CN107576628A - 基于近红外光谱技术的奶粉分类测定系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于近红外光谱技术的奶粉分类测定系统及方法，其中包括近红外光谱采集设备和外部设备，所述近红外光谱采集设备与所述外部设备进行通信，所述近红外光谱采集设备包括光源组件、分光组件、红外探测器、支架、控制和数据处理单元以及旋转附件，所述控制和数据处理单元分别与所述光源组件、分光组件和红外探测器相连接，所述光源组件、分光组件和红外探测器均设置于所述支架上，所述旋转附件与所述支架相连接。采用该种基于近红外光谱技术的奶粉分类测定系统，技术简单、无需任何预处理，无损检测奶粉样品，对人员要求简单，只需要简单的培训即可操作使用，具有更广泛的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及光谱测量技术领域，尤其涉及红外光谱测量技术领域，具体是指一种基于近红外光谱技术的奶粉分类测定系统及方法。
背景技术
近年来我国乳品工业有很大发展，乳粉系列品种逐渐增多，工程化乳粉向多样化方面发展，尤其是功能性乳粉开发很快。主要有适合胎儿发育和哺乳期产妇的奶粉，婴幼儿食用的母乳代用品奶粉，预防骨质疏松、降低胆固醇、提高人体抗氧化的中老年奶粉等，这些都是液态牛奶无法取代的市场。奶粉市场品种繁多，国内外品牌琳琅满目，各种营养功能针对性不同，价格不一，满足了不同人群对奶粉的需求。然而市场上奶粉以次充好的现象时有发生，若将不同功能和使用人群的奶粉混淆错乱，将会给消费者带来极大的安全隐患。
现有奶粉品牌种类判别方法基本处于空白状态。因为不同奶粉的外观形状基本相同，其常量物质蛋白质、脂肪、碳水化合物等指标相近甚至不同种类奶粉这些物质含量可能相同，奶粉的微量功能成分含量检测复杂、耗时长、成本高。这些都导致不同奶粉的分辨较为困难。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种基于近红外光谱技术的奶粉分类测定系统及方法，技术简单、无需任何预处理，无损检测奶粉样品，对人员要求简单，只需要简单的培训即可操作使用。
为了实现上述目的，本发明具有如下构成：
该基于近红外光谱技术的奶粉分类测定系统，所述的系统包括近红外光谱采集设备、外部设备和进样池，所述近红外光谱采集设备与所述外部设备进行通信，所述近红外光谱采集设备包括光源组件、分光组件、红外探测器、支架以及控制和数据处理单元，所述控制和数据处理单元分别与所述光源组件、分光组件和红外探测器相连接，所述光源组件、分光组件和红外探测器均设置于所述支架上，所述红外探测器的内部安装有红外探测芯片和滤光片，所述进样池的入口设置有入管，所述进样池的出口设置有出管，所述入管和所述出管上分别设置有电磁阀，所述电磁阀与所述控制和数据处理单元相连接，所述进样池的入口设置于所述进样池的侧面，所述进样池的出口设置于所述进样池的底面。
较佳地，所述近红外光谱采集设备还包括Wifi无线通信单元，所述控制和数据处理单元通过所述Wifi无线通信单元与所述外部设备进行通信。
更佳地，所述外部设备包括打印机、处理器和显示器，所述处理器分别与所述打印机和显示器相连接，所述处理器通过所述Wifi无线通信单元与所述控制和数据处理单元进行通信。
较佳地，所述近红外光谱采集设备还包括USB接口，所述近红外光谱采集设备通过所述USB接口与USB设备相连接。
较佳地，所述近红外光谱采集设备还包括记录显示单元，所述记录显示单元与所述控制和数据处理单元相连接。
较佳地，所述滤光片安装于所述红外探测芯片与检测器石英窗口之间，所述红外探测器内充入惰性保护气体，且所述滤光片黏贴在所述红外探测芯片的表面。
较佳地，所述近红外光谱采集设备还包括旋转附件，所述旋转附件与所述支架相连接。
