（生物物理学专业论文）鲜肉深层水分的无损检测方法研究.pdf

摘要 研究鲜肉深层水分的快速、无损检测方法，并用于鲜肉深层水分检测仪器的研制具有很重 要的现实意义，也是市场迫切的需求。以往的检测方法和手段难以实现鲜肉深层水分的快速、无 损检测。本文依据蒙特卡罗方法仿真光在生物组织中的传播规律，应用修正的朗伯一比尔定律， 确定了基于空间分辨技术的鲜肉深层水分无损检测方法。 依据对猪肉组织的蒙特卡罗仿真结果，对传感器进行了设计，确定了光源与检测器之间的 距离，保证了检测深度。设计和实现了基于p c 机的鲜肉水分检测平台。对猪肉通脊的碎肉和肉 块进行了重复性的实验，发现水分毫摩尔浓度和国标法所测水分百分含量在一定的范围内呈线 性相关趋势，相关系数大于0 9 。实验数据初步证明了基于空间分辨的鲜肉深层水分无损检测 方法的可行性。 本文基于空间分辨的鲜肉深层水分无损检测方法，研制了便携式的鲜肉深层水分无损检测 仪器。该仪器在软硬件设计过程中采取了低功耗的设计方案，满足了便携式的省电要求，且在 研制过程中对仪器的可靠性进行了分析，并采取了相应的措施，为将来该仪器进一步改进奠定 了可靠的基础。 关键词：鲜肉，水分检测，蒙特卡罗仿真，近红外光谱 i i a b s t r a c t i t i sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h ef a s tl i o n - i n v a s i v em e a s u r e m e n tm e t h o d sf o rd e t e c t i n gi n t e r n a l w a t e rc o n t e n to ff r e s hm e a ta n dd e v e l o pt h ei n s t r u m e n t s a n dt h e ni ti sa l s oi na o c o r dw i t ht h e m a r k e t sn e e d t h o s em e t h o d sw h i c ha r eu s e da tp r e s e n tc o u l dn o tb ee m p l o y e dt od e t e r m i n et h e i n t e r n a lw a t e rc o n t e n to ff f e s hm e a tb yaf a s tn o n - i n v a s i v ed e t e c t i o n i nt h i sp a p e r , ad e wf a s t n o n - i n v a s i v em e a s u r e m e n tm e t h o df o rd e t e c t i n gi n t e r n a lw a t e rc o n t e n ti u 缸s hm e a tw a sd e s c r i b e d w h i c hw a sb a s e do ns p a t i a l l y - r e s o l v e ds p e c t r o s c o p y , m o d i f i e dl a m b e r t - b e e rl a wa n dt h es i m u l a t i o n o fl i g h tp r o p a g a t i o ni nam u l t i - l a y e r e db i o l o g i c a lt i s s u eb ym o n t e c a r l om e t h o d a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o no fl i g h tp r o p a g a t i o ni np o r kt i s s u e ，t h eo p t i m a ld i s t a n c eb e t w e e nt h e l e d sa n dt h ed e t e c t o rw a ss e l e c t e da n dt h es e n s o rw a sd e s i g n e d ，w h i c he n s u r e dt h ed e p t ho f d e t e c t i o nf o rt h et i s s u e ；b a s e do nap c ，t h ee x p e r i m e n t a la p p a r a t u sw a se s t a b l i s h e dt oi n v e s t i g a t e i n t e r n a lw a t e rc o n t e n tw i t hr e p e a t e de x p e r i m e n t sf o rp o r ka n ds m a s h i n gp o r k ；t h ew a t e rc o n c e n t r a t i