CN108958306B - 一种食品流变特性检测的气力产生及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于食品检测技术领域，具体涉及一种采用气力‑激光技术，在食品流变特性检测中，产生动态激励信号和使得食品表面压力或食品应变保持恒定的控制方法。所述动态激励信号包括方波信号、连续方波信号、三角函数信号等，对食品进行瞬态特性检测以及模拟运输等特殊状态下的流变特性变化规律做出检测，并进行探索。所述使得食品表面压力或食品应变保持恒定的控制方法，主要是通过对包括食品样品表面所受气力F、电气比例阀的控制电压U和食品压缩表面与喷嘴之间的距离L三个参数构建二元非线性气力调节模型实现。本发明通过对上述二元非线性气力调节模型的使用，可有效实现对食品蠕变特性和应力松弛特性的检测。

Description

一种食品流变特性检测的气力产生及其控制方法

技术领域

本发明属于食品检测技术领域，涉及一种食品流变特性检测的气力产生及其控制方法，具体涉及一种采用气力-激光技术，在食品流变特性检测中，产生动态激励信号和使得食品表面压力或食品应变保持恒定的控制方法。

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。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。

气力(空气压力)-激光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-激光检测鲜有报道。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，对产生满足测试要求的激励信号进行精确控制很困难，同时，激励信号实现的形式较单一，多数为短时冲击，且冲击为非恒定气力。其次，气流从喷嘴喷出后，气力发生明显变化，距离喷嘴出气口处不同距离的气力值不易确定。由于上述问题的存在，导致包括多形式气力信号响应特性、蠕变特性和应力松弛特性的流变特性检测不易实现。

本发明主要涉及食品的多形式气力信号响应特性、蠕变特性和应力松弛特性三部分；在实现检测上述特性的过程中，研究不同形式气力信号产生和气力恒定保持的方法。在流变特性的检测中，气力信号的形式包括方波信号、方波循环压缩(连续方波)信号、三角函数信号、保持食品表面气力恒定信号以及保持食品应变恒定信号等，主要讨论的是如何对气力进行控制，以达到食品表面压力或食品应变保持恒定的目的。当气体从喷嘴喷出后，受到空气阻力的影响，距离喷嘴下平面不同距离处的气力不同；同时，根据不同食品不同流变特性检测的种类，所需要调节的气力也不同。

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电气比例阀进行控制，实现不同形式气力信号的产生；并在电气比例阀采取不同控制电压的条件下，对食品试样表面距离喷嘴出气口不同距离值处的压力值进行测定，构建食品试样表面所受的压力值、所述距离值和电气比例阀控制电压之间的关系模型，通过该关系模型的动态调控作用，实现对食品试样表面气力恒定的有效控制。

发明内容

为了能够使用气力-激光技术实现对食品流变特性的有效检测，本发明通过Cortex A8嵌入式微处理器对电气比例阀进行控制，实现不同形式气力信号的产生。

首先是多形式气力信号响应特性检测，气力信号(激励信号)包括瞬态信号(方波信号)、连续瞬态信号(连续方波信号)和正弦信号；所述瞬态信号加载时间的长短可由用户根据待测食品样品4的特性设定；所述连续瞬态信号为连续多次瞬态激励，其持续时间和激励幅值可由用户自行设定；所述正弦信号的幅值和周期等信号参数可根据用户需求进行设定。

其次是蠕变特性检测，根据蠕变特性检测的要求，在保持待测食品样品4表面压力恒定的条件下，持续一定时间，然后恒定压力卸载，当待测食品样品4的应变回复至基本不变时，蠕变特性检测结束。分析在整个蠕变特性检测过程中，待测食品样品4的应变变化规律。对于一般的食品而言，蠕变特性检测所需要的加载时间通常要在几分钟甚至更长的时间，这对气力恒定控制提出了较高的要求。因此本发明通过嵌入式微处理器对电气比例阀25的恒定压力进行控制，结合配套空气压缩机的工作能力，对恒定气力进行控制。

