一种基于近红外光的猪劈半胴体脂肪/瘦肉厚度无损测量系统的制作方法

本发明属于猪肉胴体瘦肉率测定和分级的技术领域，特别涉及猪胴体脂肪、瘦肉厚度的无损测量方法及其系统。

背景技术：

猪胴体分级是对猪胴体质量等级进行划分的主要方法，是公平合理定价和实现优质优价的基础。瘦肉率是猪胴体分级评价标准中最重要的指标，而猪胴体指定部位的脂肪、肌肉厚度的测量则是瘦肉率测定的基础。

对脂肪/瘦肉厚度测量所采用的技术包括超声波技术、计算机视觉技术、光电检测技术以及电导率技术等，但受到各种因素的限制，这些方法未得到广泛应用。近年来，近红外光谱技术（NIRS）作为一种新型的光学检测技术在肉和肉制品的品质检测得到了广泛的应用，也是欧盟、美国等国家最主要的脂肪/瘦肉厚度测量方法。其中，手持探针式近红外测量脂肪/瘦肉厚度最主要的测定方式，该方式属于微损测量，在劈半胴体第3、4肋骨之间的部位刺入过程中测量肥膘及瘦肉的厚度。探针式测量效率高、操作方便，但在探针刺入过程中可能造成肉的牵扯变形，影响脂肪及瘦肉厚度的测量精度。在近红外光源方面，由于卤素灯波长范围宽，是最常用的光源，但其存在功耗大、体积较大、寿命较短的缺点。

技术实现要素：

本发明基于近红外光谱分析、光纤技术、位移测量技术实时识别和测量猪胴体脂肪和瘦肉厚度，目的在于提供一种近红外单光源、非接触式的脂肪和瘦肉厚度无损测量方法及其系统，用于生猪屠宰生产线上脂肪和瘦肉厚度的随线测量，具有功耗小、寿命长、操作简单的特点。

为解决上述技术问题,本发明提供的技术方案是：

一种基于近红外光的猪劈半胴体脂肪/瘦肉厚度无损测量系统，包括近红外发射光源、近红外反射光谱采集仪器、发射及反射光传导模块、探头、猪胴体夹持装置、位移检测装置、控制器模块；所述的近红外发射光源发射的发射光、近红外反射光谱采集仪器的反射光均通过发射及反射光传导模块的光纤传导；所述的光纤封装于探头内；所述猪胴体夹持装置用于定位和夹持屠宰生产线上的处于移动状态下的劈半猪胴体；所述的控制器用于对近红外反射光谱采集仪器输出的光谱信号和位移检测装置输出的信号进行处理，对脂肪/瘦肉进行识别，计算脂肪/瘦肉厚度。

劈半猪胴体在生产线上一般采用挂钩吊挂，为了解决探头扫描测量胴体位置准确性，以及保证扫描轨迹与胴体剖面垂直，设置了夹持装置以保证探头扫描与胴体的相对位置固定。

所述的光纤为Y形双模光纤，所能传导的波长范围需覆盖650nm至800nm，具有双光纤芯：红外检测光源光纤光纤芯和反射接收光纤光纤芯。

所述的近红外发射光源为LED单光源，其波长为650nm到800nm之间的任一波长，在该波长范围内，脂肪/瘦肉对近红外光的反射率具有明显的差异。

所述的近红外反射光谱采集仪器为光谱仪，用于对反射光进行采集处理并获得样品的各个波长的反射光强度信号，光谱仪处理波长范围需覆盖650nm至800nm，光谱仪将光谱信号通过串口输入至控制器，所得的光谱信号为各波长的反射强度值。

