CN103412044A - 一种sawr检测掺假油的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种SAWR检测掺假油的系统及方法。解决现有技术中无表面波技术检测油含油量的装置，以及采用其他技术检测油含油量结构较复杂、成本较高的问题。系统包括有谐振检测单元，所述谐振检测单元设置有两个检测电极，检测电极端头上设置有压电基片，所述谐振检测单元输出端通过连接一数字转换单元后与处理单元相连接。本发明的优点是采用声表面波技术，且系统结构简单，成本低，能够快速无损检测出油含油量，且检测精度高。

Description

一种SAWR检测掺假油的系统及方法

技术领域

本发明涉及一种食品检测技术，尤其是涉及一种检测速度快、检测准确、结构简单的SAWR检测掺假油的系统，以及SAWR检测掺假油的方法。

背景技术

动/植物油是百姓生活中不可缺少的食材，近年来，市场上出现了许多掺假油料，消费者长期摄入后会诱发一系列的健康问题，因此对于一种快速准确的掺假油料检测方法需求迫切。

声表面波(SAW)技术诞生于19世纪80年代，该方法为制作高灵敏度、高集成度、尺寸小的检测元件提供了可能。目前，已有许多基于SAW器件的检测应用。在生物检测领域也有广泛应用，如细菌生长情况监测、食品分析、生物医学分析等。因此有必要设计一种擦用声表面波技术，快速精确检测回收油含油量的设备，以及检测方法。

中国实用新型专利，专利号201020144645.X，公开了一种基于近红外光谱分析技术的油水分快速监测装置，该装置由光透射装置、光纤传导、光探测装置、多路数据采集器、微型计算机所组成，光透射装置由全谱光源、透镜、漫反射镜、透射检测器组成。光源发出的宽谱光经过油，将透过油的透射光和经油散射的散射光共同通过光纤传递，然后分光得到多路光，每路光透过滤光片后，到达探测器，检测各路光强情况，经计算机实时采集，分析数据得出油的含油量等成份。该装置虽然也能快速检测油含油量，但该装置采用光学仪器构建，装置结构较复杂，相对成本也较高。

发明内容

本发明主要是解决现有技术中无表面波技术检测油含油量的装置，以及采用其他技术检测油含油量结构较复杂、成本较高的问题，提供了一种检测速度快、检测准确、结构简单、成本低的SAWR检测掺假油的系统，以及SAWR检测掺假油的方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种SAWR检测掺假油的系统，包括有谐振检测单元，所述谐振检测单元设置有两个检测电极，检测电极端头上设置有压电基片，所述谐振检测单元输出端通过连接一数字转换单元后与处理单元相连接；

谐振检测单元：通过检测电极对油样品进行检测，输出电压模拟信号给数字转换单元；

数字转换单元：对电压模拟信号进行计算，获得该电压模拟信号的频率响应值曲线，将频率响应值曲线发送给处理单元；

处理单元：对频率响应值曲线进行采样，通过非线性随机共振模型计算得到信噪比值，再根据对各标准样品检测得到的信噪比与油样品含油量的关系式，计算出当前油样品的含油量。本发明通过声表面波即SAW技术对油样品含油量进行检测，能够快速无损的检测出油样品的含油量，相比其他检测方法的设备，本发明检测系统结构更加简单，体积更小，且检测精度更高。

作为一种优选方案，在所述压电基片上蚀刻形成有一个叉指换能器，两个反射栅，在叉指换能器两端分别设置有输入极和输出极，所述两个反射栅分别设置在叉指换能器的两侧位置，在反射栅的上下侧分别横向设置有增益栅，在反射栅的远离叉指换能器一侧还设置有吸音条。电信号加于叉指换能器两极时，在压电基片上激励的声表面波（Surface AcousticWave，SAW）向两侧传播，在左右两反射栅的栅极之间发生多次反射，反射波仍由叉指换能器接收。吸音条为了避免SAW波能量外泄，而且可以阻止外界噪音的干扰。增益栅可以防止SAW波从反射栅的空白位置溢出，这样可以使得更多SAW波经过反射栅反射回输入极和输出极，增加了检测的准确性。

