CN108956377A - 一种食品流变特性检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于食品检测技术领域，具体涉及一种食品流变特性检测方法。所述检测方法的步骤为：将待测食品样品置于托盘上，由空气压缩机压缩的空气，依次经调压阀、两级空气过滤，再由电气比例阀调整为特定压力后，空气进入电磁阀，空气最终进入气室，由喷嘴喷出，喷出的空气作用于待测食品样品表面，产生压缩变形。激光位移传感器采集待测食品样品变形信息，电磁力平衡传感器采集待测食品样品表面的压力信息，上述信息反馈至嵌入式微处理器进行处理，最终获得待测食品样品的流变特性信息。

Description

一种食品流变特性检测方法
技术领域
本发明属于食品检测技术领域，具体涉及一种食品流变特性检测方法。
背景技术
针对食品既具有黏性又具有弹性的性质，统称为具有黏弹性。而研究食品黏弹性的有效方法，即为研究其流变特性。在本发明中主要涉及食品的瞬时响应特性、蠕变特性和应力松弛特性三部分。
食品的流变特性能够有效反应食品加工特性和随贮藏过程中品质的变化过程，因此，研究食品的流变特性具有重要的意义。
在目前的流变特性检测方法中，常用的是仪器法，使用的主要仪器包括质构仪、流变仪和动态热力学分析仪。上述仪器拥有较高的测试精度，但也存在诸多问题，在一些测试方面不够灵活。例如，第一，对被测物进行瞬时响应特性的检测，需要在获得稳定检测结果的基础上，保持高的检测效率，这是上述仪器所达不到的。第二，上述仪器多采用接触式压头，容易在不同测试试样之间造成污染；同时，如果每次都进行拆装清洗的话，使得测试效率也降低。第三，上述仪器的价格相对昂贵，面向的对象多为实验室和大型企业，不易普及。
气力(空气压力)技术作为一种黏弹性检测手段，近年来得到了广泛研究，如在医疗领域的眼压检测、静脉曲张检测等，在农产品品质检测领域中的肉品新鲜度、系数力和嫩度检测上也开展了探索性研究。但综合已经公布的研究成果来看，食品流变特性的气力检测鲜有报道。根据对现有技术问题的分析和文献查阅，主要存在以下问题，首先是控制系统的控制精度存在问题，即无法实现对气力的精准控制，从而满足流变特性对力的高精度要求。其次，气体从喷嘴喷出后，气力发生明显变化，距离喷嘴口处不同距离的气力值不易确定。第三，通过电气比例阀对气压进行调控时，出气口直径应远小于进气口直径，以保证电气比例阀在近似闭源的环境下正常工作，同时，要保证试样形变可以被激光传感器有效采集，需要保证气路和光路同轴，而激光传感器的工作原理为三角形回路，对喷气口的口径有较大的尺寸要求，因此，这与电气比例阀工作时，需要喷嘴口径尽可能小的要求产生了矛盾。同时，在检测应力松弛时保证应变不变较保证蠕变时保证应力不变，要困难得多。由于上述问题的存在，导致包括瞬时响应特性、蠕变特性和应力松弛特性的流变特性检测不易实现。
本发明主要面向具有黏弹性的食品，尤其针对肉制品、果酱、液态巧克力和部分米面制品等，主要采用气力-激光技术的测试手段，同时使用Cortex A8架构的嵌入式微处理器，对食品的流变特性进行检测，具体包括食品的瞬时响应特性、蠕变特性和应力松弛特性的检测。
发明内容
为了有效地控制气力和激光，实现食品流变特性检测，具体包括食品的瞬时响应特性检测、蠕变特性检测和应力松弛特性检测三个方面，本发明采用以下技术方案。
一种食品流变特性检测方法，包括以下步骤：
嵌入式微处理器通过电气比例阀24对垂直作用于待测食品样品4表面的气力进行动态平衡控制，达到食品流变特性检测所需的气力要求；位于气室13正上方的激光位移传感器18实时采集待测食品样品4表面的变形信息，所述气室13从上到下依次包括窗口14、气室主体和喷嘴12，所述窗口14位于所述喷嘴12的正上方，所述喷嘴12和窗口14的材料为石英石，所述激光位移传感器18的入射光路与喷出气流的喷嘴12同轴；位于待测食品样品4垂直下方的电磁力平衡传感器11以面感测的方式实时采集喷出气流对待测食品样品4表面的压力信息，所述电磁力平衡传感器11的精度不低于0.01N；所述电磁力平衡传感器11以面感测的方式实时采集喷出气流对待测食品样品4表面的压力信息，是指气流从喷嘴12喷出，作用于待测食品样品4的表面，待测食品样品4的表面受到气流的压力后，待测食品样品4整个表面受到的压力传递到托盘上，位于托盘下方的电磁力平衡传感器11将托盘面受到的压力信息进行全部采集；所述变形信息和压力信息传输至嵌入式微处理器进行存储和处理，获得待测食品样品4的流变特性参数。
在上述技术方案的基础上，所述食品流变特性检测方法，具体包括以下步骤：
步骤1，将待测食品样品4放置于托盘上，通过电源开关8启动食品流变特性检测系统，升降台9由初始位置自动调整至归零位置，归零位置为本食品流变特性检测系统的最佳测试位置；
步骤2，采用空气压缩机对空气进行压缩增压；