第三是应力松弛特性检测，应力松弛又称为广义的蠕变，是通过控制施载，使得待测食品样品4所产生的应变不变，分析在此过程中应力随时间的变化规律。

具体技术方案如下：

一种食品流变特性检测的气力产生及其控制方法，包括以下步骤：

A、嵌入式微处理器通过对电气比例阀25施加不同的控制电压，以对电气比例阀25的压力输出进行调节控制，产生若干不同的气压值；

B、根据不同气压值恒定的持续时间，并根据具体待测食品样品4进行流变特性检测的种类所需的时间，选取待测食品样品4进行流变特性检测所需施加的气压值；

C、当进行多形式气力信号响应特性检测时，嵌入式微处理器采取不同的激励信号方式施加于电气比例阀25，借以控制产生不同形式的气力信号，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的变形信息，电磁力平衡传感器11以面感测的方式实时采集待测食品样品4表面的压力信息，所述电磁力平衡传感器11以面感测的方式实时采集待测食品样品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记录，处理，得到待测食品样品4的多形式气力信号响应特性，所述气室13从上到下依次包括窗口14、气室主体和喷嘴12，所述激光位移传感器18的入射光路与喷出气流的喷嘴12同轴，所述喷嘴12和窗口14的材料为透光度不低于80％的石英石，所述窗口14位于所述喷嘴12的正上方，所述电磁力平衡传感器11的精度不低于0.01N；

D、设定若干组待测食品样品4表面距离喷嘴12出气口不同的距离值，分别在每组所述距离值下，对电气比例阀25采用不同的控制电压，采集与电气比例阀25控制电压、所述距离值相对应的待测食品样品4表面的气力值；

E、对步骤D中所述距离值、控制电压和气力值进行多元非线性回归分析，使用二维多项式函数(Poly 2D)进行模型构建，形成以距离值和控制电压为输入，气力值为输出的二元非线性气力调节模型；

F、当进行蠕变特性检测时，待测食品样品4承受设定的气力值，出现凹陷，所述激光位移传感器18实时检测待测食品样品4表面距离喷嘴12出气口的距离值，实时反馈至嵌入式微处理器，嵌入式微处理器通过所述二元非线性气力调节模型，保持待测食品试样4表面需设定的气力恒定，维持气力的动态平衡，气力恒定保持一定时间，嵌入式微处理器经过处理，得出待测食品样品4的应变信息，得到待测食品样品4的蠕变特性；

G、当进行应力松弛特性检测时，待测食品样品4承受气力，出现凹陷，所述激光位移传感器18实时检测待测食品样品4表面距离喷嘴12出气口的距离值，实时反馈至嵌入式微处理器，嵌入式微处理器通过所述二元非线性气力调节模型，保持待测食品样品4表面需设定的应变恒定，应变恒定保持一定时间，嵌入式微处理器记录在进行应力松弛特性检测中的气力值的变化数据，经过处理，得到待测食品样品4的应力松弛特性。

在上述技术方案的基础上，所述激励信号方式包括方波信号、连续方波信号和三角函数信号。

在上述技术方案的基础上，所述三角函数信号为正弦信号。

在上述技术方案的基础上，在所述步骤D中，当采集待测食品样品4表面的气力值时，针对每次采样的数据，选取气力稳定的数据；针对每次采样的气力稳定数据进行平均，作为与电气比例阀25控制电压、所述距离值相对应的待测食品样品4表面的气力值。

在上述技术方案的基础上，所述多元非线性回归分析的方法为列文伯格-马夸特迭代算法。

在上述技术方案的基础上，所述二元非线性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。

在上述技术方案的基础上，所述步骤F中，当待测食品样品4承受气力时，出现凹陷，待测食品样品4表面的气力值变化，激光位移传感器18实时检测待测食品样品4表面与喷嘴12出气口的距离变化值，并实时反馈至嵌入式微处理器，嵌入式微处理器通过二元非线性气力调节模型，根据所述距离变化值和设定的气力值，计算出需要调节至设定气力值所对应的电气比例阀25的控制电压值，然后控制电气比例阀25，调节空气通量，从而实现在蠕变特性检测过程中待测食品样品4表面的气力始终保持恒定，气力恒定保持一定时间。

