CN104089899A - 一种检测雪花牛肉的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测雪花牛肉的装置和方法。该装置包括控制器和检测平台，控制器包括中央处理单元、触摸屏和光源控制模块，检测平台包括底座，底座上设有样品托板，样品托板通过第一支撑柱与底座相连，样品托板的中部设有透明窗口，透明窗口上方设有照射光源，透明窗口下方设有接收器，底座上还设有带动照射光源移动的第一运动机构和带动接收器移动的第二运动机构，中央处理单元分别与触摸屏、光源控制模块、接收器、第一运动机构和第二运动机构电连接，光源控制模块还与照射光源电连接。本发明能够快速、简便、准确地检测出牛肉是否为雪花牛肉。

Description

一种检测雪花牛肉的装置和方法

技术领域

本发明涉及食品检测技术领域，尤其涉及一种检测雪花牛肉的装置和方法。

背景技术

高档牛肉是指制作国际高档食品的优质牛肉，要求肌纤维细嫩、多汁，肌肉间含有一定量的脂肪，脂肪颗粒细小，于肌肉组织中分布均匀，成大理石纹理，俗称“雪花牛肉”。目前，雪花牛肉一般靠人肉眼进行判断，判断不够准确，且容易出现人为失误。

中国专利公开号CN1603794，公开日2005年4月6日，发明的名称为近红外技术快速检测牛肉嫩度的方法和装置，该申请案公开了一种近红外技术快速检测牛肉嫩度的方法和装置，它由近红外光源、近红外检测器、漫反射光纤设备、微处理器、显示和记录装置和可转动载物台组成。其不足之处是，该检测装置不能检测牛肉是否为雪花牛肉。

发明内容

本发明的目的是克服目前牛肉检测装置不能检测牛肉是否为雪花牛肉的技术问题，提供了一种检测雪花牛肉的装置和方法，其能够快速、简便、准确地检测出牛肉是否为雪花牛肉。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明的一种检测雪花牛肉的装置，包括控制器和检测平台，所述控制器包括中央处理单元、触摸屏和光源控制模块，所述检测平台包括底座，所述底座上设有样品托板，所述样品托板通过第一支撑柱与底座相连，所述样品托板的中部设有透明窗口，所述透明窗口上方设有照射光源，所述透明窗口下方设有接收器，所述底座上还设有带动照射光源移动的第一运动机构和带动接收器移动的第二运动机构，所述中央处理单元分别与触摸屏、光源控制模块、接收器、第一运动机构和第二运动机构电连接，所述光源控制模块还与照射光源电连接。

在本技术方案中，照射光源为卤素灯或激光发射器。检测时，将待测牛肉样品放置在样品托板的透明窗口处。中央处理单元通过第一运动机构控制照射光源运动，通过第二运动机构控制接收器运动，确保接收器始终能够接收到照射光源发出的穿过牛肉样品和透明窗口的检测光。

控制器控制照射光源以一定照射角度旋转一周，每水平转动5度停下检测一次光谱数据。检测光谱数据时，照射光源发出的检测光的强度曲线先从0按照直线上升到最大值，接着从最大值按照正弦曲线下降到0。接收器检测接收到的透射光强度，并将其发送到控制器，控制器对检测数据进行相应处理后，判断待测牛肉样品是否为雪花牛肉。

本发明是采用光强度不断变化的入射光照射样品，在入射光的强度渐大或者减小的变化过程中，不同基团对相应波长光的吸收是渐大或者减小的，此时基团的吸收程度处于未饱和、饱和渐弱过程中，透射光中包含更多的检测信息，从而使得到的检测信号能够更准确的表征出牛肉是否为雪花牛肉。

作为优选，所述第一运动机构包括升降机构、横向连杆、纵向连杆、第一驱动电机和第二驱动电机，所述升降机构设置在底座上，所述横向连杆一端与升降机构相连，横向连杆另一端与第一驱动电机相连，所述第一驱动电机的转轴竖直向下，所述纵向连杆的顶端与第一驱动电机的转轴相连，所述纵向连杆的底端与第二驱动电机相连，所述第二驱动电机的转轴水平设置，所述照射光源与第二驱动电机的转轴相连，照射光源的照射方向朝向透明窗口，所述升降机构、第一驱动电机和第二驱动电机分别与中央处理单元电连接。

