生肉組織水分近紅外檢測裝置及檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)信息【技術(shù)領(lǐng)域】，公開了一種生肉組織水分近紅外檢測裝置，包括：光信號發(fā)射器，用于向待測生肉表面發(fā)射預(yù)定占空比、預(yù)定頻率的n種預(yù)定波長的n路脈沖光信號，n≥3；檢測電路，用于接收經(jīng)待測生肉漫反射的n路脈沖光信號，并將所述漫反射的n路脈沖光信號轉(zhuǎn)換為n×m個光譜信號，m表示在m個不同位置接收所述漫反射的n路脈沖光信號，m≥2；計算處理設(shè)備，連接所述檢測電路，用于從所述n×m個光譜信號中計算出n×m個漫反射率，并建立n×m個漫反射率和生肉組織含水量的線性關(guān)系模型，根據(jù)所述關(guān)系模型計算待測生肉組織的含水量。還公開了一種生肉組織水分近紅外檢測方法。本發(fā)明能夠準(zhǔn)確且低成本地檢測生肉組織水分。
【專利說明】生肉組織水分近紅外檢測裝置及檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)信息【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種生肉組織水分近紅外檢測裝置及檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]豬肉是我國居民主要食用的肉類，長期以來，豬肉的消費量一直占我國肉類總消費量的60%以上。含水量是肉品品質(zhì)最重要的指標(biāo)之一，含水量的高低將直接影響到豬肉的食用品質(zhì)、營養(yǎng)價值和經(jīng)濟(jì)價值。注水肉在市場上仍然存在，多年來屢禁不止，經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)注水肉灌注的多是鹽水、臟水等，對廣大消費者的身體健康造成了極大的威脅，因此開發(fā)鮮肉水分無損快速檢測的便攜式裝置和方法十分迫切。
[0003]目前，檢測生肉含水量的方法主要有烘干法、電導(dǎo)法、電容法，近紅外光譜法。
[0004]烘干法是國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的測定方法，該測量方法優(yōu)點是測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，但是其采用的是有損測量，費時費力，無法做到實時監(jiān)測；
[0005]電導(dǎo)法和電容法都可以做到快速測量，便于攜帶，但是容易受到樣品中其他成分的干擾，儀器結(jié)果穩(wěn)定性差，且一般屬于侵入式測量，并非無損。
[0006]在生肉品質(zhì)無損檢測領(lǐng)域，現(xiàn)有技術(shù)中應(yīng)用較為廣泛的為傳統(tǒng)近紅外光譜方法，該方法具有快速，無損的特點，在測量時一般采用成熟的商用全波長光譜儀器，儀器體積大，造價高昂，并且由于發(fā)射光線與檢測光纖的探頭直徑約為5mm，因此存在檢測范圍小，檢測深度不足的問題，這都會影響測量數(shù)據(jù)的可靠性與代表性。高光譜技術(shù)發(fā)展迅猛，與之的相關(guān)研究逐漸增多，該技術(shù)具有全程可視化、具體直觀，檢測范圍廣的特點，但是同樣存在儀器體積龐大，造價高昂，操作復(fù)雜，檢測深度不足的問題，難以在市場上推廣和應(yīng)用。
[0007]綜上所述，目前所用檢測豬肉組織水分的方法(現(xiàn)有技術(shù))都存在體積大，造價高，檢測深度不足的問題，不具備便攜、造價低的特點，不適于在市場上做快速無損的在線檢測。現(xiàn)有技術(shù)也不能提供對豬肉組織含水量的進(jìn)一步分析方法和步驟。由于利用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行檢測時的困境，因此就需要建立一種新的檢測方法和研制便攜的在線監(jiān)測裝置，以彌補當(dāng)前檢測方法的不足，使得對豬肉組織含水量的檢測方便、準(zhǔn)確、客觀，可以從實驗室研究轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)應(yīng)用服務(wù)。
