專利名稱：光譜流體分析器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用可見光與近紅外光波段的光譜技術(shù)對牛奶進(jìn)行定量分析，尤其是用于在牛奶加工過程中在線地估算牛奶組成成分含量。
背景技術(shù)：
測量牛奶組分含量，并且實(shí)時了解掌握這些測量結(jié)果，對于乳牛廠進(jìn)行有效生產(chǎn)管理而言非常重要。了解掌握近乎所有牛奶組分的含量對于畜牧管理的各個方面都非常重要。這些組分包括脂肪、總蛋白質(zhì)、酪蛋白、乳糖、體細(xì)胞、血、孕酮、氨基酸、尿素以及核酸。例如，脂肪和蛋白質(zhì)含量是確定畜牧者售賣其牛奶將應(yīng)獲得的價錢的主要因素，因?yàn)樗鼈兊闹笜?biāo)高低關(guān)乎整個牛奶品質(zhì)，是重要的經(jīng)濟(jì)價值考核指標(biāo)。這些組分值變化可提醒畜牧者對乳?？赡芪桂B(yǎng)不當(dāng)。因此，脂肪含量的變化可表明在飼料中草料-精料比失衡；總蛋白質(zhì)含量低可能表明營養(yǎng)能量不足；體細(xì)胞數(shù)和血球計(jì)數(shù)可用作奶牛特定疾病的診斷依據(jù)；而乳糖含量波動可表明奶?；忌狭巳橄傺?，牛奶的乳糖含量通常很穩(wěn)定。
在現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)現(xiàn)在線牛奶分析的幾種方法，目的是為了更加有效地進(jìn)行牛奶生產(chǎn)和畜牧管理。使用近紅外(NIR)光譜分析牛奶已經(jīng)有將近15年歷史了，而早期方法是使用實(shí)驗(yàn)室型NIR光譜儀對牛奶進(jìn)行離線分析。許多這類儀器都可以從市場上購得，但是它們很昂貴，因而它們通常只見用于中心實(shí)驗(yàn)室，通常畜牧者每月一次地將待測奶樣送到中心實(shí)驗(yàn)室去。
在R.Tsenkova等人的論文“Near Infra-Red Spectroscopy for Dairy ManagementMeasurement of Unhomogenized Milk Composition”(發(fā)表于Dairy Science雜志，第82卷，第2344-2351頁，1999年)中，披露了一種在400nm-2500nm的NIR波段范圍內(nèi)對牛奶含量進(jìn)行光譜分析的方法。其中提出了使用光纖探頭和比較便宜的硅檢測器來檢測700nm-1100nm范圍內(nèi)的輻射光，從而使該方法讓人從費(fèi)用上承受得起，以便應(yīng)在在擠奶期間在擠奶現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時分析。但是，該論文中沒有詳細(xì)披露適合利用這種硅檢測器實(shí)現(xiàn)這種分析的設(shè)備。
而且，盡管提出使用便宜的檢測器，但沒有提到可以和這些檢測器一起使用的用以提供NIR光的光源。
該論文介紹了在1100nm-2400nm光譜范圍內(nèi)所得結(jié)果和在700nm-1100nm光譜范圍內(nèi)所得結(jié)果的分析與比較，針對700nm-1100nm光譜范圍可以使用便宜的硅檢測器。對這些光譜范圍從始至終進(jìn)行基本上連續(xù)的測量(每隔2nm)。盡管在該論文中沒有具體指明，但光譜范圍通?？梢杂纱蠖鄶?shù)NIR光譜儀的內(nèi)部黑體光源獲取。在Tsenkova等人的論文中記述的方法主要應(yīng)用了從整個吸收譜求取所要濃度值的統(tǒng)計(jì)方法。利用商用軟件程序開發(fā)出確定脂肪、總蛋白質(zhì)和乳糖含量的模型，并且利用偏最小二乘法(PLS)回歸算法實(shí)現(xiàn)對該的模型的校正。
利用NIR光譜進(jìn)行牛奶分析的方法還記述于Z.Schmilovitch等人的論文“Fresh raw milk composition analysis by NIR spectroscopy”(發(fā)表于Proceedingsof the International Symposium on the Prospects for Automatic Milking，Wageningen，Netherlands，EAAP Publication No.65，pp.193-198(1992))，以及Z.Schmilovitch等人的論文“Low Cost Near Infra-red Sensor for On-line MilkComposition Measurement”(發(fā)表于the Proceedings of the XIV Memorial CIGRWorld Congress，2000，Tsukuba，Japan)中，論文的部分作者是本發(fā)明的共同申請人。
在前面提及的Tsenkova等人的論文中的光譜測量是對所采集樣品的離線測量，使用商用NIR光譜牛奶分析儀Milko-Scan，該設(shè)備由丹麥Hillerod的福斯電子公司(Foss Electric A/S)生產(chǎn)。這種儀器的價格是如此昂貴，以至于從經(jīng)濟(jì)可行角度考慮它們通常只安裝在中心實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，而無法推廣到各個養(yǎng)牛場，更不用說擠奶現(xiàn)場了。
因此對價格便宜且操作簡單的設(shè)備及方法存在有很大需求，以用于在線定量分析牛奶，這些設(shè)備應(yīng)當(dāng)足夠便宜以便將其推廣應(yīng)用，甚至推廣應(yīng)用到各個擠奶現(xiàn)場，使得能夠在擠奶過程中實(shí)時獲取數(shù)據(jù)，而又不需在有效管理乳畜群所需的測量精度上作出妥協(xié)。而且，該設(shè)備應(yīng)當(dāng)能夠?qū)Φ湫偷赜蓴D奶器得到的奶流完成其分析過程。這種奶流具有高度脈動的特點(diǎn)，且通常是非常湍激的，而傳統(tǒng)光學(xué)感測路徑是由奶流通道一側(cè)向另一側(cè)測量通過該奶流的透射光，因此傳統(tǒng)光學(xué)感測路徑的應(yīng)用受限。
在這一部分和本說明書其它部分提及的所有公開文獻(xiàn)中披露的內(nèi)容，以及所有在上述公開文獻(xiàn)中引證的文獻(xiàn)所披露的內(nèi)容，在此都通過引用完整地被包含在本說明書中。
發(fā)明簡介本發(fā)明意在提供一種新穎的流體分析系統(tǒng)，其使用近紅外光譜技術(shù)測定流體各組分的百分比含量。該分析系統(tǒng)特別是應(yīng)用于牛奶分析。依照本發(fā)明的各個優(yōu)選實(shí)施例的NIR測量技術(shù)，在許多方面不同于先前用于牛奶定量分析的技術(shù)。
