CN103983606B - 便携式近红外食用油品质快速检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式近红外食用油品质快速检测仪，包括：主体、设置于所述主体内的近红外光谱仪模块和恒温样品池模块、主控系统，所述的近红外光谱仪模块包括光源、斩波器、分光系统、检测器、放大器和微处理器，所述的恒温样品池模块包括温控器、温度传感器、继电器、加热元件和样品池。本发明提供的检测仪通过主控系统智能控制恒温样品池中食用油的温度，有效减少了温度对待测食用油的光谱图的影响，并智能控制近红外光谱仪采集样品池中食用油的光谱图，最终通过主控系统中的分析软件对采集的图谱进行快速分析，大大提高了检测分析人员的工作效率；该仪器性能稳定、准确率高，适于现场的食用油品质快速检测。

Description

便携式近红外食用油品质快速检测仪

技术领域

本发明涉及快速检测技术领域，特别涉及一种便携式近红外食用油品质快速检测仪。

背景技术

食用油中含有人体不能合成却又不可缺少的重要营养成分，其烹调食品可提高食品的感官性质，增强饱腹能力，膳食中的脂肪还有助于脂溶性维生素的吸收及提供人体必需脂肪酸，是人类重要食物之一。然而，近年国内市场的食用油掺伪现象日趋严重，食用油因其种类不同、营养价值不同而价格差异很大，一些生产经营者为了获取暴利，在高价食用油中掺入廉价的食用油，从而降低生产成本，从中牟取暴利；甚至还有的厂家将过期变质油品掺入合格油中以次充好。掺伪食用油不仅影响卫生品质和营养成分，而且危害消费者的健康，为了保护合法生产经营者和消费者的利益，故而必须加强食用油种类的鉴别和掺伪检测。

传统的食用油种类的鉴别和掺伪检测仪器不但价格昂贵，而且操作和维护也极其烦琐，更由于其非便携性，不适用于执法部门的流动检测要求。因此，研制相应的食用油品质快速检测仪，对加快制定和修订食用油标准，加快制定食用油品质的快速检测标准，满足食品生产和安全控制需要具有重要意义。

发明内容

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供了一种适于现场快速检测的便携式近红外食用油品质快速检测仪。

本发明采用的技术方案是：一种便携式近红外食用油品质快速检测仪，其特征在于，包括：主体、设置于所述主体内的近红外光谱仪模块和恒温样品池模块、主控系统，所述的主控系统包括电源、主控器、显示屏和触摸屏，所述的电源与所述的主控器连接，所述的显示屏和触摸屏分别通过线路与所述主控器的接口相连；所述的近红外光谱仪模块包括光源、斩波器、分光系统、检测器、放大器和微处理器，所述的微处理器通过线路与所述主控器的通讯接口相连，所述的近红外光谱仪模块设置有出射通光孔和入射通光孔；所述的恒温样品池模块包括温控器、温度传感器、继电器、加热元件和样品池，所述的温控器通过线路与所述主控器的外接接口相连，所述的温度传感器和所述的继电器分别通过线路与所述的温控器相连，所述的加热元件通过线路与所述继电器相连，所述的样品池开设有入射通光口和出射通光口，所述的加热元件设置于所述样品池上相对开设有通光口的另一侧，所述的温度传感器紧贴设置于所述样品池的底部；其中，所述近红外光谱仪模块的出射通光孔通过光纤与所述样品池的入射通光口相连，所述样品池的出射通光口通过光纤与所述近红外光谱仪模块的入射通光孔相连，所述近红外光谱仪模块的出射通光孔通过光纤将经分光系统处理后的单色光照射到样品池内的待测食用油上，所述近红外光谱仪模块的入射通光孔通过光纤将经待测食用油吸收后的光信号传到检测器上，放大器将检测器检测到的光信号经过放大后，由A/D转换器将光信号转换为数字信号存储到微处理器中，微处理器内存储的数字信号经通讯接口传输到主控器，并经显示屏显示出待测食用油的近红外光谱图。