脂肪/瘦肉的反射率是指被测脂肪/瘦肉对近红外光的反射强度与标准白板反射强度的比值。所述的反射是指肉品表面的漫反射。

所述的探头用于封装检测光源光纤和反射接收光纤，为直径8mm的不锈钢管，端面用石英玻璃密封，在测量过程中，探头对劈半胴体某一部位的横截面进行扫描。

所述的猪胴体夹持装置由底板、固定把手、滑动把手、连杆、杠杆、压板和定位挡块构成；所述的固定把手设于底板上，在底板中设有一个槽，所述的滑动把手可在底板的槽中滑动，所述滑动把手还与压板上的复位弹簧连接；所述的连杆、杠杆、压板均为左右对称设置；所述连杆的下端与滑动把手销联接，上端与杠杆的下端销联接；所述杠杆中部与底板固定销联接，杠杆上端与压板浮动销联接；所述压板用于夹紧胴体；还在压板下方设置了定位挡块来控制探头与被测胴体表面的位置。

所述的近红外发射光源、近红外反射光谱采集仪器和控制器安装在电气盒中，电气盒悬挂安装在屠宰生产线上劈半猪胴体下方的滑动导轨上，探头、猪胴体夹持装置、位移检测装置安装成一体式手持结构。光纤、位移测量传感器电缆具有一定的长度。

所述的位移检测装置为滑块式磁致伸缩位移传感器，所述的探头安装在位移检测装置的滑块上，所述滑块在滑动导轨上的移动位移被传感器实时采集。所述的位移检测装置还包括信号调理模块，所述的信号调理模块将4-20mA电流信号通过RS232串口输入至控制器。在测量过程中，操作员手持装置跟着猪胴体一起行走，电气盒在导轨滑动，测量完后，回到原来位置。

所述的控制器的信号处理流程包括以下步骤：

（a）单一波长信号提取：由于近红外发射光源的波长不是精确的单一波长，而是存在较窄的波长范围，从近红外反射光谱采集仪器输出的光谱信号包含所有波长的光谱信号，因此需从中提取指定的各光源波长所对应的反射强度；

（b）计算反射率：即计算反射强度与白板反射强度的比值；

（c）脂肪、瘦肉识别判断：根据初始设定的脂肪/瘦肉临界反射率，当反射率大于临界反射率时为脂肪组织，反之为瘦肉组织；

（d）探头位移计算：对电流信号进行线性标定即可获得探头的位移值；

（e）脂肪/瘦肉厚度计算：在探头在猪胴体截面扫描测量过程中，光谱信号和位移信号实时传输到计算机内，循环（a）、（b）、（c）、（d）步骤，并分别进行累加即可计算得到脂肪/瘦肉厚度。

本发明的有益效果：

（1）本发明所提供的猪胴体脂肪/瘦肉厚度测量方法，探头与被测对象无任何接触，对肉品不产生任何损耗。

（2）本发明所提供的猪胴体脂肪/瘦肉厚度测量方法采用的是LED单光源，功耗小，使用寿命长。

（3）本发明所提供的猪胴体脂肪/瘦肉厚度测量方法测量精度高，脂肪、瘦肉的识别精度可达到0.1mm。

（4）本发明所提供的猪胴体脂肪/瘦肉厚度测量系统操作方便，效率高，单个胴体测量不超过15s。

附图说明

附图1为本发明的猪胴体脂肪/瘦肉厚度测量系统示意图。

附图2为本发明的手持式测量装置示意图。

附图3为猪胴体脂肪/瘦肉厚度测量系统布置方式图。

附图4为猪胴体脂肪/瘦肉厚度测量结果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施作进一步的详细描述。

附图1为猪胴体脂肪/瘦肉厚度测量系统示意图。

包括近红外发射光源1、光谱仪3、传导光纤2、探头6、猪胴体夹持装置9、位移检测装置7、信号调理模块4控制器5，10为被测量的劈半猪胴体。

所述的近红外发射光源1为LED单光源，波长为800nm。

所述的光谱仪3为EQ2000型光谱仪，波长范围380nm-960nm，光学分辨率1.58nm。光谱仪3将光谱信号通过RS232串口输入至控制器5。所述的光谱信号为各波长的反射强度值。