在上述技术方案的基础上，所述步骤G中，嵌入式微处理器通过电气比例阀控制转换模块22对电气比例阀25进行控制，使待测食品样品4产生设定应变；待测食品样品4内部发生松弛现象后，所需维持应变的压力发生变化，激光位移传感器18实时采集微小应变变化量，并实时反馈至嵌入式微处理器，嵌入式微处理器根据二元非线性气力调节模型，对应变变化量对应的所需调节的气力进行精确计算，通过控制电气比例阀25对气力进行快速调节，使待测食品样品4受压产生的应变保持恒定；应变恒定保持一定时间，在应力松弛特性检测的过程中，嵌入式微处理器记录气力的变化数据，对变化数据进行处理，输出应力松弛特性参数，完成食品应力松弛特性的检测。

在上述技术方案的基础上，所述气力恒定保持一定时间的数值根据待测食品样品4的特性确定。

在上述技术方案的基础上，所述应变恒定保持一定时间的数值根据待测食品样品4的特性确定。

本发明的有益技术效果如下：

本发明采用气力-激光技术，在食品流变特性检测中，产生动态激励信号和使得食品表面压力或食品应变保持恒定。所述动态激励信号包括方波信号、连续方波信号、三角函数信号等，对食品进行瞬态特性检测以及模拟运输等特殊状态下的流变特性变化规律做出检测，并进行探索。所述使得食品表面压力或食品应变保持恒定的控制方法，主要是通过对包括食品样品表面所受气力F、电气比例阀的控制电压U和食品压缩表面与喷嘴之间的距离L三个参数构建二元非线性气力调节模型实现。本发明通过对上述二元非线性气力调节模型的使用，可有效实现对食品蠕变特性和应力松弛特性的检测。

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系统左侧结构示意图

图2是本发明食品流变特性检测系统右侧结构示意图

图3是不同气压下气力输出特性图

图4是二元气力调节模型三维图

图5是输入的方波信号图

图6是方波信号作用后待测食品样品的响应图

图7是输入的连续方波信号图

图8是连续方波信号作用后待测食品样品响应图

图9是输入的正弦信号图

图10是正弦信号作用后待测食品样品的响应图

图11是用于蠕变特性检测输入的恒定气力信号图

图12是恒定气力信号作用于待测食品样品的响应图

图13是用于应力松弛特性检测的恒定应变图

图14是保持待测食品样品应变恒定的气力变化图

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稳压阀，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电气比例阀控制转换模块，23电磁阀，24激光位移传感器信号转换模块，25电气比例阀

具体实施方式

本发明首先根据所涉及的硬件和软件，测定不同气压条件下，气力恒定维持时间的状况；然后获取不同形式的气力信号，最后构建二元非线性气力调节模型。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1和图2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、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、稳压阀5、两级空气过滤7、电磁阀23、电气比例阀25和气室13；

所述稳压阀5、两级空气过滤7、电磁阀23、电气比例阀25和气室13安装于机体的上部；

所述空气压缩机与稳压阀5连接，所述稳压阀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25连接，所述电气比例阀25与电磁阀23连接，所述电磁阀23与气室13连接；

所述稳压阀5包括稳压阀体和压力表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，所述窗口14位于所述喷嘴12的正上方，所述窗口和喷嘴12的材料为石英石；

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和激光位移传感器信号转换模块24；

所述激光位移传感器18位于气室13的正上方，并与激光信号放大器21连接，激光信号放大器21与激光位移传感器信号转换模块24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，所述激光位移传感器18的入射光路与喷出气流的喷嘴12同轴；

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，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，所述电磁力平衡传感器11的测量精度不低于0.01N；

