CN104897574B - 一种集成光学便携式农畜产品检测器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于农产品品质检测技术领域，特别涉及一种集成光学便携式农畜产品检测器。本发明的目的在于提供一种将不同波段LED光源集中于探头，实现光源与检测一体化的集成光学便携式农畜产品检测器。所述集成光学便携式农畜产品检测器包括探头(34)和探头安装外壳(7)，探头(34)包括探头包围外壳(1)和检测信号线传输腔(2)。本发明将多个探头相结合对农产品进行检测，将不同波长LED光源集中于一体，能完成一次检测同一样本的多个点，增强检测稳定性和精度，降低仪器的体积，使无损检测向轻便化，小型化发展。
Description
技术领域
本发明属于农产品品质检测技术领域，特别涉及一种将光源与检测集成为一体的集成光学便携式农畜产品检测器。
背景技术
对于农产品以及肉类品质检测，传统的检测方法采用卤素灯光源与光谱仪相结合，不仅增加了仪器开发的难度，而且体积大、成本高。近年来的光源趋向于使用冷发光的发光二极管(LED)作为检测光源，且发光二极管具有寿命长、发光效率高、耗电量少的特点。利用红光LED研制的医疗美容仪和蓝光研制的康复治疗仪等都充分利用了发光二极管的这些优点，在这些LED作为光源的应用中，需要LED发出的光波长单一、并且中心波长的优势突出，并且要求发散光线变为平行或者汇聚，因而在这些仪器中，光学透镜的作用不可忽略。
腾轶超等“基于血红蛋白及肌红蛋白在近红外光谱的吸收峰”(腾轶超等，猪肉组织色素浓度的近红外无损检测光谱学与光谱分析2009)，采用近红外光谱(NIRS)技术，检测出射光相对入射光的衰减，研制了基于稳态空间NIRS研发了可检测组织中色素浓度的装置，该装置的传感器包括一个可发射3个不同波长的LED(760nm/810nm/860nm)以及与LED位于同一直线上且距离分别为30mm、40mm的2个检测器，实现了对肉类色素浓度的检测，但该装置中，光源检测面积小，且传感器与光源必须位于同一直线，在样本移动时候检测误差大；且该装置功耗大，不利于开发便携式、轻便仪器。
赵家松等，基于近红外技术的猪肉新鲜度检测仪设计，农机化研究，2011，利用透射原理，采用810nm,850nm,880nm,940nm波长的LED光源对猪肉新鲜度进行检测，利用光电二极管接受透射的光强，并处理得出结果，该仪器的缺点是：样本要很薄，大约2mm厚，不利于实际中的操作和使用，也不利于便携式仪器的推广。
李翠玲等，基于多光谱成像的生鲜猪肉货架期预测研究，农机化研究，2011，利用多波长大功率LED光源对肉类进行检测，所开发的仪器基于DSP进行图像数据的采集和处理，选用红、黄、蓝及近红外等6个波段作为检测光源，该仪器的检测单元采用近红外相机，增加了仪器的体积。
发明内容
针对现有近红外检测技术中存在的体积大、无法便携以及光源与探测器脱离等缺陷，本发明的目的在于提供一种集成光学便携式农畜产品检测器，其将不同波段LED光源集中于探头，实现光源与检测一体化，并能够将多个探头进行结合对一个样品的多点实现同时检测。
为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种集成光学便携式农畜产品检测器，所述集成光学便携式农畜产品检测器包括探头安装外壳7和嵌入其中的多个探头34；其中，
所述探头34包括探头包围外壳1和检测信号线传输腔2；
所述探头包围外壳1为圆筒形，探头包围外壳1的外侧壁的上开设有光源入射孔3，探头包围外壳1的上表面开有光源引线输入孔5，上表面的中间位置开有方孔凹槽32；所述方孔凹槽32的中间位置开有方形通孔33；所述方孔凹槽32内设有传感器检测芯片底座25，传感器检测芯片36布置在传感器检测芯片底座25中，所述传感器检测芯片的感光面24与方形通孔33对应；