升降机构可带动横向连杆升降，从而带动照射光源在竖直方向上下移动；第一驱动电机可带动纵向连杆转动，从而带动照射光源在水平方向旋转；第二驱动电机可带动照射光源在竖直方向旋转。控制器通过升降机构、第一驱动电机和第二驱动电机调整照射光源的位置及其发出检测光的入射角度。

作为优选，所述第二运动机构包括设置在底座上的旋转机构以及设置在旋转机构顶部的弧形轨道，所述接收器设置在弧形轨道上，所述弧形轨道的底面设有两条相互平行的弧形凹槽，弧形凹槽内设有呈弧形的齿条，所述接收器的底部设有两个齿轮以及驱动齿轮转动的第三驱动电机，所述两个齿轮分别与两个齿条啮合，所述弧形轨道的两个侧壁上对称设有呈弧形的限位槽，所述接收器的两侧分别设有与限位槽配合的限位块，所述旋转机构和第三驱动电机分别与中央处理单元电连接。

照射光源位于弧形轨道的弧心位置，接收器朝向弧形轨道的弧心位置。旋转机构可带动弧形轨道水平旋转，使照射光源和弧形轨道位于同一平面，因此只要接收器移动到弧形轨道上的对应位置就能接收到照射光源发出的检测光。第三驱动电机可驱动齿轮转动，从而使接收器在弧形轨道上运动，限位块能够限制接收器的位置，防止接收器离开弧形轨道。

作为优选，所述光源控制模块包括NI数字式采集卡和功放电路，所述NI数字式采集卡的输入端与中央处理单元电连接，所述NI数字式采集卡的输出端与功放电路的输入端电连接，所述功放电路的输出端与照射光源电连接。NI数字式采集卡采集中央处理单元发出的控制信号，并通过功放电路控制照射光源发出不同强度的检测光。

作为优选，所述第一驱动电机的转轴上设有第一角度传感器，所述第二驱动电机的转轴上设有第二角度传感器，所述第一角度传感器和第二角度传感器分别与中央处理单元电连接。中央处理单元通过第一角度传感器监测第一驱动电机转轴的转动角度，通过第二角度传感器监测第二驱动电机转轴的转动角度，确保第一驱动电机转动角度和第二驱动电机转动角度的精确性。

作为优选，所述升降机构包括丝杆、支撑杆以及驱动丝杆转动的第四驱动电机，丝杆和支撑杆竖直设置在底座上，横向连杆与升降机构相连的一端设有套设在丝杆上的螺纹套以及套设在支撑杆上的套管，第四驱动电机与中央处理单元电连接。

作为优选，所述旋转机构包括第二支撑柱以及驱动第二支撑柱转动的第五驱动电机，第二支撑柱设置在底座上，所述第五驱动电机的转轴上设有第三角度传感器，第五驱动电机和第三角度传感分别与中央处理单元电连接。中央处理单元通过第三角度传感器监测第五驱动电机转轴的转动角度，确保第五驱动电机转动角度的精确性。

本发明的一种检测雪花牛肉的方法，包括以下步骤：

S1：制备片状牛肉样品，将牛肉样品放置在样品托板的透明窗口处，使牛肉样品的中心位于纵向连杆的正下方；

S2：控制器通过第二驱动电机控制照射光源转动，使照射光源与竖直方向的夹角为20-40度，控制器通过第二运动机构调整接收器的位置，使接收器能够接收到照射光源发出的穿过牛肉样品和透明窗口的检测光；

S3：控制器通过光源控制模块控制照射光源发出特定光强的检测光照射在牛肉样品上，检测光强度曲线先从0按照直线上升到最大值，接着从最大值按照正弦曲线下降到0，控制器采集透射光谱数据Spect(t)，然后控制器通过第一驱动电机控制纵向连杆转动5度，使照射光源水平旋转5度，控制接收器运动到对应位置，采集此时照射光源照射点的光谱数据，如此控制照射光源水平旋转一周，每水平转动5度停下检测一次光谱数据，从而在牛肉样品上采集72个不同位置的光谱数据Spect(t)；

S4：将采集到的72个光谱数据Spect(t)均进行同样的数据处理，计算出72个信噪比特征值，对每个光谱数据Spect(t)进行的数据处理包括以下步骤：

采用输入信号作为输入矩阵，势函数V(x，t)与输入信号协同为一层随机共振模型：

其中，V(x，t)为势函数，x(t)为布朗粒子运动轨迹函数，t为运动时间，为周期性正弦信号，N(t)为内秉噪声，A是信号幅度，f是信号频率，D是外噪声强度，ξ(t)是外噪声，为相位，

