CN109459486A - 一种利用电磁感应测量肉制品含水率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用电磁感应测量肉制品含水率的方法，提供了一种快捷方便、无损伤的肉制品含水率测量的方法。取不同含水率的肉制品作为标准试件，用激励电磁场在肉制品内部产生感应电流，并进一步引发感应电磁场。通过拾取线圈检测该感应电磁压，获得检测信号。将激励信号与检测信号进行幅相检测，获得增益和相位差的数据，并确定该数据与含水率之间的函数表达关系。本发明利用不同含水率肉制品在高频电磁场中的电磁感应差异，根据简单的量化公式实现肉制品含水率的测量。整个测量过程中无需接触被测肉制品，对肉制品也无损伤。本发明测量的响应速度非常快，在0.1秒之内即可完成对待测肉制品含水率的测量，可用于肉制品生产流水线上的在线检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种肉制品含水率的测量方法，尤其是涉及一种利用电磁感应测量肉制品含水率的方法。
背景技术
肉类是在国内国际市场销售量较大的食品，也是人类主要的食品来源之一。肉类产品质量优劣关系到人类生活品质、营养水平及饮食安全, 受到质量管理者和肉制品工业的重视。肉制品含水率测量是肉品质检测的首要任务。另外，一些地区注水猪肉进入市场，造成细菌毒素滋生，严重影响食品的卫生质量，威胁到公众的身体健康安全。所以，快速有效测量肉制品的含水率十分重要，对维护市场公平正义，保障广大消费者健康安全，都有重要的现实意义。
中国专利CN205506737U所公开的一种鲜肉含水率检测计，主要包括探针、处理电路和电压表。探针包括两支，一支连接处理电路、另一支接地；处理电路主要包括仪表放大器INA128；电压表连接到仪表放大器的输出端。当探针插入到鲜肉内时，电压表指针偏转，鲜肉含水率越高，电压表指针偏转越大，反之偏转越小。该检测方法是将探针直接插入生物组织内部，所测结果与电极插入角度、接触是否良好等都密切相关，从而导致测量偏差较大。而且，也会对肉制品造成直接破坏。
中国专利CN 203658294U所公开的便携式粮食、肉类水分检测仪，主要利用带有电容探头的湿敏传感器检测含水率，通过555 多谐振荡电路将湿度信号转换为频率信号供微处理器采样。这种检测方法及仪器的特点是结构简单，成本低廉，但是测量精度较低。
中国专利CN104359855A所公开的一种基于近红外光谱的注水肉检测方法，通过采集样品的红外光谱,然后对光谱数据进行预处理,得到目标矩阵并将其分为校正集和预测集。最后，建立回归预测模型并评价样品含水率。该方法精度较高，但是检测过程中需要使用昂贵的近红外光谱仪，价格比较昂贵且携带不方便，因此该方法仅适合实验室或工业生产线使用。
发明内容
本发明的目的在于为了克服现有技术的不足，提供一种具有快捷方便、精确高效、无损伤等特点的利用电磁感应原理测量肉制品含水率的方法和检测装置。
本发明的目的是这样实现的，本发明所述的一种利用电磁感应测量肉制品含水率的方法，包括以下步骤：
1) 取不同含水率的肉制品作为标准试样，该标准试样的肉制品含水率为Y。
2) 由信号发生器产生激励信号，并施加于激励线圈。激励线圈按设定的提离值，平行置于肉制品表面的上方，使激励线圈产生的激励电磁场的磁通尽可能多的穿过肉制品。在激励线圈所激发的激励电磁场的作用下，肉制品内部产生感应电流。在恒定激励电磁场条件下，感应电流仅和肉制品的导电性有关，受肉制品含水率影响。
3) 步骤2)所述的感应电流会在肉制品的上方产生的感应电磁场。将拾取线圈平行置于激励线圈上方或置于肉制品与激励线圈之间，就可以检测到该感应电磁场。拾取线圈的输出信号中，包含了肉制品含水率的信息。
