CN106404717A - 基于光斑几何量测量的农药残留检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明基于光斑几何量测量的农药残留检测装置属于食品安全、农药检测技术领域；该装置在内表面设置有黑色绒布的暗箱中依次放置储液仓、针孔阵列板、傅里叶透镜、图像传感器、计算机和位移驱动器；储液仓相对于光轴倾斜放置，储液仓的外侧设置有向垂直于光轴平面投影为圆形的孔，平行光从孔外侧向储液仓中照射，储液仓内部装有农药残留提取液；针孔阵列板上分布有多个纵横方向排列的针孔；傅里叶透镜垂直于光轴方向固定放置，针孔阵列板和图像传感器分别位于傅里叶透镜的第一焦面位置和第二焦面位置；计算机接收来自图像传感器的光斑图像，并通过测量光斑几何量得到传递给位移驱动器的控制信号；本发明提供了一种全新的农药残留检测技术手段。
Description
技术领域
本发明基于光斑几何量测量的农药残留检测装置属于食品安全、农药检测技术领域。
背景技术
农业产业化的发展使农产品的生产越来越依赖于农药等外源物质。我国农药在农产品的用量居高不下，而这些物质的不合理使用必将导致农产品中的农药残留超标，影响消费者食用安全，严重时会造成消费者致病、发育不正常，甚至直接导致中毒死亡。农药残留超标也会影响农产品的贸易，使中国农产品出口面临严峻的挑战。控制农药残留量，无论对于食品安全，还是对于国家形象，都具有重大意义，而控制农药残留的首要方法就是进行农药残留检测。
传统的农药检测方法是GC/MS检测法，但是传统的GC/MS等农残分析技术检测成本高、时间长，给食品安全监管部门对农产品产前、产中、产后的监督工作带来了许多不便，这个问题催生出大量的快速农药残留的检测技术，常见的有化学速测法、免疫分析法、酶抑制法和活体检测法等。
化学速测法，主要根据氧化还原反应，水解产物与检测液作用变色，用于有机磷农药的快速检测，但是灵敏度低，使用局限性，且易受还原性物质干扰。
免疫分析法，主要有放射免疫分析和酶免疫分析，最常用的是酶联免疫分析（ELISA），基于抗原和抗体的特异性识别和结合反应，对于小分子量农药需要制备人工抗原，才能进行免疫分析。
酶抑制法，是研究最成熟、应用最广泛的快速农残检测技术，主要根据有机磷和氨基甲酸酯类农药对乙酰胆碱酶的特异性抑制反应。
活体检测法，主要利用活体生物对农药残留的敏感反应，例如给家蝇喂食样品，观察死亡率来判定农残量。该方法操作简单，但定性粗糙、准确度低，对农药的适用范围窄。
从农药残留检测技术的发展历史来看，随着技术手段的不断进步，还会有更多新方法出现。
申请人同日申请了两项发明专利《基于点目标频谱检测的农药残留检测装置》和《基于点目标频谱检测的农药残留检测方法》，由于发现了农药溶液浓度不同时，会改变溶液折射率的特性，进而提供了一种全新的农药残留检测技术手段。
在这两项专利中，储液仓的内侧设置有能够移动的透明调整板，以避免在特定折射率情况下，从储液仓出射的平行光恰好打到针孔阵列板的两个针孔之间造成无法测量的问题，但由于透明调整板只有两个移动位，因此会有极小概率的情况，移动透明调整板后，从储液仓出射的平行光照射到了另外两个针孔之间，同样无法测量，且操作人员无法进行修正。
发明内容