o n a n dt h ew a t e rc o n t e n td e t e c t e db ys t a n d a r dm e t h o di sl i n e a r , a n dt h er e l a t i v ec o e f f i c i e n ti sl a r g e rt h a n 0 9 t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h ef a s tn o n - i n v a s i v em e a s u r e m e n tm e t h o df o rd e t e c t i n g w a t e r c o n t e n t o f f r e s h m e a t w h i c h w a s b a s e d o ns p a t i a l l y - r e s o l v o ds p e c t r o s c o p y w a s f e a s i b l e ap o r t a b l ei n s t r u m e n tw a sd e v e l o p e db yu s i n gt h i sm e t h o df o rd e t e c t i n gw a t e rc o n t e n to fh e s h m e a ti nd e e pl a y e r ；t h es o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r ew e r ea d a p t e dt ol o wp o w e ro fi n s t r u m e n ti nt h e d e s i g nf o rp r a c t i c e d u r i n gt h ep r o c e s so fd e s i g n ，t h er e l i a b i l i t yo ft h ei n s t r u m e n tw a sa n a l y z e d ，a n d m o r e o v e rs o m em e a n sw e r ec h o s e nt oe n h a n c et h er e f i a b i l l i y a l lt h e s ep r o v i d e dg r o u n d w o r kf o r i m p r o v i n go nt h ei n s t r u m e n t k e y w o r d s ：f r e s hm e a t ，d e t e c t i o no fw a t e rc o n t e n t ，m o n t ec a r l os i m u l a t i o n ，n e a ri n f r a r e d s p e c t r o s c o p y i l i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 毖晦勃 时间：一对月6 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上 发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：d 锤矗辱勘 刷噬各珏叉 时间：一f 时间： 年 日b ! f 1 年月臼 妒b ；i 第一章前言 1 1 鲜肉水分快速检测的意义 近年来，随着人们生活水平的提高，畜禽鲜肉的食用量迅速增长，进而对鲜肉的质量提出 了更高的要求。水分含量对鲜肉品质、口感等都有直接的影响。水分含量是直接影响畜禽鲜肉 加工、储藏、贸易与食用的一项质量指标。鲜肉的水分含量过高，细菌、霉菌的繁殖加剧，容 易引起肉的变质；而脱水干缩不仅使肉品失重。造成直接经济损失，而且影响肉的颜色、风味 和组织状态，并引起脂肪氧化。 由于检测仪器的缺乏，致使我国长期以来依靠屠宰管理、工商管理、卫生防疫部门、质量 技术监督部门的有关执法人员凭感官来判断鲜肉的水分含量。个体感官的差异，每个人判断的 结果也不同，直接影响了检测结果的准确性。探讨鲜肉水分的快速、无损检测方法，并用于鲜 肉水分检测仪器的研制具有很现实的意义，也是市场迫切的需要。 1 2 鲜肉水分检测方法现状 1 2 1 感官检查。1 正常的猪肉、牛肉色泽鲜红亮泽，切面呈浅红色。鲜肉因注入水分会使肌肉的颜色变淡且 无光泽。依据肉的外观进行检查肉品是否注水存在一些问题，由于个体感官的差异，每个人判 断的结果也不同，直接影响着检测结果的准确性。 1 2 2 试纸法。“” 利用吸附试剂并干燥后的滤纸条，接触鲜肉后的颜色变化来判定肉品的含水状况。该方法 简单易行，所需的仪器少，成本低，适用于基层工作，但此方法限于定性判断，灵敏度不高。 1 2 3 烘干失重法 经典的测量水分的方法采用烘干失重法，即g b 9 6 9 5 1 5 - 1 9 8 8 肉与肉制品水分含量测定 方法。