CN104697932A - 便携式食品药品质量快速检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式食品药品质量快速检测装置及检测方法，装置包括样品池、激光辐射单元、超声探测器、信号处理单元以及控制显示单元等。本发明采用光声无损检测技术，相比于液相气相色谱法，可以对被测样品直接进行测试，而无需对样品进行复杂的预处理操作，对测试样品的性质不会产生不可逆的破坏性；相比于近红外光谱法等无损检测法，本发明能较好的克服样品内部组分散射光对被测样品透射或反射光谱测量带来的不利影响，从而大大提高了检测的准确度。激光二极管轮转装置来代替大型脉冲激光器、数据处理单元采用嵌入式系统和控制显示单元触摸屏的使用，使得本发明在保障光源多激发波长的同时，使得装置集成度更高、装置的成本大大降低。

Description

便携式食品药品质量快速检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及食品药品质量安全检测技术领域，具体为一种便携式食品药品质量快速检测装置及检测方法。

背景技术

近几年，假冒伪劣甚至有毒食品和药品层出不穷，如地沟油、毒大米、毒胶囊以及假药品，人们越来越担心自己每天日常必需食品和药品存在着严重的质量和安全问题。虽然政府和食品药品等质量监督部门加大了对假冒伪劣食品药品打击的力度，但是类似的事件却还是时常出现，对人民和社会造成了极大的心理恐慌和诚信危机。目前，我国能进行正规食品药品检测的地方，依然是一些大中城市的质量检疫检验部门，对于一些偏远的城镇特别是乡镇和农村，此类检测基本没有，而绝大多数食品和药品的主原料却是来源于基层的乡镇和农村，因此把好乡镇和农村食品和药品的主原料检测和生产厂家产品制造检测都十分重要。现在各检验检疫部门对食品药品质量的检测设备大多是体积庞大、功能单一的设备，且采用的技术是传统的理化检验法、气相或液相色谱等方法。对于理化检验法，通过往食品或药品中添加能与掺假物品中独有的化学成分反应的化学检验试剂，来查看食品和药品中是否掺入添加剂等；而气相或液相色谱法检测设备在使用时，需要将被测食品进行高温高压的液化或气化，再进行反复的分离和萃取等样品预处理步骤，由于设备结构和操作步骤复杂，使得此类检测需要配备专业人员，且检测速度和效果不尽如人意，不适合乡镇和农村或基层部门的食品药品质量检测。而且，液相和气相色谱检测是一种具有破坏性的检测方法，检测后的样品无法再利用，造成了一定程度上的浪费。近年来，非接触式无损检测方法也逐步应用于食品和药品质量的检测中，具有代表性的非接触式无损检测法有光谱法，利用近红外或中红外光谱技术和化学计量统计学方法，来对食品和药品的品质进行分类分级识别，以及进行掺假和添加剂含量检测，虽然可以做到非接触无损检测，但是由于食品和药品对入射光具有一定的散射，对于固体和粉末状样品，其散射光更加突出，势必影响与添加剂相关的光谱信息，虽然在后续的数据处理过程中，可以用软件编程消除噪声等因素的影响，但是效果的好坏直接影响了数学模型，并最终影响了对食品检测的准确度。

发明内容

因此，为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种便携式食品药品质量快速检测装置及检测方法。

为解决上述技术问题，本发明便携式食品药品质量快速检测装置包括样品池，还包括激光辐射单元、超声探测器、信号处理单元以及控制显示单元，所述激光辐射单元发出的光射入样品池，所述超声探测器的探头与样品池的外壁相贴，所述超声探测器的信号输出端与信号处理单元的信号输入端相连，所述信号处理单元的信号输出端与控制显示单元的信号输入接口相连。

