基于红外吸收光谱的食品劣变程度检测系统及检测方法与流程

本发明属于红外吸收光谱技术领域，具体涉及基于红外吸收光谱的食品劣变程度检测系统及检测方法。

背景技术：

红外吸收光谱技术在气体成分分析及浓度检测方面具有快速、实时、无损等优势。不同劣变程度的食品会挥发不同成分和浓度的挥发性气体，可以通过对这些气体的定性和定量分析来表征食品的劣变情况。

由于食品劣变过程中释放气体成分复杂，无法进行准确的定性、定量分析。且通过红外吸收光谱技术检测分析的工具体积较大，对样品要求苛刻，其中较为常见的检测工具为气相色谱仪、液相色谱仪、傅里叶变换红外光谱分析仪等。该类检测仪普遍存在着检测成本高、检测过程复杂、无法小型化实现在线检测等弊端。即使采用如光谱仪等大型仪器进行检测，其检测结果也并不理想，以草莓为例，只能简单区分新鲜、轻度劣变、重度劣变三种情况。其限制因素在于食品劣变过程中所释放的挥发性气体含量较低，劣变程度变化较小的样品难以被有效区分。

因此，研制可应用于现场、高精度、低成本、小体积的食品检测系统迫在眉睫。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供了基于红外吸收光谱的食品劣变程度检测系统及检测方法，具有低成本、高精度、体积较小，适用度高的优点。

为实现上述目的，本发明一方面提供的技术方案是：基于红外吸收光谱的食品劣变程度检测系统，包括微处理器模块、信号发生器模块、宽光谱光源模块、声光可调谐滤波器模块、积分球模块、信号处理模块；所述微处理器模块分别与信号发生器模块的输入端、信号处理模块的输出端、宽光谱光源模块连接，所述信号发生器模块的输出端分别与宽光谱光源模块的输入端、声光可调谐滤波器模块连接，宽光谱光源模块的输出端连接声光可调谐滤波器模块的输入端，所述声光可调谐滤波器模块的输出端和积分球模块的输入端连接，积分球模块的输出端连接所述信号处理模块的输入端。

优选地，所述基于红外吸收光谱的食品劣变程度检测系统的测量波段范围为2～4微米。

优选地，所述信号发生器模块产生的方波信号的频率为100hz以上。

优选地，所述基于红外吸收光谱的食品劣变程度检测系统还包括温控模块，所述温控模块设置于所述信号发生器模块和所述宽光谱光源模块之间。

优选地，所述积分球模块的有效光程为1.5米以上。

优选地，所述基于红外吸收光谱的食品劣变程度检测系统还包括第一光学准直模块和第二光学准直模块，所述第一光学准直模块设置于所述宽光谱光源模块和所述声光可调谐滤波器模块之间，所述第二光学准直模块设置于所述积分球模块和所述声光可调谐滤波器模块之间。

优选地，所述信号发生器与所述声光可调谐滤波器模块之间设置射频信号处理模块。

优选地，所述微处理器包含锁相放大器，所述锁相放大器分别与所述宽光谱光源模块和所述信号处理模块连接。

本发明另一方面提供的技术方案是：基于红外吸收光谱的食品劣变程度检测方法，采用上述的基于红外吸收光谱的食品劣变程度检测系统进行检测，其具体检测步骤为：

采集待测气体的待测波长；

对应待测波长设置正弦波信号驱动声光可调谐滤波器模块；

设置方波信号驱动宽光谱光源模块，所述宽光谱光源模块发射宽光谱红外光；

所述宽光谱红外光入射至声光可调谐滤波器模块，所述声光可调谐滤波器模块调制所述宽光谱红外光为单色光；

所述单色光经漫反射被待测气体吸收后，进行光电信号转换；

输出待测气体的光谱数据。

优选地，所述输出待测气体的光谱数据的步骤之前，还包括，所述宽光谱光源模块将方波信号反馈至微处理器模块，所述微处理模块将所述方波信号作为参照，输出待测气体的光谱数据。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用宽光谱光源发射宽光谱红外光，成本更低，且发射的光源光谱的范围为2～20微米，可以覆盖食品在劣变过程中挥发的大多数气体的吸收峰，使得本发明实施例对适用于检测不同食品的劣变程度，适用性更强。

本发明采用声光可调谐滤波器模块作为主要分光手段，其结构简单、稳定、可靠性高；且采用积分球模块作为长光程吸收池，可以降低检测下限，提高灵敏度，可对食品劣变起到预警作用。且本发明实施例所述的基于红外吸收光谱的食品劣变程度检测系统的整体体积较小，成本低；在进行检测时，可以实现多谱段连续谱数据的采集。

