CN102435580A - 近红外牛奶成分快速测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明的近红外牛奶成分快速测量装置与方法涉及近红外光谱分析的技术领域。装置包括：恒流驱动单元、LED组件单元、样品池单元、光电检测单元、信号处理与控制单元单元、人机接口单元等。采用漫透射测量模式，利用16个短波近红外吸收波长处的样品吸光度值，结合装置内部的预测模型，同时测量牛奶中的脂肪、蛋白质、乳糖、非脂乳固体、总乳固体、水分等指标。本发明的优点是：采用16个短波近红外吸收波长快速测量牛奶主要成分，数据量少，测量速度快，适合现场使用；由于该仪器体积小，功耗低，重量轻，便于携带，因此可以满足现场快速分析牛奶样品主要成分的需要。

Description

近红外牛奶成分快速测量装置与方法

技术领域

本发明涉及近红外光谱分析技术领域，属于一种利用有限个吸收波长点快速分析牛奶成分的方法与仪器。

背景技术

在奶牛的优良品种培育、筛选，牛奶的原料收购、生产加工、商品流通等环节，准确、快速分析牛奶成分具有重要意义。它不仅对奶牛的品种培育提供科学的指导，而且为产品的质量管理、成品的质量控制、商品的品质监测提供真实的数据，也便于工商人员及时发现伪劣产品，打击制假贩假的不法行为，保障食品安全，维护消费者利益。

传统的牛奶成分分析采用分析化学方法，如脂肪采用盖勃法测量，蛋白质采用凯氏定氮法测量，乳糖采用莱茵-埃农氏法滴定，乳固体采用干燥称重法测得。整个分析过程耗时费力，并且要使用多种分析仪器或装置，操作复杂，测量精度差，而且测量过程中还要消耗多种化学试剂，污染环境，更无法在现场使用。

牛奶品质分析除了分析化学方法外，目前主要有红外光谱法和超声波法，所涉及的仪器有丹麦福斯(Foss)公司生产的乳品成分分析仪和采用钨灯为光源的超声波牛奶成分检测仪。上述仪器均为台式仪器，体积大、功耗高，无法满足现场使用的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题，是针对已有仪器难以现场使用的弊端，提供一种近红外牛奶成分快速分析装置与方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种近红外牛奶成分快速分析装置。

一种近红外牛奶成分快速测量装置，由恒流驱动单元、LED组件单元、样品池单元、光电检测单元、信号处理与控制单元、人机接口单元构成；

所述的恒流驱动单元，由数字/模拟转换器、电压/电流转换电路、镜像恒流源、多路开关、数字接口电路顺序连接构成；恒流驱动单元的输入端和信号处理与控制单元相连，其输出端与LED组件单元相连，用来驱动16路LED工作；

其中数字/模拟转换器、多路开关、数字接口电路均为市售通用器件。电压/电流转换电路、镜像恒流源等均由通用电路结构组成。

所述的LED组件单元，包括16路近红外波段的LED及与LED发光波长对应的窄带干涉滤光片，滤光片的中心波长分别为747nm、760nm、870nm、880nm、910nm、920nm、930nm、937nm、950nm、970nm、980nm、990nm、1017nm、1047nm、1055nm、1065nm；

所述的样品池单元，由样品池、测量室和遮光罩组成，测量室为一个积木式装配的机械部件，其一侧用螺纹连接LED组件单元，另一侧用螺纹连接光电检测单元。测量室底部与机壳相连；测量时，样品池置于测量室内，遮光罩罩在测量室外；

所述的光电检测单元，安装在一个机械密封的金属盒内部，金属盒设计有导线出入口。光电检测单元由光电二极管检测器、电流/电压转换电路、滤波电路、A/D转换电路等顺序连接构成；

其中光电二极管检测器和A/D转换电路均为市售通用器件，电流/电压转换电路和滤波电路均由通用电路结构组成。

所述信号处理与控制单元，以通用微处理器为核心；

所述的人机接口单元，包括四个按键开关、液晶显示器、微型打印机接口和标准的USB接口；它们分别经缓冲器电路与微处理器连接。

本发明的样品池，为长方形，厚度为20mm，材料为普通玻璃或石英玻璃；所述的测量室，在底部设计有液体泄放孔，可以在样品池发生意外破裂时，防止样品液体进入仪器内部，造成仪器故障；所述的遮光罩，由黑色不透光材料加工而成。

