CN103712918A - 一种基于复合传感器的地沟油浓度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于复合传感器的地沟油浓度检测方法，在测量室注满被测地沟油样品，在参比室注满参比油样品，LED驱动电路驱动LED发出近红外光，光线通过光栅变为窄带光，该窄带光分别通过测量室和参比室，穿出测量室的窄带光输出V_光测量信号，穿出参比室的窄带光输出V_光参比信号；超声波发射驱动电路驱动超声波发射换能器发出超声波，发出的超声波穿过测量室和参比室，穿出测量室的超声波输出V_声测量信号，穿出参比室的超声波输出V_声参比信号；测量室第一电极和第二电极之间的电容信号被检测并输出V_电测量信号，参比室第一电极和第二电极之间的电容信号被检测并输出V_电参比信号。地沟油浓度由声光电三种检测数据融合而成。

Description

一种基于复合传感器的地沟油浓度检测方法

技术领域

本发明涉及一种采用声光电技术的检测方法，具体为一种基于复合传感器的地沟油浓度检测方法。

背景技术

地沟油是我国食品安全最为关注话题之一，它回流餐桌被食用后会严重危害人们的身体健康。国内现有的检测大部分停留在定性检测地沟油的有无上，仅有少数地沟油浓度检测的报告，各种定性、定量的检测方法也存在着检出率低等的问题。本发明将试图从复合传感器及其信息融合的思路着手，结合地沟油的特性，开发新型传感器结构，探索相应的数据融合算法，通过三种方法相互印证，开发复合技术，在快速定量鉴别地沟油中找出一中可行有效的方法。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种信息冗余性高，测量精确、灵敏，运行可靠性高的地沟油浓度检测方法。

本发明采用的技术方案是：检测装置包括LED驱动电路、LED、光栅、测量室第一电极、测量室第二电极、测量室、测量室光探测器、测量室超声波接收器、测量室电容检测器、参比室电容检测器、参比室光探测器、参比室超声波接收器、参比室、参比室第一电极、参比室第二电极、超声波发射换能器、超声波发射驱动电路和数据融合计算单元。本发明检测方法具体包括如下步骤：

1）测量室中注满被测地沟油样品，参比室中注满参比油样品，参比油选取普通的食用油；

2）LED驱动电路驱动LED发出近红外光，光线通过光栅变为窄带光，窄带光分别通过测量室和参比室，穿出测量室的窄带光被测量室光探测器接收后输出V_光测量的信号并送至数据融合单元，穿出参比室的窄带光被参比室光探测器接收后输出V_光参比的信号并送至数据融合单元；超声波发射驱动电路驱动超声波发射换能器发出超声波，超声波分别穿过测量室和参比室，测量室超声波接收器接收穿出测量室的超声波并输出V_声测量的信号送至数据融合单元，参比室超声波接收器接收穿出参比室的超声波并输出V_声参比的信号送至数据融合单元；测量室电容检测器检测测量室第一电极和测量室第二电极之间的电容并输出V_电测量的信号送至数据融合单元，参比室电容检测器检测参比室第一电极和参比室第二电极之间的电容并输出V_电参比的信号送至数据融合单元；

3）数据融合单元计算测量室与参比室的近红外光敏X₁、超声波声敏感X₂和电容敏感X₃，计算公式为：X₁=△V_光=V_光测量-V_光参比，X₂=△V_声=V_声测量-V_声参比，

X₃=△V_电=V_电测量-V_电参比；

4）测量室中的地沟油浓度N(X₁,X₂，X₃)与近红外光敏X₁、超声波声敏感X₂和电容敏感X₃满足以下关系：

$N(X_1,X_2,X_3)={\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_1{X}_1+{\mathrm{\α}}_2{X}_2+{\mathrm{\α}}_3{X}_3+{\mathrm{\α}}_4{X}_1^2+{\mathrm{\α}}_5{X}_2^2+{\mathrm{\α}}_5{X}_3^2+{\mathrm{\α}}_6{X}_1{X}_2+{\mathrm{\α}}_7{X}_1{X}_3$