本发明实施例采用宽光谱光源作为光源，利用aotf技术对待测红外波段光谱数据进行连续谱快速扫描，长光程积分球气室实现食品如草莓劣变程度高分辨率的精确检测，同时实现仪器的小型化，降低成本，使检测系统的产业化生产成为可能。

现阶段采用红外光谱吸收技术对食品劣变程度进行检测通常仅对某一特征波段进行检测，特征谱段信息仅可达到轻度劣变、劣变、重度劣变的区分，无法满足实际应用需求。本发明对食品红外宽波段大范围内特征吸收峰进行分析，并选择出包含多种挥发气体特征吸收峰的波段，对该波段光谱数据的采集将有效提升对食品劣变程度的检测能力，有效提高检测食品劣变的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于红外吸收光谱的食品劣变程度检测系统结构示意图之一；

图2是本发明实施例提供的基于红外吸收光谱的食品劣变程度检测系统结构示意图之二；

图3是本发明实施例提供的基于红外吸收光谱的食品劣变程度检测方法的流程示意图之一；

图4是本发明实施例提供的基于红外吸收光谱的食品劣变程度检测方法的流程示意图之二。

其中，图中各附图标记为：

1-微处理器模块，2-信号发生器模块，3-宽光谱光源模块，4-aotf模块，5-积分球模块，6-信号处理模块，7-第一光学准直模块，8-第二光学准直模块，9-温控模块。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”—“相连”—“连接”—“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1～2所示，本发明实施例一方面提供了基于红外吸收光谱的食品劣变程度检测系统，包括微处理器模块1、信号发生器模块2、宽光谱光源模块3、声光可调谐滤波器模块4、积分球模块5、信号处理模块6；所述微处理器模块1分别与信号发生器模块2的输入端、信号处理模块6的输出端、宽光谱光源模块3连接，所述信号发生器模块2的输出端分别与宽光谱光源模块3的输入端、声光可调谐滤波器模块4连接，宽光谱光源模块3的输出端连接声光可调谐滤波器模块4的输入端，所述声光可调谐滤波器模块4的输出端和积分球模块5的输入端连接，积分球模块5的输出端连接所述信号处理模块6的输入端。

具体地，所述微处理器模块1，用于输出待测气体的光谱数据，以及用于将产生的数字信号传输至所述信号发生器模块2；

所述信号发生器模块2，用于产生方波信号驱动宽光谱光源模块3，以及产生正弦波信号驱动声光可调谐滤波器模块4；

所述宽光谱光源模块3，用于将方波信号反馈至所述微处理器作为参考信号，以及发出宽光谱红外光，将宽光谱红外光入射至所述声光可调谐滤波器模块4；

所述声光可调谐滤波器模块4，用于将宽光谱红外光调制为单色光，并将所述单色光入射至所述积分球模块5；

所述积分球模块5，用于待测气体吸收所述单色光，所述单色光被待测气体吸收后，入射到所述信号处理模块6；

所述信号处理模块6，用于将被待测气体吸收后的单色光进行处理，处理后的结果反馈至所述微处理器模块1。

其中，驱动宽光谱光源模块3的方波信号频率不变，通过改变驱动声光可调谐滤波器模块4的正弦波信号频率，可得到不同波长的特征光谱数据，实现宽光谱的高速连续谱特征光谱测量。

本发明实施例采用宽光谱光源发射宽光谱红外光，成本更低，且发射的光源光谱的范围为2～20微米，可以覆盖食品在劣变过程中挥发的大多数气体的吸收峰，使得本发明实施例对适用于检测不同食品的劣变程度，适用性更强；

本发明实施例采用声光可调谐滤波器(acousto-optictunablefilter，简称aotf)模块4作为主要分光手段，其结构简单、稳定、可靠性高；且采用积分球模块5作为长光程吸收池，可以降低检测下限，提高灵敏度，可对食品劣变起到预警作用，不仅可分辨新鲜、轻度劣变、重度劣变三种情况，检测精度提高。且本发明实施例所述的基于红外吸收光谱的食品劣变程度检测系统的整体体积较小，成本低；在进行检测时，可以实现多谱段连续谱数据的采集。

本发明实施例采用宽光谱光源作为光源，利用aotf技术对待测红外波段光谱数据进行连续谱快速扫描，长光程积分球气室实现食品如草莓劣变程度高分辨率的精确检测，同时实现仪器的小型化，降低成本，使检测系统的产业化生产成为可能。