本发明的微处理器，最好选用ARM公司的型号为AT91SAM7S256的微处理器。

本发明还提供一种近红外牛奶成分现场快速测量方法，该方法可以快速分析牛奶样品中的脂肪、蛋白质、乳糖、非脂乳固体、总乳固体、水分等含量数据。该方法包括以下步骤：

步骤A：将空的样品池置于测量室，盖上遮光罩，接通恒流驱动单元驱动16路LED按照不同大小的恒定电流顺序发光，并照射到样品池上，经过样品池的光信号被光电检测器接收，转换成电信号；经过信号处理，信号处理与控制单元采集16个波长处的空白光谱信息；

步骤B：将经过均质的牛奶样品放入样品池并置于测量室，盖上遮光罩，接通恒流驱动单元驱动16路LED按照与空白样品室测量时对应的恒定电流顺序发光，并照射到样品池上，经样品的漫透射后，载带了样品信息的光信号被光电检测器接收，转换成与样品含量相关的电信号，经过信号处理，信号处理与控制单元采集16个波长处的样品光谱信息；

步骤C：微处理器自动计算16个波长处的样品吸光度值；

步骤D：利用近红外牛奶成分快速测量装置内置的牛奶样品中成分含量与其在16个波长处的吸光度之间的化学计量学预测模型，得到牛奶样品中的脂肪、蛋白质、乳糖、非脂乳固体、总乳固体、含水率等的含量数据，并输出到液晶显示器上。

由于本发明采用以上技术方案，因而具有以下优点：

1、采用有限个短波近红外波长，结合化学计量学预测模型对液体牛奶样品进行分析，可一次性分析样品中的脂肪、蛋白质、乳糖、非脂乳固体、总乳固体、含水率等含量的数据，数据量少，测量速度快；

2、采用LED作为光源，窄带干涉滤光片为分光器件，使得仪器体积小、功耗低、无可动部件，有利于仪器小型化、微型化，满足现场使用的要求；

附图说明

图1是本发明的硬件结构原理框图；

图2是本发明的分析方法流程图；

图3是本发明实施例3的牛奶乳蛋白测定结果的数据拟合图；

图4是本发明实施例3的牛奶乳脂肪测定结果的数据拟合图；

图5是本发明实施例3的牛奶乳糖测定结果的数据拟合图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

实施例1

基于本发明的近红外牛奶成分快速分析仪器，其硬件结构原理框图如图1所示。本发明采用漫透射近红外光谱法，基于短波近红外区域的LED单色光源，硅光电二极管为检测器、ARM微处理器为核心，构成近红外牛奶成分快速分析仪器。仪器的硬件部分由恒流驱动单元、LED组件单元、样品池单元、光电检测单元、信号处理与控制单元、人机接口单元等部分组成。

所述的恒流驱动单元由数字/模拟转换器、电压/电流转换电路、镜像恒流源、多路开关、数字接口电路等顺序连接构成。其中数字/模拟转换器可以采用12位的转换器，如AD5320芯片。多路开关可以采用ULN2803或ULN2003等芯片。数字接口电路可以采用74HC373、74HC245等器件。电压/电流转换电路、镜像恒流源等均由通用电路结构组成。恒流驱动单元的输入端和信号处理与控制单元相连，其输出端与LED组件单元相连，用来驱动16路LED工作。

所述的LED组件单元包括16个短波近红外波段的LED，与LED发光波长对应的窄带干涉滤光片，滤光片的中心波长分别为747nm、760nm、870nm、880nm、910nm、920nm、930nm、937nm、950nm、970nm、980nm、990nm、1017nm、1047nm、1055nm、1065nm等。

所述的样品池单元由样品池、测量室和遮光罩组成，样品池为长方形，材料为普通玻璃或石英玻璃，样品池厚度为20mm。测量室为一个积木式装配的机械部件，其一侧用螺纹连接LED组件单元，另一侧用螺纹连接光电检测单元。测量室底部与机壳相连，并在测量室底部专门设计了液体泄放孔，防止样品池发生意外破裂时，样品液体进入仪器内部，造成仪器故障。遮光罩由黑色不透光材料加工而成。

所述的光电检测单元安装在一个机械密封的金属盒内部，金属盒设计有导线出入口。光电检测单元由光电二极管检测器、电流/电压转换电路、滤波电路、A/D转换电路等顺序连接构成。其中光电二极管检测器和A/D转换电路均为市售通用器件，如光电二极管检测器可以为S1337-1010BR器件。A/D转换电路可以采用市售的AD974器件。电流/电压转换电路和滤波电路均由通用电路结构组成。所用光电二极管检测器用于检测空白和样品的光强度信号，并将光强信号转换为与之成正比的电流信号，再送入电流/电压转换电路，经滤波电路、A/D转换电路得到数字信号发送到微处理器。