[0008]穩(wěn)態(tài)空間分辨光譜技術(shù)的出現(xiàn)擴(kuò)大了傳統(tǒng)近紅外光譜技術(shù)的檢測深度和檢測范圍。近紅外光譜分析技術(shù)是一種高效、快速的現(xiàn)代分析技術(shù)，已在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。豬肉組織水分檢測的原理是豬肉組織中的這些化學(xué)物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)中的化學(xué)鍵在一定輻射水平的照射下發(fā)生振動，引起某些波長的光譜發(fā)射和吸收產(chǎn)生差異，從而產(chǎn)生了不同的光譜反射率，且該波長處光譜反射率的變化對該化學(xué)組分的多少非常敏感。豬肉組織化學(xué)組分光譜診斷的實現(xiàn)便是以豬肉組織化學(xué)組分敏感光譜的反射率與該組分含量或濃度的相關(guān)關(guān)系為基礎(chǔ)的。穩(wěn)態(tài)空間分辨光譜技術(shù)中的穩(wěn)態(tài)是指當(dāng)連續(xù)穩(wěn)定光源垂直入射到半無限大介質(zhì)表面時，根據(jù)漫射近似理論可以認(rèn)為介質(zhì)內(nèi)的光是一種與時間無關(guān)的穩(wěn)態(tài)分布。該技術(shù)的檢測對象主要是漫反射光，因此檢測器需要放在在組織表面的光源同側(cè)。檢測器檢測到的光強與入射光強之比即為漫反射率?？臻g分辨光譜技術(shù)則是指與光源不同距離的空間位置上的檢測器檢測到的漫反射率攜帶組織不同深度的吸收和散射信息，這一點由輻射傳輸理論得出，并經(jīng)組織光學(xué)仿真實驗得到證實。對于豬肉樣品而言，由于其是強散射物質(zhì)，光與豬肉組織作用的規(guī)律以漫射方程來定量描述，公式是漫射方程在半無限大條件的解:
I
【權(quán)利要求】
1.一種生肉組織水分近紅外檢測裝置，其特征在于，包括: 光信號發(fā)射器，用于向待測生肉表面發(fā)射預(yù)定占空比、預(yù)定頻率的η種預(yù)定波長的η路脈沖光信號，n ^ 3 ； 檢測電路，用于接收經(jīng)所述待測生肉漫反射的η路脈沖光信號，并將所述漫反射的η路脈沖光信號轉(zhuǎn)換為nXm個光譜信號，m表示在m個不同位置接收所述漫反射的η路脈沖光信號，m≥2 ; 計算處理設(shè)備，連接所述檢測電路，用于從所述η X m個光譜信號中計算出η X m個漫反射率，并建立nXm個漫反射率和生肉組織含水量的線性關(guān)系模型，根據(jù)所述線性關(guān)系模型計算所述待測生肉組織含水量。
2.如權(quán)利要求1所述的生肉組織水分近紅外檢測裝置，其特征在于，所述檢測電路包括:光信號檢測單元、信號處理單元和中央控制單元，所述中央控制單元連接信號處理單元，所述信號處理單元連接所述光信號檢測單元； 所述光信號檢測單元包括m個光電傳感器，每個光電傳感器用于接收經(jīng)待測生肉表面漫反射的η路脈沖光信號并將其轉(zhuǎn)換成模擬電信號，共nXm個模擬電信號； 所述信號處理單元用于在所述中央控制單元的控制下將所述nXm個模擬電信號分別進(jìn)行放大、采樣并保持； 所述中央控制單元連接所述計算處理設(shè)備，用于將放大、采樣后的所述nXm個模擬電信號轉(zhuǎn)換為所述nXm個光譜信號傳輸至所述計算處理設(shè)備。
3.如權(quán)利要求2所述的生肉組織水分近紅外檢測裝置，其特征在于，所述光信號發(fā)射器包括光源和與所述光源連接的光信號驅(qū)動單元，所述光信號驅(qū)動單元連接所述中央控制單元，用于在所述中央控制單元的控制下調(diào)制光源的發(fā)光頻率、占空比、波長及光強。
4.如權(quán)利要求3所述的生肉組織水分近紅外檢測裝置，其特征在于，所述光源的出光面與所述m個光電傳感器的感光面位于同一平面，且所述光源的出光面中心與m個光電傳感器的感光面中心位于同一條直線上。
5.如權(quán)利要求1所述的生肉組織水分近紅外檢測裝置，其特征在于，所述計算處理設(shè)備包括: 第一計算單元，連接所述中央處理單元，用于從所述nXm光譜信號中包含的各自的入射光強相對于檢測光強的衰減數(shù)據(jù)計算得到nXm個漫反射率，計算公式如下:
