CN104914479B - 一种食品异物的无损探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种食品异物无损探测方法，所述方法包含以下步骤：用太赫兹波照射食品的上表面或下表面，采集食品反射太赫兹波的数据；通过所述数据获取食品的太赫兹波谱图像；通过太赫兹波谱图像获取食品的断层成像；通过断层成像判断食品中是否存在异物以及异物在食品中的位置。本发明可实现对食品异物的无损探测，扩展了太赫兹波谱的应用范围，从而为食品异物无损探测等提供重要技术手段。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测领域，具体地说，涉及一种食品异物无损探测方法。
背景技术
食品异物是指食品中混入的异于食品本身的物质，不能被人体消化，而且极有可能对人体造成物理性伤害。
对食品异物的无损探测，传统方式以X光成像、金属探测器等方式为主。然而，X光成像需要使用放射源，存在一定的安全隐患，而且一些敏感成分不宜使用X光照射；金属探测器虽然对金属可以进行有效的探测，但是只能判断有无异物，无法对异物的位置、形状等进行判断，并且无法对非金属异物进行探测。
太赫兹波谱是一段波长介于红外和微波之间的电磁波谱，具有能量低、穿透性强的特点。太赫兹波谱遇到不同性质的界面会发生反射，反射值的强弱程度与界面的密度有关，这是采用太赫兹波谱进行食品异物成像的理论基础。太赫兹波谱图像是波谱技术和图像技术的结合，图像上每个像素由该位置的太赫兹波谱构成。太赫兹波谱图像在提供太赫兹波谱数据的同时，还可以提供测试样品的空间分布情况。利用太赫兹波谱的上述性质，即可在获取太赫兹波谱图像的同时，对食品的断层进行成像，根据断层成像是否均匀，即可判断食品中是否混入异物。
本发明提出一种基于太赫兹波谱成像技术的食品异物无损探测方法，扩展了太赫兹波谱的应用范围——在食品异物无损探测方面的用途。该方法具有准确、高效、绿色无污染等特点，不仅可以为食品异物的无损探测提供技术支持，而且对保障食品、药品安全、提高生产效率、促进食品、药品行业健康发展等方面具有积极作用。
发明内容
本发明针对食品中异物的无损探测难题，提供一种基于太赫兹波谱成像技术的食品异物无损探测方法，其目的是对食品中的异物进行无损探测。
本发明提供了一种食品异物无损探测方法，如图1所示，所述方法包含以下步骤：用太赫兹波照射食品的上表面或下表面，采集食品反射太赫兹波的数据；通过所述数据获取食品的太赫兹波谱图像；通过太赫兹波谱图像获取食品的断层成像；通过断层成像判断食品中是否存在异物以及异物在食品中的位置。
本发明所针对的食品为密度均一的固体食品，食品的形状为柱体，上、下表面均为平面，如奶片、巧克力、糖块等。食品的厚度优选为2～4mm。
本发明所述异物包括食品生产、加工、包装、运输等过程中引入的、不能被人体消化且可能对人体造成物理性伤害的物质。所述异物包含于食品内部，异物的体积应小于食品本身，且无法通过肉眼直接观察到。为了能够实现准确探测，本发明所述异物与食品本身的密度应不同，优选为与食品本身密度存在显著差异的物质，如金属、陶瓷、玻璃、塑料、砂石等。所述异物进一步优选为金属，如铁丝、铁屑、铁片、铜丝、铅块等。
本发明使用的太赫兹波的分辨率为0.007～0.008THz，优选为0.0076THz。
本发明所述方法包含以下具体步骤：
(1)将食品固定于载物架，用太赫兹波持续照射食品的上表面或下表面；以照射的面积作为一个像素，记录该像素在被照射表面的相对空间位置，并采集该像素对应的太赫兹时域信号；
所述太赫兹时域信号包括：该像素反射太赫兹波的反射时间，以及所述反射时间内的反射强度值；
(2)移动载物架，照射多个像素，至步骤(1)所述被照射表面的覆盖率达到100％；记录并采集被照射表面上所有像素的相对空间位置和对应的太赫兹时域信号；
(3)将所有像素的相对空间位置绘制成二维空间坐标图；同时，通过傅里叶变换将各个像素对应的时域信号转换为频域信号，在太赫兹波频率范围内对波谱数据进行积分，获得与像素对应的综合反射强度值；