步骤3，利用调压阀5对压缩增压的空气进行调压；
步骤4，对调压后的空气进行两级空气过滤，滤掉空气中的水、油、粉尘等杂质；
步骤5，经过两级空气过滤7后的气流进入电气比例阀24；
步骤6，嵌入式微处理器对电气比例阀24进行压力输出调节控制，气流从电气比例阀24流出，进入电磁阀23；
步骤7，通过嵌入式微处理器的控制，打开电磁阀23的开关，空气进入气室13；
步骤8，进入气室13的空气由喷嘴12喷出，作用于待测食品样品4的表面；
步骤9，激光位移传感器18实时采集待测食品样品4表面的变形信息(形变信息)；
步骤10，所述变形信息经过激光信号放大器21的信号放大并传输至激光信号转换模块22，再通过串口通讯传输至嵌入式微处理器进行反馈、存储和处理，获得应变信息，得出时间-应变曲线；
步骤11，所述电磁力平衡传感器11实时采集喷出空气对待测食品样品4表面的压力信息，并将压力信息传入嵌入式微处理器进行反馈、存储和处理，转换成应力数据；嵌入式微处理器将传入的数据信息(包括变形信息和压力信息)进行处理，获得待测食品样品4的流变特性参数。
步骤12，升降台9自动复位至初始位置，将待测食品样品4从托盘上取下。
在上述技术方案的基础上，在所述气室13充入空气的过程中，喷嘴12同时往外排气，导致气室13内的压力增加过程为动态过程；所以气室13内的压力达到平衡稳定，需要一定的时间；采用电磁力平衡传感器11对喷嘴12喷出的空气压力进行测定，确定气室13内的压力达到平衡稳定所需要的时间，该时间是气力由0变为设定值所需时间，称为系统气力达到稳定所需时间。在流变特性的检测过程中，所设定的气力作用时间为流变特性理论测定时间，而气力的实际作用时间包括流变特性理论测定时间和系统气力达到稳定所需时间两部分。当检测瞬时响应特性时，所述嵌入式微处理器通过控制电气比例阀24，使气力达到瞬时响应特性检测要求的设定值，所述设定值根据待测食品样品4的种类确定，例如，当待测食品样品4为肉制品时设定值为0.06MPa，在此气力设定值下，可获得良好的肉制品流变特性；待气室13内的压力平衡稳定后，气力持续作用时间不超过1s，实现对待测食品样品4表面的迅速击打，然后电磁阀23和电气比例阀24依次关闭，进入压力卸载阶段；在从气力作用于待测食品样品4的加载时刻开始到待测食品样品4变形结束的过程中，激光位移传感器18采集待测食品样品4表面的形变信息，并将形变信息依次通过激光信号放大器21、激光信号A/D转换模块22和串口通讯传输至嵌入式微处理器进行存储和处理，获得瞬时响应特性的时间-应变数据以及弹性模量、弹性恢复时间等参数。
在上述技术方案的基础上，当检测蠕变特性时，嵌入式微处理器控制电气比例阀24的气力至蠕变所需应力值对应的气力值，待测食品样品4表面受到来自喷嘴12的恒定气力，在所述恒定气力的作用下，待测食品样品4发生蠕变行为；根据电磁力平衡传感器11检测的压力信息，反馈至嵌入式微处理器，再通过对电气比例阀24进行增压或减压调控，实现在蠕变特性的检测过程中，待测食品样品4的表面受到的气力保持恒定，维持气力的动态平衡；待气室13内的压力平衡稳定后，恒定气力保持一定时间，然后气力卸载，待测食品样品4不再受压后，恢复变形；在从气力作用于待测食品样品4的加载时刻开始到蠕变特性检测完成的过程中，激光位移传感器18实时采集待测食品样品4的形变信息，通过激光信号放大器21、激光信号A/D转换模块22和串口通讯传输至嵌入式微处理器进行存储和处理，获得蠕变特性的时间-应变数据，同时，电磁力平衡传感器11将压力信息实时传输反馈至嵌入式微处理器，嵌入式微处理器再通过计算，获得蠕变时间、蠕变应力和蠕变柔量等参数。
在上述技术方案的基础上，当检测蠕变特性时，嵌入式微处理器控制电气比例阀24的气力至蠕变所需应力值对应的空气压力值，待测食品样品4表面受到来自喷嘴12的恒定气力，在所述恒定气力的作用下，待测食品样品4发生蠕变行为；待气室13内的压力平衡稳定后，嵌入式微处理器根据激光位移传感器18实时采集的待测食品样品4的变形信息，计算升降台电机驱动器16驱动升降台9所需的脉冲数，并发送至升降台电机驱动器16，通过升降台驱动电机2控制升降台9的升降，保持待测食品样品4表面与喷嘴12的出气口平面距离不变，从而使作用于待测食品样品4表面的气力不变，维持气力的动态平衡；恒定气力保持一定时间，同时，在保持恒定气力的过程中，嵌入式微处理器将发送至升降台电机驱动器16的脉冲数计算转换成应变信息；然后气力卸载，待测食品样品4受压变形量发生恢复，在从气力作用于待测食品样品4的加载时刻开始到蠕变特性检测完成的过程中，激光位移传感器18实时采集待测食品样品4的形变信息，通过激光信号放大器21、激光信号A/D转换模块22和串口通讯传输至嵌入式微处理器进行存储和处理，获得蠕变特性的时间-应变数据；同时，电磁力平衡传感器11将压力信息实时传输反馈至嵌入式微处理器；嵌入式微处理器再通过计算处理，获得蠕变时间、蠕变应力和蠕变柔量等参数。