计算V(x，t)对于x的一阶导数和二阶导数，并且使等式等于0，得到二层随机共振模型：

设定噪声强度D＝0，Spect(t)＝0，N(t)＝0，B＝1，计算得到A的临界值为将A_c代入公式(1)中，并设定x₀(t)＝0，sn₀＝0，采用四阶珑格库塔算法求解公式(1)，得到：

$x_{n+1}\left(t\right)=x_n\left(t\right)+1/6[{\left(k_1\right)}_n+(2-\sqrt{2}){\left(k_2\right)}_n+(2+\sqrt{2}){\left(k_3\right)}_n+{\left(k_4\right)}_n],n,\mathrm{0,1},...,N-1---\left(3\right)$

待定系数：

${\left(k_1\right)}_n=4({\mathrm{ax}}_{n-1}\left(t\right)-{\mathrm{bx}}_{n-1}^3\left(t\right)+{\mathrm{sn}}_{n-1})---\left(4\right)$

${\left(k_2\right)}_n=4[a(x_{n-1}\left(t\right)+\frac{{\left(k_1\right)}_{n-1}}{2})-b{(x_{n-1}\left(t\right)+\frac{{\left(k_1\right)}_{n-1}}{2})}^3+{\mathrm{sn}}_{n-1}]---\left(5\right)$

${\left(k_3\right)}_n=4[a(x_{n-1}\left(t\right)+\frac{{\left(k_2\right)}_{n-1}}{2})-b{(x_{n-1}\left(t\right)+\frac{\sqrt{2}-1}{2}{\left(k_1\right)}_{n-1}+\frac{2-\sqrt{2}}{2}{\left(k_2\right)}_{n-1})}^3+{\mathrm{sn}}_{n+1}]---\left(6\right)$

${\left(k_4\right)}_n=4[a(x_{n-1}\left(t\right)+{\left(k_3\right)}_{n-1})-b{(x_{n-1}\left(t\right)+\frac{\sqrt{2}-1}{2}{\left(k_2\right)}_{n-1}+\frac{2-\sqrt{2}}{2}{\left(k_3\right)}_{n-1})}^3+{\mathrm{sn}}_{n+1}]---\left(7\right)$

其中，x_n(t)为x(t)的n阶导数，sn_n是S(t)的n阶导数在t＝0处的值，a、b为设定的常数，

计算得到x₁(t)，x₂(t)…x_n+1(t)的值，对x₁(t)，x₂(t)…x_n+1(t)进行积分得到x_(t)，并得到x_(t)在一层随机共振模型和二层随机共振模型组成的双层随机共振系统产生共振时刻的位置x_m值、与x_m相对应的共振时刻t1以及与t1相对应的噪声D1，D1为D中的一个值，

通过公式计算得到信噪比特征值SNR_特征，其中，ΔU＝a²/4b；

S5：将计算出的72个信噪比特征值SNR_特征分别与设定的阈值比较，如果SNR_特征>-68.74判断该信噪比特征值对应的检测点为白色光谱点，如果SNR_特征<-77.49判断该信噪比特征值对应的检测点为红色光谱点；

S6：统计白色光谱点的个数N1和红色光谱点的个数N2，如果且则判断该牛肉是雪花牛肉，如果且则判断该牛肉不是雪花牛肉，否则跳转至步骤S3，对牛肉样品重新进行检测。

作为优选，所述步骤S2中控制器通过第二运动机构调整接收器的位置包括以下步骤：照射光源持续发射强度不变的照射光，控制器根据照射光源转动方向控制接收器朝对应方向运动，并监测接收器接收到的照射光强度，最后使接收器停留在接收到的照射光强度最大的位置。

作为优选，所述步骤S6中跳转至步骤S3之前先执行以下步骤：控制器通过第二驱动电机控制照射光源转动，使照射光源与竖直方向的夹角增大2度，控制器通过第二运动机构调整接收器的位置，使接收器能够接收到照射光源发出的穿过牛肉样品和透明窗口的检测光。

本发明的实质效果是：能够快速、简便、准确地检测出牛肉是否为雪花牛肉。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是本发明的第二运动机构的结构示意图；