用颜色将综合反射强度值表示在二维空间坐标图中对应的位置上，即得所述食品的太赫兹波谱图像；
(4)从食品的太赫兹波谱图像中，选取某一维坐标值相等的全部像素；将被选取像素的另一维坐标值作为横坐标，像素反射太赫兹波的反射时间作为纵坐标，绘制时空坐标图；同时，将被选取像素对应的反射强度值进行归一化处理；
用颜色将归一化处理后的反射强度值表示在时空坐标图中对应的位置上，即得食品在所选取截面的断层成像；
(5)重复步骤(4)，至太赫兹波谱图像中的所有像素被选取完毕，即获得食品全部截面的断层成像；根据断层成像判断食品中是否存在异物以及异物在食品中的位置。
所述步骤(1)和(2)中，单一像素的面积为被照射表面面积的0.01～1％，优选为0.01～0.02％。太赫兹波在照射每个像素时，应确保在照射时间内，太赫兹波可以沿着入射方向穿透食品。在本发明中，太赫兹波在单一像素上的照射时间优选为32～34psec(psec：皮秒，1皮秒＝1×10-12秒)。在采集每个像素的反射强度值时，优选以0.01～0.02psec为时间间隔进行采集，从而得到在反射时间内的一系列反射强度值。所述时间间隔进一步优选为0.016psec。太赫兹波的入射方向与食品被照射表面的夹角优选为40～50度，进一步优选为45度。
所述步骤(3)中，通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，在太赫兹波频率范围内对波谱数据进行积分，所述波谱数据为太赫兹波的吸收谱数据或折射率谱数据，优选为吸收谱数据，所得积分值即像素对应的综合反射强度值。所述综合反射强度值反映了太赫兹波谱的综合反射强度，与样品中是否有异物没有直接关系，但是如果没有太赫兹波谱的综合反射强度，就会损失掉样品的一些综合信息。用颜色将各像素的综合反射强度值表示在二维空间坐标图中对应的像素位置上，即得食品的太赫兹波谱图像。所述颜色优选为灰度或伪彩色。
本发明所述太赫兹波频率范围在0～10THz之间，根据待测食品及食品所含异物的性质，太赫兹波的频率范围优选为0～4THz，进一步优选为0.01～2.50THz。
所述步骤(4)和(5)中，根据太赫兹波谱图像的数据，结合指定断层位置，可获取断层成像。逐一选取食品上的截面，将该截面所有像素的空间位置作为横坐标，将所述像素的太赫兹波反射时间作为纵坐标，绘制坐标图；在该坐标图中用颜色表示所述像素归一化处理后的反射太赫兹波的强度值，即得到食品在指定位置的断层成像。所述颜色优选为灰度或伪彩色。
本发明所述方法的判断标准为：统计反射强度值的众数，若出现大于或等于2倍于众数的异常强度值，则判断食品中存在异物；通过异常强度值在断层成像中对应的位置，判断异物在食品中的位置。
具体而言，根据食品的断层成像中反射太赫兹波的强度值，统计断层成像强度值的众数和最大值，若出现最大值大于或等于2倍于众数的像素，则可判断食品中存在异物；通过反射太赫兹波强度值异常区域所处的反射时间，结合该异常区域对应的像素空间位置，可判断食品中异物在样品中以及断层方向的位置分布。
本发明提出的基于太赫兹波谱成像技术的食品异物无损探测方法，扩展了太赫兹波谱在食品异物无损探测方面的用途。该方法具有准确、高效、绿色无污染等特点，不仅可以为食品异物的无损探测提供技术支持，而且对保障食品、药品安全、提高生产效率、促进食品、药品行业健康发展等方面具有积极作用。
附图说明
图1为本发明所述一种食品异物无损探测方法流程示意图。
图2为实施例1所述仪器光路示意图。
图3为实施例1所述样品的太赫兹波谱图像；其中，各像素的颜色值代表该像素位置经傅里叶变换后的综合反射强度值。
图4为实施例1所述样品的断层成像；其中，横坐标代表样品断层的空间坐标长度，纵坐标代表断层方向上发生反射的时间，图上像素的颜色代表各像素在各时间上的归一化处理后的反射强度。