$+{\mathrm{\α}}_8{X}_2{X}_3+{\mathrm{\α}}_9{X}_1^3+{\mathrm{\α}}_{10}{X}_2^3+{\mathrm{\α}}_{11}{X}_3^3+{\mathrm{\α}}_{12}{X}_1{X}_2{X}_3+{\mathrm{\α}}_{13}{X}_1^2{X}_2+{\mathrm{\α}}_{14}{X}_1^2{X}_3$

$+{\mathrm{\α}}_{15}{X}_1{X}_2^2+{\mathrm{\α}}_{16}{X}_1{X}_3^2+{\mathrm{\α}}_{17}{X}_2{X}_3^2+{\mathrm{\α}}_{18}{X}_2^2{X}_3$

其中，α₀～α₁₈为常数；

5）利用各种已知浓度N_k(k=0,1,2,…,n)的地沟油样品及其对应被测信号值X_1k,X_2k，X_3k(k=0,1,2,…,n)之间的实验数据，根据

$N(X_1,X_2,X_3)={\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_1{X}_1+{\mathrm{\α}}_2{X}_2+{\mathrm{\α}}_3{X}_3+{\mathrm{\α}}_4{X}_1^2+{\mathrm{\α}}_5{X}_2^2+{\mathrm{\α}}_5{X}_3^2+{\mathrm{\α}}_6{X}_1{X}_2+{\mathrm{\α}}_7{X}_1{X}_3$

$+{\mathrm{\α}}_8{X}_2{X}_3+{\mathrm{\α}}_9{X}_1^3+{\mathrm{\α}}_{10}{X}_2^3+{\mathrm{\α}}_{11}{X}_3^3+{\mathrm{\α}}_{12}{X}_1{X}_2{X}_3+{\mathrm{\α}}_{13}{X}_1^2{X}_2+{\mathrm{\α}}_{14}{X}_1^2{X}_3$

$+{\mathrm{\α}}_{15}{X}_1{X}_2^2+{\mathrm{\α}}_{16}{X}_1{X}_3^2+{\mathrm{\α}}_{17}{X}_2{X}_3^2+{\mathrm{\α}}_{18}{X}_2^2{X}_3$

由最小二乘曲线拟合方法计算α₀～α₁₈；

6）由步骤3）中得到的X₁、X₂、X₃和步骤5）中得到的α₀～α₁₈，根据

$N(X_1,X_2,X_3)={\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_1{X}_1+{\mathrm{\α}}_2{X}_2+{\mathrm{\α}}_3{X}_3+{\mathrm{\α}}_4{X}_1^2+{\mathrm{\α}}_5{X}_2^2+{\mathrm{\α}}_5{X}_3^2+{\mathrm{\α}}_6{X}_1{X}_2+{\mathrm{\α}}_7{X}_1{X}_3$

$+{\mathrm{\α}}_8{X}_2{X}_3+{\mathrm{\α}}_9{X}_1^3+{\mathrm{\α}}_{10}{X}_2^3+{\mathrm{\α}}_{11}{X}_3^3+{\mathrm{\α}}_{12}{X}_1{X}_2{X}_3+{\mathrm{\α}}_{13}{X}_1^2{X}_2+{\mathrm{\α}}_{14}{X}_1^2{X}_3$

$+{\mathrm{\α}}_{15}{X}_1{X}_2^2+{\mathrm{\α}}_{16}{X}_1{X}_3^2+{\mathrm{\α}}_{17}{X}_2{X}_3^2+{\mathrm{\α}}_{18}{X}_2^2{X}_3$