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和电气比例阀控制转换模块22；所述嵌入式微处理器与激光位移传感器信号转换模块24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电气比例阀控制转换模块22连接，并通过电气比例阀控制转换模块22对电气比例阀25进行电压控制，进而对电气比例阀25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25和升降台电机驱动器16进行控制。

所述空气压缩机与稳压阀5通过12×8mm(外径×内径)的管路连接；所述稳压阀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25通过12×8mm(外径×内径)的管路连接；所述电气比例阀25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25上设有压力表，用于监测显示进入电气比例阀25中的空气压力值；所述电气比例阀25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25的空气通量逐渐增大，使得从电气比例阀25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14和喷嘴12的材料为透光度不低于80％的石英石；所述喷嘴12从上到下依次为连接段、收敛段和整流段；所述连接段与气室主体通过螺纹连接，所述收敛段与整流段的长度之比不大于1:1.3，所述整流段的长度与整流段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25、激光位移传感器18、激光信号放大器21、激光位移传感器信号转换模块24和电气比例阀控制转换模块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，所述喷嘴12的整流段的内部出气孔直径为3mm。

气流从空气压缩机流出，经过12×8mm的管路，进入稳压阀5，然后进入到两级空气过滤7，稳压阀5与两级空气过滤7之间通过管螺纹连接，从稳压阀5流出的气体通过12×8mm管路进入到电气比例阀25，在嵌入式微处理器的控制下对电气比例阀25的控制电压进行调节，进而调节电气比例阀25流出的空气通量，电气比例阀25流出的空气通过10×6.5mm的管路进入电磁阀23，再从电磁阀23流出，通过10×6.5mm的管路进入到气室13，气室13中的空气通过内径为3mm的喷嘴12射向待测食品样品4。

嵌入式微处理器通过电气比例阀控制转换模块22对电气比例阀25进行控制，将经稳压阀5稳压后的空气，再通过电气比例阀25调节，并分别产生0.08MPa、0.10MPa、0.15MPa、0.20MPa、0.25MPa、0.3MPa、0.35MPa、0.4MPa、0.45MPa和0.5MPa气压的气流，上述气流经过喷嘴12射向待测食品样品4。电磁力平衡传感器11在嵌入式微处理器的控制下，采集在上述不同气压下，气流产生的气力值，并记录气力维持稳定的时间。经过本食品流变特性检测系统的实验测定后，0.08Mpa气压所产生的恒定压力可长时间保持，0.10Mpa气压所产生恒定压力持续时间为270s，0.15MPa气压所产生的恒定压力持续时间为65s，0.20MPa气压所产生恒定压力持续时间为40s、0.25MPa气压所产生恒定压力持续时间为20s，0.3MPa气压所产生的恒定压力持续时间为12s，0.35MPa气压所产生的恒定压力持续时间为7s，0.4MPa气压所产生的恒定压力持续时间为1.5s，0.45MPa和0.5MPa两气压不能产生恒定压力。根据上述稳定压力所持续的时间，可初步分析出本食品流变特性检测系统针对不同流变特性分析方法可采用的气压范围，如附图3所示。结合具体食品流变特性检测所需时间情况，可以得出，0.1MPa气压可同时用于产生蠕变、应力松弛、瞬态、连续瞬态特性检测以及正弦信号激励响应。而0.1-0.45MPa压力范围，主要用于瞬态、连续瞬态和正弦信号激励响应等检测。

本发明通过嵌入式微处理器提供多种用于食品流变特性检测所需的激励信号方式，包括方波信号、连续方波信号、正弦信号等。

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。

对于方波信号，在上述食品流变特性检测系统的基础上，本发明在气室13内的压力达到平衡稳定后，电气比例阀25持续工作较短时间，具体持续时间根据使用者的需求进行设定，在某次食品流变特性检测时所使用的方波气力稳定状态持续时间为1s，如图5和图6所示。