本发明还涉及一种基于近红外光谱技术的奶粉分类测定方法，采用上述的基于近红外光谱技术的奶粉分类测定系统，所述方法包括奶粉性质测定模型建立和待测奶粉测定，所述奶粉性质测定模型建立包括如下步骤：
（1-1）准备至少一种奶粉样品；
（1-2）利用近红外光谱采集设备获取所述奶粉样品的近红外光谱；
（1-3）对所述奶粉麦样品的近红外光谱进行预处理得到与奶粉性质关联的数据；
（1-4）获取奶粉样品已知的奶粉分类数据；
（1-5）基于与奶粉性质关联的数据和已知的奶粉分类数据，采用化学计量学软件建立小麦成分测定模型；
所述待测奶粉测定包括如下步骤：
（2-1）利用近红外光谱采集设备获取待测奶粉的近红外光谱；
（2-2）基于所述奶粉性质测定模型预测待测奶粉的分类。
较佳地，所述利用近红外光谱采集设备获取待测奶粉的近红外光谱，包括如下步骤：
将奶粉倒入附件中，并用比色皿将其压实，压平。每次光谱采集后旋转一定角度再进行光谱采集，每个样本采集30条光谱数据。
采用了该发明中的基于近红外光谱技术的奶粉分类测定系统及方法，具有如下有益效果：
（1）分析速度快：测量过程一般只需数秒，通过建立的定量或定性模型可以快速检测出样本的组分或性质；
（2）分析成本低：近红外光谱分析在分析过程中只有自身消耗的一点电，与常用的标准方法相比，测试费用有很大程度的降低；
（3）操作方便：根据样品形态和透光能力的强弱可选用透射方式或漫反射方式，可以直接采集不同物态的样品光谱；
（4）体积小、携带方便：本发明中使用的近红外光谱仪体积只有普通500ml水杯体积大小；
（5）环境要求较低：由于近红外光在光纤中具有良好的传输特性，通过光纤可以实现光谱仪远距离在线测量和复杂恶劣环境在线测量；
（6）不需要试剂，不污染环境：近红外光谱分析技术只需样品的光谱，不需要添加任何化学剂，避免了有害物质的产生，绿色环保。
附图说明
图1为本发明的基于近红外光谱技术的奶粉分类测定系统的结构示意图；
图2为本发明的近红外光谱采集设备的结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
根据上述现有技术的缺点，本发明采用近红外检测奶粉分类。相比于现有的几种测定方法，近红外法可以快速检测粮食水分，且操作简单，不需要专业人员，只需要对检测人员做简单的培训即可达到要求。同时近红外法是一种无损检测技术，对人体也无危害。
近红外光谱的吸收原理：近红外(Near Infrared，NIR)区域按ASTM定义是指波长在780~2526 nm范围内的电磁波。近红外光谱(Near-Infrared Spectroscopy，NIRS)属于分子振动光谱，产生于共价化学键非谐能级振动，是非谐振动的倍频和组合频，位于可见光和中红外光区之间，适用于测定含C-H，N-H，O-H等基团的物质，由于不同基团产生的光谱吸收峰位置和强度都不同，根据Lambert-Beer吸收定律，吸收光谱会随着样品成分组成或结果的变化而产生变化。
近红外光谱技术：近红外光谱技术，是根据近红外波段内的透射和反射光谱，对研究对象和定量分析的现代分析技术，因其具有高效、快速、成本低和绿色环保等特点，己被广泛用于食品、药品、林业、农业等领域中，是近年来分析化学领域迅猛发展的高新分析技术。
近红外光谱技术构成： 近红外光谱技术主要包括近红外光谱仪、化学计量学软件和多元校正模型等。近红外光谱仪是用于采集被测样品近红外光谱的设备，化学计量学软件是用于关联光谱和样品性质的工具，而校正模型是用于反映样品光谱与性质之间对应关系的定量或定性的工作曲线。
