一种便携式液体食品质量超声波检测仪与方法
【专利摘要】本发明公开了一种便携式液体食品质量超声波检测仪与检测方法，本检测仪包括超声波传感器装置，主要由信号处理、计时、存储模块组成的控制单元，温度补偿单元，以及由USB标准接口、按键、LCD液晶显示屏组成的人机接口。本发明所提出的便携式液体食品质量超声波检测仪与检测方法，可实现消费者随时随地对所将要购买的酒类，食用油，酱油、醋、牛奶、饮料等瓶装、灌装的液体食品，在不打开封口的情况下，进行无损检测，并能避免瓶壁厚度，信号处理模块延时对检测结果的影响，精确获得被测液体食品的相关特性参数。然后将该值与通过大量实验检测良好食品已经建立好的云端数据库进行对比，以鉴别被测液体食品的真伪、好坏。
【专利说明】一种便携式液体食品质量超声波检测仪与方法
【【技术领域】】
[0001]本发明涉及食品安全检测领域，具体涉及一种便携式液体食品质量超声波检测仪与方法。
【【背景技术】】
[0002]目前，超声波广泛应用于超声波测距和材料无损检测，但是很少用于食品安全检测。随着社会的发展，人们生活水平的提高，食品安全越来越引起人们的重视，而目前的食品安全检测主要有食品安全相关部门进行检测，并且主要是化学方法检测，检测设备庞大，价格昂贵，并且检测食品需要在实验室中进行。而每个公民购买食品时并不能对其所买的食品进行真假，好坏的辨别，本发明就是针对这种情况而设计的一种便携式液体食品质量超声波检测仪，并提出了一种检测方法。
[0003]目前，售卖勾兑假酒，地沟油，以及品质很差的酱油、醋、牛奶、饮料等瓶装、灌装液体食品的现象普遍存在，而市场上还不存在相关仪器能够便捷地对其进行辨别。针对这种情况，本发明提出了一种便携式液体食品质量超声波检测仪，并提出了一种检测方法。
【
【发明内容】
】
[0004]本发明的目的是提供一种便携式液体食品质量超声波检测仪与检测方法，能够随时随地不打开液体食品封装口，就能检测食品真假、好坏。其主要针对的液体食品是瓶装酒类、食用油、酱油、醋、牛奶、饮料等瓶装、灌装的液体食品。
[0005]为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是:一种便携式液体食品质量超声波检测仪，包括超声波传感器装置，由超声波信号处理模块、存储模块、计时模块组成的控制单元，温度补偿单元，以及由IXD液晶显示屏、按键、USB标准接口组成的人机接口。
`[0006]所述超声波传感器装置包括两个收发一体的传感器A和B。
[0007]所述超声波信号处理模块包括放大、滤波、整形，Hilbert变换，小波去噪，互相关时延估计。
[0008]所述超声波信号处理模块中放大、滤波、整形是为了对超声波信号进行预处理，以便后续进行更精确的信号处理。
[0009]所述超声波信号处理模块中Hilbert变换是为了获取回波包络,再用小波技术对包络去噪。
[0010]所述超声波信号处理模块包括小波去噪，所述小波去噪是在小波域对噪声小波系数进行抑制，以达到去除噪声的目的。经过小波去噪后的噪声的影响范围变得小到基本不会影响信号本身，有利于后续使用互相关时延估计法获取超声波传播时间。
[0011]所述超声波信号处理模块包括互相关时延估计，所述互相关时延估计法是一种主流处理算法，原理简单、容易理解，在实现上运算量适中，精度可靠，能够准确地捕捉到回波起点，提高超声波传播时间的测量精确度。
[0012]所述的控制单元，是工作频率大于25M的单片机或者FPGA，工作频率高是为了提高超声波传播时计时的精度。
[0013]所述的控制单元中包括存储模块，所述的存储模块为程序、固定参数、以及测量数据的存放。
[0014]所述的温度补偿单元包括温度传感器，根据测得的温度对超声波传播时间进行修正。
[0015]所述人机接口包括USB标准接口，按键和IXD显示。
[0016]本发明具有的优点和积极效果是:本检测仪，比较便携，可以实现消费者随时随地对所将要购买的酒类、食用油、酱油、醋、牛奶、饮料等瓶装、灌装的液体食品进行质量的检测。本检测仪可以实现对待测液体食品不打开封口的情况下，进行无损检测。本发明提出的超声波信号处理模块，可以实现超声波传播时间的精确测量。本发明所提出了一种检测方法，命名为时间差检测法，可以避免液体食品瓶壁厚度、信号处理延时以及传感器与瓶壁不能无缝接触对测量精度的影响，因为这些时间延迟通过想减被消除，从而可以实现对液体特性进行准确的测量。
【【专利附图】
【附图说明】】
[0017]图1为一种便携式液体食品质量超声波检测仪的实施例；
[0018]图2为信号处理模块的详细说明；
[0019]图3为超声波传感器装置的示意说明；
[0020]图4为一种便携式液体食品质量超声波检测仪的工作流程图。
【【具体实施方式】】`