图3是本发明的弧形轨道的截面图；

图4是本发明的电路原理连接框图；

图5是检测时照射光源发出的检测光的光强曲线图。

图中：1、中央处理单元，2、触摸屏，3、光源控制模块，4、底座，5、第二支撑柱，6、样品托板，7、透明窗口，8、照射光源，9、接收器，10、升降机构，11、横向连杆，12、纵向连杆，13、第一驱动电机，14、第二驱动电机，15、旋转机构，16、弧形轨道，17、弧形凹槽，18、齿轮，19、第三驱动电机，20、限位槽，21、限位块，22、NI数字式采集卡，23、功放电路，24、第一支撑柱，25、丝杆，26、支撑杆，27、螺纹套，28、套管，29、第一角度传感器，30、第二角度传感器。

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：本实施例的一种检测雪花牛肉的装置，如图1、图2、图3所示，包括控制器和检测平台，控制器包括中央处理单元1、触摸屏2和光源控制模块3，光源控制模块3包括NI数字式采集卡22和功放电路23，检测平台包括底座4，底座4上设有样品托板6，样品托板6通过第一支撑柱24与底座4相连，样品托板6的中部设有透明窗口7，透明窗口7上方设有照射光源8，透明窗口7下方设有接收器9，底座4上还设有带动照射光源8移动的第一运动机构和带动接收器9移动的第二运动机构。

第一运动机构包括升降机构10、横向连杆11、纵向连杆12、第一驱动电机13和第二驱动电机14，升降机构10设置在底座4上，横向连杆11一端与升降机构10相连，横向连杆11另一端与第一驱动电机13相连，第一驱动电机13的转轴竖直向下，纵向连杆12的顶端与第一驱动电机13的转轴相连，纵向连杆12的底端与第二驱动电机14相连，第二驱动电机14的转轴水平设置，照射光源8与第二驱动电机14的转轴相连，照射光源8的照射方向朝向透明窗口7，第一驱动电机13的转轴上设有第一角度传感器29，第二驱动电机14的转轴上设有第二角度传感器30。

第二运动机构包括设置在底座4上的旋转机构15以及设置在旋转机构15顶部的弧形轨道16，接收器9设置在弧形轨道16上，弧形轨道16的底面设有两条相互平行的弧形凹槽17，弧形凹槽17内设有呈弧形的齿条，接收器9的底部设有两个齿轮18以及驱动齿轮18转动的第三驱动电机19，两个齿轮18分别与两个齿条啮合，弧形轨道16的两个侧壁上对称设有呈弧形的限位槽20，接收器9的两侧分别设有与限位槽20配合的限位块21。

如图4所示，中央处理单元1分别与触摸屏2、接收器9、升降机构10、第一驱动电机13、第二驱动电机14、旋转机构15、第三驱动电机19、第一角度传感器29、第二角度传感器30、NI数字式采集卡22的输入端电连接，NI数字式采集卡22的输出端与功放电路23的输入端电连接，功放电路23的输出端与照射光源8电连接。

透明窗口7为0.4mm的石英玻璃，照射光源8为卤素灯。升降机构包括丝杆25、支撑杆26以及驱动丝杆25转动的第四驱动电机，丝杆25和支撑杆26竖直设置在底座4上，横向连杆11与升降机构10相连的一端设有套设在丝杆25上的螺纹套27以及套设在支撑杆26上的套管28，第四驱动电机与中央处理单元1电连接。旋转机构15包括第二支撑柱5以及驱动第二支撑柱5转动的第五驱动电机，第二支撑柱5设置在底座4上，第五驱动电机的转轴上设有第三角度传感器，第五驱动电机和第三角度传感分别与中央处理单元1电连接。

升降机构10可带动横向连杆11升降，从而带动照射光源8在竖直方向上下移动；第一驱动电机13可带动纵向连杆12转动，从而带动照射光源8在水平方向旋转；第二驱动电机14可带动照射光源8在竖直方向旋转。控制器通过升降机构10、第一驱动电机13和第二驱动电机14调整照射光源8的位置及其发出检测光的入射角度。

中央处理单元1通过第一角度传感器29监测第一驱动电机13转轴的转动角度，通过第二角度传感器30监测第二驱动电机14转轴的转动角度，通过第三角度传感器监测第五驱动电机转轴的转动角度，确保第一驱动电机13转动角度、第二驱动电机14转动角度和第五驱动电机转动角度的精确性。

照射光源8位于弧形轨道16的弧心位置，接收器9朝向弧形轨道16的弧心位置。旋转机构15可带动弧形轨道16水平旋转，使照射光源8和弧形轨道16位于同一平面，因此只要接收器9移动到弧形轨道16上的对应位置就能接收到照射光源8发出的检测光。第三驱动电机19可驱动齿轮18转动，从而使接收器9在弧形轨道16上运动，限位块21能够限制接收器9的位置，防止接收器9离开弧形轨道16。NI数字式采集卡22采集中央处理单元1发出的控制信号，并通过功放电路23控制照射光源8发出不同强度的检测光。