所述探头包围外壳1的底部开有锥形孔12，锥形孔12的侧壁开有光源出射孔13，所述光源出射孔13与光源入射孔3同轴，所述光源入射孔3从内向外依次安装有入射光聚焦透镜14、空心隔圈15、LED光源17和压圈18；所述压圈18将LED光源17、空心隔圈15和入射光聚焦透镜14固定在光源入射孔3内，且所述LED光源17的发光点16在入射光聚焦透镜14的焦点处；所述LED光源17的管脚19与光源引线输入孔5相对应，锥形孔12的上端口布置有光强传输腔22，所述光强传输腔22的下部设有光强入射腔20，光强入射腔20下端设有漫反射光强入射孔37；光强入射腔20的下端安装有出射光汇聚透镜21，光强传输腔22的上端口设有漫反射光强出射孔23；所述漫反射光强出射孔23与传感器芯片的感光面24对应，所述传感器芯片的感光面24位于出射光汇聚透镜21的焦点处。
所述检测信号线传输腔2的上端口开有检测信号输入孔6，检测信号线传输腔2的下端面连接有薄压条27，所述薄压条27的中间开有两个直形槽29，传感器检测芯片36的引脚31与所述直形槽29相对应并插入到所述直形槽29中，通过检测信号线传输腔2与后续电路连接。
方孔凹槽32的两侧设有第一安装孔26，薄压条27的两端分别设有第二安装孔28，所述第二安装孔28与第一安装孔26相配合，将所述检测信号线传输腔2固定在探头包围外壳1上。
所述光源入射孔3与水平面成30°到60°范围的夹角。
所述光源出射孔13的深度为入射光聚焦透镜14的厚度的2倍，所述入射光聚焦透镜14以及空心隔圈15的外圈直径等于光源入射孔3的直径，所述空心隔圈15的内圈直径小于LED光源17的直径，所述LED光源17的直径小于光源入射孔3的直径，所述压圈18的外圈直径等于光源入射孔3的直径，所述压圈18的内圈直径小于LED光源17的直径。
所述光强入射腔20以螺纹安装形式与光强传输腔22连接为一体，所述光强传输腔22的长度范围为10mm到25mm，所述光强入射腔20的深度为光强传输腔22的长度的一半，所述出射光汇聚透镜21的直径等于光强入射腔20的直径，且大于漫反射光强入射孔37的直径。
所述LED光源17的管脚19与光源引线输入孔5相对应，所述管脚19能够通过光源引线输入孔5向外连线。
所述探头包围外壳1的外侧壁的上部设有第一安装外螺纹4，所述探头安装外壳7具有多个安装圆形孔38，每个安装圆形孔38的内壁设有安装内螺纹9，探头34的第一安装外螺纹4与所述安装内螺纹9相配合；所述安装圆形孔38的底部设有检测信号输出孔8和多个光源引线输出孔11，检测信号线传输腔2上端口的检测信号输入孔6与所述检测信号输出孔8相对应，光源引线输入孔5与光源引线输出孔11相对应。
每个探头34之间分别相差一定角度，且探头34的底面的外圆相切，并处于同一水平面。
传感器芯片的感光面24与光源照射区域35的垂直距离为20mm-35mm，光源出射孔13与探头34的底面的垂直距离为15mm-30mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明将不同波长LED光源集中于一体，能完成一次检测同一样本的多个点，增强检测稳定性和精度，降低仪器的体积，使无损检测向轻便化、小型化发展。
附图说明
图1为本发明的集成光学便携式农畜产品检测器的探头的示意图；
图2为本发明的探头包围外壳与检测信号线传输腔的结构分离图；
图3为本发明的探头包围外壳的俯视图；
图4为本发明的探头包围外壳的内部剖视示意图；
图5为本发明的实施例的探头安装外壳的示意图；
图6为本发明的实施例的多个探头啮合后的示意图。
【主要组件符号说明】
1 探头包围外壳
2 检测信号线传输腔
3 光源入射孔
4 第一安装外螺纹
5 光源引线输入孔
6 检测信号输入孔
7 探头安装外壳
8 检测信号输出孔
9 安装内螺纹
10 第二安装外螺纹
11 光源引线输出孔
12 锥形孔
13 光源出射孔
14 入射光聚焦透镜
15 空心隔圈
16 发光点
17 LED光源
18 压圈
19 管脚
20 光强入射腔
21 出射光汇聚透镜
22 光强传输腔