优选的，所述的主体内部为中空结构，其由上盖、左壳体、右壳体、底座、后通风板和活动面板包覆构成，所述的左壳体、右壳体和后通风板通过支撑柱紧固于所述底座上，所述的上盖设置于所述左壳体和右壳体的中间并位于所述底座上方，所述的活动面板枢接于所述上盖，并将所述的样品池遮盖于其中，所述的显示屏和触摸屏嵌置于所述上盖内，所述的右壳体外表面设置有开关，所述的底座上紧固有近红外光谱仪模块、继电器、电源和温控器。

优选的，所述的样品池由外壳体、内腔、光程插片和绝热层组成，所述的外壳体和所述的光程插片均采用铝制，所述的外壳体对应通光方向前后各开设有入射通光口和出射通光口，所述的光程插片嵌置于所述内腔并开设有与所述外壳体同轴等径的通光口，所述的绝热层均匀分布于所述外壳体的外部侧面。

优选的，所述的光程插片设置有2mm、5mm和10mm三种光程。

优选的，所述的近红外光谱仪模块的光源采用SLED超辐射发光二极管，检测器采用InGaAs检测器，微处理器采用DSP处理器。

优选的，所述的光纤采用透射光纤探头。

优选的，所述的温控器选用DH48WK型智能温度控制器，所述的温度传感器采用铜—康铜(T)电热偶。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：本发明提供的便携式近红外食用油品质快速检测仪，采用的SLED光源具有高稳定性的长寿命和很好的方向性，保证了光源能量利用率，极大提高了仪器的稳定性和准确性；采用铝制的外壳体和光程插片作为恒温样品池的热传导介质，能够高精度保持样品池中食用油的恒温状态，并且可精确、快速、大幅度的改变样品池中食用油的温度，从而满足样品池的快速变温与精确控温；通过主控系统智能控制恒温样品池中食用油的温度，有效减少了温度对待测食用油的光谱图的影响，并智能控制近红外光谱仪采集样品池中食用油的光谱图，最终通过主控系统中的分析软件对采集的图谱进行快速分析，整个过程均采用一键式操作，大大提高了检测分析人员的工作效率；该仪器性能稳定、准确率高、体积小，便于携带，适于现场的食用油品质快速检测。

附图说明

图1a为本发明所述的便携式近红外食用油品质快速检测仪的外部结构示意图；

图1b为本发明所述的便携式近红外食用油品质快速检测仪的结构示意图；

图2为本发明所述的便携式近红外食用油品质快速检测仪分解示意图；

图3为本发明所述的便携式近红外食用油品质快速检测仪的硬件结构原理框图；

图4为本发明所述的近红外光谱仪模块的光路示意图；

图5a为本发明所述的样品池的结构示意图；

图5b为图5a中的A-A剖视图；

图6为本发明所述的便携式近红外食用油品质快速检测仪操作流程图；

图7为本发明所述的便携式近红外食用油品质快速检测仪软件主界面；

图8为本发明所述的便携式近红外食用油品质快速检测仪的软件参数设置界面；

图9是本发明实施案例的花生油掺伪种类预测结果图；

图10是本发明实施案例的花生油掺伪含量预测结果图；

图中：01主体；011左壳体；012右壳体；013上盖；014活动面板；015底座；016后通风板；02开关；03电源；04温控器；05继电器；06近红外光谱仪模块；07样品池；071光程插片；072温度传感器；073绝热层；074加热元件；075外壳体；076通光口；0761入射通光口；0762出射通光口；08显示屏和触摸屏；09主控器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1a、图1b和图2所示为本发明的便携式激光近红外食用油品质快速检测仪的结构示意图，该快速检测仪用于实现食用油品质的快速检测分析，其包括：主体01、设置于所述主体01内的近红外光谱仪模块06和恒温样品池模块、主控系统。所述的主体01由上盖013、左壳体011、右壳体012、底座015、后通风板016和活动面板014包覆构成，所述的左壳体011、右壳体012和后通风板016通过支撑柱紧固于所述底座015上，所述的上盖013设置于所述左壳体011和右壳体012的中间并位于所述底座015上方，所述的活动面板014枢接于所述上盖013，并将所述的恒温样品池07遮盖于其中，所述的显示屏和触摸屏08嵌置于所述上盖013内，所述的右壳体012外表面设置有开关02，所述的近红外光谱仪模块06、继电器05、电源03、温控器04均紧固于底座015上。