检测时，将待测牛肉样品放置在样品托板6的透明窗口7处。中央处理单元1通过第一运动机构控制照射光源8运动，通过第二运动机构控制接收器9运动，确保接收器9始终能够接收到照射光源8发出的穿过牛肉样品和透明窗口7的检测光。

控制器控制照射光源8以一定照射角度旋转一周，每水平转动5度停下检测一次光谱数据。检测光谱数据时，照射光源8发出的检测光的强度曲线先从0按照直线上升到最大值，接着从最大值按照正弦曲线下降到0，如图5所示。接收器9检测接收到的透射光强度，并将其发送到控制器，控制器对检测数据进行相应处理后，判断待测牛肉样品是否为雪花牛肉。

本发明是采用光强度不断变化的入射光照射样品，在入射光的强度渐大或者减小的变化过程中，不同基团对相应波长光的吸收是渐大或者减小的，此时基团的吸收程度处于未饱和、饱和渐弱过程中，透射光中包含更多的检测信息，从而使得到的检测信号能够更准确的表征出牛肉是否为雪花牛肉。

本实施例的一种检测雪花牛肉的方法，包括以下步骤：

S1：制备厚度为3mm-4mm的牛肉样品，将牛肉样品放置在样品托板的透明窗口处，使牛肉样品的中心位于纵向连杆的正下方；

S2：控制器通过第二驱动电机控制照射光源转动，使照射光源与竖直方向的夹角为28度，控制器通过第二运动机构调整接收器的位置，使接收器能够接收到照射光源发出的穿过牛肉样品和透明窗口的检测光；

S3：控制器通过光源控制模块控制照射光源发出特定光强的检测光照射在牛肉样品上，检测光强度曲线先从0按照直线上升到最大值，接着从最大值按照正弦曲线下降到0，控制器采集透射光谱数据Spect(t)，然后控制器通过第一驱动电机控制纵向连杆转动5度，使照射光源水平旋转5度，控制接收器运动到对应位置，采集此时照射光源照射点的光谱数据，如此控制照射光源水平旋转一周，每水平转动5度停下检测一次光谱数据，从而在牛肉样品上采集72个不同位置的光谱数据Spect(t)；

S4：将采集到的72个光谱数据Spect(t)均进行同样的数据处理，计算出72个信噪比特征值，对每个光谱数据Spect(t)进行的数据处理包括以下步骤：

采用输入信号作为输入矩阵，

在绝热近似条件下，假设信号幅度极小(A<<1)，双稳态系统在没有足够能量驱动的情况下，布朗运动粒子偏置于一侧势阱中，信号周期比一些典型势阱内系统弛豫时间要长的多，此时周期性驱动力的出现使势函数发生倾斜，最终导致布朗运动粒子从一个势阱到另外一个势阱的跃迁，因此势函数V(x，t)与输入信号协同为一层随机共振模型：

其中，V(x，t)为势函数，x(t)为布朗粒子运动轨迹函数，t为运动时间，为周期性正弦信号，N(t)为内秉噪声，A是信号幅度，f是信号频率，D是外噪声强度，ξ(t)是外噪声，为相位，

计算V(x，t)对于x的一阶导数和二阶导数，并且使等式等于0，得到二层随机共振模型：

设定噪声强度D＝0，Spect(t)＝0，N(t)＝0，B＝1，计算得到A的临界值为在A<A_c的情况下，布朗运动粒子在其原始位置左右进行徘徊，并不能实现两个势阱之间的跃迁，但是粒子在得到外噪声干预的情况下，即便是A<A_c其也能完成势阱之间的跃迁，这就是随机共振的发生过程，将A_c代入公式(1)中，并设定x₀(t)＝0，sn₀＝0，采用四阶珑格库塔算法求解公式(1)，得到：

$x_{n+1}\left(t\right)=x_n\left(t\right)+1/6[{\left(k_1\right)}_n+(2-\sqrt{2}){\left(k_2\right)}_n+(2+\sqrt{2}){\left(k_3\right)}_n+{\left(k_4\right)}_n],n,\mathrm{0,1},...,N-1---\left(3\right)$