4) 拾取线圈的输出信号由信号放大器进行放大，同时滤除或抑制信号中的噪声，得到检测信号。将激励信号和检测信号同时输入幅度相位检测器，得到上述两个信号的增益（幅度比）G和相位差 θ。
5) 增益G和相位差 θ通常为模拟信号，则分别利用幅度A/D 转换单元和相位A/D转换单元将增益G和相位差 θ转换为数字量，并将数字化的增益G和 相位差θ送入信息处理系统。
6) 在信息处理系统中，利用二元最小二乘法拟合法，确定以增益G和相位差 θ为变量的肉制品含水率的量化公式：Y=f(G,θ)。
7) 实际测量时，按步骤2)在肉制品内部产生感应电流，按步骤3)检测感应电磁场得到输出信号，按步骤4)得到激励信号和检测信号的增益G和相位差 θ，按步骤5)转换为数字化的增益G和相位差 θ；并发送给信息处理系统。最后，将增益G和相位差 θ代入步骤6)中已得到的肉制品含水率的量化公式Y=f(G,θ)进行计算，可得到被测肉制品含水率Y的测量值。
8) 信息处理系统将含水率Y的测量值发送给数字显示器进行显示。
在步骤1)中，标准试样含水率Y可以利用国家标准GB5009.3-2010对标准试样进行测量得到。
在步骤2)中，所述信号发生器产生的激励信号为高频正弦信号。若信号发生器产生的激励电流不足（小于10mA），则可通过高频驱动器对激励电流进行放大后，再施加于激励线圈。
在步骤2)中，所述激励线圈设定的提离值为0.1 ~10mm。
在步骤2)中，所述激励线圈形式上为平面线圈；在步骤3)中，所述拾取线圈形式上为平面线圈。
在步骤5)中，所述信息处理系统为单片机、DSP 或PC 机。
在步骤6)中，所述量化公式的具体形式为二元非线性函数，如二元神经网络，二元高次多项式等。量化公式的确定是指对多个标准试样的数据(G, θ)及对应标准试样的含水率Y之间进行拟合，从而得到量化公式的表达式。
本发明所述的一种利用电磁感应测量肉制品含水率的装置，包括信号发生器、激励线圈、拾取线圈、信号放大器、幅度相位检测器、幅度A/D 转换单元、相位A/D 转换单元、信息处理系统和数字显示器，其特征在于信号发生器产生的激励信号接入激励线圈中；拾取线圈的输出信号接至信号放大器；信号发生器和信号放大器的输出同时接入幅度相位检测器；幅度相位检测器的能检测增益的第一输出端接入幅度A/D 转换单元，能检测相位差的第二输出端接入相位A/D 转换单元；幅度A/D 转换单元和相位A/D 转换单元的输出再接入信息处理系统；信息处理系统的输出接至数字显示器；当激励线圈被施加高频激励信号时，激励线圈的轴向方向上将产生激励电磁场，由于激励线圈平行置于肉制品表面的上方，因此激励电磁场的磁通穿过肉制品，肉制品为导体，其导电性与含水率密切相关，含水率越高，肉制品的导电性能越好；在激励电磁场的作用下，含水率越高的肉制品，其内部产生的感应电流也越大，肉制品内的感应电流同样也会在肉制品的上方产生感应电磁场；将拾取线圈置于感应电磁场作用范围内，就可以检测到该感应电磁场，感应电磁场是由感应电流产生，肉制品含水率越高，感应电磁场的强度也越大，拾取线圈获得的检测信号中包含了肉制品含水率的信息，表现为检测信号与激励信号之间增益和相位差的变化，将该数据代入肉制品含水率的量化公式Y=f(G,θ)，式中G为检测信号与激励信号之间增益，θ检测信号与激励信号之间相位差 θ，即可确定被测肉制品含水率Y的测量值。
上述拾取线圈平行置于激励线圈上方或置于肉制品与激励线圈之间。