在上述技术方案的基础上，当检测蠕变特性时，嵌入式微处理器控制电气比例阀24的气力至蠕变所需应力值对应的气力值，待测食品样品4表面受到来自喷嘴12的恒定气力，在所述恒定气力的作用下，待测食品样品4发生蠕变行为；通过气力调节模型实现蠕变特性检测所需应力值对应的恒定气力控制。
所述气力调节模型的形式如式(1)所示：
F＝k1U-k2L+k3U2+k4L2+k5UL+k6 (1)
其中，F为待测食品样品(4)表面所受的气力，单位为g；U为嵌入式微处理器用以控制电气比例阀(25)的控制电压，单位为V；L为喷嘴(12)出气口距离待测食品样品(4)表面的距离，单位为mm，k1、k2、k3、k4和k5为系数、k6为常数，k1、k2、k3、k4、k5和k6的具体数值的确定根据测出的F、U和L的具体数据获得。
该气力调节模型的决定系数(拟合优度)R2＝0.99907，数值上非常接近理想值1，说明针对上述建立的气力调节模型，所述控制电压和距离对气力值的解释程度非常高。
待气室13内的压力平衡稳定后，恒定气力保持一定时间，然后气力卸载，待测食品样品4不再受压后，恢复变形；从气力作用于待测食品样品4的加载时刻开始到蠕变特性检测完成的过程中，激光位移传感器18实时采集待测食品样品4的形变信息，通过激光信号放大器21、激光信号A/D转换模块22和串口通讯传输至嵌入式微处理器进行存储和处理，获得蠕变特性的时间-应变数据，同时，电磁力平衡传感器11将压力信息实时传输反馈至嵌入式微处理器，嵌入式微处理器再通过计算获得蠕变时间、蠕变应力和蠕变柔量等参数。
在上述技术方案的基础上，当检测应力松弛特性时，嵌入式微处理器根据应力松弛特性检测所需应变量，控制电气比例阀24产生气力，对待测食品样品4进行压缩；在上述压缩的过程中，激光位移传感器18实时检测待测食品样品4的应变情况，当达到所需应变量，此时，电气比例阀25维持该状态下的气力；在应变保持过程中，待测食品样品4发生松弛行为，当应变有微小改变量时，激光位移传感器18将改变量反馈至嵌入式微处理器，嵌入式微处理器根据该微小变量控制电气比例阀24调节气力，实现待测食品样品4的应变保持恒定，直至应力松弛特性检测完成；在从气力作用于待测食品样品4的加载时刻开始到应力松弛特性检测完成的过程中，电磁力平衡传感器11将压力信息传输反馈至嵌入式微处理器；嵌入式微处理器记录压力信息、计算气力调节量、调节时间及调节规律，并经过处理获得时间-应力数据及松弛时间、松弛模量等参数。
在上述技术方案的基础上，根据待测食品样品4的尺寸，通过水平移动滑轨10的水平移动实施多点检测，嵌入式微处理器对多点检测数据进行平均处理，保证所测得的流变特性参数更加准确。
在上述技术方案的基础上，所述喷嘴12和窗口14的材料为透光度不低于80％的石英石。
在上述技术方案的基础上，所述喷嘴12从上到下依次为连接段25、收敛段26和整流段27；所述连接段25与气室主体通过螺纹连接，所述收敛段26与整流段27的长度之比不大于1:1.3，所述整流段27的长度与整流段27内部出气孔的直径之比不小于3:1；所述整流段27的内部出气孔的直径不大于3mm。
本发明的有益技术效果如下：
本发明采用开放、悬臂式的装置结构，结构美观、操作便捷。通过采用高透光度(≥80％)，内径为3mm的微小石英喷嘴12，作为力气发生关键结构，既满足了喷嘴12的出气口径远小于电气比例阀24的进气口内径(8mm)，使电气比例阀24在近似闭源的环境中，可以对气压进行有效调节的要求，又满足了在微小喷嘴12下的激光位移传感器18的三角回光不被阻挡的要求，使得气压调节更加稳定可靠。本申请使用Cortex A8架构的ARM嵌入式微处理器对电磁阀23、电气比例阀24、升降台9、电磁力平衡传感器11以及激光位移传感器18进行有效、稳定地信息采集或控制，实现对待测食品样品4进行流变特性检测，包括瞬时响应特性、蠕变特性和应力松弛特性的检测；其中，针对蠕变特性的检测，本申请提出了通过所述电磁力平衡传感器11反馈压力信息、计算升降台电机驱动器16的脉冲以及气力调节模型三种方法实现食品蠕变特性的检测，极大丰富了食品流变特性检测的方法；本申请所述方法较气体流量计、通过式气体流速传感器等在便捷性、稳定性和精度上具有明显优势，为食品流变特性的稳定精确检测提供了保障。
附图说明
本发明有如下附图：
图1是本发明食品流变特性检测方法流程简单示意图
图2是本发明食品流变特性检测系统左侧结构示意图
图3是本发明食品流变特性检测系统右侧结构示意图
图4是本发明喷嘴12结构示意图
图5是图4中喷嘴12的A-A剖面结构示意图
图6是气力调节模型三维图