待定系数：

${\left(k_1\right)}_n=4({\mathrm{ax}}_{n-1}\left(t\right)-{\mathrm{bx}}_{n-1}^3\left(t\right)+{\mathrm{sn}}_{n-1})---\left(4\right)$

${\left(k_2\right)}_n=4[a(x_{n-1}\left(t\right)+\frac{{\left(k_1\right)}_{n-1}}{2})-b{(x_{n-1}\left(t\right)+\frac{{\left(k_1\right)}_{n-1}}{2})}^3+{\mathrm{sn}}_{n-1}]---\left(5\right)$

${\left(k_3\right)}_n=4[a(x_{n-1}\left(t\right)+\frac{{\left(k_2\right)}_{n-1}}{2})-b{(x_{n-1}\left(t\right)+\frac{\sqrt{2}-1}{2}{\left(k_1\right)}_{n-1}+\frac{2-\sqrt{2}}{2}{\left(k_2\right)}_{n-1})}^3+{\mathrm{sn}}_{n+1}]---\left(6\right)$

${\left(k_4\right)}_n=4[a(x_{n-1}\left(t\right)+{\left(k_3\right)}_{n-1})-b{(x_{n-1}\left(t\right)+\frac{\sqrt{2}-1}{2}{\left(k_2\right)}_{n-1}+\frac{2-\sqrt{2}}{2}{\left(k_3\right)}_{n-1})}^3+{\mathrm{sn}}_{n+1}]---\left(7\right)$

其中，x_n(t)为x(t)的n阶导数，sn_n是S(t)的n阶导数在t＝0处的值，a、b为设定的常数，

计算得到x₁(t)，x₂(t)…x_n+1(t)的值，对x₁(t)，x₂(t)…x_n+1(t)进行积分得到x_(t)，并得到x_(t)在一层随机共振模型和二层随机共振模型组成的双层随机共振系统产生共振时刻的位置x_m值、与x_m相对应的共振时刻t1以及与t1相对应的噪声D1，D1为D中的一个值，

通过公式计算得到信噪比特征值SNR_特征，其中，AU＝a²/4b；

S5：将计算出的72个信噪比特征值SNR_特征分别与设定的阈值比较，如果SNR_特征>-68.74判断该信噪比特征值对应的检测点为白色光谱点(肥肉)，如果SNR特征<-77.49判断该信噪比特征值对应的检测点为红色光谱点(瘦肉)；

S6：统计白色光谱点的个数N1和红色光谱点的个数N2，如果且则判断该牛肉是雪花牛肉，如果且则判断该牛肉不是雪花牛肉，否则执行步骤S7；

S7：控制器通过第二驱动电机控制照射光源转动，使照射光源与竖直方向的夹角增大2度，控制器通过第二运动机构调整接收器的位置，使接收器能够接收到照射光源发出的穿过牛肉样品和透明窗口的检测光，接着跳转至步骤S3，对牛肉样品重新进行检测。

步骤S2中控制器通过第二运动机构调整接收器的位置包括以下步骤：照射光源持续发射强度不变的照射光，控制器根据照射光源转动方向控制接收器朝对应方向运动，并监测接收器接收到的照射光强度，最后使接收器停留在接收到的照射光强度最大的位置。

在本实施例中，统计白色光谱点的个数N1＝20和红色光谱点的个数N2＝52， $\left|\frac{N1}{72}\right|=28\%>20\%,\left|\frac{N2}{72}\right|=72\%>75\%,$ 判断牛肉样品是雪花牛肉。

Claims (10)

1.一种检测雪花牛肉的装置，其特征在于：包括控制器和检测平台，所述控制器包括中央处理单元(1)、触摸屏(2)和光源控制模块(3)，所述检测平台包括底座(4)，所述底座(4)上设有样品托板(6)，所述样品托板(6)通过第一支撑柱(24)与底座(4)相连，所述样品托板(6)的中部设有透明窗口(7)，所述透明窗口(7)上方设有照射光源(8)，所述透明窗口(7)下方设有接收器(9)，所述底座(4)上还设有带动照射光源(8)移动的第一运动机构和带动接收器(9)移动的第二运动机构，所述中央处理单元(1)分别与触摸屏(2)、光源控制模块(3)、接收器(9)、第一运动机构和第二运动机构电连接，所述光源控制模块(3)还与照射光源(8)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种检测雪花牛肉的装置，其特征在于：所述第一运动机构包括升降机构(10)、横向连杆(11)、纵向连杆(12)、第一驱动电机(13)和第二驱动电机(14)，所述升降机构(10)设置在底座(4)上，所述横向连杆(11)一端与升降机构(10)相连，横向连杆(11)另一端与第一驱动电机(13)相连，所述第一驱动电机(13)的转轴竖直向下，所述纵向连杆(12)的顶端与第一驱动电机(13)的转轴相连，所述纵向连杆(12)的底端与第二驱动电机(14)相连，所述第二驱动电机(14)的转轴水平设置，所述照射光源(8)与第二驱动电机(14)的转轴相连，照射光源(8)的照射方向朝向透明窗口(7)，所述升降机构(10)、第一驱动电机(13)和第二驱动电机(14)分别与中央处理单元(1)电连接。