依照本發(fā)明的第一個優(yōu)選實(shí)施例，用于光譜吸收測量的入射光束的光源由一系列發(fā)光二極管構(gòu)成，每一發(fā)光二極管都有其預(yù)先選定的中心波長。優(yōu)選選擇這些波長使得這一系列發(fā)光二極管具有交疊的光譜寬度，因此覆蓋了完成測量所需的整個光譜。由于在這些光譜區(qū)域中發(fā)光二極管的典型光譜寬度的量級達(dá)到了40-60nm半寬度，依照本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例，一系列10個發(fā)光二極管覆蓋就所需的450nm-950nm的可見光與近紅外光譜波段的光譜測量范圍。發(fā)光二極管依照順序照射流體樣品，而借助于光檢測器對穿過該樣品的透射吸收進(jìn)行測量。依照本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例，除了透射吸收測量之外，也測量樣品對各個發(fā)光二極管波段光的反射或散射。
發(fā)光二極管，例如在Tsenkova等人論文中所述的光電二極管，是價格便宜的光源，容易獲取且應(yīng)用方便。依照本發(fā)明的這個優(yōu)選實(shí)施例，使用一系列發(fā)光二極管作為光源，因此實(shí)現(xiàn)了先前提到的在制造用于在線牛奶分析、價格便宜且使用方便的NIR吸收光譜儀時使用價格便宜的光檢測器的設(shè)想。
依照本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明還提供了一種方法，利用覆蓋了可見光與近紅外光波段的多個發(fā)光二極管，照射樣品腔以對諸如牛奶之類的流體混合物實(shí)現(xiàn)NIR光譜照射。發(fā)光二極管順次照射流體樣品，而對各個發(fā)光二極管的入射光進(jìn)行透射吸收測量。另外優(yōu)選地，以相對入射輻射光一定角度來測量散射光輻射或反射光輻射。依照一個優(yōu)選實(shí)施例，在與入射輻射光成直角角度位置上進(jìn)行測量。依照本發(fā)明的第二優(yōu)選實(shí)施例，通過將檢測器設(shè)置在與入射光束基本相同處來檢測背向反射光輻射或背向散射光輻射。這就使得人們可以方便地安置光源和檢測器。
在傳統(tǒng)的吸收光譜儀中，通過眾所周知的比爾-朗伯定律將吸收與流體組分含量關(guān)聯(lián)起來，比爾-朗伯定律假定在光強(qiáng)吸收和含量之間存在指數(shù)關(guān)系。依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，這些流體組分含量可表達(dá)為表達(dá)式形式，優(yōu)選地為多項(xiàng)式表達(dá)式，該表達(dá)式是關(guān)于所測得的透射強(qiáng)度和/或反射光強(qiáng)或吸收光強(qiáng)以及經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的函數(shù)，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)優(yōu)選地通過對所測光強(qiáng)執(zhí)行偏最小二乘法(PLS)或脊最小二乘法(RLS)回歸算法而析取，如本領(lǐng)域所公知的那樣，其中所測光強(qiáng)是通過對大量具有已知組分含量的試樣的測量而獲取的。但是，依照本發(fā)明的再一優(yōu)選實(shí)施例，所用的回歸方法與先前所用技術(shù)有兩方面不同(i)對高達(dá)三階的光強(qiáng)多項(xiàng)式進(jìn)行，其中二階光強(qiáng)項(xiàng)起因于二階諧波測量而三階光強(qiáng)項(xiàng)起因于三階次諧波測量；和(ii)多項(xiàng)式包含有同時起因于透射吸收光譜測量和反射光譜的項(xiàng)。
盡管在本發(fā)明的這個優(yōu)選實(shí)施例中，提出使用PLS或RLS回歸技術(shù)來析取三階多項(xiàng)式的系數(shù)，應(yīng)當(dāng)理解PLS或RLS技術(shù)只是將這樣一個多項(xiàng)式代入吸收數(shù)據(jù)的幾種統(tǒng)計(jì)技術(shù)中的一種，且本發(fā)明并不局限于使用PLS或RLS回歸技術(shù)來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。而且，盡管在再所述實(shí)施例中使用的是三階的光強(qiáng)多項(xiàng)式，但應(yīng)當(dāng)理解可以使用任意高階的多項(xiàng)式，且本發(fā)明并不局限于使用三階的光強(qiáng)多項(xiàng)式。
因此將由各個樣品得到的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)連同相關(guān)樣品的組分含量一起存儲到計(jì)算系統(tǒng)存儲器中形成數(shù)據(jù)庫。
當(dāng)測量未知牛奶樣品時，在使用該系統(tǒng)的過程中，優(yōu)選地通過另一個利用這個數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計(jì)分析方法來析取樣品組分含量，例如已知的在多成分化學(xué)反應(yīng)動態(tài)分析中使用的化學(xué)計(jì)量分析方法。
使用一種依照本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施例構(gòu)造和操作使用的新穎的取樣室，對牛奶進(jìn)行光譜測量。取樣室具有凹窩，其優(yōu)選地靠近牛奶流動主管道，且設(shè)置位于通常向下的方向上，因此其填滿了不斷變更著的流動牛奶樣品。這使對脈動牛奶流體的光透射測量得以能夠?qū)崿F(xiàn)，不會因脈動和湍急而顯著影響測量精度。光束測量路徑橫貫這個凹窩的中心區(qū)域，光源在其一側(cè)而透射測量檢測器在其另一側(cè)。為了測量散射，設(shè)置另一檢測器，優(yōu)選地設(shè)置在關(guān)于該光束路徑的直角角度上，以便檢測在取樣室中牛奶的90度散射光束。為了測量背向散射，設(shè)置另一檢測器，優(yōu)選地設(shè)置在與發(fā)光二極管光源大致相同的位置上。
依照本發(fā)明的再一個優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明提供一種用于測定流體中至少一種組分濃度的系統(tǒng)。該流體包括兩種或更多種具有不同光吸收特性的組分，并且該系統(tǒng)包括其中含有流體的樣品腔；多個光束光源，其中一個或多個光源受激時發(fā)射出具有基本連續(xù)波長的光束，兩個或多個光源具有不同的發(fā)射光譜波段，該光源的配置使得光源光束入射到樣品腔中流體上。該系統(tǒng)還包括第一檢測器，用以測量穿過流體的透射光束光強(qiáng)；第二檢測器，用以測量流體散射光束光強(qiáng)；控制系統(tǒng)，其對至少兩個光束光源進(jìn)行逐次開啟，以便分別利用這兩個或多個光源的光束波長來掃描該流體；以及計(jì)算系統(tǒng)，其可用以由流體透射光束或流體散射光束的強(qiáng)度來確定流體中一個或多個組分的含量。光源優(yōu)選發(fā)光二極管。第二檢測器優(yōu)選設(shè)置使得其測量自流體背向散射或背向反射的光束強(qiáng)度。