若样品中没有其它挥发性物质存在的情况下，该方法可以直接测出水分的蒸发量，且测 量的结果准确可靠；若样品中含有其它挥发性物质，则该种方法的准确度明显降低”1 。 经典的烘干失重法耗时费电，样品测试时间长，较难成为快速无损检测方法。 1 2 4 电导法“ 肉的阻抗与其含水量有关，通过测量肉的阻抗变化可以判断肉的水分含量。 山东省化学研究所根据电导原理研制了s y o l 型肉类水分检测仪，可满足市场检验的需要， 该仪器用色带刻度盘显示鲜肉的注水程度，但检验结果有假阳性，有待改进”1 。湖南大学智能仪 器研究所等相关单位根据“含水介质的导电浴盆效应原理。“，采用“针状多探头方法”研制了 “r s y - 1 肉类水分快速检测仪”“。 电导法测量速度快，测量信息的传输与处理方便，易于实现取样、测量、信息传输、显示和 控制的计算机管理。但由于水分检测对象的品种、品质、紧实度、温度等因素的影响复杂，该方 法在测量误差、稳定度、准确度等技术性能方面，需要进一步的提高。 1 2 5 基于近红外光谱分析的表层水分测量法 利用近红外光谱方法，可以检测肉的水分含量。将近红外光入射到被测物上由所检测的 反射光或透射光的能量变化换算出水分值。水在近红外8 0 0 - , 1 1 0 0 h m 谱区存在吸收峰，如图卜1 所示。利用近红外光谱技术进行样品的水分测量时，考虑到样品中还存在其它物质，它们的吸 收与散射也影响着测量到的光谱，因而目前通常是采用化学计量学方法，测量n 个不同含水量 的样品( 采用经典方法测到每个样品的含水量) ，测量每个样品的光谱，在此基础上建立含水 量与光谱的预测模型，进而利用模型预测水分含量。 基于近红外的检测方法，其检测速度快，无污染，且能同时提取样品的多种组分信息等特 点，已经广泛应用于粮食、茶叶、造纸、烟草等检测领域“1 。”。 晡d1 珀g8 0 08 骊9 0 0 9 5 9 l o 叩 涟* m 图1 1 水分吸收光谱 目前采用的近红外漫反射仪器，其光纤探头中光源到检测器距离一般小于2m ，其检测深 度会小于1 一，它只能以被测物的表面水分含量值代替整体的水分含量。由于检测深度的限制， 难以检测鲜肉深层次的水分信息。而肉的组织结构、空气湿度和风化引起表面失水等因素导致 肉品的表面水分信息和深层水分信息差异较大，必然影响测量的准确度与灵敏度”。因此该种 光学检测方法限于把肉粉碎均匀后测量，其难以实现无损检测。该种检测方法在应用时受到相 当大的限制。 目前，在鲜肉水分检测方面，在国内，刘炜、孙东东等人采用傅立叶变换近红外光谱法检测 2 十唔v瓤谱术誊 中国农业大学硕士学位论文前言 鲜猪肉中肌内脂肪、蛋白质和水分含量，以常规化学分析测定值作建模数据，采用偏最小二乘 ( p l s ) 回归法建立鲜猪肉各组分含量的定量分析模型，并以肉样平行扫描光谱验证分析模型预测 的准确性和重现性，该方法测量结果可靠，但其测量方法为将肉块粉碎搅拌均匀进行测量”“。在 国外这方面的相关研究也不多，其所采取的方法也是将肉粉碎搅拌均匀进行测量。“。丹麦福斯电 子公司一直致力于肉制品等食品及农产品领域的检测技术开发，生产各类分析仪器。该公司的 f o o d s c a n 系列分析仪器利用近红外透射技术，进行全光谱扫描，能准确分析待测样品中的脂肪、 蛋白质、水分的含量，其准确度( r i h s e p ) 参数为：脂肪小于0 3 ，蛋白质、水分小于0 5 ，但 该仪器在操作时要求把样品肉进行磨碎处理。 1 3 本文研究内容 基于上述讨论，现有的技术存在这样的问题，目前的无损检测方法只能得到表层的水分含 量，若要实现深层的水分检测，必须把肉粉碎才能获得深层的水分信息。无损检测和深层检测 相互矛盾，因此，有待解决的问题是：在无损捡测的基础上实现深层的水分检测。 本文研究内容主要包括了以下四方面； ( 1 ) 基于修正的朗伯比尔定律，研究鲜肉深层水分的无损检测方法。 ( 2 ) 基于该种检测方法，确定、设计传感器结构。 ( 3 ) 设计实现基于p c 机的鲜肉水分测试平台，研究不同实验条件下的规律。 ( 4 ) 研制便携式鲜肉深层水分快速无损检测仪器的初步原理样机。 3 第二章鲜肉深层水分的无损检测原理 2 1 蒙特卡罗仿真 蒙特卡罗方法也可以称为随机模拟或随机抽样方法，其主要思想是通过对大量光子在组织 内部的传播过程进行仿真来得到光在组织内部和表面的分布规律。 蒙特卡罗仿真的模拟算法可参考相关文献】州2 5 删；它的基本思想是将入射光看成是能量 可分的光子包粒子。光子包在组织中传播时，由于散射和吸收作用因而使得能量持续减少，移 动步长的大小和方向改变遵循统计规律。其对每个光子包的跟踪主要有以下几个步骤：假设每 个光子包均垂直入射到介质表面上，且所有的光子包发生第一次散射时均传播了一个平均自由 路径长度：光子包与组织内部粒子发生碰撞时，一部分光被吸收。同时根据吸收系数ua 、散射 系数us 修改光子包的能量：另一部分被散射，根据各向异性参数g 确定散射角和方位角；根 据吸收系数ua 和散射系数us 确定下一次碰撞时光子包传播的自由路径长度，并判断光子包是 否碰到组织模型的边界。