作为一种优选方案，所述压电基片为ST切型石英，叉指换能器叉指宽度a=1.9μm，叉指间距b=1.7μm，指条对数N=100，声孔径W=720μm，叉指指条的铝条厚度H=200nm，每个反射栅的指条数目N_{re f}=200，两侧的反射栅与叉指换能器之间的距离s=9.0μm，增益栅的宽度与反射栅宽度一样，增益栅与反射栅之间距离为9.0μm。叉指换能器发出433.92MHz的中心频率，周期节长度M=7.2μm，压电基片采用ST切型石英作为基底材料而非其它石英晶体切型（譬如AT切、SC切）是因为其更容易在高频率端工作。ST切型(ST=StableTemperature)其欧拉角度为(0°,132.75°,0°)。有时此切型也称为“X轴方向传播的Y切石英晶体”。

作为一种优选方案，系统还包括有样品盒，所述样品盒上部为盖体，所述检测电极密封插入在盖体上，在样品盒一侧壁上设置有开口，在开口内设置有抽拉式的槽体，样品油放置在槽体内，在样品盒内还包括有检测温度的温度传感器、加热器和控制处理器，所述温度传感器和加热器分别设置在样品盒内上部位置，且温度传感器和加热器分别连接在控制处理器上。该样品盒为密封结构，防止了温度、湿度及其他环境因素对样品的影响。该样品油放入到槽体内，然后将槽体推入到样品盒内，这种结构操作简单，使得槽体容易清洗。推入槽体后然后盖上盖体，将检测电极伸入到样品油中。温度传感器检测样品盒内温度，确保样品在合适的温度下进行检测，温度传感器将检测到的数据传输给控制处理器，控制处理器进行分析，若温度太低，如在寒冷的天气，会影响样品活性，影响将此精度，则控制加热器进行加热，直至合适的温度后停止。温度传感器和加热器安装在盒内样品的上方。

作为一种优选方案，所述样品盒为杯子或瓶子，样品盒高度为10～20cm，样品盒主体为方柱形或圆柱形，若为方柱形，该样品盒宽度和长度都为5～10cm，若为圆柱形，该样品盒直径为5～15cm。样品盒采用杯子或瓶子，优选玻璃杯子或瓶子，也可以是其他材质，如塑料或金属。该盖体盖合面上设置有一圈限位沿，限位沿上套有密封圈，盖体盖合时，限位沿嵌入在样品盒开口内并与开口密封。

作为一种优选方案，所述样品盒外罩有屏蔽盒，所述屏蔽盒包括底座和盖置于底座上的罩体，罩体与底座通过铰接相连，在罩体开口边缘上设置有向外翻的接触沿，所述接触沿与底座接触的面上设置有屏蔽条，在底座上对应接触沿位置设置有屏蔽条，在罩体上除与底座铰接的边缘外，其他边缘的接触沿前端都设置有包边，罩体盖下时，包边包在底座的侧面上，所述罩体和底座由金属制成，在所述罩体表面和底座表面涂覆有防锈层，在罩体上还设置有把手。屏蔽盒可开启，样品盒放入在屏蔽盒内，屏蔽盒起到隔离外部信号的干扰，同时也降低了人员对检测的影响。该接触沿、屏蔽条使得罩体与底座之间导电性更好，使得屏蔽效果更好。包边使得罩体与底座更好的接触，提高了屏蔽效果。

作为一种优选方案，所述谐振检测单元包括电感L1、电感L2、电容C1、电容C2、三极管Q1、三极管Q2、电阻R1、电阻R2、共振器P1，所述两个检测电极分别为第一检测电极和第二检测电极，第二检测电极串联电感L1后与电源相连接，第一检测电极连接到共振器P1输入端上，共振器P1输出端连接到三极管Q1基极上，电阻R1连接在第二检测电极和三极管Q1基极之间，电容C2连接在第二检测电极和三极管Q1发射极之间，电感L2连接在第二检测电极和三极管Q1集电极之间，三极管Q1发射极还与三极管Q2集电极相连，三极管Q2基极通过串联电阻R2后连接电源，三极管Q2发射极接地，电容C1一端连接在三极管Q1集电极，电容C1另一端连接谐振检测单元输出端。两个检测电极伸入样品中后形成类似电容结构，电感L2和电容C2构成LC振荡电路，三极管Q1和三极管Q2起到放大作用，电感L1用于隔离交流电，电容C1用于隔离直流电。通过谐振检测单元检测样品，由输出端输出电压信号。