依照本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例，在上述系統(tǒng)中所述計(jì)算系統(tǒng)通過將穿過流體透射光束強(qiáng)度和流體散射光束強(qiáng)度代入用光強(qiáng)表示的一種組分含量的多項(xiàng)表達(dá)式來確定含量。該多項(xiàng)表達(dá)式優(yōu)選為透射光強(qiáng)與散射光強(qiáng)的至少二階表達(dá)式。而且，透射光強(qiáng)與散射光強(qiáng)優(yōu)選地借助于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)而與組分含量相關(guān)，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)由自多個已知組分含量的流體樣品所獲取的透射光強(qiáng)和散射光強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)分析確定。這種統(tǒng)計(jì)分析優(yōu)選采用偏最小二乘法回歸方法或脊最小二乘法回歸方法。此外，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)優(yōu)選地存儲于數(shù)據(jù)庫中，而含量是借助于對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作的統(tǒng)計(jì)分析方法而由透射光強(qiáng)和散射光強(qiáng)求取的。
任意上述提及的系統(tǒng)都可優(yōu)選用于分析牛奶，而系統(tǒng)優(yōu)選地是在擠奶過程中在線確定牛奶組分。
依照本發(fā)明的再另一個優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明還提供一種測定流體中至少一種組分濃度的方法，該流體包含至少兩種具有不同光吸收特性的組分，所述方法包括步驟如下(a)由基本上具有連續(xù)發(fā)射波長的光源發(fā)出的入射光束照射流體；(b)測量入射光束透射穿過流體的透射光強(qiáng)以及為流體所散射的散射光強(qiáng)；以及(c)將光強(qiáng)度與以光強(qiáng)度表達(dá)的關(guān)于組分濃度的多項(xiàng)表達(dá)式相關(guān)聯(lián)，該多項(xiàng)表達(dá)式為透射光強(qiáng)和散射光強(qiáng)的至少二階表達(dá)式。
依照本發(fā)明的再另一個優(yōu)選實(shí)施例，在上述測量方法中，可以利用多個光源重復(fù)執(zhí)行步驟(a)和(b)，每個光源都具有其自己的連續(xù)波長范圍。多項(xiàng)表達(dá)式可優(yōu)選為透射光強(qiáng)和散射光強(qiáng)的三階表達(dá)式。而且，散射光強(qiáng)可以是反射光強(qiáng)。另外，透射光強(qiáng)和散射光強(qiáng)可優(yōu)選借助于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)而與組分含量相關(guān)，所述經(jīng)驗(yàn)系數(shù)是通過對自多個具有已知組分含量的流體樣品所獲取的透射光強(qiáng)和散射光強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)分析而確定的。這種統(tǒng)計(jì)分析可優(yōu)選采用偏最小二乘法回歸方法，或者脊最小二乘法回歸方法。
在上述方法中，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)可優(yōu)選地存儲于數(shù)據(jù)庫中，而含量是借助于對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作的統(tǒng)計(jì)分析方法而由透射光強(qiáng)和散射光強(qiáng)求取的。
在上述方法中，被照射的流體優(yōu)選地是牛奶。
依照本發(fā)明的再另一個優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明提供了一種用于對流動流體樣品執(zhí)行光學(xué)測量的取樣室，其包括流動管道，用于供流體通過；凹窩，與流動管道流體連通，并且導(dǎo)向通常向下方向因此流動管道中流體樣品能夠進(jìn)入該凹窩；以及光透射路徑，光透射路徑在這樣的位置上穿過該凹窩，從而使得光透射路徑越出到流動管道所限定界限之外。
在上述取樣室中，光透射路徑優(yōu)選包括光源光束輸入的入口端，以及將光束導(dǎo)向檢測器的出口端。入口端和出口端的這種優(yōu)選設(shè)置，以便光束沿直線橫貫樣品腔，從而對樣品進(jìn)行透射光學(xué)測量?？商鎿Q且優(yōu)選地，可以在與光束方向成一定角度處設(shè)置另一出口端，用以實(shí)現(xiàn)對樣品的光散射測量。而且，出口端可設(shè)置在與入口端基本上共位置點(diǎn)處，從而實(shí)現(xiàn)對樣品的背向散射光測量。
依照本發(fā)明的再另一個優(yōu)選實(shí)施例，凹窩的設(shè)置使得樣品在流動管道中流體的流動作用下不斷更換。凹窩的這種構(gòu)造成形和設(shè)置，使光學(xué)測量通常不會受到流動管道中湍急擾流或脈動的影響。
在上述取樣室中，光學(xué)測量優(yōu)選用于測定流體組分的相對含量。
而且，流動管道優(yōu)選為牛奶管道。另外，依照本發(fā)明的另一個實(shí)施例，光透射路徑包括光纖纜或塑料光導(dǎo)。
附圖簡要說明通過下面結(jié)合附圖的詳細(xì)說明，本發(fā)明將得以更加充分的理解。其中

圖1是依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例構(gòu)造和使用的牛奶光譜分析儀的光學(xué)測量系統(tǒng)示意圖2是圖1所示測量系統(tǒng)中蓮蓬輻照部件的放大圖；圖3A和3B是依照本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施例的取樣室的示意圖，該取樣室用以對流動流體樣品實(shí)現(xiàn)光學(xué)測量。圖3A是取樣室的側(cè)視圖，而圖3B是截面圖；圖4是說明對約140個牛奶樣品分析結(jié)果的坐標(biāo)圖，這些牛奶樣品來自擠奶期間的不同奶牛，利用依照本發(fā)明優(yōu)選方法構(gòu)造和使用的牛奶分析儀分析蛋白質(zhì)含量；和圖5是說明對約140個牛奶樣品體細(xì)胞數(shù)(SCC)分析結(jié)果的坐標(biāo)圖，所述分析利用了依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例構(gòu)造和使用的牛奶分析儀。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明現(xiàn)在參看圖1，圖1是依照本發(fā)明一個優(yōu)選實(shí)施例的牛奶光譜分析儀1及其光學(xué)測量系統(tǒng)的示意圖。牛奶流動通過流動管道或流體管10，典型地從擠奶場所12流向收集點(diǎn)14。應(yīng)能理解，有利的做法是將本發(fā)明牛奶分析儀設(shè)置在牛奶流經(jīng)路徑上的任意其它位置點(diǎn)上。取樣室16設(shè)置位于牛奶流動管道10中，而將流動牛奶樣品收集在樣品腔18中。下面將結(jié)合附圖3A和3B，對樣品腔18的結(jié)構(gòu)與工作情形進(jìn)行更加詳細(xì)的說明。