本发明便携式食品药品质量快速检测方法包括以下步骤：

第一步，准备好含不同添加剂浓度的测试样品，组成测试样本集；

第二步，进行硬件测试并采集样品的数据；

第三步，对采集到的样品数据进行数据处理，并建立校正数学模型最后进行成分预测。

本发明的有益效果如下：本发明采用光声无损检测技术，相比于液相气相色谱法，可以对被测样品直接进行测试，而无需对样品进行复杂的预处理操作，对测试样品的性质不会产生不可逆的破坏性；相比于近红外光谱法等无损检测法，本发明能较好的克服样品内部组分散射光对被测样品透射或反射光谱测量带来的不利影响，从而大大提高了检测的准确度。激光二极管轮转装置来代替大型脉冲激光器、数据处理单元采用嵌入式系统和控制显示单元触摸屏的使用，使得本发明在保障光源多激发波长的同时，使得装置集成度更高、装置的成本大大降低。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：

图1为本发明的装置原理示意图；

图2(a)为本发明激光二极管轮转装置正面示意图；

图2(b)为本发明激光二极管轮转装置侧面示意图；

图3为本发明信号放大电路结构图；

图4为本发明A/D转换电路结构图；

图5为本发明信号处理单元的原理示意图；

具体实施方式

下面结合附图及本发明的具体实施方式对本发明便携式食品药品质量快速检测装置及检测方法作以下说明。

实施例：一种便携式食品药品质量快速检测装置本发明的装置原理示意图如图1所示。本发明装置由5个部分组成，分别为激光辐射单元1、样品池2、超声探测器3、信号处理单元4、控制显示单元5。其中激光辐射单元1沿光传播方向依次由激光二极管轮转组件(1-1)、准直透镜1-2和聚焦透镜1-3构成；信号处理单元4由信号放大电路4-1、A/D转换电路4-2、嵌入式系统4-3、激光二极管驱动电路4-4和同步触发电路4-5电气连接构成。激光二极管轮转组件1-1为一轮转装置，不同波长激光二极管的轮转选取由步进电机1-4驱动，如图2(a)和(b)所示，在该轮转装置上，按照圆形方式等间距安装了中心波长不同的激光二极管，个数大于2个，所有激光二极管的中心波长在700-2500nm之间。不同激光二极管的选取由嵌入式应用软件4-3-4-2通知嵌入式系统的微处理器4-3-1，由微处理器4-3-1经D/A接口向激光二极管驱动电路发出“光源选择”指令，来控制激光二极管轮转装置进行不同波长光源的选取。样品池2采用玻璃或石英比色皿，光程长为1-100mm不等，可选晔辉仪器生产的石英比色皿作为测试用样品池。超声探测器3可选广州多普勒仪器有限公司生产的单元、多元线阵或多环超声探测器，探测响应频率不低于1MHz。超声探测器3用于探测被测食品或药品产生的超声信号时，用医用超声耦合液均匀涂抹至超声探测器3探头上，然后将超声探测器3探头紧贴样品池2的外壁。信号放大电路4-1如图3所示，采用AD620和OP07前后耦合连接方式的信号放大电路，对超声探测器3捕获的超声信号进行放大，提高信噪比。如图4所示，A/D转换电路4-2选用美国AD(AnalogDevices)公司生产的AD7705芯片，对经过放大的信号进行A/D转换。AD7705具有双通道模拟输入，16位高精度A/D转换器，它采用∑-^Δ过采样转换技术和自校准技术。CMOS结构，芯片具有极其低的功耗，适用于宽动态范围测量及工业控制中的低频信号转换等场合。数据传输采用三线SPI串口输出，在数据传输速率上没有过高的要求，AD7705能够满足系统的检测要求，并且可以大大节省嵌入式系统的I/O接口，简化系统硬件设计。