本实施新型的便携式激光近红外食用油品质快速检测仪的指标为：

光谱分辨率：3.0cm-1；

波长范围：1350-1800nm

波长重复性：0.01nm

基线稳定性(24h)：±0.5％

信噪比(250ms,RMS)＞5500：1

温控范围：20-100℃

测量方式：透射，2mm、5mm、10mm比色皿

仪器体积：465mm*260mm*190mm

重量：5KG

如图5a、图5b所示为本发明所述的恒温样品池模块的结构示意图。所述的恒温样品池模块包括温控器04、温度传感器072、继电器05、加热元件074和样品池07，所述的温控器04选用DH48WK型智能温度控制器，所述的温度传感器072采用铜—康铜(T)电热偶。所述的温度传感器072和所述的继电器05分别通过线路与所述的温控器04相连，所述的加热元件072通过线路与所述继电器05相连；采用温度传感器072来检测样品池07的实际温度，如果未达到设定温度则闭合继电器05，驱动加热元件074对样品池07进行加热，直到达到设定温度值，停止加热；所述的样品池07由外壳体075、内腔、光程插片071和绝热层073组成，所述的外壳体075和所述的光程插片071均采用铝制，所述的外壳体075对应通光方向前后各开设有入射通光口0761和出射通光口0762，所述的光程插片071嵌置于所述内腔并开设有与所述外壳体075同轴等径的通光口076，所述的光程插片071设置有2mm、5mm和10mm三种光程，可以实现2mm、5mm和10mm三种光程的切换测量；所述的温度传感器072紧贴设置于所述样品池07的底部，用于获得样品池07的温度值；在非通光的侧面安装有所述的加热元件074，通过温控器04对比设置温度和实际温度的大小来执行启动加热和停止加热的操作；所述的绝热层073均匀分布于所述外壳体075的外部侧面，以减少样品池07与外界环境的热对流，从而实现温控器04对样品池07中食用油的高精度温度控制，从而降低温度对待测食用油的光谱测量影响。

图3为本发明所述的便携式近红外食用油品质快速检测仪的硬件结构原理框图，所述的近红外光谱仪模块06包括光源、斩波器、分光系统、检测器、放大器和微处理器，其光源采用SLED超辐射发光二极管，检测器采用InGaAs检测器，微处理器采用DSP处理器。所述的近红外光谱仪模块设置有出射通光孔和入射通光孔(未图示)，所述近红外光谱仪模块06的出射通光孔通过透射光纤探头与所述样品池的入射通光口0761相连，所述样品池的出射通光口0762通过透射光纤探头与所述近红外光谱仪模块06的入射通光孔相连，所述近红外光谱仪模块06的出射通光孔通过外接透射光纤探头将经分光系统处理后的单色光照射到样品池内的待测食用油上，所述近红外光谱仪模块06的入射通光孔通过外接透射光纤探头将经待测食用油吸收后的光信号传到检测器上，放大器将检测器检测到的光信号经过放大后，由A/D转换器将光信号转换为数字信号存储到微处理器中，微处理器内存储的数字信号经通讯接口传输到主控器09，并经显示屏08显示出待测食用油的近红外光谱图。

所述的主控系统，其包括主控器09、显示屏和触摸屏08，所述的微处理器通过线路与所述主控器09的通讯接口相连，所述的主控器09通过系统中的图谱采集软件实现对所述微处理器的控制，继而实现对所述近红外光谱仪模块06的参数设置、扫描控制以及图谱的显示、保存以及数据处理操作；所述的显示屏08通过线路与所述主控器09的LCD接口相连，从而将存储的数字信号显示到显示屏08上；所述的触摸屏08通过线路与所述主控器09的USB接口相连，将外界对触摸屏08的操作转换为电信号从而实现对主控器09的控制；所述的温控器04通过线路与所述主控器09的外接接口相连，所述主控器09通过图谱采集软件中的温控窗口实现对所述温控器04的控制，继而控制样品池07中的温度值，样品池07中的实时温度值经信号转换处理显示于所述的温控窗口上。