在樣品腔18附近設(shè)置的發(fā)光二極管(LED)陣列20優(yōu)選地由許多發(fā)光二極管光源21構(gòu)成，每個發(fā)光二極管光源21都發(fā)射出在測量所用波段內(nèi)的波長不同的光。依照一個優(yōu)選實(shí)施例，這些發(fā)光二極管21的波長從450nm到950nm，覆蓋了可見光和近紅外光光譜區(qū)域。依照這個優(yōu)選實(shí)施例，通過光纖22將各個發(fā)光二極管21的光輸出傳輸?shù)缴徟钭?3，在蓮蓬座23處將所有的光纖22都捆扎到一塊兒形成一個結(jié)構(gòu)緊密的光源，能夠發(fā)射出所點(diǎn)亮的任何一個發(fā)光二極管或任何一個發(fā)光二極管21所對應(yīng)波長的光。在蓮蓬座23中心，設(shè)置有背向散射檢測器24。
現(xiàn)在參看圖2，圖2是圖1中蓮蓬輻照部件的示意圖，放大顯示出了更為清楚的細(xì)節(jié)。發(fā)射發(fā)光二極管輻照光的光纖22的端部25，彼此盡可能地擠縮聚集，因此將這些具有不同波長的光源盡可能密集地集成為單個光源。在這個光纖束的中心設(shè)置的是用于檢測背向散射光的檢測器24。在工作期間，順次啟動各個發(fā)光二極管21，因此順次測量具有分立波長點(diǎn)的光譜。
依照本發(fā)明的另一個優(yōu)選實(shí)施例，在與入射光束成一定角度的位置上設(shè)置另一個檢測器29(如圖1所示)，因此優(yōu)選地可以對在背散反射之外方向上的散射進(jìn)行檢測。
現(xiàn)在參看圖1，蓮蓬座光源23發(fā)出的光由入射端口(未示出)進(jìn)入而后通過樣品腔18而后穿出出射端口31從而被檢測，優(yōu)選地通過設(shè)置在出射端口31附近的硅光檢測器27進(jìn)行檢測。將對應(yīng)光強(qiáng)度的檢測信號28輸入到信號放大與處理系統(tǒng)30。為了提供最優(yōu)化的檢測靈敏度，可任選地采用相敏檢測系統(tǒng)，而對發(fā)光二極管進(jìn)行調(diào)制。優(yōu)選地將該檢測系統(tǒng)輸出強(qiáng)度輸送到計(jì)算與控制系統(tǒng)32，在此依照本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施例對所獲取光譜進(jìn)行分析。如果使用頻率調(diào)制的話，計(jì)算與控制系統(tǒng)32將控制信息35傳送給發(fā)光二極管光源21，以提供調(diào)制頻率，并且還通過控制線36將該調(diào)制頻率輸送到信號放大與處理系統(tǒng)30的相敏檢測器。計(jì)算與控制系統(tǒng)32還控制發(fā)光二極管光源21的開關(guān)次序和定時，用以掃描待檢測的整個光譜范圍。
依照一個優(yōu)選的掃描程序，使各發(fā)光二極管21都開啟若干毫秒，從而實(shí)現(xiàn)在其波長處的吸收測量和/或散射測量。為了更加快速實(shí)現(xiàn)該測量，對檢測器27的透射吸收信號和檢測器24的背向散射信號進(jìn)行同時測量。如果使用直角位置檢測器29，則其信號也與檢測器24和27的信號同時進(jìn)行測定。利用用以開發(fā)并檢測本發(fā)明性能的研究裝置對所有10個發(fā)光二極管21進(jìn)行一次完整掃描約需用時250毫秒。使用高速微處理器運(yùn)行依照本發(fā)明構(gòu)造的專用信號處理軟件，可減少掃描時間，優(yōu)選地該軟件可與商用的牛奶分析儀1(analyzer1)結(jié)合使用。
在擠奶期間牛奶流經(jīng)樣品室16的脈沖重復(fù)頻率通常最多不會快于每兩秒一個牛奶脈沖。由于這種重復(fù)頻率通常顯著慢于測量掃描頻率，所以優(yōu)選地可以對樣品腔18中收集的各個牛奶樣品都進(jìn)行重復(fù)多次的吸收測量/散射測量，而后對各個樣品求取平均值，從而減少了測量噪聲水平而提高了濃度(concentrations)計(jì)算精度。
依照本發(fā)明的光產(chǎn)生與檢測系統(tǒng)的再一個優(yōu)選實(shí)施例，可以將光線纜替換為塑料光導(dǎo)，從而形成價格更便宜、結(jié)構(gòu)更緊湊而且防水的裝置。光導(dǎo)優(yōu)選地具有類似于虹吸管的結(jié)構(gòu)，在發(fā)光二極管端部直徑為5mm，而到樣品室處錐形變細(xì)至1mm。
為了克服物理尺寸上的限制，優(yōu)選地將10個發(fā)光二極管21五個一組分為兩組，每組五個，各個蓮蓬座23都只有5個發(fā)光二極管21以及其自身中心檢測器24，并且各個蓮蓬座23相對設(shè)置在樣品腔18的兩側(cè)。依照這個優(yōu)選實(shí)施例，輻照與檢測是由樣品腔18兩側(cè)順次進(jìn)行的，每個蓮蓬座23都有5個發(fā)光二極管21。每個蓮蓬座的檢測器24收集其自身發(fā)光二極管21的背向散射光以及相對一側(cè)蓮蓬座23之發(fā)光二極管21的透射光。依照這個優(yōu)選實(shí)施例，如果采用的話，則檢測器29的功能保持不變。
多組分流體諸如牛奶的光譜分析的主要問題，是由各個單獨(dú)組分的獨(dú)自的吸收與散射光譜相互交疊引起的。而且，依照本發(fā)明的輻照方法，其中發(fā)光二極管光源21的光譜寬度可能包括了許多這種單獨(dú)吸收與散射的光譜線，為了對牛奶中各單獨(dú)組分進(jìn)行定量分析，就需要提供用以析取所呈現(xiàn)譜線的識別信息并測定其強(qiáng)度的方法。該方法需要能夠?qū)Α半[藏”在對較寬帶寬的LED光源21的光強(qiáng)度測量信號中的多條譜線實(shí)現(xiàn)析取。
依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，用一個高階多項(xiàng)表達(dá)式表達(dá)在樣品腔18中的各種牛奶組分的濃度C關(guān)于針對各個LED測量得到的透射光強(qiáng)度和反射(散射)光強(qiáng)度的關(guān)系，各個光強(qiáng)度項(xiàng)都有經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。依照一個優(yōu)選實(shí)施例，該多項(xiàng)式可表達(dá)為C％＝∑axtjItj+∑bxtjI2tj+∑cxtjI3tj+...+∑axrjIrj+∑bxrjI2rj+∑cxrjI3rj+...