图5为实施例4所述样品的太赫兹波谱图像；其中，各像素的颜色值代表该像素位置经傅里叶变换后的综合反射强度值。
图6为实施例4所述样品的断层成像；其中，横坐标代表样品断层的空间坐标长度，纵坐标代表断层方向上发生反射的时间，图上像素的颜色代表各像素在各时间上的归一化处理后的反射强度。
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详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明各实施例使用的仪器型号为TAS7500SP，购自日本ADVANTEST公司。
实施例1
以自制的奶片A为检测对象，所述奶片为密度均一、水平截面直径11mm的圆柱体，上下表面均为平面，厚度为3mm，制备时确保其中不含有异物；
按照以下步骤进行检测：
(1)将食品固定于载物架，用太赫兹波持续照射食品的下表面；以照射的面积作为一个像素，记录该像素在被照射表面的相对空间位置，并采集该像素对应的太赫兹时域信号；
所述太赫兹时域信号包括：该像素反射太赫兹波的反射时间，以及所述反射时间内、以0.016psec为间隔的一系列反射强度值；
(2)移动载物架，照射多个像素，至步骤(1)所述被照射表面的覆盖率达到100％；记录并采集被照射表面上所有像素的相对空间位置和对应的太赫兹时域信号；
(3)将所有像素的相对空间位置绘制成二维空间坐标图；同时，通过傅里叶变换将各个像素对应的时域信号转换为频域信号，在太赫兹波频率范围内对吸收谱数据进行积分，获得与像素对应的综合反射强度值；
用伪彩色将综合反射强度值表示在二维空间坐标图中对应的位置上，即得所述食品的太赫兹波谱图像；
(4)从食品的太赫兹波谱图像中，选取某一维坐标值相等的全部像素；将被选取像素的另一维坐标值作为横坐标，像素反射太赫兹波的反射时间作为纵坐标，绘制时空坐标图；同时，将被选取像素对应的反射强度值进行归一化处理；
用伪彩色将归一化处理后的反射强度值表示在时空坐标图中对应的位置上，即得食品在所选取截面的断层成像；
(5)重复步骤(4)，至太赫兹波谱图像中的所有像素被选取完毕，即获得食品全部截面的断层成像；根据断层成像判断食品中是否存在异物以及异物在食品中的位置；
其中，太赫兹波谱的频率分辨率为0.0076THz；太赫兹波谱频率范围为0.01-2.50THz；太赫兹波的照射面积(单一像素面积)为0.013mm2：太赫兹波在每个像素的照射时间为：32.768psec；仪器光路示意图如附图2所示，发射器产生太赫兹波谱，经过两次反射到达样品表面，太赫兹波的入射方向与食品被照射表面呈45度夹角。
样品的太赫兹波谱图像如附图3所示；样品的任意一层断层成像如附图4所示。通过附图4可见，样品的断层成像在0～3.280psec之间反映的是该样品的界面信息，即样品表面；反射时间早于0psec的部分(附图4界面上方)是空气，此时间段尚未发生反射；反射时间迟于0psec的部分(附图4界面下方)是样品内部，此时间段发生反射；反射时间在3.280psec之后反映样品内部断层信息；在3.280psec之后呈现均匀分布。
样品反射强度值的众数为0.09，未发现大于或等于2倍众数的像素，结合断层成像可知，样品中没有异物。
实施例2
以市售的巧克力块B为检测对象，所述巧克力块为密度均一、水平截面边长10mm的立方体，上下表面均为平面，厚度为2mm；
检测方法与实施例1相比，区别仅在于：太赫兹波谱的频率分辨率为0.007THz，单一像素的面积为被照射表面面积的0.01％，太赫兹波在单一像素上的照射时间为32psec，以0.01psec为间隔采集反射时间内的一系列反射强度值，太赫兹波的入射方向与食品被照射表面呈40度夹角。
经检测，未发现大于或等于2倍众数的像素，结合断层成像可知，样品中没有异物。
实施例3
以市售的糖块C为检测对象，所述糖块为密度均一、水平截面直径12mm的六棱柱体，上下表面均为平面，厚度为4mm；