计算地沟油浓度N(X₁,X₂，X₃)。

本发明的有益效果为：具有声光电三种检测方式，声检测由超声波发射驱动电路、超声波发射换能器、测量室超声波接收器和参比室超声波接收器构成；电检测由测量室第一电极和测量室第二电极，参比室第一电极和参比室第二电极组成的电容式传感器与测量室电容检测器和参比室电容检测器实现；光检测由LED驱动电路，LED，光栅，测量室光探测器和参比室光探测器组合完成；最后，地沟油浓度由声光电三种检测数据融合而成。本发明信息冗余性高，可靠性和鲁棒性好，精度高，灵敏度高。

附图说明

图1是本发明提出的检测方法流程示意框图；

图中：1.LED驱动电路；2.LED；3.光栅；4.测量室第一电极；5.测量室第二电极；6.测量室；7.测量室光探测器；8.测量室超声波接收器；9.测量室电容检测器；10.参比室电容检测器；11.参比室光探测器；12.参比室超声波接收器；13.参比室；14.参比室第一电极；15.参比室第二电极；16.超声波发射换能器；17.超声波发射驱动电路；18.数据融合计算单元。

具体实施方式

如图1所示，测量室6注满被测地沟油样品，参比室13注满参比油样品，参比油选取市场上正规的食用油；LED驱动电路1驱动LED2发出近红外光，光线通过光栅3变为窄带光，让该窄带光分别通过测量室6和参比室13，穿出测量室6的窄带光被测量室光探测器7接收后输出V_光测量的信号，穿出参比室13的窄带光被参比室光探测器11接收后输出V_光参比的信号；超声波发射驱动电路17驱动超声波发射换能器16发出超声波，分别让所发出的超声波穿过测量室6和参比室13，测量室超声波接收器8接收穿出测量室6的超声波并输出V_声测量的信号；参比室超声波接收器12接收穿出参比室13的超声波并输出V_声参比的信号；测量室第一电极4和测量室第二电极5之间的电容信号被测量室电容检测器9检测并输出V_电测量的信号，参比室第一电极14和参比室第二电极15之间的电容信号被参比室电容检测器10检测并输出V_电参比的信号。

测量室第一电极4和测量室第二电极5之间的电容信号被测量室电容检测器9检测并输出V_电测量的信号，当测量室6中被测地沟油样品浓度N发生变化时，测量室第一电极4和测量室第二电极5之间的介电常数发生了改变，从而引起与地沟油样品浓度N存在函数关系的V_电测量的变化；参比室第一电极14和参比室第二电极15之间的电容信号被参比室电容检测器10检测并输出V_电参比的信号，且在一定条件下V_电参比是和地沟油样品浓度N毫无关系的常数，参比室的引入还可以消除测量中温度等的影响。

根据朗伯比尔定律，当光通过液体时，其强度按指数规律衰减，液体对光的吸收系数与液体浓度之间的关系遵从一定的函数关系。当测量室6中被测地沟油样品浓度N发生变化时，通过地沟油液体的光强发生变化，穿出测量室6的窄带光被测量室光探测器7接收后输出与地沟油浓度成函数关系的信号V_光测量，该信号与参比室光探测器7输出信号V_光参比（和地沟油样品浓度N毫无关系）相减消除测量中光路、温度等的影响。

地沟油浓度N的超声波敏感测量主要以超声波在不同浓度同一介质中传播时的速度变化规律为基础，得到地沟油浓度与声速变化的关系，当测量室6中被测地沟油样品浓度N发生变化时，测量室超声波接收器8接收穿出测量室6的超声波，并输出与地沟油浓度成函数关系的信号V_声测量，该信号与参比室超声波接收器12输出信号V_声参比（和地沟油样品浓度N毫无关系）相减同样可消除测量中温度等的影响。