嵌入式系统4-3的原理示意图如图5所示，其硬件平台可以选用深圳恒天智信科技有限公司开发的GT2440嵌入式系统开发板。其中，微处理器4-3-1采用Samsung公司生产的ARM9系列S3C2440A微处理器，该微处理器是基于ARM920T内核的16/32位嵌入式微处理器，主频400MHz，最高可达533MHz的运行频率，带有MMU功能，可以支持WindowsCE和Linux操作系统。该微处理器适于高性价比、低功耗的应用。存储器4-3-2包括FLASH存储和SDRAM内存，其中，FLASH存储为板载256M的K9F2G08UOC-SCBO芯片(Nand Flash)，掉电非易失，板载2M的EN29LV160AB-70TIP芯片(Nor Flash)，掉电非易失，并且安装好BIOS。SDRAM内存为板载2片32M的H57V2562GTR芯片(共64M)、32位数据总线。接口电路4-3-3：3个串行口，1个10M以太网RJ-45接口(采用CS8900网络芯片)，1个USB Host，1个SD卡存储接口，1个标准JTAG接口、1个USB接口(Slave B型)、1路麦克风接口，1路音频输出接口，4个用户按键，4个USER Leds灯，1个用于AD模数转换可调电阻，1个蜂呜器，1个20针的摄像头接口，1个I2C总线(AT24C08芯片)，12V的电源接口，带电源开关和指示灯。另外还有扩展接口：1个44针的系统总线接口，1个34针的GPIO接口。软件4-3-4包括嵌入式操作系统4-3-4-1和嵌入式应用软件4-3-4-2。其中，嵌入式操作系统4-3-4-1可选Linux系统，主要由Boot Loader、内核和根文件系统构成。嵌入式应用软件4-3-4-2可选QT开发软件。激光二极管驱动电路4-4采用微处理器4-3-1通过接口电路控制D/A转换电路产生一个宽度、频率均可精确调节的梯形电压波来驱动大功率模块，输出稳定的电流脉冲。控制显示单元5为带触摸功能的LCD显示屏，可选嵌入式硬件平台自带的LCD显示屏。GT2440嵌入式系统开发板上集成4线电阻式触摸屏接口，配置胜华的3.5英寸TFT真彩液晶屏，带触摸屏，分辨率为320×240。

便携式食品药品质量快速检测装置的检测方法包括以下步骤：使用前，准备好含不同添加剂浓度的测试样品，组成测试样本集，样本数几十或上百种，其中，校正集用于采集样本的数据和建立校正数学模型；预测样本集的样本数不多于10个。

使用时，硬件测试和样品数据采集步骤分别如下：

步骤(1)：先将校正集中含某一浓度添加剂的被测食品或药品装入样品池内；

步骤(2)：接通激光二极管、信号处理单元、信号控制和显示单元的电源，将移植好了操作系统的嵌入式系统进行复位和初始化操作；

步骤(3)：由控制显示单元的LCD触摸屏和嵌入式系统应用软件开发的图形化编程界面的“光源选择”经D/A接口电路发出指令，来控制激光二极管轮转装置进行不同波长光源的选取；

步骤(4)：选取好一定波长光源后，再触摸图形化界面的“光源开启”经D/A接口电路向激光二极管驱动电路发出开启光源操作指令；

步骤(5)：由激光二极管发出的光经准直透镜准直成平行光束，再经过聚焦透镜聚焦入射至样品池内的被测食品或药品中，被测食品或药品吸收入射光，局部因热吸收产生能量沉积，进而产生局部体积膨胀而向外产生超声机械波，由置于样品池外壁的超声探测器将外溢的超声机械波捕获并转换成对应超声强度的电压信号，然后经电压放大器将信号进行放大；

步骤(6)：接着同步触发电路触发嵌入式系统中的微处理器，由嵌入式应用软件通知嵌入式硬件系统中的微处理器经A/D接口电路向A/D转换电路发出“采样”指令，A/D转换电路将放大后的信号进行采样、量化和编码操作后转换成相应的数字信号，再通知微处理器发出“写指令”，将数字信号经存储卡接口保存至嵌入式系统的存储器中；

