CN104568794B - 带鱼肉储存时间检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带鱼肉储存时间检测方法，包括可见/近红外光谱仪、光纤探头、样品检测托盘、圆弧导轨和悬臂，检测步骤一：制备检测带鱼肉样品；步骤二：采用可见/近红外光谱仪检测带鱼肉样品；步骤三：计算得到两个主成分输出信号PC1和PC2；步骤四：进行主成分分析；步骤五：建立不同保存时间的带鱼肉的单稳态随机共振系统输出信号强度特征峰值数据表；步骤六：按照步骤一的方法取待测带鱼肉样品，重复步骤二至四，在PC1和PC2主成分贡献率大于等于90％的前提下，若则被测的带鱼肉样品保存时间与信号强度特征值Px对应的时间相同。本发明能够快速、简便、准确的检测出带鱼肉的保存时间，确保大黄鱼肉食品的安全。
Description
技术领域
本发明涉及食品存储领域，尤其是一种带鱼肉保存时间的检测方法。
背景技术
带鱼肉是广大消费者比较喜爱的食品，带鱼肉食品的安全，关乎老百姓的生命安全和社会稳定。人们希望有一种能够快速、简便、准确检测冷鲜带鱼肉保存时间的方法，以便及时有序地对存储的带鱼肉进行处理，确保带鱼肉食品的安全。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种带鱼肉储存时间检测方法，能够快速、简便、准确的检测出带鱼肉的保存时间，以便及时有序地对存储的带鱼肉进行处理，确保带鱼肉食品的安全。
为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：
本发明一种带鱼肉储存时间检测方法，包括用于检测的可见/近红外光谱仪、双分叉光纤、光纤探头、卤素灯光源及样品检测托盘，所述可见/近红外光谱仪与计算机连接、并通过所述双分叉光纤与光纤探头连接，所述卤素灯光源由光源控制器控制、并通过双分叉光纤与光纤探头连接，所述样品检测托盘为球面形，该样品检测托盘的正上方设有一圆弧导轨,该圆弧导轨的圆心与样品检测托盘的球心重合，圆弧导轨上设有由传动机构一驱动的滑块，一悬臂的上端沿径向固设于所述滑块上，所述悬臂上沿径向设有滑槽，光纤探头通过传动机构二的驱动可滑动的安装于悬臂上的所述滑槽内，样品检测托盘的底部固设在内转轴的上端，圆弧导轨通过撑杆固设在外转轴上，电机通过传动机构三分别与内、外转轴传动连接，
检测步骤为——
步骤一：制备检测带鱼肉样品
选取待检测带鱼肉样品，去除白鳞和内脏，切成3-7毫米薄片，放入样品检测托盘；
步骤二：采用可见/近红外光谱仪检测带鱼肉样品
光纤探头分别以与竖直方向成0度、15度、30度的角度指向样品检测托盘的球心，在每种角度下，均采用下列方法采集数据：
样品检测托盘每旋转5度，暂停50秒，在暂停的50秒中，前25秒由光源控制器控制卤素灯光源由弱渐强、且由传动机构二控制光纤探头沿径向槽由远及近靠近样品检测托盘，后25秒由光源控制器控制卤素灯光源由强渐弱、且由传动机构二控制光纤探头沿径向槽由近及远远离样品检测托盘，光纤探头每隔5秒采集一个数据，利用带鱼肉样品的弛豫谱特性、不同光强不同时间基团被激发的效果及吸收不同，丰富检测数据，以消除带鱼肉样品因检测方向不同、纹理不同、肌肉组织不同所造成的测量差异；
步骤三：将可见/近红外光谱仪的上述检测结果输入计算机的单稳态随机共振系统，计算得到两个主成分输出信号PC1和PC2；
步骤四：进行主成分分析
如果前两个主成分PC1和PC2的贡献率之和大于等于90％，单稳态随机共振输出信号可以实现带鱼肉保存时间的检测；如果前两个主成分PC1和PC2的贡献率之和小于90％，则重新进行检测；
步骤五：建立不同保存时间的带鱼肉的单稳态随机共振系统输出信号强度特征峰值数据表
按照步骤一的方法分别取保存1至8天的带鱼肉样品，重复步骤二至四，在PC1和PC2主成分贡献率大于等于90％的前提下，提取各个带鱼肉样品的单稳态随机共振系统输出信号强度特征峰值P，建立不同保存时间的带鱼肉的单稳态随机共振系统输出信号强度特征峰值数据表；
步骤六：按照步骤一的方法取待测带鱼肉样品，重复步骤二至四，在PC1和