一种SAWR检测掺假油的方法，包括以下步骤：

步骤一：将检测电极伸入到样品中开始检测，谐振检测单元将检测到的电压模拟信号输送给数字转换单元，数字转换单元对电压模拟信号进行计算，得到频率响应值曲线；

步骤二：处理单元对频率响应值曲线进行处理，在频率响应值曲线上采样80～120个点，将曲线采样得到的数据作为输入数据Input（t），代入非线性随机共振模型计算得到信噪比SNR，该非线性随机共振模型算法如下：

ξ(t)为高斯白噪声，其自相关联函数为：E[ξ(t)ξ(0)]＝2Dδ(t)，a是输入信号强度，f₀是调制信号频率，D是噪声强度，a、b均是实参数，得到信噪比为：

$\mathrm{SNR}=2\left[\underset{\mathrm{\Δ\ω}\→0}{\lim }\underset{\mathrm{\Ω}-\mathrm{\Δ\ω}}{\overset{\mathrm{\Ω}+\mathrm{\Δ\ω}}{\∫}}S\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{d\ω}\right]/S_N\left(\mathrm{\Ω}\right)$

S(ω)是信号频谱密度，S_N(Ω)是信号频率范围内的噪声强度；

取该信噪比曲线峰值作为信噪比特征值；

步骤三：将信噪比特征值代入油样品含油量预测公式：

$\mathrm{Wk}=-\frac{\mathrm{SNR}+86.76318}{17.61727}$

计算出油含油量。

作为一种优选方案，所述油样品含油量预测公式由以下步骤计算得出：

取油含量分别为0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，1.0的油样品并进行编号，按照步骤一至二分别对这些油样品进行检测，得到相应的信噪比特征值，处理单元根据这些油样品含量和信噪比特征值得到预测曲线，对预测曲线进行拟合得到信噪比与油含量的关系式

SNR＝-65.52727-17.67273Wk（R=-0.99596）

然后变换得到油样品含油量预测公式。

作为一种优选方案，设置样品测试环境温度为22～28℃。

因此，本发明的优点是：采用声表面波技术，且系统结构简单，成本低，能够快速无损检测出油含油量，且检测精度高。

附图说明

附图1是本发明的一种结构框示图；

附图2是本发明中压电基片的一种结构示意图

附图3是本发明中样品盒的一种结构示意图；

附图4是本发明中屏蔽盒的一种结构示意图；

附图5是本发明中谐振检测单元的一种电路结构示意图。

1-谐振检测单元  2-数字转换单元  3-处理单元  4-样品盒5-屏蔽盒  6-检测电极  7-压电基片  8-叉指换能器  9-反射栅10-增益栅  11-吸音条  12-盖体  13-控制处理器  14-加热器15-温度传感器  16-槽体  18-底座  19-罩体  20-接触沿  21-屏蔽条  22-阀门  23-把手

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本实施例一种SAWR检测掺假油的系统，如图1所示，包括有谐振检测单元1、数字转换单元2和处理单元3，该谐振检测单元具有两个对样品检测的检测电极6，在检测电极的前端设置有压电基片7，谐振检测单元的输出端与数字转换单元相连接，数字转换单元则与处理单元相连接。该处理单元可以为计算机，对检测到的数据进行计算处理最后得到油含油量值。