步骤(7)：返回步骤(3)，更换另外波长的光源，重复步骤(4)至(6)，直至所有的波长光源均选取测试完毕；

步骤(8)：更换另外一种含不同添加剂浓度的测试校正集样品，重复步骤(1)至(7)，直至所有的校正集样本数据均采集完毕。

软件部分数据处理、数学建模和成分预测步骤如下：

步骤(1)：由嵌入式应用软件从预处理选项“标准化、平滑、扣减、微分、多元散射校正等公知的方法”中选择一种方法对采集到的数据进行预处理；

步骤(2)：预处理完后，再由嵌入式应用软件从变量筛选选项“净分析物处理法、主成分分析法、遗传算法和模拟退火法等公知的方法”中选择一种，将预处理后的数据进行必要的降维，来对添加剂含量检测不相关的组分或变量进行删减，而保留与添加剂含量相关的信息；

步骤(3)：从回归建模选项“多元线性回归、主成分分析回归、偏最小二乘回归、人工神经网络回归等公知的方法”中选择一种定量校正方法来建立被测食品或药品内多种添加剂成分含量和对应光声值之间的回归校正模型；

对于建立的回归校正模型，例如：

多元线性回归模型，

$\left\{\begin{array}{c}{y}_1=a_{11}{x}_1+a_{12}{x}_2+...+a_{1i}{x}_i\\ y_2=a_{21}{x}_1+a_{22}{x}_2+...+a_{2i}{x}_i\\ ...\\ y_p=a_{p1}{x}_1+a_{p2}{x}_2+...{+a}_{\mathrm{pi}}{x}_i\end{array}\right.i=(\mathrm{1,2},...,n)$

式中，y_p为第p个样品的光声值，x_i为第i种添加剂成分的含量，n为食品中添加剂总类型数，a_pi为第p个样品第i种添加剂成分的校正回归系数。另外，为了上式方程组有解，必须满足如下关系式，即：p≥i。

步骤(4)：将预测集中的被测样本代入步骤(3)中所建立的回归校正模型中，用交互验证法(Cross-Validation)结合一定的判定方法来检验所建模型的可靠性。

其中交互验证法可以采用交互验证留一法(leave one out)，即：对于p个样品，每次轮流留下一个样品作为预测样品，其余p-1个样品作为校正样品，根据这p-1个校正样品建立的模型，利用之前留下的一个样品结合预测均方根误差(RMSEP)或相关系数来检验该模型的准确度。然后，再留下第p个样品，用其余p-1个样品建立校正模型，然后利用之前留下的第p个样品，结合预测均方根误差(RMSEP)或相关系数来检验该模型的准确度。以此类推，直到所有的样品都被留下一次，然后将所有次数的预测均方根误差(RMSEP)或相关系数进行相加，得到预测残差平方和(PRESS)和平均相关系数。

如果预测残差平方和(PRESS)和平均相关系数(correlationcoefficient)达到理想指标，则完成模型建立和成分预测；如果预测残差平方和(PRESS)和相关系数未达到理想指标，返回，重复步骤(1)至(4)，直至预测残差平方和(PRESS)和相关系数达到理想指标。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种便携式食品药品质量快速检测装置，包括样品池(2)，其特征在于：还包括激光辐射单元(1)、超声探测器(3)、信号处理单元(4)以及控制显示单元(5)，所述激光辐射单元(1)发出的光射入样品池(2)，所述超声探测器(3)的探头与样品池(2)的外壁相贴，所述超声探测器(3)的信号输出端与信号处理单元(4)的信号输入端相连，所述信号处理单元(4)的信号输出端与控制显示单元(5)的信号输入接口相连。

2.根据权利要求1所述的便携式食品药品质量快速检测装置，其特征在于所述激光辐射单元(1)沿光传播方向依次由激光二极管轮转组件(1-1)、准直透镜(1-2)和聚焦透镜(1-3)构成。