所述信号处理与控制单元以通用微处理器为核心，其型号可以采用如以ARM架构为内核的AT91SAM7S256器件。

所述的人机接口单元包括四个按键开关、液晶显示器、微型打印机接口和标准的USB接口。四个按键开关分别实现“确认”、“上选”、“下选”、“返回”等功能，引导仪器操作，便于人机对话。

在软件控制下，仪器测量过程如下：信号处理与控制单元控制恒流驱动单元以不同的恒定电流驱动16路LED顺序地进行发光，经过窄带干涉滤光片后，光线经LED组件汇聚到样品池中心，经样品的漫透射后，载带了样品信息的光信号被光电二极管检测器接收，转换成与样品含量相关的电信号。经过信号处理，仪器获得样品在16个波长处的吸光度值。再利用仪器内部携带的牛奶样品中主要成分含量与其在16个波长处的吸光度之间的化学计量学预测模型，即可在1分钟内得到牛奶样品中的脂肪、蛋白质、乳糖、非脂乳固体、总乳固体、含水率等含量数据，实现牛奶成分现场快速分析的目标。

实施例2

图2是本发明实施例的漫透射近红外牛奶主要成分快速分析法的流程图，参见图2，所述方法包括：

步骤A、将空的样品池置于测量室，盖上遮光罩，按下“确定”按钮开关，16路LED按照不同大小的恒定电流顺序发光，并照射到样品池上，经过样品池的光信号被光电检测器接收，转换成电信号。经过信号处理，仪器采集16个波长处的空白光谱信息。

步骤B、将均质后的未知成分的牛奶样品放入样品池内，再将样品池置于测量室，盖上遮光罩，按下“确定”按钮开关，16路LED按照与空白测量时对应的恒定电流顺序发光，并照射到样品池上，经样品的漫透射后，载带了样品信息的光信号被光电检测器接收，转换成与样品含量相关的电信号，经过信号处理，仪器采集16个波长处的样品光谱信息。

步骤C、仪器自动计算16个波长处的未知牛奶样品的吸光度值，以此构建未知牛奶样品的光谱矩阵X_未知。

步骤D、利用仪器在建模时获得的光谱载荷矩阵P，代入下式：

X_未知＝T_未知·P。即可求得X_未知矩阵的得分矩阵T_未知。

步骤E、将仪器建模时获得的样品浓度载荷矩阵Q和关联系数矩阵B及得分矩阵T_未知代入下式：Y_未知＝T_未知BQ。即可获得未知浓度样品中的脂肪、蛋白质、乳糖这3个主要成分的百分含量数据。

步骤F、对于未知牛奶样品中的总乳固体、非脂乳固体和水分百分含量数据，可由上述3个主要成分(脂肪、蛋白质、乳糖)的百分含量数据(C_脂肪、C_蛋白质、C_乳糖)通过如下公式计算得到：

C_总乳固体＝C_脂肪+C_蛋白质+C_乳糖(％)，

C_{非脂乳固体}＝C_总乳固体-C_脂肪(％)，

C_水分＝100-C_总乳固体(％)。

步骤G、仪器得到未知牛奶样品中所含有的脂肪、蛋白质、乳糖、非脂乳固体、总乳固体、水分等含量数据，并输出到液晶显示器上。

在所述步骤A和B中，所述有限个短波近红外的16个分立的吸收波长分别为747nm、760nm、870nm、880nm、910nm、920nm、930nm、937nm、950nm、970nm、980nm、990nm、1017nm、1047nm、1055nm、1065nm等，利用这16个波长处的吸光度值进行样品测量。

在所述步骤A和B中，为了提高测量精度，空白与样品的信号可以选择多次平均值作为其信号值，如3次、5次7次或10次平均。即，所述的采集16个波长处的空白光谱信息，是每个波长处采集3～10次信号值，取平均值再得到该波长处的空白光谱信息；所述的采集16个波长处的样品光谱信息，是每个波长处采集3～10次信号值，取平均值再得到该波长处的样品光谱信息。

实施例3

对本发明的技术方案中的化学计量学预测模型(PLS预测模型)的建立进行详细说明。

选用不同品牌、不同批次的89个市售牛奶样品。其中蛋白质含量范围为1.01～3.57，均值为2.91，脂肪含量范围为1.17～4.00，均值为2.82，乳糖含量范围为1.41～5.13，均值为4.26。