对于连续方波信号，在上述方波信号产生方式的基础上，本发明在前一个方波信号结束后，嵌入式微处理器通过电气比例阀控制转换模块22对电气比例阀25进行控制，使之重复下一个方波信号过程，重复次数的多少根据使用者的需求进行设定，在某次食品流变特性检测时所使用的循环次数为可3次，如图7和图8所示。

对于正弦信号，在上述系统工作的基础上，本发明所述嵌入式微处理器通过电气比例阀控制转换模块22对电气比例阀25进行控制，使用如式(2)的正弦模型对气力进行控制。

U＝Asinωt+U₀ (2)

其中，U₀为初始控制电压、ω为控制电压频率、A为控制电压幅值，所述U₀、ω和A的参数数值由使用者根据具体待测食品样品4的特点进行设定。

在某次食品流变特性时所使用的正弦模型为式(3)所示，输入及响应情况如图9和图10所示。

U＝0.03sin1.256t+0.06 (3)

对于蠕变特性检测所需的恒定压力信号，在上述食品流变特性检测系统和初步分析出的本食品流变特性检测系统针对不同流变特性分析方法采用的气压范围基础上，当嵌入式微处理器通过电气比例阀控制转换模块22控制电气比例阀25，使得调节气压在0.08MPa及其以下时，电磁力平衡传感器11检测到的气力可保持恒定；当气压高于0.1MPa后，电磁力平衡传感器11感测到的气力维持恒定的时间随着气压的增大迅速变短；当气压为0.4MPa时，恒定气力维持的时间仅为1.5秒。具体气压和气力维持时间的对应关系如附图3所示。气压值的选择由使用者根据待测食品样品4进行蠕变特性检测时，所需加载的恒定压力确定。在某次食品蠕变特性检测时所使用的气压值为0.08MPa。

以下构建气力恒定调节模型，在食品流变特性检测时，使用者主要关心是否可以设定待测食品样品4表面受到的气力值，而根据气力-激光检测技术的特点，待测食品样品4表面所受气力值的大小与嵌入式微处理器对电气比例阀25发出的控制电压信号，以及待测食品样品4表面距离喷嘴12出气口的距离有关。因此，本发明建立待测食品样品4表面所受力值、控制电压和所述距离三者之间的关系模型。在本食品流变特性检测系统中，嵌入式微处理器通过升降台电机驱动器16，驱动升降台9上的待测食品样品4升降到某一特定高度，即待测食品样品4表面与喷嘴12出气口的距离为某一特定值，共计设定10个高度数据，与所述距离值相对应。在每一个高度数据下，嵌入式微处理器通过电气比例阀控制转换模块22对电气比例阀25进行控制，从0.01MPa开始，间隔0.01MPa，依次增加，直至0.1MPa，共计10个气压数值。在上述条件下，对应的控制电压从0.1V调节到1V。在每一个气压值下，电气比例阀25流出的气流，从10×6.5mm管路流出，流经电磁阀23后，再经过10×6.5mm管路进入气室13，最终的气流由喷嘴12喷出，作用到待测食品样品4的表面上，并持续作用30s，在此过程中，电磁力平衡传感器11采集气力数据信息(压力信息)，气力数据信息依次通过信号放大器和A/D转换模块，再经过RS232串口通讯传输至嵌入式微处理器，进行记录，具体数值如附图4所示。由于电磁力平衡传感器的采样间隔时间为0.02s，所以在特定电压和距离值条件下，每次采样总数为1500个数据点。由于本食品流变特性检测系统的气室13具有一定体积，在食品流变特性检测系统工作的过程中，开始会有短时的对气室13的充气过程，因此在获得的1500个数据中需选取气力稳定的数据。针对本食品流变特性检测系统，气力在第75个数据点时达到稳定状态。尽管通过电气比例阀25控制后的气流已经非常平稳，但由于稳压气流在与电磁力平衡传感器11接触后，会发生湍流现象，该现象会让电磁力平衡传感器11检测的气力稍有波动。为保证本发明所述方法采集的数据更加可靠、稳定，因此将1425个数据进行平均处理，得到每组数据的平均值，作为在特定控制电压和所述距离下对应的食品流变特性检测所需的气力值。经过上述实验后，得到10组电压数据、10组距离数据以及对应的100个气力数据值。通过对实验数据的分析后发现，当控制电压在0.2v以下，距离在超过30mm后，会出现气力控制不稳定的现象；当电气比例阀25产生的气力为0.03MPa以下时，当距离超过30mm时，本食品流变特性检测系统会出现不规律的数据。因此气力稳定范围的有效数据为，控制电压范围为0.3-1v，共计8个电压值，有效检测气压范围为0.03-0.1MPa，距离范围为3-30mm，均匀地取8个距离数值，由此获得64个有效气力数据。