为了检测农药残留，同时为了克服《基于点目标频谱检测的农药残留检测装置》和《基于点目标频谱检测的农药残留检测方法》这两项专利的小概率问题，本发明公开了一种基于光斑几何量测量的农药残留检测装置，提供了一种全新的农药残留检测技术手段。
本发明的目的是这样实现的：
基于光斑几何量测量的农药残留检测装置，在内表面设置有黑色绒布的暗箱中依次放置储液仓、针孔阵列板、傅里叶透镜、图像传感器、计算机和位移驱动器；
所述储液仓相对于光轴倾斜放置，储液仓的外侧设置有向垂直于光轴平面投影为圆形的孔，与光轴方向平行的平行光从孔外侧向储液仓中照射，储液仓内部装有农药残留提取液；
所述针孔阵列板垂直于光轴方向固定放置，针孔阵列板上分布有多个纵横方向排列的针孔，相邻两个针孔之间的距离相等，且不小于孔向垂直于光轴平面投影的直径；
所述傅里叶透镜垂直于光轴方向固定放置，且针孔阵列板位于傅里叶透镜的第一焦面位置；
所述图像传感器垂直于光轴方向固定放置，且位于傅里叶透镜的第二焦面位置；
所述计算机用于接收来自图像传感器传递来的光斑图像，并通过测量光斑几何量得到控制信号，并将控制信号传递给位移驱动器；
所述位移驱动器用于驱动针孔阵列板在其所在平面内上下移动；
与光轴方向平行的平行光从孔外侧向储液仓中照射，由于受农药残留提取液的作用发生折射，从储液仓出射的光束为相对于入射平行光存在横向位移的平行光，通过调整针孔阵列板的位置，实现平行光的中心与针孔阵列板中的一个针孔重合，该针孔被平行光照亮。
上述基于光斑几何量测量的农药残留检测装置，所述的位移驱动器包括设置在针孔阵列板两侧的第一夹持端和第二夹持端；所述第一夹持端的截面为“工”形，所述“工”形面向针孔阵列板的豁口通过螺钉将针孔阵列板固定，背向针孔阵列板的豁口设置有与针孔阵列板同面的滚轮；所述第二夹持端面向针孔阵列板的方向设置有豁口，并通过螺钉将针孔阵列板固定，背向针孔阵列板的方向设置有齿条结构，与针孔阵列板所在平面垂直的两个方向均设置有豁口，并设置有与针孔阵列板垂直的滚轮；所有滚轮的外侧均设置有截面为“凹”形的滑道，滚轮在滑道中滚动；于齿条结构相配合的齿轮安装在驱动电机的转轴上；电机的转轴带动齿轮转动，进而通过驱动齿条结构使第一夹持端和第二夹持端夹持针孔阵列板在滑道中滑行，进而实现针孔阵列板在其所在平面内上下移动。
一种在上述基于光斑几何量测量的农药残留检测装置上实现的基于光斑几何量测量的农药残留检测方法，包括以下步骤：
步骤a、用透明溶剂提取农药残留，形成以农药为溶质、透明溶剂为溶剂的溶液；
步骤b、将步骤a得到的溶液倒入储液仓中；
步骤c、用与光轴方向平行的平行光从孔外侧向储液仓中照射；
步骤d、上下移动针孔阵列板，通过图像传感器能够获得光斑，确保有一个针孔被点亮；
步骤e、在步骤d的基础上，先向上移动针孔阵列板直到没有针孔被点亮，记录针孔阵列板的位置；再向下移动针孔阵列板直到没有针孔被点亮，记录针孔阵列板的位置；
步骤f、取步骤e记录两个位置的中间位置，将孔阵列板移动到中间位置；
步骤g、在步骤f的基础上，得到图像传感器上光斑的大小或/和位置；
步骤h、根据步骤g得到的图像传感器上光斑的大小或/和位置，判断被点亮的针孔坐标；
步骤i、根据被点亮的针孔坐标，判断储液仓出射平行光相对于入射平行光的横向位移；
步骤j、根据步骤i得到的横向位移，得到溶液的折射率；
步骤k、根据溶液的折射率，得到农药残留量。
上述基于点目标频谱检测的农药残留检测方法，
步骤h所述的光斑的大小或/和位置与针孔坐标的对应关系，通过标定的方法得到；
