一種應(yīng)用于食品安全的高精度超聲波液體差異性識別儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于食品安全的高精度超聲波液體差異性識別儀。所述識別儀由兩對可拆卸超聲波收發(fā)傳感器、信號處理芯片、顯示屏和按鍵組成。所述信號處理芯片由頻率、功率可調(diào)的發(fā)射電路，可降噪、放大、過采樣和濾波的接收電路，sigma-delta?AD調(diào)制器，可調(diào)數(shù)字濾波電路，高速存儲器及其訪存接口，無線發(fā)送模塊，微處理器和晶振。所述識別儀通過高精度的提取超聲波經(jīng)過液體后的信號，比對不同物質(zhì)對應(yīng)的信號特征值來辨別物質(zhì)的差異性，針對食品安全中假冒偽劣的液體類食品可有效的辨別。同時采用單個集成芯片雖集成較多的高精度信號處理電路，但面積較小，使得識別儀體積小便攜，適用于個人與家庭。
【專利說明】一種應(yīng)用于食品安全的高精度超聲波液體差異性識別儀
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本發(fā)明涉及集成電路設(shè)計技術(shù)、超聲波傳感器應(yīng)用技術(shù)和食品安全檢測領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于食品安全的高精度超聲波液體差異性識別儀，結(jié)合超聲波傳感器技術(shù)，通過集成電路設(shè)計實現(xiàn)高精度信號處理從而對液體類食品可辨真?zhèn)巍?br> 【【背景技術(shù)】】
[0002] 近年來我國食品安全事件頻頻發(fā)生，觸目驚心。由于食品安全檢測主要采用生物化學(xué)分析和光譜分析方法，過程復(fù)雜，設(shè)備龐大，需要在特定的實驗室進(jìn)行，主要有政府相關(guān)部分進(jìn)行監(jiān)管。而我國人多地廣，每天的食品消費巨大，政府部分無法做到全面細(xì)致的檢測和監(jiān)管，所以使得很多不法商販得以猖狂的制假販假，全國人民雖深受毒害，卻也只能聲訴，而不得解決。如何從根本上解決食品安全隱患，我們認(rèn)為需要一個全民可參與的食品安全檢測體系，而其阻礙人們進(jìn)行食品安全監(jiān)督的是沒有可被人們廣泛使用的可以識別假冒偽劣產(chǎn)品的儀器。
[0003]經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我國在食品安全檢測方面的研究均主要集中在采用化學(xué)手段和光譜分析等方面，這樣的方式不適合普通群眾。同時人們關(guān)注的不是某個物質(zhì)的成分以及含量，這太專業(yè)不易被大眾所認(rèn)識與接受。人們希望一個儀器告訴他們是假還是真，是好還是良或差即可，對具體哪種物質(zhì)含量是多少其實并不關(guān)心。所以采用非化學(xué)的非定性和定量識別的物理手段的優(yōu)勢得以體現(xiàn)。如基于光、電、聲波等方式可實現(xiàn)被測物理的無損檢測，在食品安全儀器普及方面具有一定的價值。
[0004]本專利基于超聲波傳感器技術(shù)，超聲波技術(shù)目前主要應(yīng)用于超聲波技術(shù)是一種聲學(xué)特性分析法，其原理是超聲波在被檢測介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)的聲學(xué)特性和內(nèi)部組織的變化會對超聲波的傳播產(chǎn)生一定的影響，通過對超聲波受影響程度和狀況的探測可以了解介質(zhì)性能和結(jié)構(gòu)變化。弱超聲波由于能量低，具有無損傷、非侵入式、無需準(zhǔn)備樣品以及快速檢測等優(yōu)點，目前主要被應(yīng)用在奶制品中脂肪含量檢測、糖分的檢測，糧食制品中烴類混合物檢測等介質(zhì)中具體某一種成份的檢測，未出現(xiàn)在食品綜合品質(zhì)檢測方面的應(yīng)用。