使用列文伯格-马夸特迭代算法对上述获得的有效气力数据进行多元非线性回归处理，使用Poly 2D进行模型构建，得到二元非线性气力调节模型和6个参数，分别为Z₀、a、b、c、d和f，建模结果的形式如式(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。

该二元非线性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。

在某次食品流变特性检测中，二元非线性气力调节模型具体如式(4)所示。

F＝0.769+14.692U-1.775L+0.164U²+0.293L²+1.23UL (4)

其中，R²＝0.999。

在本发明中，所述二元非线性气力调节模型有效实现了食品流变特性的检测，尤其是针对蠕变特性和应力松弛特性的检测。当进行蠕变特性检测时，首先根据待测食品样品4的特点设定所需的恒定气力值，调节升降台9至初始高度，使得待测食品样品4距离喷嘴12出气口的距离为55mm，将待测食品样品4(距离不应超过55mm)放置于托盘上。此时，激光位移传感器18采集待测食品样品4距离喷嘴12出气口的距离，通过激光信号放大器21和激光位移传感器信号转换模块24，将距离数据传输至嵌入式微处理器。然后，嵌入式微处理器通过对升降台电机驱动器16进行控制，使得升降台9升降，调节待测食品样品4的高度至喷嘴12出气口的距离为最佳检测范围，即距离范围为3-30mm。其中3-30mm的距离范围为本食品流变特性检测系统的稳定检测距离范围，即在0-55mm距离范围内的其它距离范围也可以进行检测食品的流变特性，只是在3-30mm的距离范围内，检测的食品流变特性数据更稳定。所以，当使用者所检测的待测食品样品4的尺寸过大或过小，也可以用本食品流变特性检测系统进行检测。当待测食品样品4为肉制品时，选取距离为3mm。所述距离的具体值，使用者根据需求自由调节，也需根据食品的压缩特性，确定距离的极限值，以防食品流变特性检测系统在工作过程中出现超量程的情况。嵌入式微处理器针对设定的气力值和距离信息，计算出电气比例阀25执行气压调节的初始控制电压值。当待测食品样品4承受气力时，会出现凹陷的反应，待测食品样品4表面的气力值会变化，此时激光位移传感器18实时检测待测食品样品4表面与喷嘴12出气口的距离变化值，并实时反馈至嵌入式微处理器，嵌入式微处理器通过写入程序中的二元非线性气力调节模型，根据距离变化量和设定的气力值，计算出需要调节至设定气力值所对应的电气比例阀25的控制电压值，然后控制电气比例阀25，调节空气通量，从而实现在蠕变特性检测过程中待测食品样品4表面的气力始终保持恒定。保持恒定的时间由使用者根据待测食品样品4的特性确定。在某次食品蠕变特性检测时所使用的气力为0.06MPa，蠕变压缩时间为300s。当蠕变压缩阶段结束后，进入蠕变恢复阶段，恢复阶段所需时间根据具体待测食品样品4的特性进行设定。在某次食品蠕变特性检测时设定的恢复时间为30s。在蠕变特性检测的过程中，激光位移传感器18实时采集数据，再依次通过激光信号放大器21和激光位移传感器信号转换模块24，将数据传输至嵌入式微处理器进行记录和处理。待压缩蠕变和恢复阶段结束后，嵌入式微处理器输出蠕变特性检测数据和结果。如图11和图12为某次蠕变特性检测输入及响应图。