附图标记：1地脚，2升降台驱动电机，3电机防尘保护罩，4待测食品样品，5调压阀，6压力表，7两级空气过滤，8电源开关，9升降台，10水平移动滑轨，11电磁力平衡传感器，12喷嘴，13气室，14窗口，15嵌入式一体机，16升降台电机驱动器，17开关电源，18激光位移传感器，19挂件板，20L形连接件21激光信号放大器，22激光信号转换模块，23电磁阀，24电气比例阀，25连接段，26收敛段，27整流段
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式做进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不能用来限制本发明的保护范围。
图1为本发明食品流变特性检测方法流程简单示意图，简述如下：嵌入式微处理器通过电气比例阀24对垂直作用于待测食品样品4表面的气力进行控制，达到食品流变特性检测所需的气力要求；位于气室13正上方的激光位移传感器18实时采集待测食品样品4表面的变形信息，所述气室13从上到下依次包括窗口14、气室主体和喷嘴12，所述窗口14位于所述喷嘴12的正上方，所述喷嘴12和窗口14的材料为石英石，所述激光位移传感器18的入射光路与喷出气流的喷嘴12同轴；位于待测食品样品4垂直下方的电磁力平衡传感器11实时采集喷出空气对待测食品样品4表面的压力数据信息(压力信息)，所述电磁力平衡传感器11的精度不低于0.01N；所述变形信息和压力数据信息传输至嵌入式微处理器进行存储和处理，获得待测食品样品4的流变特性参数。
如图2和图3所示，一种食品流变特性检测系统，包括机体、升降实验台系统、气力产生系统、形变检测系统、应力感测系统、控制和信息处理系统，
所述升降实验台系统、形变检测系统、应力感测系统和控制和信息处理系统安装于机体上；
所述升降实验台系统包括升降台驱动电机2、升降台9、水平移动滑轨10和升降台电机驱动器16；
所述升降台电机驱动器16与升降台驱动电机2连接，用于驱动升降台驱动电机2；所述升降台驱动电机2与升降台9连接，用于控制升降台9的升降；所述水平移动滑轨10位于升降台9的上方，与升降台9连接，用于水平移动，并随着升降台9升降；
所述气力产生系统包括空气压缩机、调压阀5、两级空气过滤7、电磁阀23、电气比例阀24和气室13；
所述调压阀5、两级空气过滤7、电磁阀23、电气比例阀24和气室13安装于机体的上部；
所述空气压缩机与调压阀5连接，所述调压阀5与两级空气过滤7连接，所述两级空气过滤7与电气比例阀24连接，所述电气比例阀24与电磁阀23连接，所述电磁阀23与气室13连接；
所述调压阀5包括调压阀体和压力表6；所述气室13从上到下依次包括窗口14、气室主体和喷嘴12；
所述形变检测系统包括激光位移传感器18、激光信号放大器21和激光信号转换模块22；
所述激光位移传感器18与激光信号放大器21连接，激光信号放大器21与激光信号转换模块22连接，所述激光位移传感器18用于实时采集待测食品样品4的变形信息；
所述应力感测系统包括电磁力平衡传感器11；
所述电磁力平衡传感器11安装于水平移动滑轨10的上方，用于实时采集喷出气流对待测食品样品4表面的压力信息，在所述电磁力平衡传感器11上设有托盘，所述托盘用于放置待测食品样品4，所述待测食品样品4位于喷嘴12的下方；
所述控制和信息处理系统包括嵌入式微处理器、嵌入式一体机15和A/D转换模块；所述嵌入式微处理器与激光信号转换模块22通过串口通讯连接；所述嵌入式微处理器与升降台电机驱动器16连接，并依次通过升降台电机驱动器16和升降台驱动电机2控制升降台9的升降；所述嵌入式微处理器与电磁阀23连接，用于控制电磁阀23的通断；所述嵌入式微处理器与电磁力平衡传感器11连接，用于接收电磁力平衡传感器11实时采集的压力信息；所述嵌入式微处理器与A/D转换模块连接，并通过A/D转换模块对电气比例阀24进行电压控制，进而对电气比例阀24的空气通量进行控制；所述嵌入式一体机15与嵌入式微处理器连接，设有命令执行按键和数据图形显示区域；所述嵌入式微处理器用于对接收的信息进行存储和处理，并将处理信息在数据图形显示区域显示，并接收命令执行按键的控制命令信息，对电磁阀23、电气比例阀24和升降台电机驱动器16进行控制。
所述空气压缩机与调压阀5通过12×8mm(外径×内径)的管路连接；所述调压阀5与两级空气过滤7通过螺纹密封连接；所述两级空气过滤7与电气比例阀24通过12×8mm(外径×内径)的管路连接；所述电气比例阀24与电磁阀23通过10×6.5mm(外径×内径)的管路连接；所述电磁阀23依次通过10×6.5mm(外径×内径)的管路、内径为6.5mm的气路接头与气室13连接。
所述空气压缩机的最大工作压力为0.7MPa；所述电气比例阀24上设有压力表，用于监测显示进入电气比例阀24中的空气压力值；所述电气比例阀24的控制电压变化范围为0-5V，当所述电压从0V变化为5V时，电气比例阀24的空气通量逐渐增大，使得从电气比例阀(24)流出的空气压力从零逐渐增加至0.5MPa；所述升降台9为剪叉式升降台；所述嵌入式微处理器为采用Cortex A8架构的ARM嵌入式微处理器；所述电磁力平衡传感器11的测量精度为0.0098N；所述串口通讯采用RS232串口传输；所述窗口和喷嘴12的材料为透光度不低于80％的石英石。