若光子包在组织内传播时碰到不同组织的边界，则光子包根据其光学 特性参数修正其自由路径长度而继续传播；若碰到组织与空气的边界，则光子包可能会发生全 发射而返回到组织，也可能穿过边界而成为漫反射光或透射光，此时改变漫反射光和透射光的 能量。若光子包权重减小到不影响计算结果的某个临界值时还没有射出表面，则放弃跟踪。 采用蒙特卡罗仿真方法来研究光在生物组织中的传播，有助于了解光在生物组织中的漫透 射率、平均光程及最大穿透深度与生物组织散射系数、吸收系数的关系，对研究鲜肉深层水分 的无损检测方法具有指导意义。 本文对猪肉组织进行了仿真，猪肉组织的光学参数见表2 - 1 所示“。采用1 矿个光子包进 行m o n t ec a r l o 仿真，研究了光子从光源经过组织到达探测器的过程中的传播规律。 表2 1 光学参数( - - 6 3 2 8 n m 各层折射率为1 4 ，g 卸9 ) 肌肉 脂肪 0 0 4 0 0 5 0 2 7 0 2 9 在输入猪肉的吸收系数、散射系数后，应用计算机对光在生物组织中的传播进行仿真结 果表明，光子从光源经过组织到达探测器的宏观路径呈“香蕉型“”“，如图2 - l 所示，其穿 透组织的最大深度d 和光源与检测器之间的距离r 成式( 2 1 ) 所示的关系”，b 是系数。 d b r( 2 - 1 ) 4 围2 1藏特卡罗仿真光在生物组织中的传播 选择肌肉光学参数( 人体) 进行了仿真研究，吸收系数为o 0 1 7 m m 一，约化散射系数0 8m m 光源到检测器的距离从l m 到2 0 m m ，观察不同检测距离下的检测深度，如图2 2 所示。 o51 01 52 02 5 光谗一植渤l 曩i 鞋! l l ( n m ) 图2 - 2 光源到检测嚣距离与检测深度的关系 光源和检测器之间的距离与检测深度成一定的关系，光源和检测器之闻距离的设定在检测 系统中显得非常重要，如果距离太近则检测深度不够，无法检测到生物组织的深层信息，距离 太远，对检测器的灵敏度的要求很高。 随着光源和检测器距离的增加，生物组织表面的漫反射率将会下降，假设样品内部对光的 散射是稳定的，则降低的程度由样品组织的吸收情况来定。将检测器同时放置于不同的位置则 可以得到与吸收相关的信息。 2 2 修正的朗伯一比尔定律 生物组织是由不同大小、不同成分的细胞和细胞间质组成的，在光学上我们通常称之为浑 浊介质。生物组织对光的衰减包括吸收和散射两部分，由于生物组织是强散射介质，因此散射 作用要大于吸收作用，经典的朗伯一比尔定律描述的是没有散射情况下的吸收规律，其已经不能 5 0 9 8 7 e 5 d 3 2 1 o _倒雾 够准确描述光在生物组织中的传输规律，而常采用的是修正的朗伯比尔定律0 1 1 ： o d - l g 二二一sx cxrx 上栉+ g( 2 - 2 ) 一1 其中o d - - 光密度，表征了介质对光的衰减，1 0 为入射光的光强，i ，为出射光的光强，e - 消光 系数，c 物质浓度，r - 光源与检测器之间的距离，d p f - 差分路径因子，g - 散射引起的衰减。差 分路径因子d p f 的值与组织的散射、吸收相关，可以采用时间分辨或频率分辨光谱仪来测定 【3 2 1 ，在知道组织的吸收系数和散射系数的条件下，也可以由蒙特卡罗仿真方法得到。g 因子可 以通过空闻分辨的方法消除掉p ”，见图2 - 3 所示( 其中l e d 为光源，o s l 和0 s 2 为检测器， r 1 和r 2 分别为光源到检测器o s l 和o s 2 的距离，b l 和b 2 分别为从光源l e d 发出的光经组织 吸收、散射后到达检测器o s l 和o s 2 的平均光学路径长度) ：当f t 足够大且f 1 远大于( r 2 - r i ) 时，可以认为g 1 和g 2 近似相等p 4 i 。 o d l = - g 鲁= e xcxr l x 。胛mc z 棚 0 0 2 l l g 二二if x c x r 2 工卿+ g 2 ( 2 - 4 ) 一，2 d d 2 m l g 尝m sxcxr 2 - r 1 ) d p ，( 2 _ 5 ) 其中i - 和i 。分别为检测器o s l 和0 8 2 处的光强，选择合适的光源和检测器，差分路径因子d p f i i 以 通过不同的方法测量，消光系数e 为常量，光散射引起的衰减因子g 可以通过空间分辨方法被消 掉。适当调整光源和检测器之间的距离d ，依据公式( 2 1 ) 可以获得鲜肉不同深度的水分信息， 并根据修正的朗伯一比尔定律求得鲜肉不同深层的水分含量。 根据上述讨论，进行传感器的设计。 2 3 传感器的设计 2 3 1 光源 图2 - 3 光在多层组织中的传播模型 畜体屠宰放血后，在肉品中，光吸收体主要是水分和肌红蛋白。根据畜体的放血程度，在 肉品中会含有不同程度的血红蛋白。其中肌红蛋白包括还原型肌红蛋白( d e o x y m y o g l o b i n ，m b ) 6 和氧合肌红蛋白( o x y m y o g l o b i n ，m b 0 2 ) ，血红蛋白包括氧合血红蛋白( h b 0 2 ) 和脱氧血红蛋 白0 t b ) 。