应力松弛特性又被称为广义蠕变特性，待测食品样品4的应力松弛特性检测通过已构建的二元非线性气力调节模型实现。使待测食品样品4达到稳定检测范围的过程与蠕变过程相同。使用者根据需求，设定应力松弛特性检测所需维持的应变量和初始控制电压值。嵌入式微处理器根据设定的应变量，计算出所需要调节的待测食品样品4表面与喷嘴12出气口的距离。同时，嵌入式微处理器根据上述距离和初始控制电压值，精确计算出待测食品样品4表面所受压力值，并记录压力值。具体工作过程如下：嵌入式微处理器根据上述设定的电压值，通过电气比例阀控制转换模块22对电气比例阀25进行控制，使之稳定输出对应压力的气流，气流依次经过管路、气室13和喷嘴12喷向待测食品样品4，使待测食品样品4产生设定应变。嵌入式微处理器通过对激光位移传感器18的控制实现检测过程中对应变恒定的保证。当在初始应变下，待测食品样品4内部发生松弛现象后，所需维持应变的压力发生变化，此时激光位移传感器18采集微小应变变化量，并反馈至嵌入式微处理器，嵌入式微处理器根据程序中的二元非线性气力调节模型，对应变变化对应的所需调节的气力做出精确计算，并通过控制电气比例阀25对气力进行快速调节，使待测食品样品4受压产生的应变保持恒定。在应力松弛特性检测的过程中，嵌入式微处理器记录气力的变化数据并输出，完成食品应力松弛特性的检测。应力松弛特性检测所需要的时间由使用者根据不同待测食品样品4的特性进行确定，在某次食品蠕变特性检测时所使用的应力松弛时间为300s，如图13所示。图14为保持待测食品样品应变恒定的气力变化图

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的气力产生及其控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、嵌入式微处理器通过对电气比例阀(25)施加不同的控制电压，以对电气比例阀(25)的压力输出进行调节控制，产生若干不同的气压值；

B、根据不同气压值恒定的持续时间，并根据具体待测食品样品(4)进行流变特性检测的种类所需的时间，选取待测食品样品(4)进行流变特性检测所需施加的气压值；

C、当进行多形式气力信号响应特性检测时，嵌入式微处理器采取不同的激励信号方式施加于电气比例阀(25)，借以控制产生不同形式的气力信号，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)的变形信息，电磁力平衡传感器(11)以面感测的方式实时采集待测食品样品(4)表面的压力信息，所述变形信息和压力信息传输至嵌入式微处理器进行记录，处理，得到待测食品样品(4)的多形式气力信号响应特性，所述气室(13)从上到下依次包括窗口(14)、气室主体和喷嘴(12)，所述激光位移传感器(18)的入射光路与喷出气流的喷嘴(12)同轴，所述喷嘴(12)和窗口(14)的材料为石英石，所述窗口(14)位于所述喷嘴(12)的正上方，所述电磁力平衡传感器(11)的精度不低于0.01N；

D、设定若干组待测食品样品(4)表面距离喷嘴(12)出气口不同的距离值，分别在每组所述距离值下，对电气比例阀(25)采用不同的控制电压，采集与电气比例阀(25)控制电压、所述距离值相对应的待测食品样品(4)表面的气力值；

E、对步骤D中所述距离值、控制电压和气力值进行多元非线性回归分析，使用二维多项式函数进行模型构建，形成以距离值和控制电压为输入，气力值为输出的二元非线性气力调节模型；