所述传导光纤2为Y形双模光纤，所能传导波长范围200nm-1100nm。包括，红外检测光源光纤芯，反射接收光纤芯。

所述的探头6为直径8mm不锈钢管，用于封装红外检测光源光纤芯和反射接收光纤芯，端面用石英玻璃密封。探头6固定安装在滑块8中。

所述的位移检测装置7为滑块式磁致伸缩位移传感器，滑块8可在移动导轨7上移动，移动位移被实时采集，输出4-20mA电流信号至信号调理模块4中。所述的滑块8的在移动导轨7中的移动行程大于120mm，由此，可测量得到探头6的位置。

所述的信号调理模块4是将4-20mA电流信号通过RS232串口输入至控制器5中。

所述的控制器5为计算机，或为利用单片机、DSP、ARM等芯片开发的专用系统。控制器5对光谱信号和位移信号进行处理、识别脂肪/瘦肉进行、计算脂肪/瘦肉厚度。

附图2为本发明的手持式测量装置示意图。

所述的手持测量装置由探头扫描装置和劈半胴体定位夹持装置构成，用于对劈半胴体10的夹紧、测量。

所述的探头扫描装置固定安装在底板11上，由滑块8、移动导轨7、探头6构成。探头6固定安装在滑块8上，用手推动滑块8，可在移动导轨7上移动。

所述的劈半胴体定位夹持装置由固定把手12、滑动把手13、连杆14-1、14-2、杠杆15-1、15-2、压板16-1、16-2、定位挡块17、弹簧18构成。

滑动把手13可在底板11的槽中滑动。连杆14-1、14-2与滑动把手13销联接，并分别与杠杆15-1、15-2销联接。杠杆15-1、15-2与底板11固定销联接，并分别与压板16-1、16-2浮动销联接。压板16-1、16-2用于在胴体两个表面夹紧。设置了定位挡块17来控制探头与被测表面的位置。

手握把手12并拉动滑动把手13时，压板16-1、16-2同时向外侧移动，此时装置处于松开状态；松开把手13时，在弹簧18作用下，压板16-1、16-2同时向内侧移动，此时装置处于夹紧状态。

附图3为猪胴体脂肪/瘦肉厚度测量系统布置方式图。

猪胴体脂肪/瘦肉厚度测量系统适用于对屠宰线上连续移动的劈半胴体进行随线测量。系统从布置上分为两大部分： LED光源1、光谱仪、信号调理和控制器集中安装在电气盒中，电气盒悬挂安装在滑动导轨上。探头2、猪胴体夹持装置、位移检测装置设计安装成手持方式。光纤、位移测量传感器电缆具有一定的长度。

本发明的操作方式及工作流程如下：

（1）打开电源，系统预热。

（2）测量标准白板的发射强度。将探头对准白板，通过光谱仪测量并记录800nm波长的反射强度值。

（3）在工作位置处，当劈半胴体经过时，一手握住把手12并拉动滑动把手13，在胴体某一部位将16-1、16-2进入胴体两侧，当定位挡块17接触到胴体表面时，松开滑动把手13，依靠弹簧18的作用实现对胴体的夹持并保持该夹持状态。另一手推动滑块使探头从胴体一侧扫描到另一侧，控制探头到被测胴体表面的距离0-15mm。

（4）劈半胴体是不停移动的，在测量过程中，操作员手持装置跟着猪胴体一起行走，电气盒在导轨滑动。

（5）脂肪/瘦肉厚度计算在控制器内部自动计算，计算流程参考发明内容中的步骤a—e。

（6）当本次测量完成后，拉动滑动把手13，将手持装置退出劈半胴体，探头退回初始位置，操作人员回到初始工作位置处准备下一个胴体的测量。

附图4为猪胴体脂肪/瘦肉厚度测量结果示例图。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。