CN100489511C

CN100489511C - 蔗糖含量的实时检测方法和在线检测装置

Info

Publication number: CN100489511C
Application number: CNB2007100484669A
Authority: CN
Inventors: 朱名日; 宋叶平; 宣启; 杨勇; 姚育平; 杨杰; 王祥
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2007-02-09
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2027-02-09
Also published as: CN101017147A

Abstract

本蔗糖含量实时检测方法微处理器以50～10kHz的电脉冲激励信号检测蔗糖溶液或甘蔗的糖含量。被测物的糖含量不同，电阻率不同，其电压降不同，据此换算得到其糖含量。本法不受生物电场衰减变化影响。本法用伪随机检测方法，对不同的蔗糖含量施加不同频率的脉冲信号，提高检测精度。本法检测快、准，简便，可测糖含量为0%～20%。据本检测方法设计的蔗糖含量在线检测装置，有导电针筒与针芯的针形传感器与电路模块连接，电路模块有嵌入式微处理器，其内存储有甘蔗或蔗糖溶液糖含量与脉冲信号作用下产生的电信号关系数据和处理程序。只需将传感器针刺入甘蔗皮内或浸及溶液即可得到糖含量值。适于在线检测，特别适合田间作业，使用简单方便。

Description

蔗糖含量的实时检测方法和在线检测装置

(一)技术领域

本发明涉及一种蔗糖含量检测的技术领域，具体为一种采用电脉冲激励信号的甘蔗和蔗糖溶液中蔗糖含量的实时检测方法和在线检测装置。

(二)背景技术

糖业是关系国计民生的重要产业，蔗糖是其中的主要组成。但甘蔗收购时的科学定标定价问题一直以来没有得到很好的解决，这直接影响广大蔗农的收入，也给商家确定收购最佳时机造成困难。因而通过测定甘蔗的糖含量来确定甘蔗的品质、价格和工业加工时间就显得尤为重要。

糖含量的测量有很多方法，有化学方法、物理方法等，化学方法虽然精度高，但测量过程需加入各种试剂等待反应完成，耗时费事，不易用于工业自动化生产的在线测量以及甘蔗生长过程在线检测；而且对于甘蔗等非液态物质，化学测量前先要取样制得液体样品，更影响测定速度。物理方法可分为电测和光测两大类。光学测量主要是用光谱分析法，不同糖含量的液体对光的折射率不同，光测速度快，但是仪器成本高，而且也必须先制得溶液样品，不能实现在线检测糖含量。因此难以田间作业，更不可能普及成为民用产品。电学测量，主要是测定溶液或果品的电阻率，不同糖含量其电阻率不同。但是蔗糖属于非还原性糖苷，其呈现“右旋性”，在水中会有部分水解转变成“左旋性”的转化糖溶液，即由等分子比例的葡萄糖和果糖溶液。由于左旋与右旋物质的粒子不同，因此形成电势，即产生生物电场强度和极性会不同。因此用以直流激励电测方法测定甘蔗或蔗糖溶液糖含量时，受蔗糖生物特性较不稳定的影响，其测量结果误差较大。目前尚无检测结果令人满意的、能够对甘蔗或蔗糖溶液进行实时检测方法和在线检测的装置。

(三)发明内容

本发明的目的是设计一种蔗糖含量实时检测方法，用瞬间的电脉冲序列信号克服蔗糖溶液生物电场的影响，测得准确的糖含量。

本发明的另一目的是设计一种采用上述方法的蔗糖含量在线检测装置，可直接对甘蔗进行接触式糖含量检测。该装置不仅能满足甘蔗生长过程中蔗糖含量在线检测，也能满足蔗糖溶液实时在线检测。

本发明的蔗糖含量实时检测方法，可以检测蔗糖溶液或甘蔗的糖含量。试验表明蔗糖溶液的生物电放电电流为微安级，当采用直流电导率法测量其电阻率时，蔗糖溶液的生物电对测量结果会产生很大的影响，使所测得电阻率量值漂移，难以有准确结果。本法以一定频率的电脉冲激励信号进行测量。当电脉冲激励信号作用于被测物时，由于被测物的糖含量不同，其电阻率不同，因此其电压降的幅度是不同的，根据其电压降的幅度与糖含量的关系，换算得到被测物的糖含量。因蔗糖溶液的生物电场衰减变化是很缓慢的，一个变化缓慢的电物理量与一个瞬间电脉冲相比可以将其视为不变，故本法检测蔗糖含量不受生物电场衰减变化影响，有效克服了直流电导率法存在的不足。

其主要步骤如下：

①微处理器控制的脉冲激励信号产生电路产生50Hz～10kHz的脉冲激励信号，送到被测物；

②因被测物不同的糖含量其电阻率不相同，其上电压降不相同；

③采集的被测物电压信号经滤波、整流、放大，送入微处理器进行处理，根据电信号幅值与甘蔗糖含量或蔗糖溶液糖含量的关系，换算得到被测物的糖含量。因甘蔗内还含有其它成份，故相同糖含量甘蔗和蔗糖溶液在相同脉冲作用下对应的电信号不同，需采用不同的程序处理。