假设X₁、X₂、X₃分别为测量室与参比室的近红外光敏、超声波声敏感和电容敏感测量输出差值信号，且

X₁=△V_光=V_光测量-V_光参比

X₂=△V_声=V_声测量-V_声参比

X₃=△V_电=V_电测量-V_电参比

则地沟油浓度N(X₁，X₂，X₃)可用下式来拟合：

$N(X_1,X_2,X_3)={\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_1{X}_1+{\mathrm{\α}}_2{X}_2+{\mathrm{\α}}_3{X}_3+{\mathrm{\α}}_4{X}_1^2+{\mathrm{\α}}_5{X}_2^2+{\mathrm{\α}}_5{X}_3^2+{\mathrm{\α}}_6{X}_1{X}_2+{\mathrm{\α}}_7{X}_1{X}_3$

$+{\mathrm{\α}}_8{X}_2{X}_3+{\mathrm{\α}}_9{X}_1^3+{\mathrm{\α}}_{10}{X}_2^3+{\mathrm{\α}}_{11}{X}_3^3+{\mathrm{\α}}_{12}{X}_1{X}_2{X}_3+{\mathrm{\α}}_{13}{X}_1^2{X}_2+{\mathrm{\α}}_{14}{X}_1^2{X}_3$

$+{\mathrm{\α}}_{15}{X}_1{X}_2^2+{\mathrm{\α}}_{16}{X}_1{X}_3^2+{\mathrm{\α}}_{17}{X}_2{X}_3^2+{\mathrm{\α}}_{18}{X}_2^2{X}_3$

                                         ………………………(1)

式中，α₀～α₁₈为常数，它们可利用各种已知浓度N_k(k=0,1,2,…,n)的地沟油样品及其对应被测信号值X_1k,X_2k，X_3k(k=0,1,2,…,n)之间的实验数据库由最小二乘曲线拟合方法计算得到。

由于地沟油浓度信息可以多方式多通道测量，通过三种方法相互印证，开发了复合技术，这样可以极大地提高测量系统的精度和灵敏度，改善其运行的可靠性和鲁棒性。

Claims (1)

1.一个基于复合传感器的地沟油浓度检测方法，其特征是采用如下步骤：

1）测量室（6）中注满被测地沟油样品，参比室（13）中注满参比油样品，参比油选取普通的食用油；

2）LED驱动电路（1）驱动LED（2）发出近红外光，光线通过光栅（3）变为窄带光，窄带光分别通过测量室（6）和参比室（13），穿出测量室（6）的窄带光被测量室光探测器（7）接收后输出V_光测量的信号并送至数据融合单元（18），穿出参比室（13）的窄带光被参比室光探测器（11）接收后输出V_光参比的信号并送至数据融合单元（18）；超声波发射驱动电路（17）驱动超声波发射换能器（16）发出超声波，超声波分别穿过测量室（6）和参比室（13），测量室超声波接收器（8）接收穿出测量室（6）的超声波并输出V_声测量的信号送至数据融合单元（18），参比室超声波接收器（12）接收穿出参比室（13）的超声波并输出V_声参比的信号送至数据融合单元（18）；测量室电容检测器（9）检测测量室第一电极（4）和测量室第二电极（5）之间的电容并输出V_电测量的信号送至数据融合单元（18），参比室电容检测器（10）检测参比室第一电极（14）和参比室第二电极(15)之间的电容并输出V_电参比的信号送至数据融合单元（18）；

3）数据融合单元（18）计算测量室（6）与参比室（13）的近红外光敏X₁、超声波声敏感X₂和电容敏感X₃，计算公式为：X₁=△V_光=V_光测量-V_光参比，X₂=△V_声=V_声测量-V_声参比，X₃=△V_电=V_电测量-V_电参比；

4）测量室（6）中的地沟油浓度N(X₁,X₂，X₃)与近红外光敏X₁、超声波声敏感X₂和电容敏感X₃满足以下关系：

$N(X_1,X_2,X_3)={\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_1{X}_1+{\mathrm{\α}}_2{X}_2+{\mathrm{\α}}_3{X}_3+{\mathrm{\α}}_4{X}_1^2+{\mathrm{\α}}_5{X}_2^2+{\mathrm{\α}}_5{X}_3^2+{\mathrm{\α}}_6{X}_1{X}_2+{\mathrm{\α}}_7{X}_1{X}_3$