如图4和图5所示，所述喷嘴12从上到下依次为连接段25、收敛段26和整流段27；所述连接段25与气室主体通过螺纹连接，所述收敛段26与整流段27的长度之比不大于1:1.3，所述整流段的长度27与整流段27内部出气孔的直径之比不小于3:1。
所述升降台驱动电机2为步进电机；所述命令执行按键包括复位按钮，在检测过程中，当遇到紧急情况时，按下所述复位按钮，升降台9自动复位至初始位置。
所述机体包括顶板、侧板和底板；所述顶板和侧板通过L形连接件20、螺钉互相连接，所述侧板和底板通过L形连接件20、螺钉互相连接；所述机体底部的四角分别设有地脚1，所述机体的下部前端设有电源开关8，用于启动食品流变特性检测系统；在所述机体的侧板上安装设有开关电源17，用于将220v照明电压降为24v，为食品流变特性检测系统供电；所述电磁阀23、电气比例阀24、激光位移传感器18、激光信号放大器21和激光信号转换模块22位于所述顶板的下方，并通过挂件板19与L形连接件20固定连接；所述L形连接件20通过螺钉与机体固定连接；所述升降台驱动电机2的外部设有电机防尘保护罩3，所述整流段27的内部出气孔的直径为3mm。
食品流变特性检测方法的具体过程如下：按下电源开关8，启动食品流变特性检测系统，空气压缩机对空气进行压缩增压，经过12×8mm(外径×内径)的管路，再经过调压阀5对高压气体进行控制，根据检测需求将气压调至所需额定气压，调压后的空气进入到两级空气过滤7，对空气进行过滤，滤掉空气中的水、油、粉尘等杂质，获得清洁的气体。通过Cortex A8架构的嵌入式微处理器通过A/D转换模块对电气比例阀24进行空气压力输出调节控制，控制为某一特定压力，空气流经10×6.5mm(外径×内径)的管路，进入电磁阀23；嵌入式微处理器对电磁阀23进行开关控制，使电磁阀23打开，空气由电磁阀23流出。输出的特定压力空气依次通过10×6.5mm(外径×内径)的管路、内径为6.5mm的气路接头进入气室13，最后，空气由喷嘴12射出。由于喷嘴12的入气口口径远大于出气口口径(整流段27的内部出气孔直径)，且电气比例阀24可控制的最大气压为0.5MPa，因此，气室13迅速充气，达到空气平衡稳定状态。由喷嘴12喷出的空气作用于待测食品样品4表面，使待测食品样品4表面发生压缩变形。此时，激光位移传感器18采集待测食品样品4表面的变形信息，再依次经过激光信号放大器21放大，和激光信号转换模块22，传入嵌入式微处理器。与此同时，位于待测食品样品4下的电磁力平衡传感器11，实时采集压力信息，传送到嵌入式微处理器。嵌入式微处理器对上述激光位移传感器18和电磁力平衡传感器11传来的数据进行处理、计算、存储、反馈，获取弹性模量、弹性回复时间等瞬时响应特性参数，蠕变时间、蠕变应力、蠕变柔量等蠕变特性参数，以及松弛时间、松弛模量等应力松弛特性参数。
电磁力平衡传感器11与升降台9之间设有水平移动滑轨10，可以根据待测食品样品4的尺寸，通过滑动实施多点检测，嵌入式微处理器对检测数据进行平均处理，使检测结果更加稳定可靠。
根据本检测系统所使用激光位移传感器18的特点，距离激光位移传感器18的下限距离为75mm，有效测量变形范围为0-55mm。因此，在食品流变特性检测系统开机、加装待测食品样品4后，升降台9开始自动升降，使得待测食品样品4表面距离激光位移传感器18的距离为75mm，即开机后的“归零”过程。
对于瞬时响应特性的检测，此时，嵌入式微处理器通过控制电气比例阀24，使其通量达到设定值，实现气室13的迅速充气，与喷嘴12的排气达到动态平衡稳定。此时，电气比例阀24持续开启1s，然后关闭，实现对待测食品样品4表面的迅速击打，激光位移传感器18采集待测食品样品4受力后产生的变形信息，变形信息再依次经过激光信号放大器21，激光信号A/D转换模块22和串口通讯，进入到嵌入式微处理器进行计算、处理，并提取弹性模量、弹性回复时间等瞬时响应特性参数，完成瞬时响应特性检测。