其中j＝1-10，表示10個在近紅外和可見光譜段的離散光源；Itj＝由透射光檢測器檢測得到的光源j的光強(qiáng)度；Irj＝由反射光檢測器檢測得到的光源j的光強(qiáng)度；C％＝組分濃度C；而axtj，bxtj，cxtj......，axrj，bxrj，cxrj......，＝與檢測組分濃度C光強(qiáng)度相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。依照一個特別優(yōu)選的實(shí)施例，使用一個三階多項(xiàng)式，且系數(shù)只使用到cxtj和cxrj。
這些經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的值最初由實(shí)驗(yàn)確定，優(yōu)選地通過使用統(tǒng)計(jì)分析方法確定，例如對大量基本數(shù)據(jù)執(zhí)行PLS回歸或RLS算法，大量基本數(shù)據(jù)即大量的具有不同變量組分的牛奶樣品通過實(shí)驗(yàn)方法獲取的吸收和反射數(shù)據(jù)。為了提供一個內(nèi)容豐富的數(shù)據(jù)庫，優(yōu)選地由幾百頭不同奶牛獲取奶樣。數(shù)據(jù)由通過對十個發(fā)光二極管發(fā)射的光進(jìn)行吸收和反射測量而獲取的。獨(dú)立對每個奶樣的組分進(jìn)行測定，優(yōu)選地使用標(biāo)準(zhǔn)分光光度法，并且因此通過使用優(yōu)選的統(tǒng)計(jì)分析方法來用這些已知組分濃度析取經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。
當(dāng)知道了這些系數(shù)后將它們連同與之相關(guān)的樣品濃度存儲起來，用作計(jì)算系統(tǒng)存儲器中的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫以便實(shí)現(xiàn)對未知樣品的測量。由未知奶樣析取組分濃度優(yōu)選地通過另一統(tǒng)計(jì)分析方法實(shí)現(xiàn)，例如象在多成分化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)分析中所使用的化學(xué)計(jì)量分析方法那樣的統(tǒng)計(jì)分析方法，將測量得到的光強(qiáng)度和數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容進(jìn)行比較。依照本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例，分析儀使用十個LED光源21，因此對每個未知牛奶樣品測取20個測量信號，其中10個測量信號是針對每個LED光源21測取一個數(shù)據(jù)的透射測量值，而另10個測量信號是針對每個LED光源21測取一個數(shù)據(jù)的反射或背向散射測量值。這20個測量信號，各自都位于它們的已知波段上，且因此，優(yōu)選地通過統(tǒng)計(jì)分析的化學(xué)計(jì)量類方法，與和牛奶組分相關(guān)的所存儲光譜曲線的大量基本數(shù)據(jù)有關(guān)，并且通過分析來測定一組準(zhǔn)確的奶樣組分濃度。因此這種校準(zhǔn)和分析方法允許采用便宜的具有非均勻廣譜帶寬的發(fā)光二極管21作為光源，而不是采用很離散的單色光源，例如激光器，其應(yīng)用出現(xiàn)于一些光學(xué)流體分析儀的現(xiàn)有技術(shù)中。
對所有被測牛奶成分的濃度分析的結(jié)果，優(yōu)選地通過輸出單元34打印或顯示并傳遞給畜牧管理系統(tǒng)以供分析。
現(xiàn)在參看圖3A和3B，圖3A和3B是取樣室16的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖，取樣室16用于對流動流體樣品執(zhí)行光學(xué)測量，如圖1所示，依照本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例構(gòu)造并操作。圖3A是取樣室的側(cè)視圖。對該牛奶取樣器的優(yōu)選實(shí)施例，牛奶優(yōu)選地從擠奶設(shè)備通過輸入管或管道40直接進(jìn)入取樣室。凹窩樣品腔44靠近流動主管道42，具有平滑過渡的輪廓46，優(yōu)選地采用圓弧形。腔44沿著流動主管道42的側(cè)壁48與流動主管道42流體連通。牛奶通過出口管道或管50流出取樣室16。使用時，設(shè)置取樣室16使得取樣室44位于通常向下的方向上。因此，腔44中充滿了流動牛奶樣品。尤其是，每次脈動進(jìn)入腔44內(nèi)的新的牛奶總是將前舊樣品清除出去，新牛奶替換舊牛奶因此樣品連續(xù)改變而每一脈沖都得以分析，這與脈沖抵達(dá)的規(guī)律性無關(guān)。因此采樣過程實(shí)質(zhì)上是連續(xù)的。取樣室16的這種特性對于畜牧者而言尤其重要，因?yàn)樵趩蝹€奶牛擠奶過程中牛奶成分是改變的，而只有這樣一種連續(xù)取樣器才能夠方便地實(shí)現(xiàn)對這種改變的實(shí)時跟蹤。舉例講，如果檢測發(fā)現(xiàn)牛奶品質(zhì)下降達(dá)不到所要的標(biāo)準(zhǔn)要求，則畜牧者就可不收集這一段奶流。
牛奶取樣器16主體的孔52通常設(shè)置在取樣室44中心附近，且位于流動管道42的底壁48下方，光束穿過該孔52進(jìn)入取樣室44。依照該優(yōu)選實(shí)施例，孔52填充有可透過光束的透光固體材料，因此避免牛奶流入孔52內(nèi)。另選地且優(yōu)選地，出于這種目的可以使用在孔52和取樣室44交界處設(shè)置光導(dǎo)(未示出)的方式。在孔52的一側(cè)是光源座54，在光源座54中或光源座54附接提供入射光束的LED輻照蓮蓬座23。光束測量路徑橫貫凹窩腔44的中心區(qū)域56以及孔52。在遠(yuǎn)離光源21一側(cè)設(shè)置檢測器座58，其中安裝如圖1所示的透射測量檢測器27。依照本發(fā)明的再一個優(yōu)選實(shí)施例，除了透射測量之外，通過使用設(shè)置在盡可能接近光源位置上的檢測器以獲得背向散射測量。通過將檢測器24安裝在蓮蓬座23中心處，如圖1和2所示，可以實(shí)現(xiàn)背向散射測量，而蓮蓬座23通過安裝件62連接到取樣室16。依照本發(fā)明的再一個優(yōu)選實(shí)施例，可以通過背向散射之外的散射方式進(jìn)行光學(xué)測量，并且為了實(shí)現(xiàn)該目的而設(shè)置有另一檢測器座60，優(yōu)選地設(shè)置在與光束路徑垂直的位置上，以檢測取樣室44中牛奶的90度光散射。依照本發(fā)明的再另一個優(yōu)選實(shí)施例，透射檢測器58為另一個如前所述既包含多個光源又包含檢測器在內(nèi)的蓮蓬座23所替代。