如图3所示，油样品放置在一样品盒4内，该样品盒为密封杯子，本实施例中采用玻璃方杯，该样品盒高度为15cm，长度和宽度都为10cm，样品盒上部为盖体12，可以方便打开和关闭，盖体盖合面上设置有一圈限位沿，限位沿上套有密封圈，盖体盖合时，限位沿嵌入在样品盒上端开口内并与开口密封，盖体上设置有两个穿孔，穿孔内设置有橡皮，橡皮中间设有孔，检测电极没插入时，橡皮将穿孔密封，检测电极穿入时，橡皮紧紧包住检测电极，起到密封作用。检测电极通过穿孔伸入到样品盒内，在样品盒一侧壁上设置有开口，在开口内设置有抽拉式的槽体16，该槽体也为玻璃结构，样品油放置在槽体内。在样品盒内还包括有检测温度的温度传感器15、加热器14和控制处理器13，温度传感器和加热器分别设置在样品盒内，且设置在样品盒上部位置，具体的在样品盒上部设置有凸起，凸起内设有空腔用来放置控制处理器，加热器和温度传感器则嵌置在凸起旁边，温度传感器和加热器分别连接在控制处理器上。使用时拿出槽体，将样品油放入槽体，再将槽体推入样品盒内，然后将检测电极插入在盖体上，盖上盖体，检测电极浸入在样品油中。

如图2所示，压电基片由ST切型石英构成，在压电基片上蚀刻形成有一个叉指换能器8，两个反射栅9，在叉指换能器上下两侧上分别设置有输入极和输出极，两个反射栅分别设置在叉指换能器的左右两侧位置，在反射栅的上下侧分别横向设置有增益栅10，在反射栅的远离叉指换能器一侧还设置有吸音条11。该叉指换能器叉指宽度a=1.9μm，叉指间距b=1.7μm，指条对数N=100，声孔径W=720μm，叉指指条的铝条厚度H=200nm，每个反射栅的指条数目N_ref=200，两侧的反射栅与叉指换能器之间的距离s=9.0μm，增益栅的宽度与反射栅宽度一样，增益栅与反射栅之间距离为9.0μm。

该压电基片利用精密光刻工艺在ST切型石英基底表面制作铝制IDT及反射栅图案，其工艺流程包括：研磨、清洗→蒸发电极膜→甩胶前烘→曝光→显影、漂洗、坚膜→腐蚀→去胶。

如图5所示，给出了谐振检测单元的电路结构，该谐振检测单元包括有电感L1、电感L2、电容C1、电容C2、三极管Q1、三极管Q2、电阻R1、电阻R2、共振器P1，图中元器件P2的1和2分别是检测电极，这两个检测电极分别记为第一检测电极和第二检测电极，第二检测电极串联电感L1后与电源相连接，第一检测电极连接到共振器P1输入端上，共振器P1输出端连接到三极管Q1基极上，电阻R1连接在第二检测电极和三极管Q1基极之间，电容C2连接在第二检测电极和三极管Q1发射极之间，电感L2连接在第二检测电极和三极管Q1集电极之间，三极管Q1发射极还与三极管Q2集电极相连，三极管Q2基极通过串联电阻R2后连接电源，三极管Q2发射极接地，电容C1一端连接在三极管Q1集电极，电容C1另一端连接谐振检测单元输出端。

谐振检测单元设置在屏蔽盒5内，如图4所示，该屏蔽盒包括底座18和盖置于底座上的罩体19，在罩体的一侧壁上设置有铰接片，在底座上设置有铰接座，铰接片铰接在铰接座上，使得罩体与底座铰接相连，在罩体开口边缘上设置有向外翻的接触沿20，接触沿与底座接触的面上设置有屏蔽条21，在底座上对应接触沿位置设置有屏蔽条，在罩体上除与底座铰接的边缘外，其他边缘的接触沿前端都设置有包边24，罩体盖上时，接触沿上的屏蔽条与底座上屏蔽条相接触，包边包在底座的侧面上。罩体和底座由金属制成，在罩体表面和底座表面涂覆有防锈层，在罩体上还设置有把手23。

该SAWR检测掺假油系统的检测方法为，包括以下步骤：

步骤一：设置样品测试环境温度为25℃，将检测电极伸入到样品中开始检测，谐振检测单元将检测到的电压模拟信号输送给数字转换单元，数字转换单元对电压模拟信号进行计算，得到频率响应值曲线；