3.根据权利要求2所述的一种检测雪花牛肉的装置，其特征在于：所述第二运动机构包括设置在底座(4)上的旋转机构(15)以及设置在旋转机构(15)顶部的弧形轨道(16)，所述接收器(9)设置在弧形轨道(16)上，所述弧形轨道(16)的底面设有两条相互平行的弧形凹槽(17)，弧形凹槽(17)内设有呈弧形的齿条，所述接收器(9)的底部设有两个齿轮(18)以及驱动齿轮(18)转动的第三驱动电机(19)，所述两个齿轮(18)分别与两个齿条啮合，所述弧形轨道(16)的两个侧壁上对称设有呈弧形的限位槽(20)，所述接收器(9)的两侧分别设有与限位槽(20)配合的限位块(21)，所述旋转机构(15)和第三驱动电机(19)分别与中央处理单元(1)电连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种检测雪花牛肉的装置，其特征在于：所述光源控制模块(3)包括NI数字式采集卡(22)和功放电路(23)，所述NI数字式采集卡(22)的输入端与中央处理单元(1)电连接，所述NI数字式采集卡(22)的输出端与功放电路(23)的输入端电连接，所述功放电路(23)的输出端与照射光源(8)电连接。

5.根据权利要求2或3所述的一种检测雪花牛肉的装置，其特征在于：所述第一驱动电机(13)的转轴上设有第一角度传感器(29)，所述第二驱动电机(14)的转轴上设有第二角度传感器(30)，所述第一角度传感器(29)和第二角度传感器(30)分别与中央处理单元(1)电连接。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种检测雪花牛肉的装置，其特征在于：所述升降机构(10)包括丝杆(25)、支撑杆(26)以及驱动丝杆(25)转动的第四驱动电机，丝杆(25)和支撑杆(26)竖直设置在底座(4)上，横向连杆(11)与升降机构(10)相连的一端设有套设在丝杆(25)上的螺纹套(27)以及套设在支撑杆(26)上的套管(28)，第四驱动电机与中央处理单元(1)电连接。

7.根据权利要求1或2或3所述的一种检测雪花牛肉的装置，其特征在于：所述旋转机构(15)包括第二支撑柱(5)以及驱动第二支撑柱(5)转动的第五驱动电机，第二支撑柱(5)设置在底座(4)上，所述第五驱动电机的转轴上设有第三角度传感器，第五驱动电机和第三角度传感分别与中央处理单元(1)电连接。

8.一种检测雪花牛肉的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：制备片状牛肉样品，将牛肉样品放置在样品托板的透明窗口处，使牛肉样品的中心位于纵向连杆的正下方；

S2：控制器通过第二驱动电机控制照射光源转动，使照射光源与竖直方向的夹角为20-40度，控制器通过第二运动机构调整接收器的位置，使接收器能够接收到照射光源发出的穿过牛肉样品和透明窗口的检测光；

S3：控制器通过光源控制模块控制照射光源发出特定光强的检测光照射在牛肉样品上，检测光强度曲线先从0按照直线上升到最大值，接着从最大值按照正弦曲线下降到0，控制器采集透射光谱数据Spect(t)，然后控制器通过第一驱动电机控制纵向连杆转动5度，使照射光源水平旋转5度，控制接收器运动到对应位置，采集此时照射光源照射点的光谱数据，如此控制照射光源水平旋转一周，每水平转动5度停下检测一次光谱数据，从而在牛肉样品上采集72个不同位置的光谱数据Spect(t)；