图4为本发明所述的近红外光谱仪模块的内部光路图，其由SLED光源发出的复合光，通过可调滤光镜的作用得到指定波长的近红外光带，通过光谱分束器将近红外光分为两部分，分别照射到校正模块和样品上，通过检测器来接受透过待测样品后的光，从而得到样品的吸光度值，为提高仪器的稳定性和仪器间的重复性，采用波长和能量的校正模块，从光谱的波长和能量两方面对光谱仪进行绝对校正。

图6是本发明的便携式激光近红外食用油品质快速检测仪的操作流程图，所述的操作过程包括：

步骤A、打开检测仪的开关02，使得电源03为检测仪供电，通过操作触摸屏08打开图谱采集软件，通过所述的图谱采集软件设置采集光谱的波长范围、扫描间隔、扫描次数等参数(图7和图8分别是便携式激光近红外食用油品质快速检测仪的软件主界面和软件参数设置界面)；并在图谱采集软件中的温控窗口内设置样品池07的温度，温控器04通过对比经温度传感器072测量样品池07的实际温度和设定温度值来控制加热元件074的启动和停止，从而对样品池07内的食用油进行恒温控制；接着盖上活动面板014，单击图谱采集软件的暗电流扫描按钮，扫描并保存暗电流，进行仪器性能验证，暗电流只需每次开机前扫描一次，不需重复采集。

步骤B、将空的比色皿以及对应的光程插片071一起放入样品池07中加热至设定温度，盖上活动面板014，单击图谱采集软件的空载背景扫描按钮，SLED光源发出复合光，经可调滤波器得到设定波段的单色光，通过光纤透过样品池上的入射通光口0761照射到未装待测食用油的比色皿上，经过空比色皿内的光信号通过样品池另一侧的出射通光口0762，并经光纤传输到光电检测器上，经光电检测器接收后转换成电信号，通过放大器放大的电信号经A/D转换器转换为数字信号存储到微处理器内，微处理器内存储的数字信号经通讯接口传输到主控器09，并经显示屏08显示出空比色皿的空载信号曲线，点击保存按钮保存空载背景信号曲线。

步骤C、使用移液枪将试剂瓶内的待测食用油移至所选光程的比色皿中约2/3处，将装有食用油的比色皿和对应的光程插片071一起放入样品池07中加热至设定温度，恒温稳定1分钟，盖上活动面板014，单击图谱采集软件的图谱采集按钮，SLED光源发出复合光，经可调滤波器得到设定的波段单色光，通过光纤透过样品池上的出射通光口0761照射到装有待测食用油的比色皿上，经过比色皿内待测食用油吸收后的光信号通过样品池另一侧的出射通光口0762，处的光纤传输到光电检测器上，经光电检测器接收后转换成电信号，通过放大器放大的电信号经A/D转换器转换为数字信号存储到微处理器内，将此时测得的数字信号减去微处理器内存储的空载背景数字信号后的数字信号作为被测食用油的近红外吸收光谱信号，每个待测样品默认进行32次扫描取其平均值作为该样品的最终光谱信号，经通讯接口传输到主控器09，显示屏08上显示并通过图谱采集软件对待测食用油进行编号保存，目前采集的光谱数据可以保存为*.spc和*.txt两种格式的图谱文件。

步骤D、通过国标方法测量所有样品的化学性质作为实际值，并将采集得到的待测食用油的图谱数据以及对应的化学性质导入到主控器的光谱数据分析处理软件中，通过样本选择算法将导入的光谱数据划分为校正集和验证集两部分，采用化学计量学方法分别对校正集、验证集样本光谱数据进行预处理，用校正集预处理后的光谱数据与其化学性质实际值间的关系建立食用油定性-定量校正模型，将验证集预处理后的光谱数据代入到校正模型中进行预测，获取验证集的样品对应的化学性质预测结果并分析比对与其真实值的差异，选取预测准确性与精度达到要求的校正模型作为最后的校正模型，最后将所建的合格校正模型存储到微处理器中。