检测方法与实施例1相比，区别仅在于：太赫兹波谱的频率分辨率为0.008THz，单一像素的面积为被照射表面面积的0.02％，太赫兹波在单一像素上的照射时间为34psec，以0.02psec为间隔采集反射时间内的一系列反射强度值，太赫兹波的入射方向与食品被照射表面呈50度夹角。
经检测，未发现大于或等于2倍众数的像素，结合断层成像可知，样品中没有异物。
实施例4
以自制的奶片D为检测对象，所述奶片为密度均一、水平截面直径11mm的圆柱体，上下表面均为平面，厚度为3mm；奶片内部混有铁屑，铁屑厚0.2mm、宽0.5mm，长度不等。
检测步骤和参数与实施例1相同。
样品的太赫兹波谱图像如附图5所示；样品的某一层断层成像如附图6所示。
通过附图6可见，样品断层成像在0～3.280psec之间反映的是该样品的界面信息，即样品表面；反射时间早于0psec的部分(附图6界面上方)是空气，此时间段尚未发生反射；反射时间迟于3.280psec的部分(附图6界面下方)是样品内部断层信息；可以看到3.280psec之后，断层成像值众数在0.046左右，而在4.92psec、8.20psec、22.96psec位置出现3条明显的强度异于周围的条状分布，断层成像值在0.221左右，明显高于该样品内部断层成像值2倍众数，因此判断该样品中存在异物；上述现象的原因是，在这三个时间处太赫兹波碰触到奶片中的铁屑，发生了强度异于周围的发射。异物所处的位置可由样品的太赫兹波谱图像结合断层成像判断得出。
综上所述，太赫兹波谱断层成像可以反映样品指定断层位置中所存在异物的反射强度、存在深度及其所处像素的坐标位置。
本发明提出一种基于太赫兹波谱成像技术的食品异物无损探测方法，扩展了太赫兹波谱在食品异物无损探测方面的用途。该方法具有准确、高效、绿色无污染等特点，不仅可以为食品异物的无损探测提供技术支持，而且对保障食品、药品安全、提高生产效率、促进食品、药品行业健康发展等方面具有积极作用。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (1)
1.一种食品异物的无损探测方法，其特征在于：所述食品为密度均一、厚度为2～4mm的柱体，上、下表面均为平面；所述异物包含于食品内部，且与食品本身的密度不同，具体为金属、塑料、陶瓷、玻璃、砂石中的一种或多种；
所述方法包含以下步骤：
(1)将食品固定于载物架，用频率范围为0.01～2.50THz的太赫兹波持续照射食品的上表面或下表面，太赫兹波的入射方向与食品被照射表面呈40～50度夹角；以照射的面积作为一个像素，单一像素的面积为被照射表面面积的0.01～1％，太赫兹波在单一像素上的照射时间为32～34psec；记录该像素在被照射表面的相对空间位置，并采集该像素对应的太赫兹时域信号；
所述太赫兹时域信号包括：该像素反射太赫兹波的反射时间，以及所述反射时间内的反射强度值；所述反射强度值的采集方法具体为：以0.01～0.02psec为间隔，采集所述反射时间内的一系列反射强度值；
(2)移动载物架，照射多个像素，至步骤(1)所述被照射表面的覆盖率达到100％；记录并采集被照射表面上所有像素的相对空间位置和对应的太赫兹时域信号；
(3)将所有像素的相对空间位置绘制成二维空间坐标图；同时，通过傅里叶变换将各个像素对应的时域信号转换为频域信号，在太赫兹波频率范围内对波谱数据进行积分，获得与像素对应的综合反射强度值；
用颜色将各像素的综合反射强度值表示在二维空间坐标图中对应的像素位置上，即得所述食品的太赫兹波谱图像；
(4)从食品的太赫兹波谱图像中，选取某一维坐标值相等的全部像素；将被选取像素的另一维坐标值作为横坐标，像素反射太赫兹波的反射时间作为纵坐标，绘制时空坐标图；同时，将被选取像素对应的反射强度值进行归一化处理；
用颜色将归一化处理后的反射强度值表示在时空坐标图中对应的位置上，即得食品在所选取截面的断层成像；
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