《无损检测》PPT课件.ppt

第十章无损检测 10 1无损检测技术及其特点10 2计算机图像处理的检测技术10 2 1计算机图像处理技术10 2 2计算机图像处理技术在食品检测中的应用10 3食品物性的力学 声学 电学 光学检测技术10 3 1食品的力学检测技术及其在食品检测中的应用10 3 2食品的声学检测技术及其在食品检测中的应用10 3 3食品的电学检测技术及其在食品检测中的应用10 3 4食品的光学检测技术及其在食品检测中的应用10 4传感器检测技术10 4 1电子鼻 电子舌检测技术10 4 2生物传感器检测技术 10 3 3食品的电学检测技术及其在食品检测中的应用 第一节介电特性检测原理1 介电参数 介电常数 综合反应介质极化行为的一个宏观物理量介质损耗 可反映材料内部缺陷等特性 2 农产品的介电特性农产品生物分子中的束缚电荷 只能在分子线度范围内运动的电荷 对外加电场的响应特性 食品的组织 成分 结构 状态等和它们的电特性都有着密切的关系 食品与农产品的成分 状态或品质的检测是研究其电特性的主要目的之一 食品与农产品电特性的变化主要表现在电流密度 磁导率 绝对介电常数 电容率 电导率等方面 介电常数测量方法 当给农业物料层施加静电场时 其内部的无机物分子极化形成正负离子 正离子负离子在静电场的作用下向阴阳两极移动形成反电势 是测量的电流值随时间按指数规律减小 即随时间增加电阻率增加 此时出现电容效应 因为利用静电场测量不易实现物料介电参数的快速测量 直流介电常数的测量 电桥法测量低频介电常数 谐振电路法测定介电常数 传输线法 微波测量 生物组织的阻抗特性一般用Hayden模型描述 第二节介电特性在水果品质检测中的应用1 基本概念 复阻抗 复导纳 水果的物理常数 与水果的个体尺寸相关复介电常数 水果内部物质特性的反应 与水果的个体尺寸无关 2 水果的新鲜度介电特性间的关系 水果的细胞组成 随着水果新鲜度的降低 细胞膜的电阻增加 电容减小表现在切片组织的电特性上 使由细胞组成的果肉组织等效阻抗增大 相对介电常数及损耗因数减小当水果果实从树上采摘下来后 光合作用减弱甚至停止 由呼吸作用生成的二氧化碳量增加 此时果实组织细胞间的弱酸性环境使细胞电阻增大 电阻比较大的薄细胞膜 具有离子导电性的小电阻的细胞液 水果的新鲜度介电特性间的关系 水果新鲜度的检测 测试系统及仪器 对象 金帅苹果第一组 冰箱取出 室温存放10 12h第二组 室温20 25 空气相对湿度88 90 放置6天第三组 室温20 25 空气相对湿度88 90 放置21天测试三组苹果的电特性 研究结果表明 相对介电常数和介电损耗因数随着金帅苹果新鲜度的降低而减小 其中 相对介电常数在储藏6天的苹果中减小的幅度较小 而损耗因数减小的幅度较大 水果损伤程度的检测 研究表明 正常组织与死亡组织的阻抗有明显差别 正常组织具有阻抗 死亡组织的阻抗为零 正常组织在低频下具有高阻抗 高频下有低阻抗 即正常组织的阻抗是随着频率而变化的 而死亡组织的阻抗不随频率而变化 正常组织在高频的情况下阻抗接近于零 这与死亡组织的的电容为零相似 因此低频阻抗和高频阻抗之比便代表了生物组织的损伤程度 它可用等效并联电阻与电容测得 谷物中的水分子结合水 以化学吸附与谷物组织相结合的水 是在谷粒成长过程中自然形成的胶状结合水 不参加导电 但是电特性分析仍保持强极型分子的介电特性 游离水 可通过毛细管的呼吸作用进入谷粒内部 靠分子间作用力吸附的这部分水影响谷物介电特性的主要因素是谷物中的游离水分 第三节介电特性在谷物品质检测中的应用 利用谷物的电特性检测含水率a 测量谷物含水率的电容方法分析 L是圆柱形容器的高度 D为外电级的内径 d为内电极的外径 为真空中的介电系数 为谷物相对介电系数 C为电容量 缺点 在含水率等同条件下 电容量的值与谷物品种有关 同一品种的谷物也会出现测量误差 测量时 温度和空气中的相对湿度对测量只有直接的影响 温度高 湿度大 使谷物膨胀变得松软 会引起介电系数改变 由于谷物的相对介电系数受到诸多因素的影响 致使电容量的值与谷物的含水率不成线性关系 2 利用谷物介电特性的品质检测和分级品种和籽粒质量相同的谷物 介电常数愈大 其活力越低 品质越差 而介电常数小的谷物则具有较高的活力和较好的品质 这为介电分选原理实现按谷物活力进行品质的分选提供了理论依据 