借助于如圖3A和3B所示的牛奶取樣器16，可以實(shí)現(xiàn)對脈動牛奶流體的光學(xué)透射測量，而不會因脈動或湍流擾動而顯著影響到測量精度。而且，該測量可以在線實(shí)時進(jìn)行，因此給畜牧者或擠奶數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)提供了任何關(guān)于牛奶成分變化的即時信息。
依照本發(fā)明的再一個優(yōu)選實(shí)施例，可將取樣室16制造為由單一零件構(gòu)成的系統(tǒng)，安裝于潛在有問題的擠奶畜欄環(huán)境中(臟污、廄肥、水)，而將LED光源和檢測器以及電子單元安裝在遠(yuǎn)處并通過光纖或光導(dǎo)和電纜與取樣室16相連。而且，由于光學(xué)和電子系統(tǒng)不需要在每次擠奶過程中一直執(zhí)行分析，并且還有不執(zhí)行分析的情形，例如，當(dāng)每個畜欄的占用者改變時，就可以將在不同擠奶畜欄中的若干個樣品室多路輸送到一個中心光學(xué)與控制系統(tǒng)。因此，盡管分析儀16的制造費(fèi)用與現(xiàn)有技術(shù)分析儀相比較便宜，但利用在擠奶時能對整個牧群提供在線牛奶分析的系統(tǒng)仍然有可能進(jìn)一步降低畜牧者的花費(fèi)。
取樣室44的寬度64，指的是光束在取樣室44中通過的光學(xué)路徑長度。這個光學(xué)路徑是用于確定樣品光學(xué)測量精度和靈敏度的一個重要參數(shù)。這一點(diǎn)尤其和諸如牛奶之類的流體有關(guān)，由于牛奶因其乳狀特性而透明度較低，所以牛奶即使在非常短的距離就可大幅度衰減任意入射光束。這種衰減效應(yīng)還與所使用波段非常有關(guān)。吸收測量精度與光束橫穿樣品的距離成反比。例如，對于牛奶，使用近紅外-可見光波段地直接吸收光譜法，若所用光學(xué)路徑長度大于約2mm則就很難實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)含量的精確測定。因此，例如，在Tsenkova等人的文章中，指出在700-1100nm光譜區(qū)域內(nèi)，盡管利用10mm光學(xué)路徑長度可獲取對脂肪測定的最佳精度，但是若用于測定蛋白質(zhì)含量則這樣一個長度的光學(xué)路徑長度就不能滿足實(shí)際應(yīng)用的精度要求。在這些波長對蛋白質(zhì)進(jìn)行測定的最佳光學(xué)路徑長度為1mm。盡管Tsenkova等人發(fā)現(xiàn)1100-2400nm波段通常比700-1100nm波段的效果要好，但是對于低價位儀器而言后一波段是優(yōu)選的，因?yàn)槟軌虻玫结槍笠徊ǘ蔚牡蛢r的光源和檢測器。在約900nm以下波長對牛奶進(jìn)行分析存在問題，由于牛奶在這一區(qū)域譜線平緩且缺少特征譜線，因此難以獲得吸收測量信息，就象在現(xiàn)有技術(shù)方法中所見的那樣。
測量條件要求的這種矛盾使得人們很難為現(xiàn)有技術(shù)的光譜測量牛奶分析儀(只在入射波長處進(jìn)行測量)確定最佳的全面的測量條件。為了解決牛奶的高光學(xué)吸收的問題，一些現(xiàn)有技術(shù)的光譜測量牛奶分析方法只是使用了測量背向散射的方式。這一解決問題的方法也還是存在問題，實(shí)際上并不知道輻射貫穿的實(shí)際距離，而因此導(dǎo)致分析結(jié)果不準(zhǔn)確。
通過使用依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例實(shí)質(zhì)上減少了這些問題，本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例既測量透射吸收，又測量背向反射，實(shí)質(zhì)上減少了對取樣室寬度的依賴性。因此，與公知的電子噪聲濾波技術(shù)相結(jié)合，試驗(yàn)證明可以使用5或10mm光學(xué)路徑長度可對所有牛奶組分的測量都提供良好的精度。試驗(yàn)證明這些方法對于蛋白質(zhì)測量尤其有利，因?yàn)闉榱颂峁?zhǔn)確的測量結(jié)果，利用現(xiàn)有技術(shù)吸收方法通常須采用不到2mm的窄腔。
現(xiàn)在參見圖4，圖4是說明利用依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例構(gòu)造和使用牛奶分析儀分析蛋白質(zhì)含量而對約140個牛奶樣品的分析結(jié)果的坐標(biāo)圖，這些牛奶樣品來自擠奶期間的不同奶牛。在圖4中，用標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室分析儀器進(jìn)行精確分析的奶樣蛋白質(zhì)濃度，以小的開圓標(biāo)示。依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的牛奶分析儀測定的蛋白質(zhì)濃度，以x符號標(biāo)示。由圖可見，利用本發(fā)明分析儀實(shí)時分析獲得的結(jié)果，非常接近那些由標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室分析儀器測定的結(jié)果。測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為0.04％。
現(xiàn)在參見圖5，圖5是說明利用依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例構(gòu)造和使用10-LED的牛奶分析儀分析體細(xì)胞數(shù)(SCC)的分析結(jié)果的坐標(biāo)圖，圖中體細(xì)胞數(shù)(SCC)標(biāo)示以千為單位。對SCC測量值進(jìn)行精確測量，與圖4所示的蛋白質(zhì)含量分析相比較難，并且圖5所示結(jié)果表明依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的裝置能夠提供具有良好精度的SCC測量值。SCC測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為23.6。