3.根据权利要求1或2所述的便携式食品药品质量快速检测装置，其特征在于所述信号处理单元(4)由信号放大电路(4-1)、A/D转换电路(4-2)、嵌入式系统(4-3)、激光二极管驱动电路(4-4)和同步触发电路(4-5)构成，所述信号放大电路(4-1)的信号输出端与A/D转换电路(4-2)的信号输入端相连，所述激光二极管驱动电路(4-4)通过嵌入式系统(4-3)与A/D转换电路(4-2)相连，所述同步触发电路(4-5)分别与信号放大电路(4-1)、A/D转换电路(4-2)以及嵌入式系统(4-3)相连，所述嵌入式系统(4-3)与控制显示单元(5)相连，所述激光二极管驱动电路(4-4)的信号输出端与激光辐射单元(1)相连，所述信号放大电路(4-1)的信号输入端与超声探测器(3)相连。

4.根据权利要求1或2所述的便携式食品药品质量快速检测装置，其特征在于所述激光二极管轮转组件(1-1)包括轮转(1-1-2)和用于驱动轮转(1-1-2)的步进电机(1-4)，所述轮转(1-1-2)上沿圆周等间距布置有多个激光二极管(1-1-1)，所述多个激光二极管(1-1-1)的中心波长不同的且中心波长的范围为700-2500nm。

5.根据权利要求1或2所述的便携式食品药品质量快速检测装置，其特征在于所述样品池(2)选用玻璃或石英比色皿，所述样品池(2)的光程长为1-100mm。

6.根据权利要求1或2所述的便携式食品药品质量快速检测装置，其检测方法包括以下步骤：

第一步，准备好含不同添加剂浓度的测试样品，组成测试样本集；

第二步，进行硬件测试并采集样品的数据；

第三步，对采集到的样品数据进行数据处理，并建立校正数学模型最后进行成分预测。

7.根据权利要求6所述的便携式食品药品质量快速检测装置的检测方法，其特征在于所述第二步包括以下步骤：

步骤(1)：先将校正集中含某一浓度添加剂的被测食品或药品装入样品池内；

步骤(2)：接通激光二极管、信号处理单元、信号控制和显示单元的电源，将系统进行复位和初始化操作；

步骤(3)：通过D/A接口电路发出指令，控制激光二极管轮转装置进行不同波长光源的选取；

步骤(4)：选取好一定波长光源后，经D/A接口电路向激光二极管驱动电路发出开启光源操作指令；

步骤(5)：由激光二极管发出的光经准直透镜准直成平行光束，再经过聚焦透镜聚焦入射至样品池内的被测食品或药品中，被测食品或药品吸收入射光，局部因热吸收产生能量沉积，进而产生局部体积膨胀而向外产生超声机械波，由置于样品池外壁的超声探测器将外溢的超声机械波捕获并转换成对应超声强度的电压信号，然后经电压放大器将信号进行放大；

步骤(6)：同步触发电路触发嵌入式系统中的微处理器，通知嵌入式硬件系统中的微处理器经A/D接口电路向A/D转换电路发出“采样”指令，A/D转换电路将放大后的信号进行采样、量化和编码操作后转换成相应的数字信号，再通知微处理器发出“写指令”，将数字信号经存储卡接口保存至嵌入式系统的存储器中；

步骤(7)：返回步骤(3)，更换另外波长的光源，重复步骤(4)至(6)，直至所有的波长光源均选取测试完毕；

步骤(8)：更换另外一种含不同添加剂浓度的测试校正集样品，重复步骤(1)至(7)，直至所有的校正集样本数据均采集完毕。

8.根据权利要求6所述的便携式食品药品质量快速检测装置的检测方法，其特征在于所述第三步包括以下步骤：

步骤(1)：对采集到的数据进行预处理；

步骤(2)：预处理完后，将预处理后的数据进行降维，来对添加剂含量检测不相关的组分或变量进行删减，而保留与添加剂含量相关的信息；

步骤(3)：用定量校正方法来建立被测食品或药品内多种添加剂成分含量和对应光声值之间的回归校正模型；

步骤(4)：将预测集中的被测样本代入步骤(3)中所建立的回归校正模型中，检验所建模型的可靠性，如果达到理想指标，则完成模型建立和成分预测；如果未达到理想指标，则返回，重复步骤(1)至(4)，直至达到理想指标。