PC2主成分贡献率大于等于90％的前提下，提取单稳态随机共振系统输出信号强度特征峰值P，将P值与所述带鱼肉的单稳态随机共振系统输出信号强度特征峰值数据表中的各个特征峰值进行比对，如果对于某天的信号强度特征值Px，有则被测的带鱼肉样品保存时间与信号强度特征值Px对应的时间相同。
在样品检测托盘和圆弧导轨外设有不透光样品池罩，用于减小外部光线对测量的干扰。
所述的单稳态随机共振系统采用非线性朗之万方程描述的单稳态随机共振系统：
其中，是系统输出x(t)的一阶导数；S(t)是输入信号，将可见/近红外光谱仪检测信号作为S(t)输入到单稳态系统中去；n(t)是零均值的指数型高斯白噪声，其自相关函数为 为单稳态势函数U(x)的一阶导数；而
式中，a为系统参数，代表系统的偏置，影响系统稳态点的位置，b为系统参数，取大于零的实数，
式(1)描述了一个布朗粒子在单稳态系统中的阻尼运动，在无输入噪声和信号的情况下，系统只有一个稳态点，没有势垒；
系统准稳态分布函数可以表示为：
其中，Nst为归一化常数，U(x)为单稳态势函数，B(x)＝Dx2+2λDx+D。
我们定义单稳态随机共振输出信号强度近似计算表达式为：
其中A为输入信号幅度，D为色噪声强度；
我们将光谱信号耦合r(t)一个周期信号sin(ωt)作为总的输入信号，即
S(t)＝lsin(ωt)+mr(t) (5)
并且取l和m的最小公倍数作为信号输入幅度A；
因此式(4)表达的单稳态随机共振输出信号强度可以近似推导为：
其中I(ω)是输入功率谱，O(ω)为输出功率谱。其中O(ω)和I(ω)近似为：
在光谱检测分析中，可见/近红外波段包含丰富的物质信息，光谱信息与被测物自身的含量和组成紧密相关，因此可见/近红外光谱可应用于物质的分类判断。本发明所述方法的有益效果是：由于采用上述技术方案，利用可见/近红外光谱仪检测不同保存时间的带鱼肉样品，提取光谱数据的随机共振信噪比曲线特征值进行主成分分析，实现了不同保存时间的带鱼肉样品的区分，同时，可以根据主成分分析的前两个主成分贡献率之和判断区分程度。利用种方法，能够快速、简便、准确的检测出带鱼肉的保存时间，以便及时有序地对存储的带鱼肉进行处理，确保带鱼肉食品的安全；所述样品检测托盘为球面形，该样品检测托盘的正上方设有一圆弧导轨,该圆弧导轨的圆心与样品检测托盘的球心重合，圆弧导轨上设有由传动机构一驱动的滑块，一悬臂的上端沿径向固设于所述滑块上，所述悬臂上沿径向设有滑槽，光纤探头通过传动机构二的驱动可滑动的安装于悬臂上的所述滑槽内，样品检测托盘的底部固设在内转轴的上端，圆弧导轨通过撑杆固设在外转轴上，电机通过传动机构三分别与内、外转轴传动连接，这种结构，滑块可沿圆弧导轨往复滑动，光纤探头可沿滑槽上下滑动，电机通过转动机构能够使样品检测托盘和/或圆弧导轨旋转，无论悬臂、光线探头如何运动，光线探头发出的光均与样品检测托盘的反射面垂直，能够得到最强的反射光信号。
附图说明
图1是本发明样品检测系统的结构示意图；
图2是带鱼肉检测样品的漫反射光谱曲线示意图；
图3是主成分PC1和PC2构成的二维空间示意图；
图4是光谱信号主成分分析结果示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种带鱼肉储存时间检测方法，包括用于检测的可见/近红外光谱仪12、双分叉光纤13、光纤探头6、卤素灯光源14及样品检测托盘4，所述可见/近红外光谱仪12与计算机11连接、并通过所述双分叉光纤13与光纤探头6连接，所述卤素灯光源14由光源控制器15控制、并通过双分叉光纤13与光纤探头6连接，所述样品检测托盘4为球面形，该样品检测托盘4的正上方设有一圆弧导轨9,该圆弧导轨9的圆心与样品检测托盘4的球心重合，圆弧导轨9上设有由传动机构一驱动的滑块10，一悬臂7的上端沿径向固设于所述滑块10上，所述悬臂7上沿径向设有滑槽8，光纤探头6通过传动机构二的驱动可滑动的安装于悬臂7上的所述滑槽8内，样品检测托盘4的底部固设在内转轴31的上端，圆弧导轨9通过撑杆固设在外转轴32上，电机1通过传动机构三2分别与内、外转轴31、32传动连接，作为优选，在样品检测托盘4和圆弧导轨9外设有不透光样品池罩，用于减小外部光线对测量的干扰，