[0005]本發(fā)明提出一種應(yīng)用于食品安全的超聲波液體差異性識別儀，該儀器主要專注于如何對經(jīng)過液體后的超聲波信號進(jìn)行高精度的提取方面，結(jié)合集成電路設(shè)計技術(shù)，集成多種信號處理模塊。通過比對經(jīng)過不同液體后超聲波信號的特性，從而實現(xiàn)對不同液體的區(qū)分。人們可以通過接口或無線收發(fā)更新多種液體類食品的超聲波信號特征的標(biāo)準(zhǔn)值，從而識別所購食品是否為真品。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0006]本發(fā)明的目的是提出一種應(yīng)用于食品安全的超聲波液體差異性識別儀，適用于普通人群進(jìn)行食品安全檢測。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種應(yīng)用于食品安全的超聲波液體差異性識別儀，所述識別儀由兩對分立的可拆卸超聲波收發(fā)傳感器、信號處理芯片、顯示屏和按鍵組成。[0008]所述超聲波收發(fā)傳感器之間距離可調(diào)，一對超聲波收發(fā)傳感器用于距離校準(zhǔn)，一對超聲波收發(fā)傳感器用于檢測被測物體；同時，為保證兩對傳感器之間距離相同，同一邊的傳感器通過一個固定軸連接，使其處在相同的位置上；
[0009]所述信號處理芯片由頻率功率可調(diào)的超聲波發(fā)射電路，可降噪、放大、過采樣和濾波的接收電路，高精度sigma-delta AD調(diào)制器，高精度可調(diào)數(shù)字濾波電路，高速存儲器及其訪存接口，無線發(fā)送模塊，微處理器和晶振組成；
[0010]所述超聲波發(fā)射電路由分頻電路、功率調(diào)整電路和開關(guān)電路組成，其發(fā)射脈沖頻率和功率可被微處理器設(shè)置；超聲波能量為弱超聲波范圍，不對被測物體造成損壞；
[0011]所述超聲波接收電路包括用于降噪處理的帶通濾波器，信號放大模塊，過采樣以及濾波處理模塊。通過對信號的降噪和放大處理，可以得到質(zhì)量較高的信號，通過過采樣和濾波處理，可以高精度保留原始模擬信號；
[0012]所述高精度sigma-delta AD調(diào)制器可將過采樣信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，且保持較高分辨率和信噪比；
[0013]所述高精度可調(diào)數(shù)字濾波電路接收來自將來自sigma-delta AD調(diào)制器的信號進(jìn)行濾波和信號還原處理，該濾波器的濾波器參數(shù)可由微處理器進(jìn)行設(shè)置；
[0014]所述高速存儲器用于存儲不同液體在不同溫度下超聲波經(jīng)過后的信號特征值，以及實時存儲當(dāng)前測量值。高速存儲器可以支持經(jīng)過過采樣處理后大量信號的快速存儲，供微處理器和訪存接口進(jìn)行訪問；
[0015]所述訪存接口和無線發(fā)送模塊，可將本地數(shù)據(jù)送到其它終端或者更新數(shù)據(jù)至本地；
[0016]所述微處理器主要用于系統(tǒng)控制和信號分析，系統(tǒng)控制包括根據(jù)用戶輸入對各個模塊進(jìn)行設(shè)置，如超聲波發(fā)射電路的脈沖頻率和功率，數(shù)字濾波器參數(shù)，環(huán)境溫度等。同時控制數(shù)據(jù)通過訪存接口或無線發(fā)送模塊與其它終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，啟動測量和信號分析，控制顯示輸出等；信號分析主要根據(jù)檢測信號計算超聲波信號在被測物體中的傳播速度、衰減和阻抗，并進(jìn)行距離校正，然后將這些值與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，得出所測物體的真?zhèn)?、好壞，并顯示；
[0017]所述按鍵即電源開關(guān)。
[0018]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提出一種應(yīng)用于食品安全的超聲波液體差異性識別儀。所述識別儀通過高精度的提取超聲波經(jīng)過液體后的信號，比對不同物質(zhì)對應(yīng)的信號特征值來辨別物質(zhì)的差異性，針對食品安全中假冒偽劣的液體類食品可有效的辨別。本發(fā)明的有益效果有:
[0019]1、采用單個集成芯片集成較多的高精度信號處理電路，并且進(jìn)行可配置設(shè)計，使得所得信號精度較高，適用范圍廣，能夠有效區(qū)分不同物質(zhì)；
[0020]2、采用集成電路制造技術(shù)使得芯片面積較小，從而識別儀體積小，便攜，適用于個人與家庭；
[0021]3、非化學(xué)方法，采用弱超聲波信號這種物理檢測手段，對被測物體和儀器本身均無損耗；
[0022]4、非定性定量檢測，專注于差別，符合人們認(rèn)識和需求。【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0023]圖1為一種應(yīng)用于食品安全的超聲波液體差異性識別儀的系統(tǒng)框圖；