步骤i所述的针孔坐标与横向位移之间的对应关系，通过标定的方法得到；
步骤j所述的横向位移与折射率之间的对应关系，通过标定的方法得到；
步骤k所述的折射率与农药残留量之间的对应关系，通过标定的方法得到。
有益效果：
第一、本发明发现了农药溶液浓度不同时，会改变溶液折射率的特性，发明了一种基于光斑几何量测量的农药残留检测装置与检测方法，提供了一种全新的农药残留检测技术手段。
第二、在本发明装置中，采用暗箱，并在暗箱内表面设置有黑色绒布，可以对暗箱内杂散光进行吸收，降低噪声干扰。
第三、在本发明装置中，储液仓相对于光轴倾泻放置，是实现平行光发生横向位置的关键设计，为农药残留检测奠定关键技术。
第四、本发明在检测农药浓度时只需要点亮平行光一步操作即可，其余过程均可自动完成，操作过程十分简单，非专业人员也能够操作，大大增加了装置的适用范围。
第五、本发明在标定后，光斑的大小或/和位置都可以通过计算机视觉技术直接获得，而通过光斑的大小或/和位置又能直接得到农药残留量，省去一切中间计算环节，同样非专业人员就能够操作，大大增加了装置的适用范围。
第六、同本申请人同日申请的发明专利《基于点目标频谱检测的农药残留检测装置》和《基于点目标频谱检测的农药残留检测方法》相比，克服了平行光照射到两个针孔之间而不能测量的问题，提高了测量的可靠性。
第七、由于针孔阵列板连续移动，并通过技术手段使平行光的中心与针孔重合，因此测量精度比申请人同日申请的发明专利《基于点目标频谱检测的农药残留检测装置》和《基于点目标频谱检测的农药残留检测方法》更高。
附图说明
图1是本发明基于光斑几何量测量的农药残留检测装置的结构示意图。
图2是位移驱动器及其与针孔阵列板装配的结构示意图。
图中：1储液仓、2针孔阵列板、3傅里叶透镜、4图像传感器、5计算机、6位移驱动器、61第一夹持端、62第二夹持端、63滚轮、64滑道、65齿轮、66驱动电机。
具体实施方式
具体实施例一
本实施例是基于光斑几何量测量的农药残留检测装置的实施例。
本实施例的基于光斑几何量测量的农药残留检测装置，结构示意图如图1所示，该检测装置在内表面设置有黑色绒布的暗箱中依次放置储液仓1、针孔阵列板2、傅里叶透镜3、图像传感器4、计算机5和位移驱动器6；
所述储液仓1相对于光轴倾斜放置，储液仓1的外侧设置有向垂直于光轴平面投影为圆形的孔，与光轴方向平行的平行光从孔外侧向储液仓1中照射，储液仓1内部装有农药残留提取液；
所述针孔阵列板2垂直于光轴方向固定放置，针孔阵列板2上分布有多个纵横方向排列的针孔，相邻两个针孔之间的距离相等，且不小于孔向垂直于光轴平面投影的直径；
所述傅里叶透镜3垂直于光轴方向固定放置，且针孔阵列板2位于傅里叶透镜3的第一焦面位置；
所述图像传感器4垂直于光轴方向固定放置，且位于傅里叶透镜3的第二焦面位置；
所述计算机5用于接收来自图像传感器4传递来的光斑图像，并通过测量光斑几何量得到控制信号，并将控制信号传递给位移驱动器6；
所述位移驱动器6用于驱动针孔阵列板2在其所在平面内上下移动；
与光轴方向平行的平行光从孔外侧向储液仓1中照射，由于受农药残留提取液的作用发生折射，从储液仓1出射的光束为相对于入射平行光存在横向位移的平行光，通过调整针孔阵列板2的位置，实现平行光的中心与针孔阵列板2中的一个针孔重合，该针孔被平行光照亮。