其中氧合肌红蛋白和氧合血红蛋白在8 5 0 r i m 波长处吸收较为明显，还原型肌红蛋白和 脱氧血红蛋白在7 5 0 r i m 波长处吸收较为明显，水分在9 7 0 r i m 波长处有一个明显的吸收峰。因 此本传感器设计时选择光源的波长分别为7 5 0 r i m 、8 5 0 n m 和9 7 0 r i m 。 光学传感器中，常用光源包括白炽灯、发光二极管和半导体激光二极管等。白炽灯需要和 滤光片配合使用，才能获得所需要的波长，能量损失较大，光输出功率难以控制；半导体激光 二极管单色性好、带宽小，但是需要设计较为复杂的稳功驱动电路，峰值波长受温度的影响较 大，且其具有操作安全限制，不宜在本实验中使用；发光二极管( l e d ) 只需配合恒流源驱动， 电路设计简单，且其具有发光稳定、体积小、无污染、寿命长、价格低廉等特点。目前成品l e d 波长具有7 5 0 n m 、8 5 0 r i m 和9 7 0 r i m ，且带宽不大于5 0n m ，可满足实验要求。因此，在进行光 源选择时，本文采用了近红外发光二极管，其特性如表2 - 2 所示。 表2 - 2 近红外发光二极管特性表 7 6 0 8 5 0 9 7 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 7 5 0 8 5 0 9 7 0 3 0 3 5 5 0 根据咀上讨论，可以依据修正的比尔定律在这三个波长处建立求解水分信息的方程组如 ( 2 - 6 ) 所示： o d 封l 暑0 可耻x c 抽+ f | i b 0 2 c 咖2 + 封h z ox c h 2 d ) x d p f x n + g i ( 2 _ 6 ) 其中a j 表示波长，j 为波长标号，取值1 ，2 ，3 。o d i 表示在距离r i 处的光密度，g i 表示在距 离t i 处的背景散射引起的衰减，i 为位置标号，取值1 ，2 。当r - 取得不是很小，即光子行进过 程中经过组织的衰减效应与距离i 2 处时组织引起的衰减近似相等。因此，消除背景项g 1 和g 2 得到如下方程组( 2 7 ) ，其中不同物质在不同波长下的消光系数f 是已知的【3 6 】。 a o d 茸f l ( s 可l i bx c m + 埘h b o zx c 肺0 2 + e ；q h z ox c h 2 d ) x d p f ( r 2 一r 1 ) ( 2 7 ) 综上所述，只要选择合适的检测器来测得位置r 1 和r 2 处的光信号，就可以求得水分信息。 2 3 2 检测器 在光电检测器中，常用检测器有光电管、光电倍增管、光敏电阻和光电池等。光电管和光 电倍增管的灵敏度高、光电特性线性好，但在应用时需外加高电压；光敏电阻的价格低廉，但 其光电特性曲线的线性差，且频率响应低；光电池可以工作在零偏压状态下，不需要外加电压。 其输出的短路电流光电特性稳定、线性范围宽，且其受光面积大，可以有效提高信号强度，因 此在光信号的检测中，常选用光电池。 本文的传感器设计中所采用的光源波长分别为7 5 0 h m 、8 5 0 h m 和9 7 0 n m ，在选择检测器时 一定要考虑检测器的光谱响应，保证设计中所采用的三个波长点都落在检测器的光谱响应范同 7 中国农业大学硕士学位论文 鲜肉深层水分的玉塑检测原理 i i 董量量量量| 量目皇董邕目量曼量量量量舅墨e 墨墨_ 之内。目前光电浊中应用较多的是硅光电池和硒光电池，图2 4 为它们的光谱响应曲线。”，它 表明了用单位辐射通量的不同波长的光分别照射时，光电池短路电流的相对比较。硒光电池的 的光谱响应范围为3 4 0 到7 5 0n m ，硅光电池的光谱响应范围为4 0 0 到1 1 0 0 衄，显然硅光电池 满足光谱响应的要求。因此，本传感器设计时采用硅光电池作为检测器。 硅光电池的开路电压u o c 和短路电流i s c 随着其接收的光强的大小而变化，其变化曲线见 图2 - 5 所示【3 b 】：从图中可以看到，硅光电池的开路电压u o c 和短路电流l s c 随着入射光强的增 强而变大，但当入射光强达到一定强度时，开路电压就趋于饱和，而短路电流可以保持较宽的 线性范围，因此在把硅光电池作为检测器时，常以短路电流作为输出参数，通过电流电压转 换器变为电压信号，见图2 - 6 所示。 相对输出 l0 0 t 5 o5 0 02 5 图2 - 4 光电池的光谱响应曲线 图2 - 5 开路电压u o c 和短路电流i s c 随入射光强变化曲线 8 i 迫 图2 _ 6 光电池电流一电压转换 2 3 3 光源与检测器之间距离的设定 应用蒙特卡罗方法仿真光在生物组织中的传播，结果表明，光子从光源经过组织到达检测 器的宏观路径呈“香蕉”型，其穿透组织的最大深度d 和光源与检测器之间的距离r 成式( 2 1 ) 所示的关系。并且随着光源和检测器距离的增加生物组织表面的漫反射率将会下降。由此得知； 光源与检测器之间的距离设定非常重要，如果距离太近则检测深度不够，无法检测到生物组织 的深层信息；距离太远，信息比较微弱，对检测器的灵敏度的要求很高或者将无法检测到信息。 