S4：将采集到的72个光谱数据Spect(t)均进行同样的数据处理，计算出72个信噪比特征值，对每个光谱数据Spect(t)进行的数据处理包括以下步骤：

采用输入信号作为输入矩阵，势函数V(x，t)与输入信号协同为一层随机共振模型：

其中，V(x，t)为势函数，x(t)为布朗粒子运动轨迹函数，t为运动时间，为周期性正弦信号，N(t)为内秉噪声，A是信号幅度，f是信号频率，D是外噪声强度，ξ(t)是外噪声，为相位，

计算V(x，t)对于x的一阶导数和二阶导数，并且使等式等于0，得到二层随机共振模型：

设定噪声强度D＝0，Spect(t)＝0，N(t)＝0，B＝1，计算得到A的临界值为将A_c代入公式(1)中，并设定x₀(t)＝0，sn₀＝0，采用四阶珑格库塔算法求解公式(1)，得到：

$x_{n+1}\left(t\right)=x_n\left(t\right)+1/6[{\left(k_1\right)}_n+(2-\sqrt{2}){\left(k_2\right)}_n+(2+\sqrt{2}){\left(k_3\right)}_n+{\left(k_4\right)}_n],n,\mathrm{0,1},...,N-1---\left(3\right)$

待定系数：

${\left(k_1\right)}_n=4({\mathrm{ax}}_{n-1}\left(t\right)-{\mathrm{bx}}_{n-1}^3\left(t\right)+{\mathrm{sn}}_{n-1})---\left(4\right)$

${\left(k_2\right)}_n=4[a(x_{n-1}\left(t\right)+\frac{{\left(k_1\right)}_{n-1}}{2})-b{(x_{n-1}\left(t\right)+\frac{{\left(k_1\right)}_{n-1}}{2})}^3+{\mathrm{sn}}_{n-1}]---\left(5\right)$

${\left(k_3\right)}_n=4[a(x_{n-1}\left(t\right)+\frac{{\left(k_2\right)}_{n-1}}{2})-b{(x_{n-1}\left(t\right)+\frac{\sqrt{2}-1}{2}{\left(k_1\right)}_{n-1}+\frac{2-\sqrt{2}}{2}{\left(k_2\right)}_{n-1})}^3+{\mathrm{sn}}_{n+1}]---\left(6\right)$

${\left(k_4\right)}_n=4[a(x_{n-1}\left(t\right)+{\left(k_3\right)}_{n-1})-b{(x_{n-1}\left(t\right)+\frac{\sqrt{2}-1}{2}{\left(k_2\right)}_{n-1}+\frac{2-\sqrt{2}}{2}{\left(k_3\right)}_{n-1})}^3+{\mathrm{sn}}_{n+1}]---\left(7\right)$

其中，x_n(t)为x(t)的n阶导数，sn_n是S(t)的n阶导数在t＝0处的值，a、b为设定的常数，

计算得到x₁(t)，x₂(t)…x_n+1(t)的值，对x₁(t)，x₂(t)…x_n+1(t)进行积分得到x_(t)，并得到x_(t)在一层随机共振模型和二层随机共振模型组成的双层随机共振系统产生共振时刻的位置x_m值、与x_m相对应的共振时刻t1以及与t1相对应的噪声D1，D1为D中的一个值，

通过公式计算得到信噪比特征值SNR_特征，其中，ΔU＝a²/4b；

S5：将计算出的72个信噪比特征值SNR_特征分别与设定的阈值比较，如果SNR_特征>-68.74判断该信噪比特征值对应的检测点为白色光谱点，如果SNR_特征<-77.49判断该信噪比特征值对应的检测点为红色光谱点；

S6：统计白色光谱点的个数N1和红色光谱点的个数N2，如果且则判断该牛肉是雪花牛肉，如果且则判断该牛肉不是雪花牛肉，否则跳转至步骤S3，对牛肉样品重新进行检测。

9.根据权利要求8所述的一种检测雪花牛肉的方法，其特征在于，所述步骤S2中控制器通过第二运动机构调整接收器的位置包括以下步骤：照射光源持续发射强度不变的照射光，控制器根据照射光源转动方向控制接收器朝对应方向运动，并监测接收器接收到的照射光强度，最后使接收器停留在接收到的照射光强度最大的位置。

10.根据权利要求8或9所述的一种检测雪花牛肉的方法，其特征在于，所述步骤S6中跳转至步骤S3之前先执行以下步骤：控制器通过第二驱动电机控制照射光源转动，使照射光源与竖直方向的夹角增大2度，控制器通过第二运动机构调整接收器的位置，使接收器能够接收到照射光源发出的穿过牛肉样品和透明窗口的检测光。