对于蠕变特性检测的第一种实现方式，嵌入式微处理器控制电气比例阀24，使其通量达到某一特定值。空气依次通过气室13和喷嘴12喷出，使待测食品样品4表面受压产生变形，随着变形逐渐下降，气力也在不断发生变化。此时，根据电磁力平衡传感器11检测的压力情况(压力信息)，反馈至嵌入式微处理器，通过嵌入式微处理器对电气比例阀24的通气量进行调节，增减喷嘴12的出气口压力，最终使待测食品样品4表面所受压力保持恒定。由于本发明所研制的喷嘴具有优化的收敛/整流段长度比和整流段长度/出气口口径(整流段27内部出气孔的直径)比，所以使得气流从喷嘴12射出后，在50mm内保持了良好的圆柱度。待气室13内的压力平衡稳定后，恒定气力保持一定时间，然后气力卸载，待测食品样品4不再受压后，恢复变形。在从气力作用于待测食品样品4的加载时刻开始到蠕变特性检测完成的过程中，激光位移传感器18实时采集待测食品样品4的形变信息，通过激光信号放大器21、激光信号A/D转换模块22和串口通讯传输至嵌入式微处理器进行存储和处理，获得蠕变特性的时间-应变数据，同时，电磁力平衡传感器11将气力监测值(压力信息)实时传输反馈至嵌入式微处理器，嵌入式微处理器再通过计算。最终，获得时间-应力数据，并提取蠕变时间、蠕变应力、蠕变柔量等蠕变特性参数，完成食品蠕变特性检测。
第二种蠕变特性检测的实现方案为，电气比例阀24打开，嵌入式微处理器控制电气比例阀24的气力至蠕变所需应力值对应的空气压力值，待测食品样品4表面受到来自喷嘴12的恒定气力，在该恒定气力的作用下，待测食品样品4发生蠕变行为，嵌入式微处理器根据激光位移传感器18实时采集的待测食品样品4的变形信息，计算升降台电机驱动器16驱动升降台9所需的脉冲数，并发送至升降台电机驱动器16，通过升降台驱动电机2控制升降台9的升降，升降台9带动待测食品样品4升降，保持待测食品样品4表面与喷嘴12的出气口平面距离不变，从而使作用于待测食品样品4表面的气力不变；恒定压力保持一定时间，同时，在保持恒定气力的过程中，嵌入式微处理器将发送至升降台电机驱动器16的脉冲数计算转换成应变信息，每一个脉冲对应一定的升降高度，通过微处理器对脉冲数的记录获得蠕变检测过程中的升降规律，该升降规律通过计算可获得样品应变变化规律；然后气力卸载，此后待测食品样品4受压变形量发生恢复，在气力作用于待测食品样品4的加载时刻开始到蠕变特性检测完成的过程中，激光位移传感器18实时采集待测食品样品4的形变信息，通过激光信号放大器21、激光信号A/D转换模块22和串口通讯传输至嵌入式微处理器进行存储和处理，得到时间-应变数据，同时，电磁力平衡传感器11实时将气力监测值传输反馈至嵌入式微处理器；嵌入式微处理器再通过计算处理获得蠕变时间、蠕变应力和蠕变柔量等蠕变参数，完成食品蠕变特性的检测。
对于蠕变特性检测的第三种实现方式，嵌入式微处理器控制电磁阀23和电气比例阀24，空气依次通过气室13和喷嘴12喷出，使待测食品样品4表面受压产生变形，在此过程，嵌入式微处理器通过电压信号控制电气比例阀24调节气压从0MPa逐渐增大，同时随着食品样品4表面所受压力逐渐增大，产生的变形逐渐变大，在此过程中激光位移传感器18实时检测变形量，嵌入式微处理器根据气力调节模型实时计算待测食品样品4表面所受压力值。
在某次食品流变特性检测中，气力调节模型具体如式(2)所示，图形如图6所示。
F＝0.769+14.692U-1.775L+0.164U2+0.293L2+1.23UL (2)
其中，拟合优度R2＝0.999。
根据待测食品样品4表面所受压力值与蠕变所需应力值对应的气力值比较，当该压力值达到所需气力值时，嵌入式微处理器控制电气比例阀24维持此气力。随着气力的恒定压缩，待测食品样品4产生蠕变行为，嵌入式微处理器根据激光位移传感器18检测到的形变量，结合气力调节模型控制电气比例阀24调节气压，使得待测食品样品4表面所受气力保持恒定。待气室13内的压力平衡稳定后，恒定气力保持一定时间，然后气力卸载，待测食品样品4不再受压后，恢复变形。在从气力作用于待测食品样品4的加载时刻开始到蠕变特性检测完成的过程中，激光位移传感器18实时采集待测食品样品4的形变信息，通过激光信号放大器21、激光信号A/D转换模块22和串口通讯传输至嵌入式微处理器进行存储和处理，获得蠕变特性的时间-应变数据，同时，电磁力平衡传感器11将压力信息实时传输反馈至嵌入式微处理器，嵌入式微处理器再通过计算，最终，获得时间-应力数据，并提取蠕变时间、蠕变应力、蠕变柔量等蠕变特性参数，完成食品蠕变特性检测。
当检测应力松弛特性时，待测食品样品4被喷嘴12喷出的空气压缩，由激光位移传感器18检测待测食品样品4的变形信息，并由嵌入式微处理器处理，获得应变信息。当待测食品样品4达到设定应变后，待测食品样品4发生应力松弛，为保证上述设定应变恒定，嵌入式微处理器根据激光位移传感器18实时反馈的形变量，通过控制电气比例阀24，对气力做出灵活调节，保证待测食品样品4的应变保持恒定。在从气力作用于待测食品样品4的加载时刻开始到应力松弛特性检测完成的过程中，电磁力平衡传感器11将压力信息传输实时反馈至嵌入式微处理器；嵌入式微处理器记录压力信息，获得时间-应力曲线和松弛时间、松弛模量等参数，完成食品应力松弛特性的检测。