具体实施例二
本实施例是基于光斑几何量测量的农药残留检测装置的实施例。
本实施例的基于光斑几何量测量的农药残留检测装置，在具体实施例一的基础上，进一步限定位移驱动器6包括设置在针孔阵列板2两侧的第一夹持端61和第二夹持端62；所述第一夹持端61的截面为“工”形，所述“工”形面向针孔阵列板2的豁口通过螺钉将针孔阵列板2固定，背向针孔阵列板2的豁口设置有与针孔阵列板2同面的滚轮63；所述第二夹持端62面向针孔阵列板2的方向设置有豁口，并通过螺钉将针孔阵列板2固定，背向针孔阵列板2的方向设置有齿条结构，与针孔阵列板2所在平面垂直的两个方向均设置有豁口，并设置有与针孔阵列板2垂直的滚轮63；所有滚轮63的外侧均设置有截面为“凹”形的滑道64，滚轮63在滑道64中滚动；于齿条结构相配合的齿轮65安装在驱动电机66的转轴上；电机66的转轴带动齿轮65转动，进而通过驱动齿条结构使第一夹持端61和第二夹持端62夹持针孔阵列板2在滑道64中滑行，进而实现针孔阵列板2在其所在平面内上下移动。
本实施例的位移驱动器6及其与针孔阵列板2装配的结构示意图如图2所示。
具体实施例三
本实施例是基于光斑几何量测量的农药残留检测方法的实施例。
本实施例的基于光斑几何量测量的农药残留检测方法，在具体实施例一所述基于光斑几何量测量的农药残留检测装置上实现，该基于光斑几何量测量的农药残留检测方法，包括以下步骤：
步骤a、用透明溶剂提取农药残留，形成以农药为溶质、透明溶剂为溶剂的溶液；
此步骤需要说明的是，本申请只针对具有以下特性的农药进行检测：能够溶于透明溶剂，被透明溶剂溶解的农药；农药浓度变化会改变溶液折射率的农药；在此步骤中，具体的提取方法，本领域技术人员可以选择固定质量的待测物在固定体积溶剂中浸泡固定时间来进行提取，而待测物的质量，溶剂的体积，浸泡时间等参数的选择，本领域技术人员通过有限次实验就能够确定，而具体的参数，又不是一个唯一量，只要在后续的步骤中进行标定，都是可行的；
采用什么样的溶剂进行提取，要根据农药的种类进行合理选取，这项选取工作，对于本领域技术人员来讲也是很容易实现的，在本申请中不进行详细说明；
步骤b、将步骤a得到的溶液倒入储液仓1中；
步骤c、用与光轴方向平行的平行光从孔外侧向储液仓1中照射；
步骤d、上下移动针孔阵列板2，通过图像传感器4能够获得光斑，确保有一个针孔被点亮；
步骤e、在步骤d的基础上，先向上移动针孔阵列板2直到没有针孔被点亮，记录针孔阵列板2的位置；再向下移动针孔阵列板2直到没有针孔被点亮，记录针孔阵列板2的位置；
步骤f、取步骤e记录两个位置的中间位置，将孔阵列板2移动到中间位置；
步骤g、在步骤f的基础上，得到图像传感器4上光斑的大小或/和位置；
步骤h、根据步骤g得到的图像传感器4上光斑的大小或/和位置，判断被点亮的针孔坐标；
步骤i、根据被点亮的针孔坐标，判断储液仓1出射平行光相对于入射平行光的横向位移；
步骤j、根据步骤i得到的横向位移，得到溶液的折射率；
步骤k、根据溶液的折射率，得到农药残留量。
具体实施例四
本实施例是基于光斑几何量测量的农药残留检测方法的实施例。
本实施例的基于光斑几何量测量的农药残留检测方法，在具体实施例三的基础上进一步限定：
步骤h所述的光斑的大小或/和位置与针孔坐标的对应关系，通过标定的方法得到；
步骤i所述的针孔坐标与横向位移之间的对应关系，通过标定的方法得到；
