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后發(fā)送至STM32控制板。檢測(cè)系統(tǒng)所采用的力度傳感器為蚌埠恒遠(yuǎn)傳感器科技有限公司生產(chǎn)的HYLY-011型號(hào)的S型磁敏傳感器，其量程為1～50 kg。

檢測(cè)硬件的下位機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)硬件的工作流程以及工作過(guò)程中各傳感器的反饋信號(hào)，對(duì)TPA質(zhì)構(gòu)檢測(cè)硬件單元進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制。下位機(jī)控制系統(tǒng)主要分為4個(gè)模塊：初始化模塊、參數(shù)設(shè)定模塊、校準(zhǔn)模塊和測(cè)量模塊。

初始化模塊包括通用輸入與輸出(General-purpose input/output，GPIO)初始化、定時(shí)器初始化、串口初始化等。系統(tǒng)初始化首先對(duì)系統(tǒng)使用的GPIO進(jìn)行配置，再進(jìn)行串口初始化(波特率為115200 b/s、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無(wú)奇偶校驗(yàn))，然后進(jìn)行定時(shí)器初始化。

下位機(jī)控制系統(tǒng)共使用兩個(gè)定時(shí)器，定時(shí)器2用于產(chǎn)生1 ms定時(shí)時(shí)間，主要用于系統(tǒng)中的定時(shí)操作。定時(shí)器3用于產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)脈沖，步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率f2需根據(jù)壓頭的運(yùn)動(dòng)速度v、絲杠導(dǎo)程s、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)B以及同步帶傳動(dòng)的減速比λ進(jìn)行確定，公式為

(15)

其中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)B=2 000，減速比λ=1/3，絲杠導(dǎo)程s為4 mm，因而定時(shí)器3的定時(shí)時(shí)間T3計(jì)算公式為

(16)

參數(shù)設(shè)置模塊通過(guò)串口接收來(lái)自上位機(jī)軟件的設(shè)置指令，對(duì)TPA質(zhì)構(gòu)測(cè)量過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括測(cè)前速度、測(cè)試速度、測(cè)后速度、壓縮比、預(yù)設(shè)力和壓頭復(fù)位高度等具體參數(shù)。

校準(zhǔn)模塊主要用于TPA質(zhì)構(gòu)檢測(cè)單元的校準(zhǔn)，以減少系統(tǒng)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。在TPA質(zhì)構(gòu)檢測(cè)前，在樣品托盤(pán)上放置已知質(zhì)量的砝碼對(duì)力度傳感器進(jìn)行力度校準(zhǔn)，通過(guò)空載測(cè)試(壓頭施加力度大于預(yù)設(shè)力)后，壓頭回到復(fù)位高度，進(jìn)行TPA質(zhì)構(gòu)檢測(cè)單元的高度位置校準(zhǔn)。

測(cè)量模塊主要用于控制TPA質(zhì)構(gòu)具體檢測(cè)過(guò)程。其中，下位機(jī)控制系統(tǒng)控制壓頭對(duì)樣品進(jìn)行兩次循環(huán)往復(fù)的按壓過(guò)程，同時(shí)實(shí)時(shí)采集力度傳感器上的壓力數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口發(fā)送至上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，TPA質(zhì)構(gòu)檢測(cè)的控制流程如圖7所示，其中，A、B分別表示串口接收模塊和串口發(fā)送模塊。