$+{\mathrm{\α}}_8{X}_2{X}_3+{\mathrm{\α}}_9{X}_1^3+{\mathrm{\α}}_{10}{X}_2^3+{\mathrm{\α}}_{11}{X}_3^3+{\mathrm{\α}}_{12}{X}_1{X}_2{X}_3+{\mathrm{\α}}_{13}{X}_1^2{X}_2+{\mathrm{\α}}_{14}{X}_1^2{X}_3$

$+{\mathrm{\α}}_{15}{X}_1{X}_2^2+{\mathrm{\α}}_{16}{X}_1{X}_3^2+{\mathrm{\α}}_{17}{X}_2{X}_3^2+{\mathrm{\α}}_{18}{X}_2^2{X}_3$

其中，α₀～α₁₈为常数；

5）利用各种已知浓度N_k(k=0,1,2,…,n)的地沟油样品及其对应被测信号值X_1k,X_2k，X_3k(k=0,1,2,…,n)之间的实验数据，根据

$N(X_1,X_2,X_3)={\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_1{X}_1+{\mathrm{\α}}_2{X}_2+{\mathrm{\α}}_3{X}_3+{\mathrm{\α}}_4{X}_1^2+{\mathrm{\α}}_5{X}_2^2+{\mathrm{\α}}_5{X}_3^2+{\mathrm{\α}}_6{X}_1{X}_2+{\mathrm{\α}}_7{X}_1{X}_3$

$+{\mathrm{\α}}_8{X}_2{X}_3+{\mathrm{\α}}_9{X}_1^3+{\mathrm{\α}}_{10}{X}_2^3+{\mathrm{\α}}_{11}{X}_3^3+{\mathrm{\α}}_{12}{X}_1{X}_2{X}_3+{\mathrm{\α}}_{13}{X}_1^2{X}_2+{\mathrm{\α}}_{14}{X}_1^2{X}_3$

$+{\mathrm{\α}}_{15}{X}_1{X}_2^2+{\mathrm{\α}}_{16}{X}_1{X}_3^2+{\mathrm{\α}}_{17}{X}_2{X}_3^2+{\mathrm{\α}}_{18}{X}_2^2{X}_3$

由最小二乘曲线拟合方法计算α₀～α₁₈；

6）由步骤3）中得到的X₁、X₂、X₃和步骤5）中得到的α₀～α₁₈，根据

$N(X_1,X_2,X_3)={\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_1{X}_1+{\mathrm{\α}}_2{X}_2+{\mathrm{\α}}_3{X}_3+{\mathrm{\α}}_4{X}_1^2+{\mathrm{\α}}_5{X}_2^2+{\mathrm{\α}}_5{X}_3^2+{\mathrm{\α}}_6{X}_1{X}_2+{\mathrm{\α}}_7{X}_1{X}_3$

$+{\mathrm{\α}}_8{X}_2{X}_3+{\mathrm{\α}}_9{X}_1^3+{\mathrm{\α}}_{10}{X}_2^3+{\mathrm{\α}}_{11}{X}_3^3+{\mathrm{\α}}_{12}{X}_1{X}_2{X}_3+{\mathrm{\α}}_{13}{X}_1^2{X}_2+{\mathrm{\α}}_{14}{X}_1^2{X}_3$

$+{\mathrm{\α}}_{15}{X}_1{X}_2^2+{\mathrm{\α}}_{16}{X}_1{X}_3^2+{\mathrm{\α}}_{17}{X}_2{X}_3^2+{\mathrm{\α}}_{18}{X}_2^2{X}_3$

计算地沟油浓度N(X₁,X₂，X₃)。

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