[0021 ] 本申请的特征及优点将通过实施例，结合附图进行说明。
[0022]请参阅图1，一种便携式液体食品质量超声波检测仪，包括超声波传感器装置101，由计时模块105、存储模块I 06、信号处理模块I 07组成的控制单元104，以及由USB标准接口 109、按键110、IXD液晶显示屏111组成的人机接口 108，温度补偿单元112。
[0023]请参阅图1、图3和图4，系统上电复位后，通过按键控制使得收发一体超声波传感器A301发射超声波，此时启动计时模块中的计时器I和计时器2，开始计时。超声波入射过瓶壁I，穿过液体，然后，一部分超声波入射过瓶壁2,传到收发一体超声波传感器B302, —部分超声波被瓶壁2的内壁反射回去，反射回去的超声波，再次穿过液体和瓶壁I,传到收发一体超声波传感器A201。当收发一体超声波传感器B302接受到超声波，并经过信号处理模块处理后，控制单元检测到回波信号的回波起点，此时停止计时器1，记录下超声波传播时间^ ;当收发一体超声波传感器A接受到反射回的超声波，此超声波经过信号处理模块处理后，控制单元检测到回波信号的回波起点，此时停止计时器2，记录下超声波传播时间tM ;tAA减去即是，超声波在液体中传播的精确时间。在液体瓶内径D已知的情况下，就可以算出超声波在此液体中的传播速度，若不知道液体瓶内径D，可以不改变传感器装置位置的情况，在空气中测得传播时间，由于超声波在空气中的传播速度是已知的，可以计算出这段距离的长度，进而得出超声波在此液体食品中的传播速度，并且可以通过按键设置，进行多次测量求传播速度的平均值，从而可以反映出此液体食品的密度特性。然后，与我们已经通过大量实验测试质量良好的该液体食品所建立的云端数据库参数对比，就可以知道此被测液体食品的好坏、真假。
[0024]请参阅图3超声波传感器装置101，本发明提出的一种便携式液体食品质量超声波检测仪所使用的检测方法是:第一种检测方法:时间差检测法，同时使用收发一体超声波传感器A301和收发一体超声波传感器B302。h是超声波在液体介质中从内瓶壁的一侧传到另一侧所用的时间，t2是超声波在瓶壁中的传播时间，tAB是收发一体超声波传感器A301传播到收发一体超声波传感器B302所需要的时间，tAA是超声波信号从收发一体超声波传感器A301经过反射后再次传播到收发一体超声波传感器A301所需要的时间。根据图3，超声波传播路径可以得出，tAB = 2t1+t2, tM = 2tj2t2，两者相减，就是t1;即是超声波在液体介质中的传播时间，由于^和tAA可以精确测得，所以也就能精确得出h时间。第二种检测方法是，反射回波检测法，只使用收发一体超声波传感器A301，只需测出tAA时间，tAA的一半就认为是超声波在该液体中的传播时间。第一种检测方法，多应用于瓶壁厚的液体食品，由于是超声波传播时间差检测方法，避免液体食品瓶壁厚度、信号处理延时以及传感器与瓶壁不能无缝接触对测量精度的影响，因为这些时间延迟通过想减被消除，从而可以实现对液体特性进行准确的测量。第二种检测方法可以应用于瓶壁较薄的液体食品。
[0025]请参阅图1和图2信号处理模块107，包括放大、滤波、整形201，Hilbert变换203，小波去噪，互相关时延估计208。
[0026]请参阅图2超声波信号处理模块包括放大、滤波、整形201，由于超声波回波信号振幅减小，反射波能量变小，产生电信号幅值小。所述放大、滤波、整形是对接收到的超声波信号进行预处理，获得信噪比高的接收信号，进行后续处理。
[0027]请参阅图2超声波信号处理模块包括Hilbert变换203，所述Hilbert变换，对超声波信号进行处理，能够得到较好的超声波信号包络，避免信号相位的不确定以及相移。通过Hilbert变换构造出的解析信号仅含正频率分量，可以降低信号的采样频率。
[0028]请参阅图3超声波信号处理模块包括小波去噪，所述小波去噪，是在小波域对噪声小波系数进行抑制，以达到去除噪声的目的。从信号处理角度看，是一个信号滤波的问题，实际上是特征提取和低通滤波功能的综合。基本方法是先对含噪信号进行多尺度小波变换，然后在各尺度下尽可能提取出信号的小波系数而去除噪声的小波系数，最后用小波逆变换重构信号，达到去噪的目的。小波去噪包括三个步骤:小波变换204，线性、非线性处理205，小波逆变换206。经过小波去噪后的噪声影响范围变得小到基本不会影响信号本身，有利于后续使用互相关时延估计法捕捉到超声波信号回波起点。
[0029]请参阅图2超声波信号处理模块包括互相关时延估计208,所述互相关时延估计法是一种主流处理算法，原理简单、容易理解，充分利用了回波信号的相近性、相关性和窄带性，精度可靠，在实现上运算量适中，能够准确地捕捉到回波起点，提高超声波传播时间的测量精确度。