除此之外，在進(jìn)行冷鮮羊肉的TPA質(zhì)構(gòu)檢測(cè)過(guò)程中，檢測(cè)系統(tǒng)全程監(jiān)測(cè)硬件的異常情況，包括力度傳感器數(shù)據(jù)大小和壓頭運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)力度傳感器數(shù)據(jù)接近其量程時(shí)，立即停止壓頭運(yùn)動(dòng)并控制壓頭向上運(yùn)動(dòng)至復(fù)位高度同時(shí)進(jìn)行故障報(bào)警；當(dāng)壓頭運(yùn)動(dòng)到上部或者下部極限位置時(shí)，立即停止壓頭運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行故障報(bào)警，以防止損壞硬件結(jié)構(gòu)部件。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用C++語(yǔ)言編寫(xiě)，上位機(jī)軟件通過(guò)兩個(gè)串口分別與檢測(cè)硬件中的下位機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，選擇對(duì)應(yīng)的串口號(hào)并打開(kāi)串口，系統(tǒng)即開(kāi)始運(yùn)行。如圖8所示，在冷鮮羊肉樣品的TPA質(zhì)構(gòu)檢測(cè)過(guò)程中，操作人員在上位機(jī)軟件系統(tǒng)界面的操作區(qū)完成TPA相關(guān)測(cè)量參數(shù)的設(shè)定，控制下位機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集力度傳感器的壓力數(shù)據(jù)并通過(guò)串口發(fā)送至上位機(jī)軟件所在的PC端，上位機(jī)軟件通過(guò)內(nèi)部的檢測(cè)算法和數(shù)據(jù)模型完成壓力數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)可視化處理，在軟件界面的數(shù)據(jù)可視化顯示區(qū)生成所需的TPA曲線(xiàn)，并在結(jié)果區(qū)展現(xiàn)具體的TPA指標(biāo)數(shù)值。在所設(shè)計(jì)TPA指標(biāo)數(shù)據(jù)提取優(yōu)化方法的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上，本文采用定時(shí)器和行程計(jì)算相結(jié)合的方式，自動(dòng)識(shí)別確定特征節(jié)點(diǎn)的位置，并自動(dòng)計(jì)算提取所涉及的曲線(xiàn)參數(shù)和具體TPA指標(biāo)數(shù)值[25]。

從圖8可以看出，所設(shè)計(jì)的冷鮮羊肉TPA質(zhì)構(gòu)自主檢測(cè)系統(tǒng)能夠較完整地展現(xiàn)冷鮮羊肉TPA質(zhì)構(gòu)檢測(cè)中的曲線(xiàn)特征變化，并對(duì)其曲線(xiàn)特征節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)有效識(shí)別。采用TA-XT PLUS型質(zhì)構(gòu)儀和自主檢測(cè)系統(tǒng)兩種檢測(cè)方式對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化方法的實(shí)際檢測(cè)效果。

3.3 試驗(yàn)和結(jié)果分析

試驗(yàn)選用冷鮮羊肉取樣于北京地區(qū)的“菜鮮果美”超市，為當(dāng)日從屠宰廠(chǎng)總部?jī)?nèi)庫(kù)發(fā)往銷(xiāo)售點(diǎn)超市的草原羔羊冷鮮里脊肉，依據(jù)GB 20799—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 肉和肉制品經(jīng)營(yíng)衛(wèi)生規(guī)范》要求保存在0～4℃的環(huán)境溫度下，總體質(zhì)量約為90 kg，在低溫運(yùn)輸攜帶條件下從超市運(yùn)入實(shí)驗(yàn)室0℃冷藏恒溫箱中。試驗(yàn)測(cè)量時(shí)采用專(zhuān)業(yè)的切取裝置沿著肉樣纖維方向切割制取厚度均勻的標(biāo)準(zhǔn)圓狀冷鮮羊肉樣品，樣品截面面積為10 cm2，厚度為10～15 mm，質(zhì)量控制在10 g左右，試驗(yàn)周期在預(yù)試驗(yàn)基礎(chǔ)上確定為6 d[26-27]。

將自主檢測(cè)系統(tǒng)和TA-XT PLUS型質(zhì)構(gòu)儀采用相同的測(cè)量參數(shù)設(shè)定，通過(guò)參照文獻(xiàn)[28-29]冷鮮肉類(lèi)進(jìn)行TPA質(zhì)構(gòu)測(cè)量，采用的設(shè)定參數(shù)包括：預(yù)壓力5 g，試驗(yàn)使用探頭為P/5平底柱形探頭，第1次壓縮及第2次壓縮之間的恢復(fù)時(shí)間間隔為5 s，采用較慢的測(cè)試速度以更充分反映樣品內(nèi)部組織狀態(tài)的變化，測(cè)前、測(cè)中和測(cè)后速度均設(shè)置為1.00 mm/s，選用50%的壓縮比測(cè)試條件[30-31]。在實(shí)際測(cè)量前對(duì)質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行必要的力量校核和高度校核，確定冷鮮羊肉樣品測(cè)定空氣溫度為26℃，環(huán)境相對(duì)濕度為25%。同時(shí)依據(jù)我國(guó)現(xiàn)行的冷鮮羊肉質(zhì)量安全檢驗(yàn)相關(guān)的國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，研究選定菌落總數(shù)作為其品質(zhì)變化的參考評(píng)價(jià)指標(biāo)，以更加全面反映試驗(yàn)期間冷鮮羊肉的品質(zhì)劣變過(guò)程。所涉及的試驗(yàn)儀器(包括微量天平、恒溫箱、臺(tái)式振蕩器等)和具體測(cè)量方法均按照GB 4789.2—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 菌落總數(shù)測(cè)定》執(zhí)行。