步骤j所述的横向位移与折射率之间的对应关系，通过标定的方法得到；
步骤k所述的折射率与农药残留量之间的对应关系，通过标定的方法得到。
需要说明的是，具体实施例三和具体实施例四中的具体标定数值，要根据农药的种类、本申请装置中各元件的具体参数才能最终确认，只要标定方法能够明确，本领域技术人员均能够获得标定数值，由于本申请提供的是一种技术手段，而不是一套具体的技术参数，因此具体标定数值不在本申请中进行说明；而具体的标定方法，又均属于本领域的常规技术手段，本领域技术人员想到高中时候打点计时器得到的时间与点位置的标定实验，就能够知道本申请标定实验该如何开展，因此在本申请中也不需要进行详细说明。
Claims (2)
1.基于光斑几何量测量的农药残留检测装置，其特征在于，在内表面设置有黑色绒布的暗箱中依次放置储液仓（1）、针孔阵列板（2）、傅里叶透镜（3）、图像传感器（4）、计算机（5）和位移驱动器（6）；
所述储液仓（1）相对于光轴倾斜放置，储液仓（1）的外侧设置有向垂直于光轴平面投影为圆形的孔，与光轴方向平行的平行光从孔外侧向储液仓（1）中照射，储液仓（1）内部装有农药残留提取液；
所述针孔阵列板（2）垂直于光轴方向固定放置，针孔阵列板（2）上分布有多个纵横方向排列的针孔，相邻两个针孔之间的距离相等，且不小于孔向垂直于光轴平面投影的直径；
所述傅里叶透镜（3）垂直于光轴方向固定放置，且针孔阵列板（2）位于傅里叶透镜（3）的第一焦面位置；
所述图像传感器（4）垂直于光轴方向固定放置，且位于傅里叶透镜（3）的第二焦面位置；
所述计算机（5）用于接收来自图像传感器（4）传递来的光斑图像，并通过测量光斑几何量得到控制信号，并将控制信号传递给位移驱动器（6）；
所述位移驱动器（6）用于驱动针孔阵列板（2）在其所在平面内上下移动；
与光轴方向平行的平行光从孔外侧向储液仓（1）中照射，由于受农药残留提取液的作用发生折射，从储液仓（1）出射的光束为相对于入射平行光存在横向位移的平行光，通过调整针孔阵列板（2）的位置，实现平行光的中心与针孔阵列板（2）中的一个针孔重合，该针孔被平行光照亮。
2.根据权利要求1所述的基于光斑几何量测量的农药残留检测装置，其特征在于，所述的位移驱动器（6）包括设置在针孔阵列板（2）两侧的第一夹持端（61）和第二夹持端（62）；所述第一夹持端（61）的截面为“工”形，所述“工”形面向针孔阵列板（2）的豁口通过螺钉将针孔阵列板（2）固定，背向针孔阵列板（2）的豁口设置有与针孔阵列板（2）同面的滚轮（63）；所述第二夹持端（62）面向针孔阵列板（2）的方向设置有豁口，并通过螺钉将针孔阵列板（2）固定，背向针孔阵列板（2）的方向设置有齿条结构，与针孔阵列板（2）所在平面垂直的两个方向均设置有豁口，并设置有与针孔阵列板（2）垂直的滚轮（63）；所有滚轮（63）的外侧均设置有截面为“凹”形的滑道（64），滚轮（63）在滑道（64）中滚动；于齿条结构相配合的齿轮（65）安装在驱动电机（66）的转轴上；电机（66）的转轴带动齿轮（65）转动，进而通过驱动齿条结构使第一夹持端（61）和第二夹持端（62）夹持针孔阵列板（2）在滑道（64）中滑行，进而实现针孔阵列板（2）在其所在平面内上下移动。
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