生肉组织水分近红外检测装置及检测方法
【专利摘要】本发明涉及农业信息【技术领域】，公开了一种生肉组织水分近红外检测装置，包括：光信号发射器，用于向待测生肉表面发射预定占空比、预定频率的n种预定波长的n路脉冲光信号，n≥3；检测电路，用于接收经待测生肉漫反射的n路脉冲光信号，并将所述漫反射的n路脉冲光信号转换为n×m个光谱信号，m表示在m个不同位置接收所述漫反射的n路脉冲光信号，m≥2；计算处理设备，连接所述检测电路，用于从所述n×m个光谱信号中计算出n×m个漫反射率，并建立n×m个漫反射率和生肉组织含水量的线性关系模型，根据所述关系模型计算待测生肉组织的含水量。还公开了一种生肉组织水分近红外检测方法。本发明能够准确且低成本地检测生肉组织水分。
【专利说明】生肉组织水分近红外检测装置及检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及农业信息【技术领域】，特别涉及一种生肉组织水分近红外检测装置及检测方法。
【背景技术】
[0002]猪肉是我国居民主要食用的肉类，长期以来，猪肉的消费量一直占我国肉类总消费量的60%以上。含水量是肉品品质最重要的指标之一，含水量的高低将直接影响到猪肉的食用品质、营养价值和经济价值。注水肉在市场上仍然存在，多年来屡禁不止，经过调研发现注水肉灌注的多是盐水、脏水等，对广大消费者的身体健康造成了极大的威胁，因此开发鲜肉水分无损快速检测的便携式装置和方法十分迫切。
[0003]目前，检测生肉含水量的方法主要有烘干法、电导法、电容法，近红外光谱法。
[0004]烘干法是国家标准中规定的测定方法，该测量方法优点是测量结果准确可靠，但是其采用的是有损测量，费时费力，无法做到实时监测；
[0005]电导法和电容法都可以做到快速测量，便于携带，但是容易受到样品中其他成分的干扰，仪器结果稳定性差，且一般属于侵入式测量，并非无损。
[0006]在生肉品质无损检测领域，现有技术中应用较为广泛的为传统近红外光谱方法，该方法具有快速，无损的特点，在测量时一般采用成熟的商用全波长光谱仪器，仪器体积大，造价高昂，并且由于发射光线与检测光纤的探头直径约为5mm，因此存在检测范围小，检测深度不足的问题，这都会影响测量数据的可靠性与代表性。高光谱技术发展迅猛，与之的相关研究逐渐增多，该技术具有全程可视化、具体直观，检测范围广的特点，但是同样存在仪器体积庞大，造价高昂，操作复杂，检测深度不足的问题，难以在市场上推广和应用。
[0007]综上所述，目前所用检测猪肉组织水分的方法(现有技术)都存在体积大，造价高，检测深度不足的问题，不具备便携、造价低的特点，不适于在市场上做快速无损的在线检测。现有技术也不能提供对猪肉组织含水量的进一步分析方法和步骤。由于利用现有技术进行检测时的困境，因此就需要建立一种新的检测方法和研制便携的在线监测装置，以弥补当前检测方法的不足，使得对猪肉组织含水量的检测方便、准确、客观，可以从实验室研究转变为生产应用服务。
[0008]稳态空间分辨光谱技术的出现扩大了传统近红外光谱技术的检测深度和检测范围。近红外光谱分析技术是一种高效、快速的现代分析技术，已在很多领域得到广泛应用。猪肉组织水分检测的原理是猪肉组织中的这些化学物质分子结构中的化学键在一定辐射水平的照射下发生振动，引起某些波长的光谱发射和吸收产生差异，从而产生了不同的光谱反射率，且该波长处光谱反射率的变化对该化学组分的多少非常敏感。猪肉组织化学组分光谱诊断的实现便是以猪肉组织化学组分敏感光谱的反射率与该组分含量或浓度的相关关系为基础的。稳态空间分辨光谱技术中的稳态是指当连续稳定光源垂直入射到半无限大介质表面时，根据漫射近似理论可以认为介质内的光是一种与时间无关的稳态分布。该技术的检测对象主要是漫反射光，因此检测器需要放在在组织表面的光源同侧。检测器检测到的光强与入射光强之比即为漫反射率。空间分辨光谱技术则是指与光源不同距离的空间位置上的检测器检测到的漫反射率携带组织不同深度的吸收和散射信息，这一点由辐射传输理论得出，并经组织光学仿真实验得到证实。对于猪肉样品而言，由于其是强散射物质，光与猪肉组织作用的规律以漫射方程来定量描述，公式是漫射方程在半无限大条件的解:
I
【权利要求】
1.一种生肉组织水分近红外检测装置，其特征在于，包括: 光信号发射器，用于向待测生肉表面发射预定占空比、预定频率的η种预定波长的η路脉冲光信号，n ^ 3 ； 检测电路，用于接收经所述待测生肉漫反射的η路脉冲光信号，并将所述漫反射的η路脉冲光信号转换为nXm个光谱信号，m表示在m个不同位置接收所述漫反射的η路脉冲光信号，m≥2 ; 计算处理设备，连接所述检测电路，用于从所述η X m个光谱信号中计算出η X m个漫反射率，并建立nXm个漫反射率和生肉组织含水量的线性关系模型，根据所述线性关系模型计算所述待测生肉组织含水量。
2.如权利要求1所述的生肉组织水分近红外检测装置，其特征在于，所述检测电路包括:光信号检测单元、信号处理单元和中央控制单元，所述中央控制单元连接信号处理单元，所述信号处理单元连接所述光信号检测单元； 所述光信号检测单元包括m个光电传感器，每个光电传感器用于接收经待测生肉表面漫反射的η路脉冲光信号并将其转换成模拟电信号，共nXm个模拟电信号； 所述信号处理单元用于在所述中央控制单元的控制下将所述nXm个模拟电信号分别进行放大、采样并保持； 所述中央控制单元连接所述计算处理设备，用于将放大、采样后的所述nXm个模拟电信号转换为所述nXm个光谱信号传输至所述计算处理设备。