1 利用生物电特性鉴别受精蛋 国内种蛋孵化场用的方法 人工光照法剔除无精蛋和死胚蛋 在孵化的第5天进行光照 剔出无精蛋 浪费蛋 新鲜蛋孵化72h后 就不适合加工成蛋制品 浪费大量食用蛋 消耗无用的能量 而且孵不出雏鸡的蛋中的细菌又污染正常的孵化蛋 鸡蛋的生物电现象 生物电现象是生命组织普遍存在的一种生理现象 凡有生命的细胞都会产生生物电流 鸡蛋的生物电现象是这一生命单元在不同时期生命活动的表现 研究表明 种蛋的生物电与其受精与否 鸡胚雌雄性别以及蛋品新鲜度之间存在较大的相关性 可以成为鉴别和剔除无精蛋 弱精蛋和死胚蛋的一种新的技术和方法 鸡蛋的各种内容物 胚胎 蛋黄 蛋白 之间的电位差产生一个电场 电场的变化可以在蛋壳外测得 它包括电极 鸡蛋夹紧装置 放大器 A D采集器 计算机和监控示波器等 电极从蛋壳外采集的电信号送入放大器后分成两路 一路接示波器 一路接A D采集器 采样后数据送入计算机 供处理分析用 受精蛋与无精蛋的生物电信号的波形有较大的差异 通过100只样本 60只种蛋和40只无精蛋 连续10d的跟踪观测 发现无精蛋的电信号的波幅很小 其时域信号大多近乎直线 受精蛋的生物电信号较为丰富 其时域信号波形如图3 17所示 无精蛋的电信号的波幅很小 其时域信号大多近乎直线 受精蛋的生物电信号较为丰富 利用紫外 可见 红外等光线与物体的相互作用而产生的反射 散射和吸收等现象 用于食品品质检验是20世纪60年代开始的新方法 光学特性可以反映食品与农产品物料的 表面颜色 内部颜色 内部组成结构以及某种特定物质的含量 进而反映了食品与农产品物料的某些重要的品质指标 目前发达国家已把光学特性检测和分选技术应用于食品与农产品的物料质量评定和质量管理的许多方面 10 3 4食品的光学检测技术及其在食品检测中的应用 紫外分光法检测技术主要是在紫外光源照射下 导致荧光物质发光而进行目标检测的 从破损的细胞中漏出果皮表面紫外光 激发光源 精油发出强荧光 波长560nm 220nm和365nm两处波长正常柑橘不释放利用正常部位与损伤部位的荧光发光强度的不同 通过计算机进行数据处理后即可以进行柑橘的分级 柑橘损伤 2 可见分光法的检测技术选择一个合适的光学特性和一个质量特征是建立光学质量指标的关键通常选择光指标的程序是研究产品光谱在不同波长的响应 选择一个或者一系列与质量特性相关的波长 测量标准根据采用的变量形式分为以下五类 1 单波长测量 在某一特殊波长物体的光特性被作为一个指标 2 差分测量 测量两个不同波长的光密度差 3 比率测量 取两种不同波长的光的特征之比 4 复合测量 5 全光谱测量 将一段波长的光谱值与物料质量特征相关 利用化学计量学的方法进行计算分析 可见分光法无损检测原理 光波透过介质时 光速比在真空中小 光的强度也随之下降 光强下降的原因为 介质材料吸收光能转化为热能和由于材料不均匀及微粒杂质引起的光散射因此只有一部分光穿过介质 物体吸收散射和透射部分的比例大小取决于被照物体的的表面状况 内部成分 折射率以及入射光的波长等因素 光密度 可见分光法的检测技术的应用 1 可见分光法在涩柿检测中的应用原理 当可溶性丹宁含量在0 5 以上时 人们就会感觉柿子发涩 而在0 5 以下是就会觉得甜 柿子脱涩是因可溶性单宁物质转化成不可溶性 俗称褐斑的物质所致 这种褐斑物质是检测甜柿的重要元素 当可见光照射到柿子上时存在褐斑物质 丹宁细胞吸收光线 柿子颜色呈暗红色丹宁细胞没有褐变 使柿子颜色发红发亮 a 色选机基本原理 利用物料的反射光量差异进行好坏识别 并利用电磁排料器去除异色粒或杂质b 色选机的主要用途 排除杂质如石头 沙子 玻璃 金属等 去除对人体极具危害的黄斑 霉变 虫蛀 等有害物质c 色选机的结构和工作原理 2 可见分光法在大米色选检测中的应用 光电色选机的工作原理 选择花生仁 米粒等 贮料斗中的物料由振动喂料器送入通道成单行排列 依次落入光电检测室 在光电探测器与比色板之间通过 被选颗粒对光的反射率及比色板的反射率用光电探测器相比较 颜色的差异使光电探测器内部的电压改变 并经放大 如果两者的信号差别超过自动控制水平的预置值 即被存储延时 随即驱动气阀 高速喷射气流将物料吹送入旁路通道 而合格品流经光电检测室时 检测信号与标准信号差别微小 信号经处理判断为正常 气流喷嘴不动作 