采用国标方法测定89个牛奶样品的主要成分含量作为参考。其中脂肪标准值由盖勃法测得，蛋白质标准值由凯氏定氮法测得，乳糖标准值由莱茵-埃农氏法测得。

同时测定这些样品在40℃的温度条件下、以空的样品池为参比条件下的光谱数据。从中随机抽取以20个样品为预测集，其余69个样品构成校正集。采用标准化数据预处理方法，利用偏最小二乘法(PLS)进行数据拟合，建立了仪器的化学计量学模型。结果见表1，其中乳蛋白的数据拟合结果见图3，乳脂肪的数据拟合结果见图4，乳糖的数据拟合结果见图5。

表1是本发明的具体实施例采用仪器内置化学计量学模型得到的预测结果。

表1

本发明上述实施例中，采用有限个波长的近红外LED为光源，窄带干涉滤光片为分光器件，光电二极管为光电检测器件构成仪器核心部分，利用牛奶样品中脂肪、蛋白质、乳糖等成分对近红外光具有吸收的特性，通过测量牛奶样品的光谱数据，结合仪器内部携带的化学计量学预测模型(PLS预测模型)，就可以实现牛奶成分现场快速分析的需要。

本发明采用漫透射测量模式，能直接测量牛奶样品中的主要成分，具有现场使用、测量速度快、使用方便等优点。

Claims (5)

1.一种近红外牛奶成分快速测量装置，由恒流驱动单元、LED组件单元、样品池单元、光电检测单元、信号处理与控制单元、人机接口单元构成；

所述的恒流驱动单元，由数字/模拟转换器、电压/电流转换电路、镜像恒流源、多路开关、数字接口电路顺序连接构成；恒流驱动单元的输入端和信号处理与控制单元相连，其输出端与LED组件单元相连，用来驱动16路LED工作；

所述的LED组件单元，包括16路近红外波段的LED及与LED发光波长对应的窄带干涉滤光片，滤光片的中心波长分别为747nm、760nm、870nm、880nm、910nm、920nm、930nm、937nm、950nm、970nm、980nm、990nm、1017nm、1047nm、1055nm、1065nm；

所述的样品池单元，由样品池、测量室和遮光罩组成；测量室为一个积木式装配的机械部件，其一侧用螺纹连接LED组件单元，另一侧用螺纹连接光电检测单元，测量室底部与机壳相连；测量时，样品池置于测量室内，遮光罩罩在测量室外；

所述的光电检测单元，安装在一个机械密封的金属盒内部，金属盒设计有导线出入口；光电检测单元由光电二极管检测器、电流/电压转换电路、滤波电路、A/D转换电路等顺序连接构成；

所述信号处理与控制单元，以通用微处理器为核心；

所述的人机接口单元，包括四个按键开关、液晶显示器、微型打印机接口和标准的USB接口；它们分别经缓冲器电路与微处理器连接。

2.根据权利要求1所述的近红外牛奶成分快速测量装置，其特征是，所述的样品池，为长方形，厚度为20mm，材料为普通玻璃或石英玻璃；所述的测量室，在底部设计有液体泄放孔；所述的遮光罩，由黑色不透光材料加工而成。

3.根据权利要求1或2所述的近红外牛奶成分快速测量装置，其特征是，所述的微处理器，型号是ARM公司的AT91SAM7S256。

4.一种使用权利要求1的近红外牛奶成分快速测量装置的牛奶成分测量方法，有以下步骤；

步骤A：将空的样品池置于测量室，盖上遮光罩，接通恒流驱动单元驱动16路LED按照不同大小的恒定电流顺序发光，并照射到样品池上，经过样品池的光信号被光电检测器接收，转换成电信号；经过信号处理，信号处理与控制单元采集16个波长处的空白光谱信息；

步骤B：将经过均质的牛奶样品放入样品池并置于测量室，盖上遮光罩，接通恒流驱动单元驱动16路LED按照与空白样品室测量时对应的恒定电流顺序发光，并照射到样品池上，经样品的漫透射后，载带了样品信息的光信号被光电检测器接收，转换成与样品含量相关的电信号，经过信号处理，信号处理与控制单元采集16个波长处的样品光谱信息；

步骤C：微处理器自动计算16个波长处的样品吸光度值；

步骤D：利用近红外牛奶成分快速测量装置内置的牛奶样品中成分含量与其在16个波长处的吸光度之间的化学计量学预测模型，得到牛奶样品中的脂肪、蛋白质、乳糖、非脂乳固体、总乳固体、含水率的含量数据，并输出到液晶显示器上。

5.根据权利要求4的牛奶成分测量方法，其特征是，所述的采集16个波长处的空白光谱信息，是每个波长处采集3～10次信号值，取平均值再得到该波长处的空白光谱信息；所述的采集16个波长处的样品光谱信息，是每个波长处采集3～10次信号值，取平均值再得到该波长处的样品光谱信息。

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