本发明的检测方法还采用伪随机脉冲激励信号检测方法，对不同的蔗糖含量的甘蔗或溶液施加不同频率的脉冲信号，以提高糖含量检测精度。糖含量为8％以下采用50Hz～1kHz脉冲信号；糖含量为8％以上则采用1kHz～10kHz脉冲信号。

根据上述本发明的蔗糖含量实时检测方法，本发明设计了蔗糖含量在线检测装置。本装置包括外壳、针形传感器、分压电阻、液晶显示器、电源开关、测量按键、电路模块和电池。该针形传感器包括导电的针筒与其内的导电针芯，针筒基部固装于本装置外壳一端。针筒长为3厘米～6厘米，针筒内径为0.3毫米～1.2毫米、筒壁厚为0.1～0.3毫米，针芯直径为0.1毫米～0.4毫米，针芯与针筒同轴，二者之间有绝缘层。外壳内的电路模块包括嵌入式微处理器、脉冲激励信号产生电路、分压电阻、运算放大电路、数据采集电路，并有数据传输接口、显示器接口、复位电路、电源电路、按键接口电路。显示器接口通过排线与外壳上的显示器相连；电路模块的按键接口通过排线与外壳上的测量按键相连；电路模块的电源电路经电源开关连接电池。针形传感器的针芯和针筒经电缆与分压电阻串联，分压电阻与电路模块的数据采集电路连接。嵌入式微处理器内存储有甘蔗或蔗糖溶液的不同糖含量与在脉冲信号作用下的产生的电信号关系数据和处理程序，外壳上有甘蔗测糖或溶液测糖选择按键，不同测量模式下微处理器按不同程序处理所得电信号。微处理器控制脉冲激励信号产生电路，当输出信号大于含糖量8％对应的电信号值时，自动调节输出脉冲信号频率，以得到精确的含糖量。故本装置具有伪随机检测功能。

测量时，打开电源开关，用于甘蔗在线测量时，选择甘蔗测糖按键，将针形传感器的针头刺入甘蔗皮内，按下测量按键，电路模块产生脉冲激励信号通过针形传感器送到甘蔗体内，在该激励信号作用下，针形传感器的针芯和针筒及它们之间的蔗糖溶液形成的阻抗产生电压降，该电信号经针形传感器电缆送入微处理器，与标准电阻构成的分压电路输出，分压电路的输出信号经过放大、滤波、数据处理得到其糖含量数值，在液晶显示器上显示。本装置用于蔗糖溶液中测量时，选择溶液测糖按键，将针形传感器的针头浸入溶液中，即可。

本发明的蔗糖含量实时检测方法的优点为：1、测量速度快，对甘蔗进行接触式检测，无须将蔗汁榨出，操作简便，实时得到检测结果；2、不受蔗糖溶液生物电场的干扰，测量精度高，最小分辨率达0.5％；3、测量蔗糖含量范围宽，可测糖含量为0％～20％。

本发明的蔗糖含量在线检测装置的优点为：1、适合用于在线检测，特别适合田间作业，通过测量结果可标定更合理的收购价格和收获时间，以达到提高糖的产量和农民的收入以及降低制糖工业成本的目的；2、无需专业操作，使用简单方便；可以检测蔗糖溶液或直接检测甘蔗的糖含量；3、抗干扰能力强，测量结果不受被测物体的形状、状态、位置的影响；测量精度高，可测范围宽；4、装置成本低，性价比高，使用寿命长，普通农家也可配置；5、装置紧凑、小巧，便于携带，便于使用。

(四)附图说明

图1为本蔗糖含量实时检测方法实施例1所用电路原理框图；

图2为本蔗糖含量在线检测装置实施例1电路框图；

图3为本蔗糖含量在线检测装置实施例1元件安装正视示意图；

图4为本蔗糖含量在线检测装置实施例1元件安装侧视示意图。

(五)具体实施方式

蔗糖含量实时检测方法实施例1

本例为采用本法检测蔗糖溶液糖含量。如图1所示一对电极构成的传感器插入蔗糖溶液，传感器接脉冲激励信号产生电路，传感器与一分压电阻串联，分压电阻的电压信号放大后接入微处理器模块，微处理器模块输出端接显示器。该微处理器模块包括运算放大电路，存储有蔗糖溶液不同糖含量在脉冲信号作用下的产生的电信号关系数据和处理程序。微处理器模块控制脉冲激励信号产生电路，当糖含量为8％以下时，产生500Hz脉冲信号，当糖含量为8％以上时，产生5kHz脉冲信号。

本例中先制得标准浓度的蔗糖溶液，对本法进行验证。测量分压电阻的电压降，经微处理器模块换算处理得到溶液含糖量。表1即为试验结果，由此可见本法检测蔗糖溶液浓度的最小分辨率达0.5％。