本发明的有益效果为：本发明利用不同含水率肉制品在高频电磁场中的电磁感应差异，根据简单的量化公式实现肉制品含水率的测量。由于本发明中，激励线圈与肉制品之间，以及肉制品与拾取线圈之间，都是通过电磁场发生作用，因此整个测量过程中无需接触被测肉制品，对肉制品也无损伤。另外，本发明测量的响应速度非常快，在0.1秒之内即可完成对待测肉制品含水率的测量，因此可用于肉制品生产流水线上的在线检测。
附图说明
图1为本发明实施例的测量装置的结构组成框图。
图2 为本发明实施例中利用电磁感应测量肉制品含水率的原理图。
图3为本发明实施例中，激励线圈、拾取线圈、信号放大器、幅度相位检测器、幅度A/D 转换单元、相位A/D 转换单元等之间的连接电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明提供的测量方法。
参见图1，本实施例的测量装置设有信号发生器1、激励线圈2、拾取线圈3、信号放大器4、幅度相位检测器5、幅度A/D 转换单元6、相位A/D 转换单元7、信息处理系统8、数字显示器9。信号发生器1产生的激励信号接入激励线圈2中；拾取线圈3的输出信号接至信号放大器4；信号发生器1和信号放大器4的输出同时接入幅度相位检测器5；幅度相位检测器5的第一输出端（增益G）接入幅度A/D 转换单元6，第二输出端（相位差 θ）接入相位A/D 转换单元7；幅度A/D 转换单元6和相位A/D 转换单元7的输出再接入信息处理系统8；信息处理系统8的输出接至数字显示器9。
参见图2，本发明中肉制品含水率测量方法的原理为：当激励线圈2被施加高频激励信号时，激励线圈2的轴向方向上将产生激励电磁场。由于激励线圈2平行置于肉制品表面的上方，因此激励电磁场的磁通大多会穿过肉制品。肉制品为导体，其导电性与含水率密切相关——含水率越高，肉制品的导电性能越好。那么，在激励电磁场的作用下，含水率越高的肉制品，其内部产生的感应电流也越大。肉制品内的感应电流同样也会在肉制品的上方产生感应电磁场。将拾取线圈3置于感应电磁场作用范围内（本实施例中，拾取线圈3平行置于肉制品与激励线圈2之间），就可以检测到该感应电磁场。感应电磁场是由感应电流产生，肉制品含水率越高，感应电磁场的强度也越大。因此拾取线圈3获得的检测信号中包含了肉制品含水率的信息，具体来说，表现为检测信号与激励信号之间增益G和相位差 θ的变化。
参见图3，本实施例中，信号发生器1的激励信号优选频率为10MHz，并通过屏蔽线端子接入电路中。
在图3中，激励线圈2与拾取线圈3选用结构相同的平面线圈，线圈电感量均优选为10uH。
在图3中，信号放大器4优选OPA695芯片，并连接成同相放大器，放大倍数优选100倍。
在图3中，幅度相位检测器5优选AD8302芯片，并将信号发生器1的输出和OPA695的输出分别接入AD8302的INPA和INPB。AD8302芯片的VMAG端输出为直流电压，其幅值对应上述两信号的增益G；AD8302芯片的VPHS端输出亦为直流电压，其幅值对应上述两信号的相位差 θ。
在图3中，幅度A/D 转换单元6优选用AD7705芯片；并将AD8302的VMAG端接入AD7705的AIN1+端，进行模数转换。
在图3中，相位A/D 转换单元7选用另一片AD7705芯片（在图3中记为AD7705-2）；并将AD8502的VPHS端接入AD7705-2的AIN1+端，进行模数转换。
在图3中，两片AD7705芯片的数字量输出为SPI总线形式，均含有SCLK、DRDY和ADIO数据线。因此，选用SPI转RS232模块GY7508，将增益G和相位差 θ的数字量以RS232总线形式输出给PC机。
本发明所述的肉制品含水率测量方法为：
一种利用电磁感应测量肉制品含水率的方法，其特征在于包括以下步骤：
1) 取不同含水率的肉制品作为标准试样，该标准试样的肉制品含水率为Y；