步骤E、使用上述相同的图谱采集方法采集未知食用油的光谱，对未知食用油的光谱数据采用同样的化学计量学算法进行预处理，并调用存储在微处理器中的校正模型通过计算经预处理后的未知食用油的光谱数据来预测其对应的化学性质预测值，预测结果通过显示屏08显示，从而实现对食用油种类、掺伪以及品质的快速检测鉴别。

下面对本发明的操作过程中提及的化学计量学预测模型(SVM预测模型)的建立进行详细说明，实现基于上述的近便携式红外光谱检测仪的建模和对食用油的种类、掺伪以及品质进行快速检测。具体以对掺伪花生油进行建模和预测为实施例，其实施过程如下：

分别将两种大豆油(锦麟、福临门)、玉米油(长寿花金胚玉米油、福临门)、菜籽油(金龙鱼外婆乡小榨、鲁花)和3个餐饮废弃油(武汉地区周边多批次收集)掺杂到2种花生油(胡姬花、鲁花)中，使用千分位电子天平按掺伪油脂含量(质量分数)在3％～95％浓度范围内以等差为2％的梯度配制二元体系的花生油掺杂油样品(总质量为10g)，充分振荡混合均匀后，在实验室内放置12个小时待测。按照上述配制方法，分别获得掺伪大豆油样品48份(多配置了一个65.1％的掺伪油品)，掺伪玉米油样品47份，掺伪菜籽油样品47份，掺伪废弃油脂样品47份，共计189份掺伪食用油样品。

首先，打开仪器开关02，通过操作触摸屏08控制主控器09的图谱采集软件设置仪器参数，其中扫描次数为32次，扫描间隔为1nm，并通过温控窗口设定样品池07的温度为40℃，接着使用移液枪将试剂瓶内的掺伪花生油样品移至2mm光程的比色皿中约2/3处，将装有样品的2mm光程的比色皿和对应的光程插片071一起放入样品池07中加热至40℃，恒温稳定1分钟，最后通过单击图谱采集软件的图谱采集按钮完成待测样品的采集和保存，每个食用油样品装样3次，采集3次稳定的谱图后取其平均图谱作为最终图谱，实验期间保证室内温度(25℃)、湿度、光线的基本一致。

将采集得到的图谱数据采用SPXY算法按3:1的比例选取校正集和预测集样本，样本实际种类、编号和校正集及验证集样本数量如下表1所示。

表1样本种类、编号以及数量

使用矢量归一化的方法对校正集和验证的光谱数据进行预处理，采用支持向量机(SVM)算法将经过预处理后的校正集光谱数据分别与其掺伪食用油种类以及勾兑含量真实值间的关系建立掺伪种类和勾兑含量的SVM校正模型；将验证集的光谱数据代入到所建的SVM校正模型中进行预测，获取验证集的样品掺伪食用油种类和勾兑含量的预测结果并分析比对与其真实值的差异，选取预测准确性与精度达到要求的校正模型作为最后的校正模型；最后将所建的合格校正模型存储到微处理器中，同时使用上述相同的图谱采集方法采集未知样品的光谱，对未知样品光谱数据进行同样的矢量归一化预处理，并调用存储在微处理器中的校正模型通过计算经预处理后的未知样品光谱数据来预测其对应的掺伪食用油种类和勾兑含量，从而实现对掺伪花生油的掺伪食用油种类的鉴别以及勾兑含量的预测，其掺伪种类预测结果如图9所示、其勾兑含量预测结果如图10所示。

使用SVM可以对掺伪食用油进行定性-定量鉴别预测，即第一步通过定性分类判断确定掺伪食用油种类，可以实现掺伪食用油种类的准确预测；第二步通过定量回归预测掺伪食用油含量，目前主要采取预测掺伪食用油的质量比含量，再通过(1-预测结果)，即可得到掺伪食用油的含量，从而实现对掺伪食用油的定性-定量分析。通过本实施例可以发现，使用本发明的食用油品质快速检测仪对掺伪花生油进行种类鉴别和勾兑含量预测是可以行的，预测结果准确、可靠，完全可以达到食品检测领域的应用要求。