為了分析乳糖、脂肪和尿素含量而對約150個牛奶樣品所做的三組測量值，具有相同程度的精確度，這三組測量值的標(biāo)準(zhǔn)平方差R2分別為R2＝0.970，R2＝0.992，R2＝0.991。
因此，從上述結(jié)果可見，依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的裝置，使用價格便宜的光源和檢測器，能夠在擠奶期間提供針對牛奶流動樣品的分析，分析精度與實(shí)驗(yàn)室牛奶分析儀器相比相差不多。
對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，顯而易見的是，本發(fā)明不局限于前面具體描述說明的內(nèi)容。本發(fā)明的范圍包括各種上述技術(shù)特征以及它們的變形和改變的組合和從屬組合，這些是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過閱讀上述說明書能夠得出的且不屬于現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種用于對流動流體樣品進(jìn)行光學(xué)測量的取樣室，其包括流動管道，流體經(jīng)由流動管道進(jìn)、出所述取樣室；凹窩，其與所述流動管道流體接觸，并且設(shè)置位于通常向下的方向上，使所述流動管道中的流體樣品能夠進(jìn)、出所述凹窩，以便不斷更換所述凹窩中含有的樣品；和光透射光源，其用于沿著設(shè)置在所述流動管道界限之外的光透射路徑，投射光束進(jìn)入所述凹窩。
2.依照權(quán)利要求1所述的取樣室，其中所述光透射路徑包括投射光束的入口端，由光束光源投射光束給所述凹窩以穿過所述凹窩中含有的流體樣品，以及至少一個出口端，用于將光束由所述凹窩導(dǎo)向至少一個出口檢測器。
3.依照權(quán)利要求1所述的取樣室，其中所述光透射路徑包括至少一個光纖和塑料光導(dǎo)。
4.依照權(quán)利要求2所述的取樣室，其中設(shè)置所述進(jìn)口端及出口端使得光束沿直線橫貫所述凹窩，以便所述出口檢測器測量穿過所述凹窩中含有的流體樣品的透射光。
5.依照權(quán)利要求2所述的取樣室，其中所述出口端設(shè)置在與入射光束方向成一預(yù)設(shè)角度的方向上，以便所述出口檢測器測量穿過所述凹窩中含有的流體樣品的散射光。
6.依照權(quán)利要求2所述的取樣室，其中所述出口端設(shè)置位置基本上與所述入口端位置重合，因此所述取樣室測量來自所述凹窩中含有的流體的背向散射光。
7.依照權(quán)利要求1所述的取樣室，其中如此形成并設(shè)置所述凹窩，使得流體樣品在所述流動管道中流體的流動作用下不斷更換。
8.依照權(quán)利要求1所述的取樣室，其中如此形成所述凹窩，使得光學(xué)測量通常不受在所述流動管道中流體流動湍擾的影響。
9.依照權(quán)利要求1所述的取樣室，其中如此形成所述凹窩，使得光學(xué)測量通常不受在所述流動管道中流體脈動流動的影響。
10.依照權(quán)利要求1所述的取樣室，其中所述流動管道是牛奶管道。
11.依照權(quán)利要求1所述的取樣室，其中應(yīng)用光學(xué)測量以測定流體的至少一種組分的相對濃度。
12.一種用于測定流體中至少一種組分的濃度的系統(tǒng)，該流體包括至少兩種具有不同光學(xué)特性的組分，所述系統(tǒng)包括取樣室，其用于實(shí)現(xiàn)對流動流體樣品的光學(xué)測量，所述取樣室包括流動管道，流體經(jīng)由流動管道進(jìn)、出所述取樣室；凹窩，其與所述流動管道流體接觸，并且設(shè)置于通常向下的方向上，以使所述流動管道中的流體樣品能夠進(jìn)、出所述凹窩，以便不斷更換所述凹窩中含有的樣品；和光透射路徑，用于投射光束進(jìn)入所述凹窩，所述光透射路徑設(shè)置在所述流動管道界限之外；多個光束光源，其中至少一個光束光源在開啟后能發(fā)射出具有基本連續(xù)波長的光束，至少兩個所述光源具有不同的發(fā)射譜段，所述光源如此設(shè)置，使得所述光源的光束入射到所述凹窩中含有的流體樣品中；至少一個檢測器，從由下列選項(xiàng)構(gòu)成的組中選出第一檢測器，如此設(shè)置其位置以便其能夠測量透射穿過流體樣品的所述光束的強(qiáng)度；和至少一個第二檢測器，如此設(shè)置其位置以便其能夠測量經(jīng)流體樣品散射的所述光束的強(qiáng)度；控制系統(tǒng)，其對至少兩個光束光源進(jìn)行逐次開啟，以便分別利用由所述兩個光束光源發(fā)出的所述光束的波長分別來掃描該流體；和計(jì)算系統(tǒng)，其可用以由至少一個流體透射光束和流體樣品散射光束的強(qiáng)度來確定流體中至少一個組分的濃度。
13.依照權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中所述光源是發(fā)光二極管。
14.依照權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中至少一個所述發(fā)光二極管發(fā)射的譜帶半寬度小于40nm。
15.依照權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其中至少一個所述發(fā)光二極管發(fā)射的譜帶半寬度小于60nm。
16.依照權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中所述多個光束光源至少是五個光源。
17.依照權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中所述多個光束光源至少是十個光源。
18.依照權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中所述至少一個第二檢測器如此設(shè)置，使得其能夠測量為流體樣品所反射的光束的強(qiáng)度。
19.依照權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中所述計(jì)算系統(tǒng)用以通過將所述透射穿過流體樣品的光束強(qiáng)度和所述被流體樣品散射的光束強(qiáng)度與關(guān)于光束強(qiáng)度的濃度表達(dá)式相關(guān)聯(lián)，來確定流體中至少一個組分的濃度。
20.依照權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其中表達(dá)式是關(guān)于透射光強(qiáng)和散射光強(qiáng)的至少為二階的多項(xiàng)表達(dá)式。