带鱼肉保存时间的具体检测方法的步骤如下：
步骤一：制备检测带鱼肉样品
选取待检测带鱼肉样品，去除白鳞和内脏，切成3-7毫米薄片，放入样品检测托盘4；为了进一步提高检测结果，选取的带鱼肉样品，可以指定肉样的部位，如带鱼腹部、带鱼尾部等等；
步骤二：采用可见/近红外光谱仪检测带鱼肉样品
光纤探头6分别以与竖直方向成0度、15度、30度的角度指向样品检测托盘4的球心，在每种角度下，均采用下列方法采集数据：
样品检测托盘4每旋转5度，暂停50秒，在暂停的50秒中，前25秒由光源控制器7控制卤素灯光源5由弱渐强、且由传动机构二控制光纤探头6沿径向槽8由远及近靠近样品检测托盘4，后25秒由光源控制器7控制卤素灯光源5由强渐弱、且由传动机构二控制光纤探头6沿径向槽8由近及远远离样品检测托盘4，光纤探头6每隔5秒采集一个数据，利用带鱼肉样品的弛豫谱特性、不同光强不同时间基团被激发的效果及吸收不同，丰富检测数据，以消除带鱼肉样品因检测方向不同、纹理不同、肌肉组织不同所造成的测量差异；
为了进一步丰富检测数据，在检测过程中，光纤探头6与竖直方向的夹角可以任意增添，样品检测托盘4的旋转角度和暂停时间可以任意选取；为了减小带鱼肉样品在旋转过程中相对于样品检测托盘4发生位移而影响检测结果，可以优选内转轴静止，由外转轴带动圆弧导轨旋转；
步骤三：将可见/近红外光谱仪12的上述检测结果输入计算机11的单稳态随机共振系统，计算得到两个主成分输出信号PC1和PC2；
步骤四：进行主成分分析
如果前两个主成分PC1和PC2的贡献率之和大于等于90％，单稳态随机共振输出信号可以实现带鱼肉保存时间的检测；如果前两个主成分PC1和PC2的贡献率之和小于90％，则重新进行检测；
步骤五：建立不同保存时间的带鱼肉的单稳态随机共振系统输出信号强度特征峰值数据表
按照步骤一的方法分别取保存1至8天的带鱼肉样品，重复步骤二至四，在PC1和PC2主成分贡献率大于等于90％的前提下，提取各个带鱼肉样品的单稳态随机共振系统输出信号强度特征峰值P，建立不同保存时间的带鱼肉的单稳态随机共振系统输出信号强度特征峰值数据表；
步骤六：按照步骤一的方法取待测带鱼肉样品，重复步骤二至四，在PC1和
PC2主成分贡献率大于等于90％的前提下，提取单稳态随机共振系统输出信号强度特征峰值P，将P值与所述带鱼肉的单稳态随机共振系统输出信号强度特征峰值数据表中的各个特征峰值进行比对，如果对于某天的信号强度特征值Px，有则被测的带鱼肉样品保存时间与信号强度特征值Px对应的时间相同。
所述的单稳态随机共振系统采用非线性朗之万方程描述的单稳态随机共振系统：
其中，是系统输出x(t)的一阶导数；S(t)是输入信号，将可见/近红外光谱仪12检测信号作为S(t)输入到单稳态系统中去；n(t)是零均值的指数型高斯白噪声，其自相关函数为 为单稳态势函数U(x)的一阶导数；而
式中，a为系统参数，代表系统的偏置，影响系统稳态点的位置，b为系统参数，取大于零的实数，
式(1)描述了一个布朗粒子在单稳态系统中的阻尼运动，在无输入噪声和信号的情况下，系统只有一个稳态点，没有势垒；
系统准稳态分布函数可以表示为：
其中，Nst为归一化常数，U(x)为单稳态势函数，B(x)＝Dx2+2λDx+D。
我们定义单稳态随机共振输出信号强度近似计算表达式为：
其中A为输入信号幅度，D为色噪声强度；
我们将光谱信号耦合r(t)一个周期信号sin(ωt)作为总的输入信号，即
S(t)＝lsin(ωt)+mr(t) (5)
并且取l和m的最小公倍数作为信号输入幅度A；
因此式(4)表达的单稳态随机共振输出信号强度可以近似推导为：
其中I(ω)是输入功率谱，O(ω)为输出功率谱。其中O(ω)和I(ω)近似为：
下表为不同保存时间的带鱼肉的单稳态随机共振系统输出信号强度特征峰值
图2带鱼肉样品的漫反射光谱曲线，光谱信号在625nm附近强度最高，此外在562nm、513nm、473nm、707nm、745nm处也出现了特征峰，光谱检测信号包含了较为丰富的检出信息。