2) 由信号发生器1产生激励信号，并施加于激励线圈2，激励线圈2按设定的提离值，平行置于肉制品表面上方，在激励线圈2的作用下将产生激励电磁场，激励电磁场在肉制品内部产生感应电流；
3) 拾取线圈3平行置于激励线圈2上方或置于肉制品与激励线圈2之间，检测由步骤2)所述感应电流所产生的感应电磁场；
4) 拾取线圈3的输出信号由信号放大器4进行放大，同时滤除或抑制信号中的噪声，得到检测信号，将激励信号和检测信号同时输入幅度相位检测器5，得到上述两个信号的增益（幅度比）G和相位差 θ；
5) 分别利用幅度A/D 转换单元6和相位A/D 转换单元7将增益G和相位差 θ转换为数字量，并将数字化的G和 θ送入信息处理系统8；
6) 信息处理系统8利用二元最小二乘法拟合法，确定以增益G和 相位差θ为变量的肉制品含水率的量化公式：Y=f(G,θ)；
7) 实际测量时，按步骤2)在肉制品内部产生感应电流；按步骤3)检测感应电磁场获得检测信号；按步骤4)得到激励信号和检测信号的增益G和相位差 θ；按步骤5)转换为数字化的增益G和相位差 θ；最后，将该数据代入步骤6)得到的肉制品含水率的量化公式Y=f(G,θ)，即可确定被测肉制品含水率Y的测量值；
8) 信息处理系统8将含水率Y的测量值发送给数字显示器9进行显示。
在步骤2)中，所述信号发生器1产生激励信号为高频正弦信号。
在步骤2)中，所述激励线圈2设定的提离值为0.1 ~10mm。
在步骤2)中，所述激励线圈2为平面线圈；在步骤3)中，所述拾取线圈3为平面线圈。
在步骤5)中，所述信息处理系统8为单片机、DSP 或PC 机。
本发明的肉制品含水率测量方法的具体实施例为：
在进行肉制品含水率测量前，先进行标准测量实验。可取10 个不同含水率Y的肉类标准试样，含水率分别为46%、50%、53%、56%、60%、63%、66%、70%、73%、76%。标准试样可以通过轻微烘干或浸泡，微调含水率，以达到上述要求。再将激励线圈2、拾取线圈3 分别以5mm 和3mm的提离值置于标准试样上方，并由信号发生器1产生一个10MHz、10mA的激励信号。经图3中所示的电路，由PC机通过RS232总线读取增益G和相位差 θ的数据。对10个样本对应的G，θ和Y进行二元最小二乘法拟合，得到二元二次多项式形式的量化公式：Y=a+bG+cG2+dθ+eθ2+kGθ，其中，a,b,c,d,e,k为公式系数，通过拟合求解。
然后对待测肉制品进行含水率测量，检测条件与上述标准测量实验相同。在PC机中，通过RS232总线得到待测肉制品对应的增益G和相位差 θ。再将G和 θ带入上述二元二次多项式形式的量化公式中，即可得到被测肉制品含水率Y的测量值。该测量值可在PC机的显示器上直接进行显示。
上述实施例中，用PC机作为信息处理系统8，用PC机的显示器作为数字显示器9。但本发明并不局限于实施例中的方案，还可使用单片机、DSP系统作为信息处理系统8，从而实现小型化和便携式的测量仪器。
Claims (7)
1.一种利用电磁感应测量肉制品含水率的方法，其特征在于包括以下步骤：
1) 取不同含水率的肉制品作为标准试样，该标准试样的肉制品含水率为Y；
2) 由信号发生器(1)产生激励信号，并施加于激励线圈(2)，激励线圈(2)按设定的提离值，平行置于肉制品表面上方，在激励线圈(2)的作用下将产生激励电磁场，激励电磁场在肉制品内部产生感应电流；
3) 拾取线圈(3)平行置于激励线圈(2)上方或置于肉制品与激励线圈(2)之间，检测由步骤2)所述感应电流所产生的感应电磁场；
4) 拾取线圈(3)的输出信号由信号放大器(4)进行放大，同时滤除或抑制信号中的噪声，得到检测信号，将激励信号和检测信号同时输入幅度相位检测器(5)，得到上述两个信号的增益（幅度比）G和相位差 θ；