本发明提供的便携式近红外食用油品质快速检测仪，采用的SLED光源具有高稳定性的长寿命和很好的方向性，保证了光源能量利用率，极大提高了仪器的稳定性和准确性；采用铝制的外壳体和光程插片作为恒温样品池的热传导介质，能够高精度保持样品池中食用油的恒温状态，并且可精确、快速、大幅度的改变样品池中食用油的温度，从而满足样品池的快速变温与精确控温；通过主控系统智能控制恒温样品池中食用油的温度，有效减少了温度对待测食用油的光谱图的影响，并智能控制近红外光谱仪采集样品池中食用油的光谱图，最终通过主控系统中的分析软件对采集的图谱进行快速分析，整个过程均采用一键式操作，大大提高了检测分析人员的工作效率；该仪器性能稳定、准确率高、体积小，便于携带，适于现场的食用油品质快速检测，对比其它近红外光谱仪有非常明显的技术优势。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.一种便携式近红外食用油品质快速检测仪，其特征在于，包括：主体、设置于所述主体内的近红外光谱仪模块和恒温样品池模块、主控系统，

所述的主控系统包括电源、主控器、显示屏和触摸屏，所述的电源与所述的主控器连接，所述的显示屏和触摸屏分别通过线路与所述主控器的接口相连；

所述的近红外光谱仪模块包括光源、斩波器、分光系统、检测器、放大器和微处理器，所述的微处理器通过线路与所述主控器的通讯接口相连，所述的近红外光谱仪模块设置有出射通光孔和入射通光孔，所述的近红外光谱仪模块的光源采用SLED超辐射发光二极管，检测器采用InGaAs检测器，微处理器采用DSP处理器；

所述的恒温样品池模块包括温控器、温度传感器、继电器、加热元件和样品池，所述的温控器通过线路与所述主控器的外接接口相连，所述的温度传感器和所述的继电器分别通过线路与所述的温控器相连，所述的加热元件通过线路与所述继电器相连，所述的样品池开设有入射通光口和出射通光口，所述的加热元件设置于所述样品池上相对开设有通光口的另一侧，所述的温度传感器紧贴设置于所述样品池的底部，所述的样品池由外壳体、内腔、光程插片和绝热层组成，所述的外壳体和所述的光程插片均采用铝制，所述的外壳体对应通光方向前后各开设有入射通光口和出射通光口，所述的光程插片嵌置于所述内腔并开设有与所述外壳体同轴等径的通光口，所述的绝热层均匀分布于所述外壳体的外部侧面；

其中，所述近红外光谱仪模块的出射通光孔通过光纤与所述样品池的入射通光口相连，所述样品池的出射通光口通过光纤与所述近红外光谱仪模块的入射通光孔相连，所述近红外光谱仪模块的出射通光孔通过光纤将经分光系统处理后的单色光照射到样品池内的待测食用油上，所述近红外光谱仪模块的入射通光孔通过光纤将经待测食用油吸收后的光信号传到检测器上，放大器将检测器检测到的光信号经过放大后，由A/D转换器将光信号转换为数字信号存储到微处理器中，微处理器内存储的数字信号经通讯接口传输到主控器，并经显示屏显示出待测食用油的近红外光谱图。

2.如权利要求1所述的便携式近红外食用油品质快速检测仪，其特征在于，所述的主体内部为中空结构，其由上盖、左壳体、右壳体、底座、后通风板和活动面板包覆构成，所述的左壳体、右壳体和后通风板通过支撑柱紧固于所述底座上，所述的上盖设置于所述左壳体和右壳体的中间并位于所述底座上方，所述的活动面板枢接于所述上盖，并将所述的样品池遮盖于其中，所述的显示屏和触摸屏嵌置于所述上盖内，所述的右壳体外表面设置有开关，所述的底座上紧固有近红外光谱仪模块、继电器、电源和温控器。

3.如权利要求1所述的便携式近红外食用油品质快速检测仪，其特征在于，所述的光程插片设置有2mm、5mm和10mm三种光程。

4.如权利要求1所述的便携式近红外食用油品质快速检测仪，其特征在于，所述的光纤采用透射光纤探头。

5.如权利要求1所述的便携式近红外食用油品质快速检测仪，其特征在于，所述的温控器选用DH48WK型智能温度控制器，所述的温度传感器采用铜—康铜(T)电热偶。