选取不同储存时间的带鱼肉光谱检测数据输入到单稳态随机共振系统中进行分析。随机共振的一个特点在于并非消除检测系统中的内禀噪声信号，而采用添加外噪声调制目标信号达到共振状态，增强目标微弱信号而易于检测。图3为主成分1和主成分2构成的二维空间图，不同储存时间的带鱼肉样品光谱数据的输出信噪比曲线首先呈上升趋势，在噪声强度70处达到极大值后开始下降。前两个主成分的贡献率分别为79.83％和16.09％，不同储存时间的带鱼肉样品之间有明显的区分，因此单稳态随机共振输出信号可以作为带鱼肉样品区分的依据。
图4是光谱信号主成分分析结果示意图。
Claims (2)
1.一种带鱼肉储存时间检测方法，包括用于检测的可见/近红外光谱仪(12)、分叉光纤(13)、光纤探头(6)、卤素灯光源(14)及样品检测托盘(4)，所述可见/近红外光谱仪(12)与计算机(11)连接、并通过所述分叉光纤(13)与光纤探头(6)连接，所述卤素灯光源(14)由光源控制器(15)控制、并通过分叉光纤(13)与光纤探头(6)连接，其特征在于：所述样品检测托盘(4)为球面形，该样品检测托盘(4)的正上方设有一圆弧导轨(9),该圆弧导轨(9)的圆心与样品检测托盘(4)的球心重合，圆弧导轨(9)上设有由传动机构一驱动的滑块(10)，一悬臂(7)的上端沿径向固设于所述滑块(10)上，所述悬臂(7)上沿径向设有滑槽(8)，光纤探头(6)通过传动机构二的驱动可滑动的安装于悬臂(7)上的所述滑槽(8)内，样品检测托盘(4)的底部固设在内转轴的上端，圆弧导轨(9)通过撑杆固设在外转轴上，电机(1)通过传动机构三(2)分别与内、外转轴传动连接，
检测步骤为——
步骤一：制备检测带鱼肉样品
选取待检测带鱼肉样品，去除白鳞和内脏，切成3-7毫米薄片，放入样品检测托盘(4)；
步骤二：采用可见/近红外光谱仪检测带鱼肉样品
光纤探头(6)分别以与竖直方向成0度、15度、30度的角度指向样品检测托盘(4)的球心，在每种角度下，均采用下列方法采集数据：
样品检测托盘(4)每旋转5度，暂停50秒，在暂停的50秒中，前25秒由光源控制器(15)控制卤素灯光源(14)由弱渐强、且由传动机构二控制光纤探头(6)沿滑槽(8)由远及近靠近样品检测托盘(4)，后25秒由光源控制器(15)控制卤素灯光源(14)由强渐弱、且由传动机构二控制光纤探头(6)沿滑槽(8)由近及远远离样品检测托盘(4)，光纤探头(6)每隔5秒采集一个数据，利用带鱼肉样品的弛豫谱特性、不同光强不同时间基团被激发的效果及吸收不同，丰富检测数据，以消除带鱼肉样品因检测方向不同、纹理不同、肌肉组织不同所造成的测量差异；
步骤三：将可见/近红外光谱仪(12)的上述检测结果输入计算机(11)的单稳态随机共振系统，计算得到两个主成分输出信号PC1和PC2；
步骤四：进行主成分分析
如果前两个主成分PC1和PC2的贡献率之和大于等于90％，单稳态随机共振输出信号可以实现带鱼肉保存时间的检测；如果前两个主成分PC1和PC2的贡献率之和小于90％，则重新进行检测；
步骤五：建立不同保存时间的带鱼肉的单稳态随机共振系统输出信号强度特征峰值数据表
按照步骤一的方法分别取保存1至8天的带鱼肉样品，重复步骤二至四，在PC1和PC2主成分贡献率大于等于90％的前提下，提取各个带鱼肉样品的单稳态随机共振系统输出信号强度特征峰值P，建立不同保存时间的带鱼肉的单稳态随机共振系统输出信号强度特征峰值数据表；
步骤六：按照步骤一的方法取待测带鱼肉样品，重复步骤二至四，在PC1和PC2主成分贡献率大于等于90％的前提下，提取单稳态随机共振系统输出信号强度特征峰值P，将P值与所述带鱼肉的单稳态随机共振系统输出信号强度特征峰值数据表中的各个特征峰值进行比对，如果对于某天的信号强度特征值Px，有则被测的带鱼肉样品保存时间与信号强度特征值Px对应的时间相同。
2.根据权利要求1所述的带鱼肉储存时间检测方法，其特征在于：在样品检测托盘(4)和圆弧导轨(9)外设有不透光样品池罩，用于减小外部光线对测量的干扰。
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