步骤二：处理单元对频率响应值曲线进行处理，在频率响应值曲线上采样70～100个点，将曲线采样得到的数据作为输入数据Input（t），代入非线性随机共振模型计算得到信噪比SNR，该非线性随机共振模型算法如下：

ξ(t)为高斯白噪声，其自相关联函数为：E[ξ(t)ξ(0)]＝2Dδ(t)，a是输入信号强度，f₀是调制信号频率，D是噪声强度，a、b均是实参数，得到信噪比为：

$\mathrm{SNR}=2\left[\underset{\mathrm{\Δ\ω}\→0}{\lim }\underset{\mathrm{\Ω}-\mathrm{\Δ\ω}}{\overset{\mathrm{\Ω}+\mathrm{\Δ\ω}}{\∫}}S\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{d\ω}\right]/S_N\left(\mathrm{\Ω}\right)$

S(ω)是信号频谱密度，S_N(Ω)是信号频率范围内的噪声强度；

取该信噪比曲线峰值作为信噪比特征值；

步骤三：将信噪比特征值代入油样品含油量预测公式：

$\mathrm{Wk}=\frac{\mathrm{SNR}+86.76318}{17.61727}$

计算出油含油量。

该油样品含油量预测公式由预先对多种油样品检测后得出，其过程为：

取回收油含油量分别为0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，1.0的油样品并进行编号，按照步骤一至二分别对这些油样品进行检测，得到相应的信噪比特征值，处理单元根据这些油样品含量和信噪比特征值得到预测曲线，对预测曲线进行拟合得到信噪比与油含量的关系式

SNR＝-86.76318+17.61727Wk（R=-0.99596）

然后变换得到油样品含油量预测公式。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了谐振检测单元、数字转换单元、处理单元、样品盒等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种SAWR检测掺假油的系统，其特征在于：包括有谐振检测单元（1），所述谐振检测单元设置有两个检测电极（6），检测电极端头上设置有压电基片，所述谐振检测单元输出端通过连接一数字转换单元（2）后与处理单元（3）相连接；

谐振检测单元：通过检测电极对油样品进行检测，输出电压模拟信号给数字转换单元；

数字转换单元：对电压模拟信号进行计算，获得该电压模拟信号的频率响应值曲线，将频率响应值曲线发送给处理单元；

处理单元：对频率响应值曲线进行采样，通过非线性随机共振模型计算得到信噪比值，再根据对各标准样品检测得到的信噪比与油样品含油量的关系式，计算出当前油样品的含油量。

2.根据权利要求1所述的一种SAWR检测掺假油的系统，其特征是在所述压电基片（7）上蚀刻形成有一个叉指换能器（8），两个反射栅（9），在叉指换能器两端分别设置有输入极和输出极，所述两个反射栅分别设置在叉指换能器的两侧位置，在反射栅的上下侧分别横向设置有增益栅（10），在反射栅的远离叉指换能器一侧还设置有吸音条（11）。

3.根据权利要求2所述的一种SAWR检测掺假油的系统，其特征是所述压电基片（7）为ST切型石英，叉指换能器（8）叉指宽度a=1.9μm，叉指间距b=1.7μm，指条对数N=100，声孔径W=720μm，叉指指条的铝条厚度H=200nm，每个反射栅（）的指条数目N_ref=200，两侧的反射栅与叉指换能器之间的距离s=9.0μm，增益栅（10）的宽度与反射栅宽度一样，增益栅与反射栅之间距离为9.0μm。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种SAWR检测掺假油的系统，其特征是系统还包括有样品盒（4），所述样品盒上部为盖体，所述检测电极（6）密封插入在盖体上，在样品盒一侧壁上设置有开口，在开口内设置有抽拉式的槽体（16），样品油放置在槽体内，在样品盒内还包括有检测温度的温度传感器（15）、加热器（14）和控制处理器（13），所述温度传感器和加热器分别设置在样品盒内，且温度传感器和加热器分别连接在控制处理器上。