为了选择合适的光源和检测器之间的距离，使其即能保证一定的检测深度。又能满足检测 器的灵敏度要求，本文做了以下仿真，设光源( 近红外发光二极管) 在单位电流下的发光功率 ( p n ) 为0 1 6 m w m a ，检测器的灵敏度( 1 3 ) 为0 3 1m a m w ，猪肉组织的光学参数见表2 - 1 所示。 假定硅光电池输出的电流信号为i ，经过1 0 6 q 的反馈电阻r 转换为电压信号u ，a d 转换器的 分辨率为1 2 位，转换范围f s r 为1 0 r ，则能被a d 转换器分辨的最小信号q 为： q 。f s r 2 ”。2 4 4 m y ( 2 - 8 ) 可推出检测器上应接收的最小光功率p m i n 为： p m i n 。旦三。7 8 1 0 6 ，h i 矿( 2 9 ) r 口 考虑极端情况下，近红外发光二极管的驱动电流取最大值i m a x 为5 0 m a ，则光源输出的最大光 功率p o 为： p o = p h x i m a x 一8 m w 通过蒙特卡罗方法仿真光在生物组织中的传播，可以知道 组织表面的漫反射率将会下降，其漫反射率下限值r f 为： r f = p m i n p o = 9 7 x 1 0 4 ( 2 1 0 ) 随着光源和检测器距离的增加生物 ( 2 1 1 ) 采用1 0 4 个光子包进行m o n t ec a r l o 仿真，在输入猪肉的吸收系数、散射系数后，得到组 织表面漫反射率常用对数值与光源到检测器之间的距离关系见图2 - 7 所示： 图2 _ 7 漫反射率常用对数值与光源到检测黯之间的距离关系 仿真结果表明，要满足漫反射率大于9 7 x 1 0 4 ，检测距离不能大于4 0 m m 。本文在对传感器 进行设计时所采取的距离为r l = 2 5 m m ，r 2 = 3 0 m m ，既保证了一定的检测深度，又能满足检测器 的灵敏度要求。其传感器的设计见图2 - 7 所示： 光灏组曰捡翊罂 墨 口口 iiif 一一 i id | = r 2 1 、 r 7 围2 - 7 传藤器设计示意围 在蒙特卡罗仿真思想的指导下，本文依据对猪肉生物组织的仿真结果完成了传感器中光源 与检测器之间的距离设定。 2 4 小结 蒙特卡罗仿真光在生物组织中的传播，发现光在生物组织中传播的平均光学路径长度l ( l = d p f r ) 远大于光源与检测器之间的距离r 。因为肉品组织的强散射低吸收性质。经典的朗 伯一比尔定律已经不能够准确描述光在生物组织中的传输规律，而常采用修正的朗伯一比尔定律 对需要检测的物质含量，进行定量和定性分析。 依据以上的鲜肉深层水分的无损检钡4 原理，初步完成了传感器的设计，进一步的工作就是 设计鲜肉深层水分的无损检测实验装置。 1 0 第三章鲜肉深层水分的无损检测系统 在上章中，依据鲜肉深层水分的无损检测原理， 的内容将重点介绍基于p c 机的鲜肉水分检测系统， 析，并对系统进行了相应的稳定性、可靠性的测试。 3 1 检测系统整体设计 已经初步实现了前端传感器的设计，本章 文中对系统的软硬件设计进行了详细的分 依据鲜肉深层水分的无损检测原理，初步实现了前端传感器的设计，在此基础上，本文设 计并实现了基于p c 机的鲜肉深层水分检测系统。该系统的整体设计如图3 - 1 所示： l信号调理电路l a i ) 采 传 ”卜一7集卡( 带 计 感d a 通算 器 e 爿光源驱动蝴陪= 道) 机 圈3 - i 鲜肉深层水分的无损检测系统 鲜肉深层水分的无损检测系统有传感器、信号调理电路、光源驱动电路、a d 采集卡和计 算机组成。传感器输出的电信号经信号调理电路转换放大，又经a m 采集卡转换为数字信号， 最后上传到计算机进行分析处理。同时，计算机可根据上传的数字信号来判断传感器中l e d 的 发光强度是否合适，并可通过a d 采集卡的d a 通道和光源驱动电路来调整l e d 的发光强度。 3 2 系统各模块设计 3 2 1 信号调理电路 信号调理部分是传感器和信号采集部分( a d ) 的中间环节，主要完成电信号的放大、调整， 使电信号满足a d 转换器对输入的要求。信号调理部分的电路设计框图见图3 2 所示。 由于传感器中光电池所接收的经过鲜肉组织的漫反射信号比较微弱，且很容易被干扰，因此 在设计传感器时考虑到了屏蔽。同时为了避免背景( 环境) 光的影响，在电路设计中还增加了隔 直电容。 本系统中光电池采用短路电流的形式来反映其所接收的光强信号，电流信号不易调理放大， 常转换为电压信号再进一步进行放大处理。为了抑制温漂和减小干扰，系统采用差模放大。在进 行电流一电压转换时，因为光电池输出的检测信号为电流信号，为了减小误差，需要采用偏置电 中国农业大学硕士学位论文 鲜肉深层水分的无损检测系统 流非常小的运算放大器。 距离光源r 1 和r 2 处的光电检测器要同时检测经过鲜肉组织的漫反射信号，因此信号调理电路 要有两路。r 1 和r 2 处的漫反射信号的强弱差异很大，为了避免r 1 处的信号( 通道o ) 在放大处理 过程中饱和而r 2 处的信号( 通到1 ) 在放大处理过程中很微弱。