流变特性检测完成后，从托盘上取下待测食品样品4，按下复位按钮，升降台9自动复位至初始位置，即待测食品样品4表面距离激光位移传感器18至120mm处后，关闭食品流变特性检测系统，电气比例阀24、电磁阀23、电磁力平衡传感器11、激光位移传感器18依次关闭，整个食品流变特性检测系统处于待机状态，当按下电源开关8，食品流变特性检测系统断电。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围由权利要求限定。
本说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种食品流变特性检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
嵌入式微处理器通过电气比例阀(24)对垂直作用于待测食品样品(4)表面的气力进行动态平衡控制，达到食品流变特性检测所需的气力要求；位于气室(13)正上方的激光位移传感器(18)实时采集待测食品样品(4)表面的变形信息，所述气室(13)从上到下依次包括窗口(14)、气室主体和喷嘴(12)，所述窗口(14)位于所述喷嘴(12)的正上方，所述喷嘴(12)和窗口(14)的材料为石英石，所述激光位移传感器(18)的入射光路与喷出气流的喷嘴(12)同轴；位于待测食品样品(4)下方的电磁力平衡传感器(11)以面感测的方式实时采集喷出气流对待测食品样品(4)表面的压力信息，所述电磁力平衡传感器(11)的精度不低于0.01N；所述变形信息和压力信息传输至嵌入式微处理器进行存储和处理，获得待测食品样品(4)的流变特性参数。
2.如权利要求1所述的食品流变特性检测方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤1，将待测食品样品(4)放置于托盘上，通过电源开关(8)启动食品流变特性检测系统，升降台(9)由初始位置自动调整至归零位置；
步骤2，采用空气压缩机对空气进行压缩增压；
步骤3，利用调压阀(5)对压缩增压的空气进行调压；
步骤4，对调压后的空气进行两级空气过滤；
步骤5，经过两级空气过滤(7)后的气流进入电气比例阀(24)；
步骤6，嵌入式微处理器对电气比例阀(24)进行压力输出调节控制，气流从电气比例阀(24)流出，进入电磁阀(23)；
步骤7，通过嵌入式微处理器的控制，打开电磁阀(23)的开关，空气进入气室(13)；
步骤8，进入气室(13)的空气由喷嘴(12)喷出，作用于待测食品样品(4)的表面；
步骤9，激光位移传感器(18)实时采集待测食品样品(4)表面的变形信息；
步骤10，所述变形信息经过激光信号放大器(21)的信号放大并传输至激光信号转换模块(22)，再通过串口通讯传输至嵌入式微处理器进行反馈、存储和处理，获得应变信息，得出时间-应变曲线；
步骤11，所述电磁力平衡传感器(11)实时采集喷出空气对待测食品样品(4)表面的压力信息，并将压力信息传入嵌入式微处理器进行反馈、存储和处理，转换成应力数据；嵌入式微处理器将传入的数据信息进行处理，获得待测食品样品(4)的流变特性参数。
步骤12，升降台(9)自动复位至初始位置，将待测食品样品(4)从托盘上取下。
3.如权利要求2所述的食品流变特性检测方法，其特征在于：当检测瞬时响应特性时，所述嵌入式微处理器通过控制电气比例阀(24)，使气力达到瞬时响应特性检测要求的设定值；待气室(13)内的压力平衡稳定后，气力持续作用时间不超过1s，实现对待测食品样品(4)表面的迅速击打，然后电磁阀(23)和电气比例阀(24)依次关闭，进入压力卸载阶段；在从气力作用于待测食品样品(4)的加载时刻开始到待测食品样品(4)变形结束的过程中，激光位移传感器(18)采集待测食品样品(4)表面的形变信息，并将形变信息依次通过激光信号放大器(21)、激光信号A/D转换模块(22)和串口通讯传输至嵌入式微处理器进行存储和处理，获得瞬时响应特性的时间-应变数据以及弹性模量、弹性恢复时间参数。
4.如权利要求2所述的食品流变特性检测方法，其特征在于：当检测蠕变特性时，嵌入式微处理器控制电气比例阀(24)的气力至蠕变所需应力值对应的气力值，待测食品样品(4)表面受到来自喷嘴(12)的恒定气力，在所述恒定气力的作用下，待测食品样品(4)发生蠕变行为；根据电磁力平衡传感器(11)检测的压力信息，反馈至嵌入式微处理器，再通过对电气比例阀(24)进行增压或减压调控，实现在蠕变特性的检测过程中，待测食品样品(4)的表面受到的气力保持恒定；待气室(13)内的压力平衡稳定后，恒定气力保持一定时间，然后气力卸载，待测食品样品(4)不再受压后，恢复变形；在从气力作用于待测食品样品(4)的加载时刻开始到蠕变特性检测完成的过程中，激光位移传感器(18)实时采集待测食品样品(4)的形变信息，通过激光信号放大器(21)、激光信号A/D转换模块(22)和串口通讯传输至嵌入式微处理器进行存储和处理，获得蠕变特性的时间-应变数据，同时，电磁力平衡传感器(11)将压力信息实时传输反馈至嵌入式微处理器，嵌入式微处理器再通过计算，获得蠕变时间、蠕变应力和蠕变柔量参数。