5) 分别利用幅度A/D 转换单元(6)和相位A/D 转换单元(7)将增益G和相位差 θ转换为数字量，并将数字化的G和 θ送入信息处理系统(8)；
6) 信息处理系统(8)利用二元最小二乘法拟合法，确定以增益G和 相位差θ为变量的肉制品含水率的量化公式：Y=f(G,θ)；
7) 实际测量时，按步骤2)在肉制品内部产生感应电流；按步骤3)检测感应电磁场获得检测信号；按步骤4)得到激励信号和检测信号的增益G和相位差 θ；按步骤5)转换为数字化的增益G和相位差 θ；最后，将该数据代入步骤6)得到的肉制品含水率的量化公式Y=f(G,θ)，即可确定被测肉制品含水率Y的测量值；
8) 信息处理系统(8)将含水率Y的测量值发送给数字显示器(9)进行显示。
2.如权利要求1 所述的一种利用电磁感应测量肉制品含水率的方法，其特征在于在步骤2)
中，所述信号发生器(1)产生激励信号为高频正弦信号。
3.如权利要求1 所述的一种利用电磁感应测量肉制品含水率的方法，其特征在于在步骤2)
中，所述激励线圈(2)设定的提离值为0.1 ~10mm。
4.如权利要求1 所述的一种利用电磁感应测量肉制品含水率的方法，其特征在于在步骤2)
中，所述激励线圈(2)为平面线圈；在步骤3)中，所述拾取线圈(3) 为平面线圈。
5.如权利要求1 所述的一种利用电磁感应测量肉制品含水率的方法，其特征在于在步骤5)
中，所述信息处理系统(8)为单片机、DSP 或PC 机。
6.一种利用电磁感应测量肉制品含水率的装置，包括信号发生器(1)、激励线圈(2)、拾取线圈(3)、信号放大器(4)、幅度相位检测器(5)、幅度A/D 转换单元(6)、相位A/D 转换单元(7)、信息处理系统(8)和数字显示器(9)，其特征在于信号发生器(1)产生的激励信号接入激励线圈(2)中；拾取线圈(3)的输出信号接至信号放大器(4)；信号发生器(1)和信号放大器(4)的输出同时接入幅度相位检测器(5)；幅度相位检测器(5)的能检测增益G的第一输出端接入幅度A/D 转换单元(6)，能检测相位差 θ的第二输出端接入相位A/D 转换单元(7)；幅度A/D 转换单元(6)和相位A/D 转换单元(7)的输出再接入信息处理系统(8)；信息处理系统(8)的输出接至数字显示器(9)；当激励线圈(2)被施加高频激励信号时，激励线圈(2)的轴向方向上将产生激励电磁场，由于激励线圈(2)平行置于肉制品表面的上方，因此激励电磁场的磁通穿过肉制品，肉制品为导体，其导电性与含水率密切相关，含水率越高，肉制品的导电性能越好；在激励电磁场的作用下，含水率越高的肉制品，其内部产生的感应电流也越大，肉制品内的感应电流同样也会在肉制品的上方产生感应电磁场；将拾取线圈(3)置于感应电磁场作用范围内，就可以检测到该感应电磁场，感应电磁场是由感应电流产生，肉制品含水率越高，感应电磁场的强度也越大，拾取线圈(3)获得的检测信号中包含了肉制品含水率的信息，表现为检测信号与激励信号之间增益G和相位差 θ的变化，将该数据代入肉制品含水率的量化公式Y=f(G,θ)，即可确定被测肉制品含水率Y的测量值。
7.如权利要求6 所述的装置，其特征在于拾取线圈(3)平行置于激励线圈(2)上方或置于肉制品与激励线圈(2)之间。
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2018
- 2018-12-15 CN CN201811536931.8A patent/CN109459486B/zh active Active
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