21.依照權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其中借助于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)將透射光強(qiáng)和散射光強(qiáng)與所述組分的濃度相關(guān)聯(lián)，且其中所述經(jīng)驗(yàn)系數(shù)是通過對由大量具有已知所述組分濃度的流體樣品所得到的透射光強(qiáng)和散射光強(qiáng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析而確定的。
22.權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中該統(tǒng)計(jì)分析方法是偏最小二乘法回歸方法。
23.權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中該統(tǒng)計(jì)分析方法是脊最小二乘法(Ridge LeastSquares)回歸方法。
24.權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中把所述經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，并且通過基于所述數(shù)據(jù)庫執(zhí)行統(tǒng)計(jì)分析的方法而由透射光強(qiáng)和散射光強(qiáng)求取濃度。
25.權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述管道是牛奶管道。
26.權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)在擠奶過程中在線測定牛奶組分。
27.一種測定流體中至少一種組分濃度的方法，該流體包含至少兩種具有不同光學(xué)特性的組分，所述方法包括步驟如下(a)由基本上具有連續(xù)發(fā)射波長的光源發(fā)出的至少一個入射光束照射流體；(b)測量至少一個入射光束的透射光強(qiáng)和散射光強(qiáng)；以及(c)將光強(qiáng)度與以光強(qiáng)度表達(dá)的所述組分濃度的多項(xiàng)表達(dá)式相關(guān)聯(lián)，該多項(xiàng)表達(dá)式為透射光強(qiáng)和散射光強(qiáng)的至少二階表達(dá)式。
28.權(quán)利要求27所述的方法，其中多項(xiàng)表達(dá)式是透射光強(qiáng)和散射光強(qiáng)的三階表達(dá)式。
29.權(quán)利要求27所述的方法，其中散射光強(qiáng)是背向散射光強(qiáng)。
30.權(quán)利要求27所述的方法，其中具有連續(xù)波長的所述光源是至少一個發(fā)光二極管。
31.權(quán)利要求30所述的方法，其中所述至少一個發(fā)光二極管的半譜寬小于40nm。
32.權(quán)利要求30所述的方法，其中所述至少一個發(fā)光二極管的半譜寬小于60nm。
33.權(quán)利要求27所述的方法，其中借助于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)將透射光強(qiáng)和散射光強(qiáng)與所述組分的濃度相關(guān)聯(lián)，且其中經(jīng)驗(yàn)系數(shù)是通過對由大量具有已知所述組分濃度的流體樣品所得到的透射光強(qiáng)和散射光強(qiáng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析而確定的。
34.權(quán)利要求33所述的方法，其中該統(tǒng)計(jì)分析方法是偏最小二乘法回歸方法。
35.權(quán)利要求33所述的方法，其中該統(tǒng)計(jì)分析方法是脊最小二乘法回歸方法。
36.權(quán)利要求27所述的方法，還包括利用多個光源重復(fù)執(zhí)行步驟(a)和(b)，每個光源都有其自己的連續(xù)波長范圍。
37.權(quán)利要求36所述的方法，其中至少一個所述多個光源是發(fā)光二極管。
38.權(quán)利要求36所述的方法，其中把所述經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，并且通過基于所述數(shù)據(jù)庫執(zhí)行統(tǒng)計(jì)分析方法而由透射光強(qiáng)和散射光強(qiáng)求取濃度。
39.權(quán)利要求27所述的方法，其中照射流體是指照射牛奶。
全文摘要
一種近紅外光譜流體分析系統(tǒng)(1)使用一系列發(fā)光二極管(21)作為輻照光源，每一發(fā)光二極管都有其自己的預(yù)先選定的中心波長。這些波長具有交疊的光譜寬度，因此覆蓋了一個很寬的光譜測量區(qū)段。發(fā)光二極管(21)依照順序照射流體樣品，而對各個發(fā)光二極管的譜段都測量穿過樣品的透射吸收和樣品的反射或散射。測量是由光檢測器(24、27、29)完成的。流體組分的濃度可表示為一個多項(xiàng)式，該多項(xiàng)式是關(guān)于所測得的透射光強(qiáng)和/或反射光強(qiáng)以及經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的函數(shù)，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)是通過預(yù)先對從大量具有已知組分濃度的測試樣品獲取的測量光強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)分析而求取的。還記述了一種新穎的樣品室(16)，能夠?qū)α黧w流動樣品進(jìn)行光吸收測量。
文檔編號G01NGK1613007SQ02826886
公開日2005年5月4日 申請日期2002年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月8日
發(fā)明者澤夫·施米洛維奇, 基爾·卡茨, 埃夫林·馬爾茨, I·卡澤爾 馬丁, 莫蘭·薩里格, 伊安·哈拉切米, 阿哈龍·霍夫曼, 海因·埃格齊, 艾山·烏內(nèi)爾 申請人:S.A.E.埃菲金計(jì)算機(jī)化乳業(yè)管理系統(tǒng), 以色列農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究所