5.如权利要求2所述的食品流变特性检测方法，其特征在于：当检测蠕变特性时，嵌入式微处理器控制电气比例阀(24)的气力至蠕变所需应力值对应的空气压力值，待测食品样品(4)表面受到来自喷嘴(12)的恒定气力，在所述恒定气力的作用下，待测食品样品(4)发生蠕变行为；待气室(13)内的压力平衡稳定后，嵌入式微处理器根据激光位移传感器(18)实时采集的待测食品样品(4)的变形信息，计算升降台电机驱动器(16)驱动升降台(9)所需的脉冲数，并发送至升降台电机驱动器(16)，通过升降台驱动电机(2)控制升降台(9)的升降，保持待测食品样品(4)表面与喷嘴(12)的出气口平面距离不变，从而使作用于待测食品样品(4)表面的气力不变，维持气力的动态平衡；恒定气力保持一定时间，同时，在保持恒定气力的过程中，嵌入式微处理器将发送至升降台电机驱动器(16)的脉冲数计算转换成应变信息；然后气力卸载，待测食品样品(4)受压变形量发生恢复，在从气力作用于待测食品样品(4)的加载时刻开始到蠕变特性检测完成的过程中，激光位移传感器(18)实时采集待测食品样品(4)的形变信息，通过激光信号放大器(21)、激光信号A/D转换模块(22)和串口通讯传输至嵌入式微处理器进行存储和处理，获得蠕变特性的时间-应变数据；同时，电磁力平衡传感器(11)将压力信息实时传输反馈至嵌入式微处理器；嵌入式微处理器再通过计算处理，获得蠕变时间、蠕变应力和蠕变柔量参数。
6.如权利要求2所述的食品流变特性检测方法，其特征在于：当检测蠕变特性时，嵌入式微处理器控制电气比例阀(24)的气力至蠕变所需应力值对应的气力值，待测食品样品(4)表面受到来自喷嘴(12)的恒定气力，在所述恒定气力的作用下，待测食品样品(4)发生蠕变行为；通过气力调节模型实现蠕变特性检测所需应力值对应的恒定气力控制；
所述气力调节模型的形式如式(1)所示：
F＝k1U-k2L+k3U2+k4L2+k5UL+k6 (1)
其中，F为待测食品样品(4)表面所受的气力，单位为g；U为嵌入式微处理器用以控制电气比例阀(25)的控制电压，单位为V；L为喷嘴(12)出气口距离待测食品样品(4)表面的距离，单位为mm，k1、k2、k3、k4和k5为系数、k6为常数，k1、k2、k3、k4、k5和k6的具体数值的确定根据测出的F、U和L的具体数据获得；
待气室(13)内的压力平衡稳定后，恒定气力保持一定时间，然后气力卸载，待测食品样品(4)不再受压后，恢复变形；从气力作用于待测食品样品(4)的加载时刻开始到蠕变特性检测完成的过程中，激光位移传感器(18)实时采集待测食品样品(4)的形变信息，通过激光信号放大器(21)、激光信号A/D转换模块(22)和串口通讯传输至嵌入式微处理器进行存储和处理，获得蠕变特性的时间-应变数据，同时，电磁力平衡传感器(11)将压力信息实时传输反馈至嵌入式微处理器，嵌入式微处理器再通过计算获得蠕变时间、蠕变应力和蠕变柔量参数。
7.如权利要求2所述的食品流变特性检测方法，其特征在于：当检测应力松弛特性时，嵌入式微处理器根据应力松弛特性检测所需应变量，控制电气比例阀(24)产生气力，对待测食品样品(4)进行压缩；在上述压缩的过程中，激光位移传感器(18)实时检测待测食品样品(4)的应变情况，当达到所需应变量，此时，电气比例阀(25)维持该状态下的气力；在应变保持过程中，待测食品样品(4)发生松弛行为，当应变有微小改变量时，激光位移传感器(18)将改变量反馈至嵌入式微处理器，嵌入式微处理器根据该微小变量控制电气比例阀(24)调节气力，实现待测食品样品(4)的应变保持恒定，直至应力松弛特性检测完成；在从气力作用于待测食品样品(4)的加载时刻开始到应力松弛特性检测完成的过程中，电磁力平衡传感器(11)将压力信息传输反馈至嵌入式微处理器；嵌入式微处理器记录压力信息、计算气力调节量、调节时间及调节规律，并经过处理获得时间-应力数据及松弛时间、松弛模量参数。
8.如权利要求2所述的食品流变特性检测方法，其特征在于：根据待测食品样品(4)的尺寸，通过水平移动滑轨(10)的水平移动实施多点检测，嵌入式微处理器对多点检测数据进行平均处理。
9.如权利要求1所述的食品流变特性检测方法，其特征在于：所述喷嘴(12)和窗口(14)的材料为透光度不低于80％的石英石,。
10.如权利要求9所述的食品流变特性检测方法，其特征在于：所述喷嘴(12)从上到下依次为连接段(25)、收敛段(26)和整流段(27)；所述连接段(25)与气室主体通过螺纹连接，所述收敛段(26)与整流段(27)的长度之比不大于1:1.3，所述整流段(27)的长度与整流段(27)内部出气孔的直径之比不小于3:1；所述整流段(27)内部出气孔的直径不大于3mm。
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