电路设计时对两个通道的放大倍 数进行了调整，经过一系列的实验验证，电路中两通道的电阻、电容等取得了合适的参数。 电 l 检流差 输入a d 测 卜、 电 模 转换器的 信 压 放 电压信号 号转大 换 3 2 2 光源驱动电路 圈3 2 信号调理横块 传感器设计中采用的光源是波长为7 5 0 r a n 、8 5 0 r i m 和9 7 0 r i m 的近红外发光二极管。不同波 长处的光信号在生物组织中传播时，组织对其吸收的程度不同，从而到达检测器的信号强弱有 很大差异，这样的信号在信号调理过程中很难保持不失真。为了解决这个问题，在系统设计时 增加了三路光源驱动电路，控制调节三个波长处的发光二极管的发光强度。 本系统中光源驱动电路是通过调节d a 转换输出的模拟电压的大小来控制流过近红外发 光二极管的电流，以实现发光二极管的发光强度控制。其电路设计如图3 - 3 所示。 图3 - 3 光源驱动电路 3 2 3u s b 2 0 1 3 数据采集板 p c 机通过控制d a 转换器的输出来调节发光二极管的发光强度，信号调理电路得到的模 拟信号经a 仍转换后被送到p c 机进行数据分析处理。因此系统采用的数据采集板需要具备多 路a d 转换和d a 转换功能。 本系统中所采用的数据采集板为北京阿尔泰科贸有限公司生产的u s b 2 0 1 3 数据采集板， 它是u s b 总线兼容的数据采集板可经u s b 电缆接入计算机。u s b 2 0 1 3 板上设计有1 2 b i t 分 辨率的a d 转换器和d a 转换器，提供了1 6 路单端或8 路双端的模拟输入通道和4 路d a 输 出通道，a d 转换器输入信号范围：5 v 、4 - 1 0 v 、0 1 0 v ，d a 转换器输出信号范围：0 5 v 、 0 i o v 、5 v 、_ 1 0 v 。其a d 转换和d a 转换部分的特点如下： 1 a d 转换电路部分 a d 分辨率：1 2 b i t ( 4 0 9 6 ) 非线性误差；1 l s b ( 最大) 转换时间：l o l l s 系统测量精度：0 1 2 d a 转换电路部分 输出通道数：4 路 模拟输出电压范围：o 5 v 、0 1 0 v 、5 v 、1 0 v d a 分辨率：1 2 b i t ( 4 0 9 6 ) 非线性误差：l u b ( 最大) d a 输出精度( 满量程) ：1 l i b 建立时间；1 0u s 佃0 1 精度) 输出阻抗：0 2 q 3 3 系统软件设计 本系统软件开发选用c + + b u i l d c r 编程语言【3 9 】【删( 4 ”，c + + b u f l d c r 编程语言是一种与c + + 兼 容的面向对象的程序设计语言，实质是在( 、+ + 语言的基础上增加了可视化编程所需的控件对象， 在可视化软件编程中受到很多用户的青睐。其集成控件丰富，功能强大，开发周期短，容易维 护和进行功能的扩展。 上位机软件开发力求做到界面友好，功能简单易用。操作流程清晰易懂。本系统大体上可 以将软件面板分成下面几个区，见图3 - 4 所示： 1 3 ，_ m _ = i _ 。 j l ”10ri l l | | f卜曩i 卜l誉 矗l ，0 i 柬鼍n 0 霹 、 嚣 ? 啤。 圃； 压校正 辎溷f ”哪，磐疑蝌槲 w “ 嘲神 ；l卜i i 誊卜卜l | 薹 _ | ! _ _r 酬i 拍 繁 洲! e d t 3 嚣目8 ，群 塑嚣 ， 静珥啪e d l 4 “ “ 豫* 女装髓 卜r 卜| 鑫 并撼幂 停址囊 i- o io 警、 o ； m - 圄 计庳骨慵且， 戮蒜 ； 势 ；绺一 2 ，! 、掣蛰穸、 莲互暖， u 嘲啪 枷 一 k 土蠢 。- - ! i ；- i - i i 口# 黼 添v 。 ，。 鲫 j 1 f 7 。“ 数据懈藏据打摊： 1 加 蝼避，鼍二谬一一了i 1 雾f 囊鹫导雩譬：“ 辅 。幺麓底 ik f ； 鞭嚣 障c o 图3 - 4 上位机软件界面图 1 参数设置区：参数设置区主要是设置a d 采集卡中模拟数字转换器所采用的通道。 2 采集控制区：此区中定义了三个功能按钮和三个文本编辑框，分别对应不同的功能。 电压校正按钮：用来控制调节d a 转换器的输出电压，以达到控制发光二极管的发光 强度的目的。 开始采集按钮：此按钮的功能是开始进行数据采集，并将采集到各个波长点的数据分 别显示在各栅格控件中。 停止采集按钮：此按钮的功能是停止数据采集。 计算水分信息按钮：对采集到的数据进行分析计算处理并将计算结果显示在水分相关 信息栅格控件中。 文本编辑器：三个文本编辑器分别显示电压校正完成后三个波长点所对应的d a 转换 通道的输出电压。 3 数据处理区：此区中定义了三个功能按钮，分别对应不同的功能。 数据保存按钮：对采集的数据以x 戗t 的文本方式进行保存。 数据打开按钮：可以查看保存的数据。 数据清除按钮：用来删除或是清空数据接收区中的数据，为下一次的采集做准备。 