物料进入合格品通道 色选机的核心 光学检测系统类型 单色光检测系统 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 既可用作反射光检测又可用于透射光检测单色光信号被转换成电信号 并与背景光电信号进行比较 其差值经整形放大处理 当差值大于设定值时 电控系统就驱动分选系统及时剔除异色疵品 双色光检测系统 三视双色光检测系统 常用术语 3 可见分光法在苹果水心病检测中的应用正常苹果组织有20 30 体积被空气占据 而水心苹果的大量空间充满了液体 这些填充细胞间隙的液体改变了苹果组织的光散射特性 光散射因为水心病而减少 使通过水果的光学路径更长 有更多的能量透过 这就是对于相同入射光而言 含有水心的苹果透射的能量更多 从而有小的光密度值 例1 下图为某种柠檬不同成熟度的反射光谱 在波长678nm处 二者有明显差异 可选一小段 1 2进行检测分选 有时 只采用一段光谱还难以把物料中的合格品与疵品完全分开 可采用两段或多段光谱对物料进行检测分选 图是三个等级的花生仁的反射光谱 采用两段的反射光谱就可以将它们分开 4 可见分光法在鸡蛋品质检测中的应用原理 鸡蛋外壳及内容物均有较好的透光性 但蛋壳 卵白 卵黄等是非均匀且透光性极为复杂的生物材料 当光照射到鸡蛋表面上以后 一部分被外表面反射 一部分进入鸡蛋遇到细胞结构 或产生散射 或被细胞物质吸收 其他部分则透过鸡蛋而射出成为分析光 这样在分析光上就负载了一些蛋壳和内容物的特征 3 近红外分光法检测原理 1 简介近红外 nearinfaredNIR 光是指波长介于可见光区域中红外光区之间的电磁波 波长范围约为0 8 2 5 m 波数范围12500 4000cm 1 原理 近红外光谱的信息源是分子内部原子间振动的倍频与合频 在近红外分析中 具有实际意义的主要是以含H的基团 O H N H C H等 为主的一些特征基团近红外光谱分析特点 样品一般不需预处理 适于快速分析 可以利用漫反射技术 多组分同时分析 属于绿色分析技术 2 近红外光谱分析的难点及解决方案 近红外光谱是复杂重叠的光谱 由于近红外光谱测定的样品经常是不经过提纯等预处理的复杂样品 在这些样品终于待测成分一起同时存在高强度的复杂背景解决 为了消除复杂背景的影响 需要取得这些背景的信息 通常是通过收集各种类型的样品 从中选取代表性样品来取得背景的信息 近红外光谱分析建立的数学模型所用的校正样品集应当有代表性 即应包含待测样品的各种背景 由这样的标准样品所建立的数学模型能够校正背景对测定的影响 因此收集样品资源是近红外光谱分析的一个基础 近红外光谱的谱峰宽度比中红外谱带宽得多 物质在近红外谱区的吸收峰分布范围也较宽 因此复杂物同一近红外谱区内常有不同分子多种基团的谱峰重叠在一起解决 采用多元分析 在全谱区内或利用某些特定波长点的组合来提取需要的信息 这是因为对应某一个波长点虽然可能有多种组分的光谱重叠 难以区分不同组分 但任意两种组分在许多波长点或者在近红外全谱区内一般却不可能完全相同 可以采用多波长点的特征来区分不同组分 近红外光谱的变动性大 由于样品未经预处理 因此样品的状态测定的方式以及测定的条件都会影响测定结果 特别是在漫反射时 这种不稳定性主要是测定条件统计性随机波动造成的 可以称为统计波动性解决 在硬件方面 可以运用旋转的样品池 大面积移动式样品池以及积分球等特殊的样品池进行测量在软件方面 通过一些校正系统误差的信息处理技术 如矢量归一化法 多元散射校正以及导数光谱等 校正样品光谱的失真 同时还需建立规范的测试过程以减少光谱的不稳定 红外光谱包含的信息强度低 有机物近红外谱区各级倍频与合频的吸收强度大体上依次比基频或上一级倍频低一个数量级由于红外光谱强度低 因此组分在近红外光谱中的谱峰强度较弱 影响了近红外测量的检测限 解决 在硬件方面 近红外仪器应该具有较高的波长准确度和吸光度准确度在软件方面 近红外分析必须依靠现代化学计量学的算法与计算机技术 利用标准样品近红外谱的全谱区信息 建立样品光谱和待测量间的数学关系 进行运算 得出样品的待测量 应用 1 近红外分光法在水分检测中的应用水的特征吸收 1940 1450 1190 970 760nmO H的倍频吸收带 1450 970 760nmO H的合频吸收带 1940 1190nm 2