3.如权利要求2所述的生肉组织水分近红外检测装置，其特征在于，所述光信号发射器包括光源和与所述光源连接的光信号驱动单元，所述光信号驱动单元连接所述中央控制单元，用于在所述中央控制单元的控制下调制光源的发光频率、占空比、波长及光强。
4.如权利要求3所述的生肉组织水分近红外检测装置，其特征在于，所述光源的出光面与所述m个光电传感器的感光面位于同一平面，且所述光源的出光面中心与m个光电传感器的感光面中心位于同一条直线上。
5.如权利要求1所述的生肉组织水分近红外检测装置，其特征在于，所述计算处理设备包括: 第一计算单元，连接所述中央处理单元，用于从所述nXm光谱信号中包含的各自的入射光强相对于检测光强的衰减数据计算得到nXm个漫反射率，计算公式如下:
-bf )/(1()^'-h；1) 从而得到待测生肉的漫反射率一维向量: η _,^! ?λι,./12An AnληΛ 况—?Λ ,厂2 ,-",Im ,I1 ，,2,-,I1 ,hJ 其中，λ i为第i个脉冲光信号的波长，i=l, 2,…，n ； j=l, 2, 表不m个不同位置，IOm分别为第i个脉冲光信号未经过待测生肉组织的入射光强，b/1为被第j个位置检测到的环境杂散光和暗电流作用之和；If为在第j个位置检测到的第i个脉冲光信号被待测生肉漫反射后的光强"为待测生肉的第i个脉冲光信号在第j位置的漫反射率； 第二计算单元，连接所述第一计算单元，用于建立漫反射率矩阵Rs和生肉组织含水量向量C的线性关系模型:CT=RSAT+ET 釆用国标法直接将样品生肉组织烘干方法测量P个样品生肉的含水量，得到的样品生肉组织含水量ck，k为样品编号，I < k < p，P个样品的含水量的一维向量C=Iic1, c2J C3j…
6.如权利要求1~5中任一项所述的生肉组织水分近红外检测装置，其特征在于，所述η为4，m为3，4路脉冲光信号的预定占空比均为90:10~100:2，预定频率均为50Hz，4路脉冲光信号各自的预定波长为970nm、850nm、805nm和750nm。
7.一种生肉组织水分近红外检测方法，其特征在于，包括步骤: 51:发射预定占空比、预定频率的η种预定波长的η路脉冲光信号至待测生肉表面，n ^ 3 ； 52:在m个不同位置均采集所述η路脉冲光信号经待测生肉组织表面漫反射后的光信号，得到漫反射后的nXm路脉冲光信号，并将漫反射后的nXm路脉冲光信号转换成nXm个光谱信号，m ^ 2 ； 53:从所述nXm个光谱信号数据中计算出nXm个漫反射率，并根据预先建立的漫反射率和待测生肉组织含水量的线性关系模型计算待测生肉组织含水量。
8.如权利要求7所述的生肉组织水分近红外检测方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括步骤: S2.1:依次发射η个不同波长的脉冲光信号，并在m个位置上形成所述漫反射后的nXm路脉冲光信号，对应由m个光电传感器进行光电转换，转换得到nXm个模拟电信号； S2.2:针对每个波长，对所述m个模拟电信号进行放大并采样保持，得到放大和采样后的得到m个模拟电信号,对于η个波长,则有nXm个放大和米样后的模拟电信号； S2.3:对每个波长，将放大、采样后的所述m个模拟电信号转换为m个光谱信号，η个波长则有nXm个光谱信号。
9.如权利要求7所述的生肉组织水分近红外检测方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括步骤: S3.1:从nXm路光谱信号中包含的入射光强相对于透射光强的衰减数据计算得到nXm个漫反射率,计算公式如下: 从而得到待测生肉组织的漫反射率一维向量:
10.如权利要求9所述的生肉组织水分近红外检测方法，其特征在于，在S3之前还包括:建立的漫反射率与生肉组织含水量的线性关系模型的步骤:具体包括: 建立漫反射率矩阵Rs和生肉组织含水量向量C的线性关系模型:
CT=RSAT+ET 采用国标法直接将样品生肉烘干方法测量P个样品生肉组织的含水量，得到的样品生肉组织的含水量ck, k为样品编号，I ^ k ^ p，p个样品的含水量的一维向量C=Iic1, C2, C3,…，ck,…，cp]，
11.如权利要求7~10中任一项所述的生肉组织水分近红外检测方法，其特征在于，所述η为4，m为3，4路脉冲光信号的预定占空比均为90:10~100:2，预定频率均为50Hz，4路脉冲光信号各自的预定波长 为970nm、850nm、805nm和750nm。
【文档编号】G01N21/359GK103558177SQ201310598444
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月22日 优先权日:2013年11月22日
【发明者】黄岚, 李 昊, 王忠义, 王建旭, 范利锋 申请人:中国农业大学