优选地，所诉aotf模块4可以为可拆卸结构；在针对不同食品的劣变程度进行检测时，只需更换对应该食品挥发性气体探测波段的aotf模块4，并设置信号发生器模块2的发射对应的正弦波信号的频率参数，即可达到对多种食物劣变程度的检测。

优选地，所诉积分球模块5可以为可拆卸结构；可根据aotf模块4所发射的不同波长的单色光，更换具有更长光程的积分球，单色光被待测气体充分吸收，进一步提高灵敏度。

作为本发明一具体实施例，所述基于红外吸收光谱的食品劣变程度检测系统的测量波段范围为2～4微米，以草莓为例，其所需波长检测范围为3.125～3.7微米。

具体地，所述检测的食品为草莓，草莓劣变过程中所释放的气体成分主要包含乙醇、甲醇、乙酸乙酯、乙酸甲酯和乙烯等，其特征吸收波段较宽，从3.125微米至10.99微米，选取待测波段为3.125-3.7微米，可以保证多种挥发气体均存在特征吸收的波段，保证检测的准确度。

其中，所述信号发生器模块2产生的方波信号的频率为100hz以上，方波信号输出至所述宽光谱光源模块3发射宽光谱红外光时，其输出光谱的重复性较高。

优选地，所述信号发生器模块2产生的方波信号的频率为100hz，驱动所述宽光谱光源模块3发射调制频率为100hz宽光谱红外光。

优选地，所述基于红外吸收光谱的食品劣变程度检测系统还包括温控模块9，所述温控模块9设置于所述信号发生器模块2和所述宽光谱光源模块3之间。

所述温控模块9可以对所述宽光谱光源模块3进行温度控制，在调制频率较高时，不会造成热量的累计，防止发光谱线漂移。

其中，所述积分球模块5的有效光程为1.5米以上。所述积分球模块5作为长光程吸收池，根据比尔-朗伯定律(beer-lambert-bouguer定律)，气体浓度检测的下限与光程成正比，本发明实施例所述积分球模块5的有效光程应大于1.5米，为保证理想检测精度，如积分球模块5内部反射率达到98％，则所需积分球理论直径小于5厘米即可满足要求，本发明实施例所需的积分球模块5体积较小。

优选地，所述积分球的直径约为5厘米，入射的单色光在积分球内部进行漫反射，漫反射距离超过1.5米，待测气体可以充分吸收入射的单色光。

其中，所述基于红外吸收光谱的食品劣变程度检测系统还包括第一光学准直模块7和第二光学准直模块8，所述第一光学准直模块7设置于所述宽光谱光源模块3和所述声光可调谐滤波器模块4之间，所述第二光学准直模块8设置于所述积分球模块5和所述声光可调谐滤波器模块4之间。

所述第一光学准直模块7，为了防止所述宽光谱光源模块3发射的光线分散，将光线校准为准直的光，汇聚入射至所述声光可调谐滤波器模块4。如所述宽光谱光源模块3发射的宽光谱红外光具有15℃的发射角时，可以通过第一光学准直模块7进行准直，准直后满足所述声光可调谐滤波器模块4对入射光入射角度的要求。

所述第二光学准直模块8，为了防止所述声光可调谐滤波器模块4发射的单色光分散，将单色光调节为准直的光，汇聚入射至积分球模块5。

其中，所述信号发生器与所述声光可调谐滤波器模块4之间设置射频信号处理模块6。

所述信号发生器模块2发出正弦波驱动所述声光可调谐滤波器模块4时，可以通过所述射频信号处理模块6调制到高频，发射到所述声光可调谐滤波器模块4。

所述射频信号处理模块6，包括滤波电路和功率放大电路。所述信号发生器模块2发出的正弦波信号经过功率放大电路产生驱动所述声光可调谐滤波器模块4的信号，所述声光可调谐滤波器模块4可以将入射的复色光转变为对应正弦波信号频率的单色光，其中正弦波信号频率和单色光波长为一一对应关系。

所述声光可调谐滤波器模块4出射的单色光波长由所述信号发生器模块2发出的正弦波的频率决定。

其中，所述微处理器模块1包含锁相放大器，所述锁相放大器分别与所述宽光谱光源模块3和所述信号处理模块6连接。

所述锁相放大器接收所述信号处理模块6处理的结果，所述宽光谱光源模块3的方波信号作为参考信号输入，移相后与所述信号处理模块6处理的结果做乘法运算，所述锁相放大器处理得到待测气体的特征光谱数据。