由圖9可知，自主設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)系統(tǒng)相比較TA-XT PLUS型質(zhì)構(gòu)儀，TPA指標(biāo)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性有所提升。除彈性指標(biāo)的平均測(cè)量誤差均保持在1.5%以外，基于TPA指標(biāo)優(yōu)化方法所設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的自主檢測(cè)系統(tǒng)獲得的TPA指標(biāo)數(shù)據(jù)的平均測(cè)量誤差及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差相比較前述測(cè)量使用的TA-XT PLUS型質(zhì)構(gòu)儀均有明顯降低，其中最為顯著的粘性指標(biāo)平均測(cè)量誤差下降12.4個(gè)百分點(diǎn)。

為進(jìn)一步驗(yàn)證基于優(yōu)化方法所設(shè)計(jì)的自主系統(tǒng)的可行性，借助冷鮮羊肉劣變期間的TPA質(zhì)構(gòu)指標(biāo)數(shù)據(jù)和菌落總數(shù)生物指標(biāo)特征變化的內(nèi)部聯(lián)系[25]，采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)r描述自主系統(tǒng)測(cè)定TPA質(zhì)構(gòu)指標(biāo)和菌落總數(shù)參考評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)程度[12]。皮爾遜相關(guān)系數(shù)r的取值范圍為-1～1，其絕對(duì)相關(guān)系數(shù)|r|值越接近1，說(shuō)明兩變量之間的線(xiàn)性相關(guān)的密切程度越高，越接近0則說(shuō)明密切程度越低。自主系統(tǒng)測(cè)得的硬度、彈性、內(nèi)聚性、回復(fù)性、咀嚼性和粘性與菌落總數(shù)對(duì)數(shù)值指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)結(jié)果分別為0.825、-0.941、-0.837、0.870、0.815和0.840。由此可知，自主檢測(cè)系統(tǒng)獲得的TPA指標(biāo)數(shù)據(jù)與冷鮮羊肉樣本菌落總數(shù)對(duì)數(shù)值具有較好的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值均大于0.8，能夠較為充分地反映冷鮮羊肉的貯藏試驗(yàn)期間的質(zhì)地特性變化。

綜上所述，基于優(yōu)化方法自主設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的冷鮮羊肉TPA質(zhì)構(gòu)檢測(cè)系統(tǒng)所獲取的TPA指標(biāo)數(shù)據(jù)表現(xiàn)出較良好的穩(wěn)定性和可靠性。試驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)一步驗(yàn)證了所提出的基于數(shù)據(jù)可視化的冷鮮羊肉TPA指標(biāo)數(shù)據(jù)提取優(yōu)化方法的可行性和優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)解析冷鮮羊肉的TPA質(zhì)構(gòu)檢測(cè)過(guò)程，在數(shù)據(jù)可視化方法基礎(chǔ)上，提出了一種基于數(shù)據(jù)可視化的冷鮮羊肉TPA指標(biāo)數(shù)據(jù)提取優(yōu)化方法。構(gòu)建了TPA指標(biāo)數(shù)據(jù)提取優(yōu)化模型，分別進(jìn)行TPA曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)各特征節(jié)點(diǎn)的具體定位，設(shè)計(jì)相應(yīng)的自主檢測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)行了試驗(yàn)檢測(cè)。

(2)基于優(yōu)化方法自主設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)相比于試驗(yàn)質(zhì)構(gòu)儀器，其TPA指標(biāo)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性有所提升，其中最為顯著的粘性指標(biāo)數(shù)據(jù)平均測(cè)量誤差下降12.4個(gè)百分點(diǎn)。

(3)自主檢測(cè)系統(tǒng)獲得的TPA指標(biāo)數(shù)據(jù)與冷鮮羊肉樣本菌落總數(shù)對(duì)數(shù)值表現(xiàn)出較高的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值均大于0.8，能夠充分反映冷鮮羊肉在貯藏試驗(yàn)期間的質(zhì)地特性變化。