5.根据权利要求4所述的一种SAWR检测掺假牛奶的系统，其特征是所述样品盒（4）为杯子或瓶子，样品盒高度为10～20cm，样品盒主体为方柱形或圆柱形，若为方柱形，该样品盒宽度和长度都为5～10cm，若为圆柱形，该样品盒直径为5～15cm。

6.根据权利要求4所述的一种SAWR检测掺假油的系统，其特征是所述样品盒（4）外罩有屏蔽盒（5），所述屏蔽盒包括底座（18）和盖置于底座上的罩体（19），罩体与底座通过铰接相连，在罩体开口边缘上设置有向外翻的接触沿（20），所述接触沿与底座接触的面上设置有屏蔽条（21），在底座上对应接触沿位置设置有屏蔽条（21），在罩体上除与底座铰接的边缘外，其他边缘的接触沿前端都设置有包边（24），罩体盖下时，包边包在底座的侧面上，所述罩体和底座由金属制成，在所述罩体表面和底座表面涂覆有防锈层，在罩体上还设置有把手（23）。

7.根据权利要求1或2或3所述的一种SAWR检测掺假油的系统，其特征是所述谐振检测单元（1）包括电感L1、电感L2、电容C1、电容C2、三极管Q1、三极管Q2、电阻R1、电阻R2、共振器P1，所述两个检测电极分别为第一检测电极和第二检测电极，第二检测电极串联电感L1后与电源相连接，第一检测电极连接到共振器P1输入端上，共振器P1输出端连接到三极管Q1基极上，电阻R1连接在第二检测电极和三极管Q1基极之间，电容C2连接在第二检测电极和三极管Q1发射极之间，电感L2连接在第二检测电极和三极管Q1集电极之间，三极管Q1发射极还与三极管Q2集电极相连，三极管Q2基极通过串联电阻R2后连接电源，三极管Q2发射极接地，电容C1一端连接在三极管Q1集电极，电容C1另一端连接谐振检测单元输出端。

8.一种SAWR检测掺假油的方法，采用权利要求1-6任一项中的系统，其特征是包括以下步骤：

步骤一：将检测电极伸入到样品中开始检测，谐振检测单元将检测到的电压模拟信号输送给数字转换单元，数字转换单元对电压模拟信号进行计算，得到频率响应值曲线；

步骤二：处理单元对频率响应值曲线进行处理，在频率响应值曲线上采样70～100个点，将曲线采样得到的数据作为输入数据Input（t），代入非线性随机共振模型计算得到信噪比SNR，该非线性随机共振模型算法如下：

ξ(t)为高斯白噪声，其自相关联函数为：E[ξ(t)ξ(0)]＝2Dδ(t)，a是输入信号强度，f₀是调制信号频率，D是噪声强度，a、b均是实参数，得到信噪比为：

$\mathrm{SNR}=2\left[\underset{\mathrm{\Δ\ω}\→0}{\lim }\underset{\mathrm{\Ω}-\mathrm{\Δ\ω}}{\overset{\mathrm{\Ω}+\mathrm{\Δ\ω}}{\∫}}S\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{d\ω}\right]/S_N\left(\mathrm{\Ω}\right)$

S(ω)是信号频谱密度，S_N(Ω)是信号频率范围内的噪声强度；

取该信噪比曲线峰值作为信噪比特征值；

步骤三：将信噪比特征值代入油样品含油量预测公式：

$\mathrm{Wk}=\frac{\mathrm{SNR}+86.76318}{17.61727}$

计算出油含油量。

9.根据权利要求8所述的一种SAWR检测掺假油的方法，其特征是所述油样品含油量预测公式由以下步骤计算得出：

取回收油含油量分别为0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，1.0的油样品并进行编号，按照步骤一至二分别对这些油样品进行检测，得到相应的信噪比特征值，处理单元根据这些油样品含量和信噪比特征值得到预测曲线，对预测曲线进行拟合得到信噪比与油含量的关系式

SNR＝-86.76318+17.61727Wk（R=-0.99683）

然后变换得到油样品含油量预测公式。

10.根据权利要求8或9所述的一种SAWR检测掺假油的方法，其特征是设置样品测试环境温度为22～28℃。

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