[0024]圖2為信號處理芯片系統(tǒng)圖；
[0025]圖3為超聲波發(fā)射電路結(jié)構(gòu)圖；
[0026]圖4為超聲波接收電路結(jié)構(gòu)圖；
[0027]圖5為識別儀工作流程；
【【具體實施方式】】
[0028]本申請的特征及優(yōu)點將通過實施例，結(jié)合附圖進(jìn)行說明。
[0029]在食品安全檢測領(lǐng)域，基于超聲波技術(shù)的應(yīng)用幾乎沒有，而基于超聲波技術(shù)的食品成分含量分析以及不同濃度和密度的食品的超聲特性研究有一些機(jī)構(gòu)在進(jìn)行相關(guān)研究。如上海理工大學(xué)食品質(zhì)量與安全研究所在2011年分別在牛奶脂肪含量的超聲特性、豬肉品質(zhì)超聲檢測等方面有論文發(fā)表；天津大學(xué)于2007年在牛奶主要成分超聲特性及溫度影響方面有研究，并有論文和專利發(fā)表；浙江大學(xué)于2005-2006年在液態(tài)食品超聲傳播特性及品質(zhì)超聲檢測技術(shù)方面有研究；還有陜西師范大學(xué)、華南理工大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等在液體的超聲特性方面也有相關(guān)研究。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，這些研究機(jī)構(gòu)發(fā)表的論文與專利均聚焦在建立液體成分、濃度或密度與其超聲波特性的模型研究方面，其專利也多為針對該模型的檢測系統(tǒng)，具有一定的局限性，不能普遍應(yīng)用于食品檢測與分析。
[0030]本發(fā)明提出一種應(yīng)用于食品安全的超聲波液體差異性識別儀，用于個人或家庭的食品安全檢測。本專利不依賴于某種被測物體的超聲波特性模型，不受被測物體種類限制，專注于不同被測物體的差異性分析，其關(guān)鍵技術(shù)點集中在如何進(jìn)行差異性的識別，即如何實現(xiàn)聞精度的/[目號提取。
[0031]超聲波信號經(jīng)超聲波傳感器接收并轉(zhuǎn)換成電信號后其幅度在微伏量級，屬于小信號范疇。如何提取這樣的小信號并使得分辨率至少在微伏這個量級是研究的難點。分析目ill現(xiàn)有的聞精度/[目號提取方法，米用的技術(shù)主要有放大電路、濾波、聞精度聞速ADC等。這些信號采集系統(tǒng)多為分立元件的板級集成，在板級數(shù)據(jù)傳輸有損失，對信號有一定失真影響。在本專利中仍然采用現(xiàn)有技術(shù)，集成信號放大處理、濾波、高精度高速ADC，以及相關(guān)的供電、時鐘、控制、存儲等模塊。 采用集成電路設(shè)計技術(shù)，將信號高精度提取和分析處理電路集成在單塊芯片上，降低了各電路之間信號傳輸引入的失真影響，同時在電路設(shè)計上采用參數(shù)化的設(shè)計，使得系統(tǒng)具有靈活性和可配置性，可適用于較大范圍的檢測。
[0032]如圖1所示，100為一種應(yīng)用于食品安全的超聲波液體差異性識別儀的系統(tǒng)框圖。101為超聲傳感器，102為被測液體，103為固定兩個超聲波傳感器的固定軸，104為信號處理芯片，105為按鍵，106為顯示屏，107為其它終端，如PC、手機(jī)、云端等。
[0033]所述信號處理芯片104如圖2所示，由超聲波發(fā)射電路201，超聲波接收電路202，sigma-delta AD調(diào)制器203，數(shù)字濾波器204，高速存儲器205，存儲訪存接口 206，無線發(fā)送模塊207，微處理器208和晶振209組成。201在208的控制下，產(chǎn)生特定頻率和功率的脈沖信號，激發(fā)超聲波傳感器發(fā)射超聲波，202在208的控制下與201同時開啟信號的接收，經(jīng)過202部分對信號的基本處理后，送到高精度的203中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到Ibit的過采樣信號，204經(jīng)過201配置對特定頻率的信號進(jìn)行濾波和信號恢復(fù)，然后在201的控制下送至高速存儲器中存儲。同時201不斷從高速存儲器中讀取數(shù)據(jù)，檢測接收到的超聲波信號到來的時間以及信號的幅度，并將這兩個值進(jìn)行距離修正后，與真或質(zhì)量好的該物質(zhì)的超聲波信號特征值進(jìn)行比對，得出被測物質(zhì)與真或質(zhì)量好的物質(zhì)之間的差距，從而可評估被測物質(zhì)的品質(zhì)，有效識別假冒偽劣物質(zhì)。