表1 蔗糖溶液浓度实时检测结果

蔗糖含量实时检测方法实施例2

本例为采用本法检测甘蔗糖含量。与例1相似，如图1所示，其传感器插入甘蔗样品内，微处理器模块存储有甘蔗不同糖含量在脉冲信号作用下的产生的电信号关系数据和处理程序。微处理器模块控制脉冲激励信号产生电路，当糖含量为8％以下时，产生500Hz脉冲信号，当糖含量为8％以上时，产生5kHz脉冲信号。

表2所示本法检测多个甘蔗样本糖含量的结果，并列出同一样本的甘蔗榨汁后旋光法检测的结果，由此可见本法检测甘蔗糖含量结果稳定，误差小，与旋光法检测结果一致，误差小于1％。

表2 甘蔗含糖量实时检测结果

蔗糖含量在线检测装置实施例

图2所示为本蔗糖糖含量在线检测装置实施例的电路框图，包括针形传感器、电路模块和电池，电路模块包括嵌入式32位微处理器，还包括脉冲激励信号产生电路、分压电阻、运算放大电路、数据采集电路，并有USB数据传输接口、RS232数据传输接口，复位电路、电源电路、显示器接口。其显示器为液晶显示器，电路模块的显示器接口与液晶显示器相连；电路模块的按键电路与外壳上的测量按键、甘蔗测糖或溶液测糖选择按键相连；电路模块的电源电路经电源开关连接电池。传感器电缆连接电路模块的分压电阻与针形传感器，分压电阻与电路模块的数据采集电路连接，电路模块所接数据传输接口为USB接口和或RS232接口。嵌入式微处理器内存储有甘蔗或蔗糖溶液不同糖含量与在脉冲信号作用下的电信号关系数据及处理程序，并存储检测记录。

本装置实施例1的元件实际安装情况如图3和图4所示，包括外壳7、针形传感器针9、液晶显示器5、测量按键8、电路模块3、甘蔗测糖或溶液测糖选择按键2、电源开关6、电池1。该针形传感器9的结构如图所示，包括针筒与其内的针芯，针筒基部固装于外壳7顶端，针芯为高导电率的，如合金，针芯与针筒同轴，二者之间有绝缘层。针筒长为5厘米，内径为1毫米，筒壁厚为0.3毫米，针芯直径为0.3毫米。传感器电缆4连接针形传感器9和电路模块3。电路模块3固装于外壳7内；液晶显示器5的显示屏位于外壳7面板的上部，外壳7表面装有测量按键8和电源开关6，为便于操作，装于外壳7同一侧。外壳7上还装有USB接口、RS232接口。外壳7内还嵌有电池1。

Claims

1、一种蔗糖含量实时检测方法，其特征在于：

以50Hz～10kHz的电脉冲激励信号送到被测物；不同的糖含量的被测物在该激励信号作用下，不相同电阻率产生不同的电压信号；采集的被测物电压信号经滤波、整流、放大送入微处理器，根据电阻率与糖含量的关系，换算得到被测物的糖含量；

被测物糖含量为8％以下采用50Hz～1kHz电脉冲激励信号；糖含量为8％以上则采用1kHz～10kHz电脉冲激励信号。

2、一种蔗糖含量在线检测装置，其特征在于：

包括针形传感器(9)、外壳(7)内的电路模块(3)和电池(1)，电路模块(3)包括嵌入式微处理器，还包括脉冲激励信号产生电路、分压电阻、运算放大电路、数据采集电路，复位电路、电源电路、显示器接口；电路模块(3)的显示器接口与安装于外壳(7)面板上的显示器(5)相连，电路模块(3)的按键电路与外壳(7)上的测量按键(8)、甘蔗测糖或溶液测糖选择按键(2)相连；电路模块(3)的电源电路经电源开关(6)连接电池(1)；电缆(4)连接电路模块(3)的分压电阻与针形传感器(9)，分压电阻与电路模块(3)的数据采集电路连接；微处理器内存储有甘蔗或蔗糖溶液不同糖含量与在脉冲信号作用下的电信号关系数据及处理程序；

所述针形传感器(9)包括导电的针筒与其内的导电针芯，针筒基部固装于外壳(7)顶端，针芯与针筒同轴，二者之间有绝缘层。

3、根据权利要求2所述的蔗糖含量在线检测装置，其特征在于：

所述嵌入式微处理器还存储检测记录，显示屏(5)同时显示本次检测结果和最近的上一次检测结果。

4、根据权利要求3所述的蔗糖含量在线检测装置，其特征在于：

所述嵌入式微处理器接有查看按键，按动此键，依次调出微处理器存储的检测记录，在显示屏(5)上显示。

5、根据权利要求2所述的蔗糖含量在线检测装置，其特征在于：

所述针形传感器(9)的针筒长为3厘米～6厘米，内径为0.3毫米～1.2毫米，筒壁厚为0.1毫米～0.3毫米，其针芯直径为0.1～0.4毫米。

6、根据权利要求2所述的蔗糖含量在线检测装置，其特征在于：

所述电路模块(3)接有USB数据传输接口和/或RS232数据传输接口。

7、根据权利要求2所述的蔗糖含量在线检测装置，其特征在于：

外壳(7)同一侧装有测量按键(8)、甘蔗测糖或溶液测糖选择按键(2)和电源开关(6)。