23 漫反射光强出射孔
24 传感器芯片的感光面
25 传感器检测芯片底座
26 第一安装孔
27 薄压条
28 第二安装孔
29 直形槽
30 螺钉
31 引脚
32 方孔凹槽
33 方形通孔
34 探头
35 光源照射区域
36 传感器检测芯片
37 漫反射光强入射孔
38 安装圆形孔
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明，但并不以此为限。
本发明的集成光学便携式农畜产品检测器包括探头安装外壳7和嵌入其中的多个探头34。
如图1所示，为本发明的集成光学便携式农畜产品检测器的探头的示意图。所述探头34包括探头包围外壳1和检测信号线传输腔2。
如图2、图3和图4所示，图2为本发明的探头包围外壳1与检测信号线传输腔2的结构分离图，图3为本发明的探头包围外壳的俯视图，图4为本发明的探头包围外壳的内部剖视示意图。
所述探头包围外壳1为圆筒形，探头包围外壳1的外侧壁的上部设有第一安装外螺纹4，探头包围外壳1的外侧壁上开设有光源入射孔3，所述光源入射孔3与水平面成30°到60°范围的夹角。探头包围外壳1的上表面开有光源引线输入孔5，上表面的中间位置开有方孔凹槽32；所述方孔凹槽32的中间位置开有方形通孔33；方孔凹槽32的两侧设有第一安装孔26。所述方孔凹槽32内设有传感器检测芯片底座25，传感器检测芯片36布置在传感器检测芯片底座25中，所述传感器检测芯片的感光面24与方形通孔33对应。
所述探头包围外壳1的底部开有锥形孔12，锥形孔12的下方为圆形光源照射区域35。锥形孔12的侧壁开有光源出射孔13，光源出射孔13的深度为入射光聚焦透镜14的厚度的2倍，所述光源出射孔13与光源入射孔3同轴，二者与水平面的夹角角度相同；所述光源入射孔3的直径大于光源出射孔13直径。所述光源入射孔3从内向外依次安装有入射光聚焦透镜14、空心隔圈15、LED光源17和压圈18；所述压圈18将LED光源17、空心隔圈15、入射光聚焦透镜14固定在光源入射孔3内，且保证所述LED光源17的发光点16在入射光聚焦透镜14焦点处，所述入射光聚焦透镜14以及空心隔圈15的外圈直径等于光源入射孔3的直径，所述空心隔圈15的内圈直径小于LED光源17的直径，所述LED光源17的直径小于光源入射孔3的直径，所述压圈18的外圈直径等于光源入射孔3的直径，所述压圈18的内圈直径小于LED光源17的直径。所述LED光源17的管脚19与光源引线输入孔5相对应，保证所述管脚19能够通过光源引线输入孔5向外连线。锥形孔12的上端口布置有长度范围为10mm到25mm的光强传输腔22，所述光强传输腔22的下部设有光强入射腔20，光强入射腔20下端设有漫反射光强入射孔37，光强入射腔20以螺纹安装形式与光强传输腔22连接为一体；所述光强入射腔20的深度为光强传输腔22的长度的一半，光强入射腔20的直径大于光强传输腔22的直径，光强入射腔20的下端安装有出射光汇聚透镜21，所述出射光汇聚透镜21的直径等于光强入射腔20的直径，且大于光强入射腔20的漫反射光强入射孔37的直径。所述光强传输腔22的上端口设有漫反射光强出射孔23，所述漫反射光强出射孔23与传感器芯片的感光面24对应，所述传感器芯片的感光面24位于出射光汇聚透镜21的焦点处。
所述检测信号线传输腔2的上端口开有检测信号输入孔6，检测信号线传输腔2的下端面连接有薄压条27，所述薄压条27的中间开有两个相互对称的直形槽29，薄压条27的两端分别设有第二安装孔28，所述第二安装孔28与第一安装孔26利用螺钉30相配合，将所述检测信号线传输腔2固定在探头包围外壳1上。其中，传感器检测芯片36的引脚31与所述直形槽29相对应并插入到所述直形槽29中，通过检测信号线传输腔2与后续电路连接。所述LED光源17为插针型LED光源；所述传感检测芯片36为OPT系列光强传感器，光谱响应范围为400nm-1100nm。