[0034]所述信號處理芯片104集成了較多的信號處理電路，并對電路進(jìn)行可配置設(shè)計，使得識別儀檢測精度可調(diào)，適用范圍更廣。針對不同的被測物質(zhì)，通過存儲訪存接口 206或無線發(fā)送模塊207獲得該物質(zhì)的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的超聲波信號特征值，用戶通過選擇被測物質(zhì)的類型，201模塊根據(jù)被測物質(zhì)的類型對系統(tǒng)各電路進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)配置，然后啟動檢測，并將得到的檢測結(jié)果與優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的超聲波信號特征值進(jìn)行比對便可識別被測物質(zhì)的真假好壞。
[0035]所述超聲波發(fā)射電路201如圖3所示，由分頻電路301，功率調(diào)整電路302和開關(guān)電路303組成。301接收來自晶振209的本振時鐘，按照201的配置產(chǎn)生相應(yīng)的分頻時鐘，經(jīng)過302進(jìn)行功率放大，放大倍數(shù)由201配置，最后由303在201開啟檢測時將信號輸出。本專利支持超聲波傳感器101的可拆卸，即可更換不同固有頻率的超聲波傳感器，通過配置301使得產(chǎn)生相應(yīng)頻率的激勵脈沖，可針對特定物質(zhì)選擇適合的傳感器，從而提高檢測精度。對于對超聲波吸收較大的被測物質(zhì)，為了提高接收端信號的強(qiáng)度，可通過功率調(diào)整模塊進(jìn)行功率增強(qiáng)。
[0036]所述超聲波接收電路202如圖4所示，由帶通濾波器401，放大電路402，過采樣電路403，低通濾波器404組成。接收到的超聲波信號的頻率在傳播過程中并不會改變，即接收的超聲波信號頻率等于超聲波傳感器的固有頻率。但這是理想的情況，在傳播過程中，會引入其它頻段的噪聲，超聲波信號屬于小信號的范疇，如果直接將接收到的信號進(jìn)行放大處理的話，那么噪聲也會被放大，影響后續(xù)的檢測精度，所以需要在放大之前將噪聲有效的去除。本專利采用的是以超聲波傳感器的固有頻率為中心頻率的帶通濾波器將固有頻率的信號保留，其它頻率的信號濾除，從而達(dá)到降噪的目的。然后經(jīng)過放大電路402將小信號放大，再經(jīng)過過采樣403和低通濾波器404的處理得到被高度過采樣的信號，該信號最大程度的保留了模擬信號的原始信息。
[0037]將過采樣的信號送入sigma-delta AD調(diào)制器203得到Ibit的數(shù)字信號，再經(jīng)過204進(jìn)行信號恢復(fù)，得到多bits表示的數(shù)字信號。在208的控制下將這多bits的數(shù)字信號送入高速存儲器中，并實時讀出該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
[0038]所述微處理器208主要完成系統(tǒng)的控制和信號分析，系統(tǒng)控制包括根據(jù)用戶輸入對各個模塊進(jìn)行設(shè)置，如超聲波發(fā)射電路的脈沖頻率和功率，數(shù)字濾波器參數(shù)，環(huán)境溫度等。同時控制數(shù)據(jù)通過訪存接口或無線發(fā)送模塊與其它終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，啟動測量和信號分析，控制顯示輸出等；信號分析主要根據(jù)檢測信號計算超聲波信號在被測物體中的傳播速度、衰減和阻抗，并進(jìn)行距離校正，然后將這些值與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，得出所測物體的真?zhèn)?、好壞，并顯示。其工作流程如圖5所示，一共分為7個步驟:
[0039]S1:上電，通過按鍵105開啟識別儀；
[0040]S2:更新數(shù)據(jù)，即微處理器208控制訪存接口 206或無線發(fā)送模塊207與外界通信，將新的優(yōu)質(zhì)物質(zhì)經(jīng)超聲波傳播后的信號特征值下載到本地，以便檢測時做比對；
[0041]S3:在確定存儲中有被測物質(zhì)的比對數(shù)值后，用戶選擇被測物質(zhì)的類型并設(shè)置當(dāng)前環(huán)境溫度；