-bf )/(1()^'-h；1) 從而得到待測生肉的漫反射率一維向量: η _,^! ?λι,./12An AnληΛ 況—?Λ ,廠2 ,-",Im ,I1 ，,2,-,I1 ,hJ 其中，λ i為第i個脈沖光信號的波長，i=l, 2,…，n ； j=l, 2, 表不m個不同位置，IOm分別為第i個脈沖光信號未經(jīng)過待測生肉組織的入射光強，b/1為被第j個位置檢測到的環(huán)境雜散光和暗電流作用之和；If為在第j個位置檢測到的第i個脈沖光信號被待測生肉漫反射后的光強"為待測生肉的第i個脈沖光信號在第j位置的漫反射率； 第二計算單元，連接所述第一計算單元，用于建立漫反射率矩陣Rs和生肉組織含水量向量C的線性關(guān)系模型:CT=RSAT+ET 釆用國標(biāo)法直接將樣品生肉組織烘干方法測量P個樣品生肉的含水量，得到的樣品生肉組織含水量ck，k為樣品編號，I < k < p，P個樣品的含水量的一維向量C=Iic1, c2J C3j…
6.如權(quán)利要求1~5中任一項所述的生肉組織水分近紅外檢測裝置，其特征在于，所述η為4，m為3，4路脈沖光信號的預(yù)定占空比均為90:10~100:2，預(yù)定頻率均為50Hz，4路脈沖光信號各自的預(yù)定波長為970nm、850nm、805nm和750nm。
7.一種生肉組織水分近紅外檢測方法，其特征在于，包括步驟: 51:發(fā)射預(yù)定占空比、預(yù)定頻率的η種預(yù)定波長的η路脈沖光信號至待測生肉表面，n ^ 3 ； 52:在m個不同位置均采集所述η路脈沖光信號經(jīng)待測生肉組織表面漫反射后的光信號，得到漫反射后的nXm路脈沖光信號，并將漫反射后的nXm路脈沖光信號轉(zhuǎn)換成nXm個光譜信號，m ^ 2 ； 53:從所述nXm個光譜信號數(shù)據(jù)中計算出nXm個漫反射率，并根據(jù)預(yù)先建立的漫反射率和待測生肉組織含水量的線性關(guān)系模型計算待測生肉組織含水量。
8.如權(quán)利要求7所述的生肉組織水分近紅外檢測方法，其特征在于，所述步驟S2具體包括步驟: S2.1:依次發(fā)射η個不同波長的脈沖光信號，并在m個位置上形成所述漫反射后的nXm路脈沖光信號，對應(yīng)由m個光電傳感器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換得到nXm個模擬電信號； S2.2:針對每個波長，對所述m個模擬電信號進(jìn)行放大并采樣保持，得到放大和采樣后的得到m個模擬電信號,對于η個波長,則有nXm個放大和米樣后的模擬電信號； S2.3:對每個波長，將放大、采樣后的所述m個模擬電信號轉(zhuǎn)換為m個光譜信號，η個波長則有nXm個光譜信號。
9.如權(quán)利要求7所述的生肉組織水分近紅外檢測方法，其特征在于，所述步驟S3具體包括步驟: S3.1:從nXm路光譜信號中包含的入射光強相對于透射光強的衰減數(shù)據(jù)計算得到nXm個漫反射率,計算公式如下: 從而得到待測生肉組織的漫反射率一維向量:
10.如權(quán)利要求9所述的生肉組織水分近紅外檢測方法，其特征在于，在S3之前還包括:建立的漫反射率與生肉組織含水量的線性關(guān)系模型的步驟:具體包括: 建立漫反射率矩陣Rs和生肉組織含水量向量C的線性關(guān)系模型:
CT=RSAT+ET 采用國標(biāo)法直接將樣品生肉烘干方法測量P個樣品生肉組織的含水量，得到的樣品生肉組織的含水量ck, k為樣品編號，I ^ k ^ p，p個樣品的含水量的一維向量C=Iic1, C2, C3,…，ck,…，cp]，
11.如權(quán)利要求7~10中任一項所述的生肉組織水分近紅外檢測方法，其特征在于，所述η為4，m為3，4路脈沖光信號的預(yù)定占空比均為90:10~100:2，預(yù)定頻率均為50Hz，4路脈沖光信號各自的預(yù)定波長 為970nm、850nm、805nm和750nm。
【文檔編號】G01N21/359GK103558177SQ201310598444
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月22日
【發(fā)明者】黃嵐, 李 昊, 王忠義, 王建旭, 范利鋒 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)