[0030]请参阅图1，所述人机接口 108包括USB标准接口 109，可以与PC通信，或者外接USB蓝牙装置，与手机通信。无论是PC，还是手机，都可以将测得的速度参数与网上存的云端数据库参数进行对比，以鉴别被测液体食品的真假、好坏。
[0031]请参阅图1，所述人机接口 108包括按键110，所述按键可以实现工作模式的选择，启动发送超声波信号，选择LCD液晶显示屏111进行显示，还可以选择测试仪通过USB标准接口 109与PC通信，还是通过外接USB蓝牙装置与手机通信。并且可以设置检测次数，对每次检测所得的结果进行平均值的计算。
[0032]根据本检测仪检测液体食品得出的数据鉴别液体食品真假、好坏的具体方法:利用本发明所述的时间差检测方法，通过本检测仪测得超声波在液体食品中的传播速度，可以经过多次测量求平均值，而该速度反映出被测食品的密度特性，但是没必要根据传播速度计算出密度，只需将测得的传播速度与我们已经测得的该批次该型号的良好食品的数据库中的速度参数范围进行比较，若测得的速度在云端数据库中的速度参数范围之内，则认为被测液体食品是真的，或者质量良好。
[0033]尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限与上述的【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种便携式液体食品质量超声波检测仪，其特征是:包括超声波传感器装置，主要由超声波信号处理模块、存储模块、计时模块组成的控制单元，温度补偿单元，以及由LCD液晶显示屏、按键、USB标准接口组成的人机接口。
2.一种便携式液体食品质量超声波检测方法，其特征是:可以实现消费者随时随地对所将要购买的酒类，食用油，酱油、醋等瓶装、灌装的液体食品，在不打开封口的情况下，进行无损检测，并能避免瓶壁厚度对检测结果的影响，精确获得被测液体食品的相关特性参数。
3.如权利要求1所述的一种便携式液体食品质量超声波检测仪，其特征在于:所述的超声波传感器装置具有两个收发一体超声波传感器A和B。
4.如权利要求1和3所述的一种便携式液体食品质量超声波检测仪，其特征在于:所述的超声波传感器装置可以实现同时使用传感器A和B进行检测，也可以只使用一个传感器A实现检测。
5.如权利要求1所述的一种便携式液体食品质量超声波检测仪，其特征在于:所述的超声波信号处理模块包括对超声波回波的放大、滤波、整形，Hilbert变换，小波去噪，互相关时延估计。
6.如权利要求1和5所述的一种便携式液体食品质量超声波检测仪，其特征在于:小波去噪包括三个步骤:小波变换，线性、非线性处理和小波逆变换。
7.如权利要求1所述的一种便携式液体食品质量超声波检测仪，其特征在于:所述的由LCD液晶显示屏、按键、USB标准接口组成的人机接口，其中的按键可以对控制单元进行设置，LCD液晶显示屏可以显示测得的数据，USB标准接口可以实现检测仪与PC通信，还可以外接USB蓝牙装置，实现与手机的通信。
8.如权利要求1所述的一种便携式液体食品质量超声波检测仪，其特征在于:可以通过按键设置，对同一液体食品进行多次检测，由控制单元求其平均值，提高测量的准确性。
9.如权利要求2和3所述的一种便携式液体食品质量超声波检测方法，其特征在于:利用收发一体超声波传感器A先发射超声波，将接受到内瓶壁反射回的超声波传播时间减去收发一体超声波传感器B接受到透射的超声波传播时间，这种时间差检测法可以精确算出超声波在液体食品中的传播时间，避免液体食品瓶壁厚度、信号处理延时以及传感器与瓶壁不能无缝接触对测量精度的影响，因为这些时间延迟通过相减被消除。对于瓶壁薄的液体食品，提出了反射回波检测法，可以只使用收发一体超声波传感器A先发送超声波，再接受反射超声波，将测得的超声波传播时间除以2，得到超声波在液体食品中的传播时间，进而得出被测液体食品的特性参数。
10.如权利要求2和7所述的一种便携式液体食品质量超声波检测仪与方法，其特征在于:该便携式液体食品质量超声波检测仪测得的液体食品相关特性参数，可以通过USB标准接口将测得的数据上传到PC或者通过外接蓝牙装置传到手机上，与已经通过大量实验检测良好食品建立好的云端数据库进行对比，还可以通过IXD显示的特性参数数据与已经记录的参数进行对比，以鉴别被测液体食品的真伪、好坏。
【文档编号】G01N29/024GK103487506SQ201210192852
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2012年6月12日 优先权日:2012年6月12日
【发明者】郭朝阳, 王新安, 雍珊珊, 张芳妮, 史小龙, 刘彬, 曹颖 申请人:北京大学深圳研究生院