[0042]S4:系統(tǒng)根據(jù)用戶選擇被測物質(zhì)類型，配置內(nèi)部各個模塊的參數(shù)；
[0043]S5:啟動檢測，即將超聲波發(fā)射電路201的脈沖輸出開關(guān)打開，并啟動超聲波接收電路202開始接收數(shù)據(jù)，同時控制存儲器205對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲；
[0044]S6:同時微處理器對存儲器進(jìn)行訪問，檢測超聲波信號接收到的時間，并在檢測到有超聲波信號時，對其幅度進(jìn)行評估，得到了傳播時間和幅度值后與優(yōu)質(zhì)物質(zhì)經(jīng)超聲波傳播后的信號特征值進(jìn)行比對；
[0045]S7:將比對結(jié)果進(jìn)行顯示。
[0046]所述晶振209為系統(tǒng)中各個模塊提供工作的時鐘。
[0047]本發(fā)明結(jié)合超聲波傳感技術(shù)、集成電路設(shè)計技術(shù)和信號高精度采集技術(shù)，提出了一種應(yīng)用于食品安全的超聲波液體差異性識別儀。所述識別儀具有精度高、可配置、體積小以及對被測物體和儀器無損耗等特點。同時所述識別儀不受測量對象限制，適用范圍較廣，物理手段檢測簡便直接，易于普及，非定性定量檢測，專注于差別，符合人們認(rèn)識和需求。
[0048]以上內(nèi)容是結(jié)合實施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種應(yīng)用于食品安全的超聲波液體差異性識別儀，所述識別儀由兩對分立的可拆卸超聲波收發(fā)傳感器、信號處理芯片、顯示屏和按鍵組成。其特征在于: 所述超聲波收發(fā)傳感器之間距離可調(diào)，一對超聲波收發(fā)傳感器用于距離校準(zhǔn)，一對超聲波收發(fā)傳感器用于檢測被測物體；所述超聲波傳感器在同一邊的傳感器通過一個固定軸連接，使其處在相同的位置上； 所述信號處理芯片由頻率功率可調(diào)的超聲波發(fā)射電路，可降噪、放大、過采樣和濾波的接收電路，高精度Sigma-delta AD調(diào)制器，高精度可調(diào)數(shù)字濾波電路，高速存儲器及其訪存接口，無線發(fā)送模塊，微處理器和晶振組成。
2.如權(quán)利要求1所述的識別儀，其特征在于:所述超聲波發(fā)射電路由分頻電路、功率調(diào)整電路和開關(guān)電路組成，其發(fā)射脈沖頻率和功率可被微處理器設(shè)置；超聲波能量為弱超聲波范圍，不對被測物體造成損壞。
3.如權(quán)利要求1所述的識別儀，其特征在于:所述超聲波接收電路包括用于降噪處理的帶通濾波器，信號放大模塊，過采樣以及濾波處理模塊。
4.如權(quán)利要求1所述的識別儀，其特征在于:所述高精度可調(diào)數(shù)字濾波電路接收來自將來自sigma-delta AD調(diào)制器的信號進(jìn)行濾波和信號還原處理，該濾波器的濾波器參數(shù)可由微處理器進(jìn)行設(shè)置。
5.如權(quán)利要求1所述的識別儀，其特征在于:所述訪存接口和無線發(fā)送模塊，可將本地數(shù)據(jù)送到其它終端或者更新數(shù)據(jù)至本地。
6.如權(quán)利要求1所述的識別儀，其特征在于:所述微處理器主要用于系統(tǒng)控制和信號分析，系統(tǒng)控制包括根據(jù)用戶輸入對各個模塊進(jìn)行設(shè)置，如超聲波發(fā)射電路的脈沖頻率和功率，數(shù)字濾波器參數(shù)，環(huán)境溫度等。同時控制數(shù)據(jù)通過訪存接口或無線發(fā)送模塊與其它終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，啟動測量和信號分析，控制顯示輸出等；信號分析主要根據(jù)檢測信號計算超聲波信號在被測物體中的傳播速度、衰減和阻抗，并進(jìn)行距離校正，然后將這些值與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，得出所測物體的真?zhèn)巍⒑脡?，并顯示。
【文檔編號】G01N29/028GK103487508SQ201210192871
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月12日
【發(fā)明者】雍珊珊, 王新安, 張芳妮, 史小龍, 劉彬, 郭朝陽, 曹穎 申請人:北京大學(xué)深圳研究生院