如图5所示，为本发明的一个实施例的探头安装外壳的示意图。所述探头安装外壳7具有多个安装圆形孔38，可安装多个探头34。每个安装圆形孔38的内壁设有安装内螺纹9，探头34的第一安装外螺纹4与所述安装内螺纹9相配合，以将探头34安装到探头安装外壳7中。所述安装圆形孔38的底部设有检测信号输出孔8和多个光源引线输出孔11。检测信号线传输腔2上端口的检测信号输入孔6与所述检测信号输出孔8相对应，光源引线输入孔5与光源引线输出孔11相对应。
其中，每个探头34之间分别相差一定角度，且探头34的底面的外圆相切，并处于同一水平面，传感器芯片的感光面24与光源照射区域35的垂直距离为20mm-35mm，光源出射孔13与探头34的底面的垂直距离为15mm-30mm。
如图6所示，为根据本发明的一个实施例的多个探头啮合后的示意图。在该实施例中，以三个探头34啮合在一起为例，分别将三个接好的探头34以螺纹连接的方式接入到探头安装外壳7中，保证三个探头34分别相差120°，且三个探头34的底面的外圆相切，并处于同一水平面；传感器芯片的感光面24与光源照射区域35的垂直距离为20mm，光源入射孔3和光源出射孔13与水平面的夹角角度均为45°，且光源出射孔13与探头34的底面的垂直距离为15mm。探头安装外壳7的外侧壁还可开有第二安装外螺纹10，用于连接到便携式仪器的前端。
本发明的集成光学便携式农畜产品检测器能够对同一样品的三个不同区域进行同时检测，其在使用时：
当知道要检测物质的特征波长后，选择相对应的含有特征波长的LED光源17安装于探头34的光源入射孔3内，在安装光源之前，首先将合适尺寸的入射光聚焦透镜14安装在光源入射孔3内，再从内到外依次安装空心隔圈15、LED光源17和压圈18，且保证LED光源17的发光点16在入射光聚焦透镜14的焦点处。检测时，依次点亮每个探头34内的相同波长的LED光源17，每个LED光源17发出的光通过入射光聚焦透镜14汇聚后照射到样本区域，产生漫反射光，所产生的漫反射光经由光强传输腔22下端面的光强入射腔20传输到出射光汇聚透镜21并汇聚到传感器芯片的感光面24，经由检测信号线传输腔2将信号传输至后期的信号调理电路，从而完成对光强的采集，并转换为相对应的电压值，作为后期的处理。
由于不同物质的量所产生的反射光强不一样，因而在检测区会检测到光强的变化，这些不同的光强变化进而转化为电压的变化，通过分析能够得出物质的量与电压之间的关系，进而可以建立电压与物质的量之间的数学模型，进行物质的量的无损检测。
在本发明的集成光学便携式农畜产品检测器的设计中，探头体积小，可同时检测一个样本的三个不同区域，还根据要检测的物质的特征波长选择不同波长的LED作为光源，进行物质的检测，检测数目可以从1个波长到n个波长；知道要检测物质的特征波长是哪几个波段，更换该探头内的光源即可检测该物质的参数；若光源的波长范围，检测器不能响应，则可以更换探头的传感器。
Claims (10)
1.一种集成光学便携式农畜产品检测器，其特征在于：
所述集成光学便携式农畜产品检测器包括探头安装外壳(7)和嵌入其中的多个探头(34)；其中，
所述探头(34)包括探头包围外壳(1)和检测信号线传输腔(2)；
所述探头包围外壳(1)为圆筒形，探头包围外壳(1)的外侧壁上开设有光源入射孔(3)，探头包围外壳(1)的上表面开有光源引线输入孔(5)，上表面的中间位置开有方孔凹槽(32)；所述方孔凹槽(32)的中间位置开有方形通孔(33)；所述方孔凹槽(32)内设有传感器检测芯片底座(25)，传感器检测芯片(36)布置在传感器检测芯片底座(25)中，所述传感器检测芯片的感光面(24)与方形通孔(33)对应；