所述锁相放大器可以为正交锁相放大器。

其中，所述信号处理模块6，包括依次连接的红外探测器、前置放大电路、滤波电路、放大电路、数据采集模块。

所述积分球模块5输出的光信号首先经过红外探测器后，经光电转换为电信号，电信号可以为毫安级电流信号，然后转换为电压信号后通过前置放大器提高信噪比，随后经过滤波电路抑制噪音，最后依次经方大电路、经数据采集模块进行模数转换对模拟量进行采集，转换为数字信号输入所述微处理器模块1，所述微处理器模块1进行信号提取。

结合图3，本发明实施例另一方面提供了一种基于红外吸收光谱的食品劣变程度检测方法，采用上述各实施例任一所述的基于红外吸收光谱的食品劣变程度检测系统进行检测，其具体检测步骤为：

s01、采集待测气体的待测波长；

s02、对应待测波长设置正弦波信号驱动声光可调谐滤波器模块；

s03、设置方波信号驱动宽光谱光源模块，所述宽光谱光源模块发射宽光谱红外光；

s04、所述宽光谱红外光入射至声光可调谐滤波器模块，所述声光可调谐滤波器模块调制所述宽光谱红外光为单色光；

s05、所述单色光经漫反射被待测气体吸收后，进行光电信号转换；

s06、输出待测气体的光谱数据。

其中，对应待测波长设置不同频率的正弦波信号驱动声光可调谐滤波器模块，可以输出待测气体的连续光谱数据。

结合图4，其中，步骤s06之前还包括，s07、所述宽光谱光源模块将方波信号反馈至微处理器模块，所述微处理模块将所述方波信号作为参照。

具体地，首先采集待测气体的待测波长；

微处理器模块1产生数字信息，并将数字信息传输至信号发生器模块2；

所述信号发生器模块2发出对应待测波长的正弦波信号，正弦波信号驱动声光可调谐滤波器模块4；

所述信号发生器模块2产生方波信号驱动宽光谱光源模块3；

所述宽光谱光源模块3将方波信号反馈至所述微处理器模块1，以及发出宽光谱红外光，将宽光谱红外光入射至所述声光可调谐滤波器模块4；

所述声光可调谐滤波器模块4，将宽光谱红外光调制为单色光，并将所述单色光入射至积分球模块5；

所述积分球模块5中的待测气体吸收所述单色光，所述单色光被待测气体吸收后，入射到所述信号处理模块6；

所述信号处理模块6将待测气体吸收后的单色光进行处理，处理后的结果反馈至所述微处理器模块1；

所述微处理器模块1输出待测气体的光谱数据；

驱动宽光谱光源模块3的方波信号频率不变，通过改变驱动声光可调谐滤波器模块4的正弦波信号频率，可得到不同波长的特征光谱数据，实现宽光谱的高速连续谱特征光谱测量。

现阶段采用红外光谱吸收技术对食品劣变程度进行检测通常仅对某一特征波段进行检测，特征谱段信息仅可达到轻度劣变、劣变、重度劣变的区分，无法满足实际应用需求。本发明实施例对食品红外宽波段大范围内特征吸收峰进行分析，并选择出包含多种挥发气体特征吸收峰的波段，对该波段光谱数据的采集将有效提升对食品劣变程度的检测能力，有效提高检测食品劣变的精度。

其中，所述信号发生器模块2产生的方波信号的频率不变，所述信号发生器模块2产生的正弦波信号的频率进行循环改变，对待测波段进行检测。

在检测过程中，方波信号的频率为保持为100hz不变，正弦波信号的频率变换对应待测的光谱波长的变换，通过循环改变正弦波信号的频率可达到光谱数据的连续采集功能。

上述各实施例中，所述宽光谱光源模块3可以为calsensors公司生产的pire_plus光源，当调制频率到达180hz时，调制深度降低为50％，为保证调制深度足够，设计中采用100hz作为调制频率，光源输出功率为0.4w/cm2，工作寿命超过26000小时。

所述声光可调谐滤波器模块4可以为英国古奇-休斯古公司(gooch&housego公司)的tf3000-2000-3-7-gh78型号aotf，其有效孔径为7mm，覆盖的探测波长范围为2-4微米，分辨率为3纳米。

所述信号发生器模块中的dds(directdigitalsynthesizer，直接数字式频率合成器)芯片选用亚德诺半导体技术有限公司(adi公司)的ad9851。

所述积分球可以选用蓝菲光学(labsphere)有限公司的定制infragold积分球，该积分球适用波段为0.7-20微米，当波段达到1微米以上时，反射率达到98％以上，本实施例可采用2英寸小型积分球。

所述微处理器模块1的微处理器芯片可以选用意法半导体(st)集团的stm32f107，所述微处理器模块1的da转换器可以选用adi公司的12位da转换器ad667，其输入码值000h及fffh分别对应输出-10v及+10v电压。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改—等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。