如图1~2所示，本发明提供了一种基于近红外光谱技术的奶粉分类测定系统，所述的系统包括近红外光谱采集设备110、外部设备130和进样池120，所述近红外光谱采集设备110与所述外部设备130进行通信，所述近红外光谱采集设备110包括光源组件115、分光组件113、红外探测器114、支架以及控制和数据处理单元111，所述控制和数据处理单元111分别与所述光源组件115、分光组件113和红外探测器114相连接，所述光源组件115、分光组件113和红外探测器114均设置于所述支架上，所述红外探测器114的内部安装有红外探测芯片和滤光片，所述进样池120的入口设置有入管，所述进样池120的出口设置有出管，所述入管和所述出管上分别设置有电磁阀，所述电磁阀与所述控制和数据处理单元111相连接，所述进样池120的入口设置于所述进样池120的侧面，所述进样池120的出口设置于所述进样池120的底面。
进样池120在需要测定奶粉样品时，可以通过打开入管的电磁阀灌入奶粉，在测定完成后，可以通过打开出管的电磁阀将奶粉样品放出，结束测量。
在一种较佳的实施方式中，所述近红外光谱采集设备110还包括Wifi无线通信单元112，所述控制和数据处理单元111通过所述Wifi无线通信单元112与所述外部设备130进行通信。
在一种更佳的实施方式中，所述外部设备130包括打印机、处理器和显示器，所述处理器分别与所述打印机和显示器相连接，所述处理器通过所述Wifi无线通信单元112与所述控制和数据处理单元111进行通信。
在一种较佳的实施方式中，所述近红外光谱采集设备110还包括USB接口，所述近红外光谱采集设备110通过所述USB接口与USB设备相连接。
在一种较佳的实施方式中，所述近红外光谱采集设备110还包括记录显示单元，所述记录显示单元与所述控制和数据处理单元111相连接。
在一种较佳的实施方式中，所述滤光片安装于所述红外探测芯片与检测器石英窗口之间，所述红外探测器114内充入惰性保护气体，且所述滤光片黏贴在所述红外探测芯片的表面。本发明将滤光片与红外探测芯片黏合并一起封装，充保护气体同时进行制冷，极大地延长了滤光片的寿命，使系统更加紧凑简单，提高了红外光谱采集设备的整体性能。
在一种较佳的实施方式中，所述近红外光谱采集设备110还包括旋转附件，所述旋转附件与所述支架相连接。所述旋转附件可以带动整个支架选择，在光谱测量过程中，可以旋转测定多个位置的光谱。
本发明还涉及一种基于近红外光谱技术的奶粉分类测定方法，采用上述的基于近红外光 谱技术的奶粉分类测定系统，所述方法包括奶粉性质测定模型建立和待测奶粉测定，所述奶 粉性质测定模型建立包括如下步骤：
在实际应用中，采用本发明的奶粉分类测定系统可以根据如下方式测定奶粉分类：
（1）样品准备：
（2）光谱采集：将奶粉倒入附件中，并用比色皿将其压实，压平。每次光谱采集后旋转一定角度再进行光谱采集，每个样本采集30条光谱数据。
（3）建模方法：每个样品随机挑选15条作为校正集，其余作为验证集。预处理：截取数据50-500，移动平滑、窗口数为25+归一化。采用PCA降维，选取主成分数为10，采用Fisher分类算法。对于伊利高蛋白脱脂奶粉和纽瑞滋脱脂奶粉进行二级建模。截取数据50-500，移动平滑、窗口数25+归一化+一阶微分、三次多项式、窗口数11。
此处建模方法和测定方法仅为示例，在实际应用中，也可以采用其他的现有的建模方法和测定方法。本发明的创新点在于奶粉分类测定系统的结构组成，而非采用该种测定系统具体的测定方法。
采用了该发明中的基于近红外光谱技术的奶粉分类测定系统及方法，具有如下有益效果：
（1）分析速度快：测量过程一般只需数秒，通过建立的定量或定性模型可以快速检测出样本的组分或性质；
（2）分析成本低：近红外光谱分析在分析过程中只有自身消耗的一点电，与常用的标准方法相比，测试费用有很大程度的降低；
（3）操作方便：根据样品形态和透光能力的强弱可选用透射方式或漫反射方式，可以直接采集不同物态的样品光谱；