所述探头包围外壳(1)的底部开有锥形孔(12)，锥形孔(12)的侧壁开有光源出射孔(13)，所述光源出射孔(13)与光源入射孔(3)同轴，所述光源入射孔(3)从内向外依次安装有入射光聚焦透镜(14)、空心隔圈(15)、LED光源(17)和压圈(18)；所述压圈(18)将LED光源(17)、空心隔圈(15)和入射光聚焦透镜(14)固定在光源入射孔(3)内，且所述LED光源(17)的发光点(16)在入射光聚焦透镜(14)的焦点处；所述LED光源(17)的管脚(19)与光源引线输入孔(5)相对应，锥形孔(12)的上端口布置有光强传输腔(22)，所述光强传输腔(22)的下部设有光强入射腔(20)，光强入射腔(20)下端设有漫反射光强入射孔(37)；光强入射腔(20)的下端安装有出射光汇聚透镜(21)，光强传输腔(22)的上端口设有漫反射光强出射孔(23)；所述漫反射光强出射孔(23)与传感器芯片的感光面(24)对应，所述传感器芯片的感光面(24)位于出射光汇聚透镜(21)的焦点处。
2.如权利要求1所述的集成光学便携式农畜产品检测器，其特征在于：所述检测信号线传输腔(2)的上端口开有检测信号输入孔(6)，检测信号线传输腔(2)的下端面连接有薄压条(27)，所述薄压条(27)的中间开有两个直形槽(29)，传感器检测芯片(36)的引脚(31)与所述直形槽(29)相对应并插入到所述直形槽(29)中，通过检测信号线传输腔(2)与后续电路连接。
3.如权利要求1所述的集成光学便携式农畜产品检测器，其特征在于：方孔凹槽(32)的两侧设有第一安装孔(26)，薄压条(27)的两端分别设有第二安装孔(28)，所述第二安装孔(28)与第一安装孔(26)相配合，将所述检测信号线传输腔(2)固定在探头包围外壳(1)上。
4.如权利要求1-3之一所述的集成光学便携式农畜产品检测器，其特征在于：所述光源入射孔(3)与水平面成30°到60°范围的夹角。
5.如权利要求1-3之一所述的集成光学便携式农畜产品检测器，其特征在于：所述光源出射孔(13)的深度为入射光聚焦透镜(14)的厚度的2倍，所述入射光聚焦透镜(14)以及空心隔圈(15)的外圈直径等于光源入射孔(3)的直径，所述空心隔圈(15)的内圈直径小于LED光源(17)的直径，所述LED光源(17)的直径小于光源入射孔(3)的直径，所述压圈(18)的外圈直径等于光源入射孔(3)的直径，所述压圈(18)的内圈直径小于LED光源(17)的直径。
6.如权利要求1-3之一所述的集成光学便携式农畜产品检测器，其特征在于：所述光强入射腔(20)以螺纹安装形式与光强传输腔(22)连接为一体，所述光强传输腔(22)的长度范围为10mm到25mm，所述光强入射腔(20)的深度为光强传输腔(22)的长度的一半，所述出射光汇聚透镜(21)的直径等于光强入射腔(20)的直径，且大于漫反射光强入射孔(37)的直径。
7.如权利要求1-3之一所述的集成光学便携式农畜产品检测器，其特征在于：所述LED光源(17)的管脚(19)与光源引线输入孔(5)相对应，所述管脚(19)能够通过光源引线输入孔(5)向外连线。
8.如权利要求1-3之一所述的集成光学便携式农畜产品检测器，其特征在于：所述探头包围外壳(1)的外侧壁的上部设有第一安装外螺纹(4)，所述探头安装外壳(7)具有多个安装圆形孔(38)，每个安装圆形孔(38)的内壁设有安装内螺纹(9)，探头(34)的第一安装外螺纹(4)与所述安装内螺纹(9)相配合；所述安装圆形孔(38)的底部设有检测信号输出孔(8)和多个光源引线输出孔(11)，检测信号线传输腔(2)上端口的检测信号输入孔(6)与所述检测信号输出孔(8)相对应，光源引线输入孔(5)与光源引线输出孔(11)相对应。
9.如权利要求1-3之一所述的集成光学便携式农畜产品检测器，其特征在于：每个探头(34)之间分别相差一定角度，且探头(34)的底面的外圆相切，并处于同一水平面。
10.如权利要求1-3之一所述的集成光学便携式农畜产品检测器，其特征在于：传感器芯片的感光面(24)与光源照射区域(35)的垂直距离为20mm-35mm，光源出射孔(13)与探头(34)的底面的垂直距离为15mm-30mm。
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