4 数据接收区：光电池所检测到的漫反射信号经过信号调理、滤波、a d 转换后通过u s b 接 口上传到p c 机，数据接收区用来接收其上传到p c 机的数据，具体来说是用c + + b u i l d c r 自带的栅格控件来对数据进行放置。 5 图形显示区：当数据采集按钮启动后，同步显示所采集到的数据：若计算水分信息按钮启 动后，将显示计算所得的水分信息。 6 菜单设置区：单击此菜单选项中的帮助可以获得本软件的详细使用说明。 1 4 3 4 系统稳定性测试 随机取样( 猪肉) 六份，分别标记为样品1 、2 、3 、4 、5 、6 ，每份样品的重量在2 0 0 克左 右。将传感器放置在样品上，测量每份样品过程中传感器保持不动，每份样品测量5 次。得到 数据见表3 - 1 所示： 表3 - 1 随机样品的系统重复性测试数据 61 9 9 7 9 41 9 9 6 8 51 9 9 3 4 12 0 1 2 5 62 0 1 1 8 5 2 0 0 2 5 2 8 9 9 由表3 2 可见：数据变异系数均不大于0 5 表明系统有很好的稳定性和重复性，能够满 足实验的要求。 3 5 小结 本系统硬件设计中对信号可能受到的干扰进行了相应的屏蔽和滤波，软件设计又进一步对 所采集到的数据进行了数字滤波处理，增强了数据的稳定性和可靠性。系统中设计了光强调节 电路，该电路配合软件系统使其能自动实现近红外发光二极管的光强控制，增强了实验操作的 自动性。 本系统在软硬件设计过程中进行了相应的稳定性、重复性的测试，系统能够满足要求，为 进一步的实验做了充分的准备。 o 8 2 3 2 i 7 3 1 3 3 8 3 9 2 5 7 2 5 l 3 8 l 孔n ：； n 埔 8 7 0 8 7 1 1 l 9 9 2 9 8 9 5 8 7 5 3 3 8 6 1跎m 犯n !l l 4 i 7互量n 融m 3 5 4 4 8犯似鲫n !l l 9 3 8 3 5 4 2 6 7 4 4 7 2 6 4眈 鲫n !l l 3 l l 8 6 7 8 0 6 2 6 9 2 0 6铊似叭儿 !l l 8 9 9 l 2 4 3 i 4 9 9 o 0 2 3 9 l 2 8 7 0 8 7 1 l l i 4 5 第四章实验方法及数据分析 检测系统的性能直接影响测量数据的准确性，同样，实验方法和操作步骤也是实验过程中 的重要环，实验方法设计的不当将直接影响测量数据的效果。基于p c 机的鲜肉水分检测系 统在设计过程中通过了相应的稳定性、可靠性的测试，能够满足实验的要求，本章内容的重点 是设计实验方法，对基于p c 机的鲜肉水分检测系统所测量的数据与国标法所测数据进行对比 分析，研究不同实验条件下的数据规律。 4 1 实验材料 4 1 1 实验样品 猪肉前尖、后尖、通脊和猪肉通脊的碎肉。 4 1 2 实验器材 电子天平( 上海精密科学仪器有限公司生产的y p 2 0 2 n 型电子天平，重复性误差为o o l g ) 、 干燥箱( 上海精宏实验设备有限公司生产的d h g - 9 0 1 1 a 型电热恒温干燥箱，控温范围为：室 温+ 1 0 2 0 0 ，温度波动为：4 - _ i c ) 、样品容器( 若干) 、切刀、切板、保鲜膜、镊子、基于 p c 机的水分检测平台。 4 2 实验方法及数据分析 4 2 1 预实验 一、实验方法 本方法的实验对象是猪肉前尖、后尖、通脊等肉块，为了使样品猪肉的含水量分散，在超 市发采购了猪肉样品的前尖、后尖、通脊，分别标记为样品1 号、2 号和3 号；在猪肉市场采 购了猪肉样品的前尖、后尖、通脊，分别标记为样品4 号、5 号和6 号：每个样品的重量在2 0 0 克左右。其具体的实验步骤如下： 1 采样数据 ( 1 ) 取样品一份，采集5 次( 在采集过程中传感器保持不动) ，得到5 个理论水分毫摩 尔浓度值( 文中理论水分毫摩尔浓度是由方程组( 2 - 7 ) 解得的c h d ，其物理含义 为：单位体积肉中所含的水分毫摩尔数) ； ( 2 ) 对该5 个数据进行平均： 1 6 中国农业大学硕士学位论文 实验方法及数据分析 2 国标法( g b f f l 4 7 6 9 - 9 3 ) 获得水分值【4 2 1 ( 1 ) 取样品容器a 1 一个，称量其质量为r e a l ； ( 2 ) 从样品中取样1 0 9 左右，并将其放在样品容器a 1 中，称量其总重m a h ( 3 ) 干燥箱对其进行烘干处理，称量烘干后的质量为m a 0 ； ( 4 ) 计算国标水分值为： m m a l - m a ox 1 0 0 ( 3 1 ) 厶4 1 一r e a l 3 建立理论水分毫摩尔浓度和国标水分值之间的关系 二、实验数据分析 围4 - 1 理论水分毫摩尔浓度和国标水分含量之间的关系 取样品1 号、2 号、3 号、4 号、5 号、6 号，分别按照实验步骤对其进行了实验，其理论 水分毫摩尔浓度和国标法所测水分百分含量成图4 - 1 所示的关系，图中横坐标为理论水分毫摩 尔浓度，单位为m m o l l 。纵坐标为国标法所得的水分百分含量。由图4 - 1 可知，国标法所得的 水分值和理论水分毫摩尔浓度没有表现出明显的相关趋势，进一步做了如下实验： 对三组样品( 标号为1 、2