F、当进行蠕变特性检测时，待测食品样品(4)承受设定的气力值，出现凹陷，所述激光位移传感器(18)实时检测待测食品样品(4)表面距离喷嘴(12)出气口的距离值，实时反馈至嵌入式微处理器，嵌入式微处理器通过所述二元非线性气力调节模型，保持待测食品试样(4)表面需设定的气力恒定，维持气力的动态平衡，气力恒定保持一定时间，嵌入式微处理器经过处理，得出待测食品样品(4)的应变信息，得到待测食品样品(4)的蠕变特性；

G、当进行应力松弛特性检测时，待测食品样品(4)承受气力，出现凹陷，所述激光位移传感器(18)实时检测待测食品样品(4)表面距离喷嘴(12)出气口的距离值，实时反馈至嵌入式微处理器，嵌入式微处理器通过所述二元非线性气力调节模型，保持待测食品样品(4)表面需设定的应变恒定，应变恒定保持一定时间，嵌入式微处理器记录在进行应力松弛特性检测中的气力值的变化数据，经过处理，得到待测食品样品(4)的应力松弛特性。

2.如权利要求1所述的食品流变特性检测的气力产生及其控制方法，其特征在于：所述激励信号方式包括方波信号和三角函数信号，所述喷嘴(12)和窗口(14)的材料为透光度不低于80％的石英石。

3.如权利要求2所述的食品流变特性检测的气力产生及其控制方法，其特征在于：所述三角函数信号为正弦信号。

4.如权利要求1所述的食品流变特性检测的气力产生及其控制方法，其特征在于：在所述步骤D中，当采集待测食品样品(4)表面的气力值时，针对每次采样的数据，选取气力稳定的数据；针对每次采样的气力稳定数据进行平均，作为与电气比例阀(25)控制电压、所述距离值相对应的待测食品样品(4)表面的气力值。

5.如权利要求1所述的食品流变特性检测的气力产生及其控制方法，其特征在于：所述多元非线性回归分析的方法为列文伯格-马夸特迭代算法。

6.如权利要求5所述的食品流变特性检测的气力产生及其控制方法，其特征在于：所述二元非线性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和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。

7.如权利要求1所述的食品流变特性检测的气力产生及其控制方法，其特征在于：所述步骤F中，当待测食品样品(4)承受气力时，出现凹陷，待测食品样品(4)表面的气力值变化，激光位移传感器(18)实时检测待测食品样品(4)表面与喷嘴(12)出气口的距离变化值，并实时反馈至嵌入式微处理器，嵌入式微处理器通过二元非线性气力调节模型，根据所述距离变化值和设定的气力值，计算出需要调节至设定气力值所对应的电气比例阀(25)的控制电压值，然后控制电气比例阀(25)，调节空气通量，从而实现在蠕变特性检测过程中待测食品样品(4)表面的气力始终保持恒定，气力恒定保持一定时间。

8.如权利要求1所述的食品流变特性检测的气力产生及其控制方法，其特征在于：所述步骤G中，嵌入式微处理器通过电气比例阀控制转换模块(22)对电气比例阀(25)进行控制，使待测食品样品(4)产生设定应变；待测食品样品(4)内部发生松弛现象后，所需维持应变的压力发生变化，激光位移传感器(18)实时采集微小应变变化量，并实时反馈至嵌入式微处理器，嵌入式微处理器根据二元非线性气力调节模型，对应变变化量对应的所需调节的气力进行精确计算，通过控制电气比例阀(25)对气力进行快速调节，使待测食品样品(4)受压产生的应变保持恒定；应变恒定保持一定时间，在应力松弛特性检测的过程中，嵌入式微处理器记录气力的变化数据，对变化数据进行处理，输出应力松弛特性参数，完成食品应力松弛特性的检测。

9.如权利要求7所述的食品流变特性检测的气力产生及其控制方法，其特征在于：所述气力恒定保持一定时间的数值根据待测食品样品(4)的特性确定。

10.如权利要求8所述的食品流变特性检测的气力产生及其控制方法，其特征在于：所述应变恒定保持一定时间的数值根据待测食品样品(4)的特性确定。

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