（4）体积小、携带方便：本发明中使用的近红外光谱仪为我公司的产品，体积只有普通500ml水杯体积大小；
（5）环境要求较低：由于近红外光在光纤中具有良好的传输特性，通过光纤可以实现光谱仪远距离在线测量和复杂恶劣环境在线测量；
（6）不需要试剂，不污染环境：近红外光谱分析技术只需样品的光谱，不需要添加任何化学剂，避免了有害物质的产生，绿色环保。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (10)
1.一种基于近红外光谱技术的奶粉分类测定系统，其特征在于，所述的系统包括近红外光谱采集设备、外部设备和进样池，所述近红外光谱采集设备与所述外部设备进行通信，所述近红外光谱采集设备包括光源组件、分光组件、红外探测器、支架以及控制和数据处理单元，所述控制和数据处理单元分别与所述光源组件、分光组件和红外探测器相连接，所述光源组件、分光组件和红外探测器均设置于所述支架上，所述红外探测器的内部安装有红外探测芯片和滤光片，所述进样池的入口设置有入管，所述进样池的出口设置有出管，所述入管和所述出管上分别设置有电磁阀，所述电磁阀与所述控制和数据处理单元相连接，所述进样池的入口设置于所述进样池的侧面，所述进样池的出口设置于所述进样池的底面。
2.根据权利要求1所述的基于近红外光谱技术的奶粉分类测定系统，其特征在于，所述近红外光谱采集设备还包括Wifi无线通信单元，所述控制和数据处理单元通过所述Wifi无线通信单元与所述外部设备进行通信。
3.根据权利要求2所述的基于近红外光谱技术的奶粉分类测定系统，其特征在于，所述外部设备包括打印机、处理器和显示器，所述处理器分别与所述打印机和显示器相连接，所述处理器通过所述Wifi无线通信单元与所述控制和数据处理单元进行通信。
4.根据权利要求1所述的基于近红外光谱技术的奶粉分类测定系统，其特征在于，所述近红外光谱采集设备还包括USB接口，所述近红外光谱采集设备通过所述USB接口与USB设备相连接。
5.根据权利要求1所述的基于近红外光谱技术的奶粉分类测定系统，其特征在于，所述近红外光谱采集设备还包括记录显示单元，所述记录显示单元与所述控制和数据处理单元相连接。
6.根据权利要求1所述的基于近红外光谱技术的奶粉分类测定系统，其特征在于，所述滤光片安装于所述红外探测芯片与检测器石英窗口之间，所述红外探测器内充入惰性保护气体，且所述滤光片黏贴在所述红外探测芯片的表面。
7.根据权利要求1所述的基于近红外光谱技术的奶粉分类测定系统，其特征在于，所述近红外光谱采集设备还包括旋转附件，所述旋转附件与所述支架相连接。
8.一种基于近红外光谱技术的奶粉分类测定方法，其特征在于，采用权利要求1至7中任一项所述的基于近红外光谱技术的奶粉分类测定系统，所述方法包括奶粉性质测定模型建立和待测奶粉测定，所述奶粉性质测定模型建立包括如下步骤：
（1-1）准备至少一种奶粉样品；
（1-2）利用近红外光谱采集设备获取所述奶粉样品的近红外光谱；
（1-3）对所述奶粉麦样品的近红外光谱进行预处理得到与奶粉性质关联的数据；
（1-4）获取奶粉样品已知的奶粉分类数据；
（1-5）基于与奶粉性质关联的数据和已知的奶粉分类数据，采用化学计量学软件建立小麦成分测定模型；
所述待测奶粉测定包括如下步骤：
（2-1）利用近红外光谱采集设备获取待测奶粉的近红外光谱；
（2-2）基于所述奶粉性质测定模型预测待测奶粉的分类。
9.根据权利要求8所述的基于近红外光谱技术的奶粉分类测定方法，其特征在于，所述利用近红外光谱采集设备获取待测奶粉的近红外光谱，包括如下步骤：
将奶粉倒入附件中，并用比色皿将其压实，压平。
10.每次光谱采集后旋转一定角度再进行光谱采集，每个样本采集30条光谱数据。
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