CN111781155A - 便携式牛乳成分分析方法与装置 - Google Patents
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
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- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
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Abstract
本发明公开了一种便携式牛乳成分分析方法与装置，属于食品成分检测领域。解决的技术问题是提供一种低成本、便携式牛乳检测方法与装置。本发明包括键盘、显示器、控制器、电源管理模块、散热风扇、升压模块、蓄电池、光谱检测模块、光源模块、光纤探头、外壳、定位板、样本池、遮光罩。光源模块发出的光通过光纤探头射入装有牛乳的样本池中并被牛乳散射和反射，光谱检测模块接收与牛乳相互作用后的光并将其转换为电信号传递给控制器，控制器计算乳成分并通过显示器输出计算结果。本发明可用于牛乳中脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量的现场检测。
Description
技术领域
本发明涉及食品成分检测领域，尤其涉及一种便携式牛乳成分分析方法与装置。
背景技术
牛乳营养丰富，是人类最重要的营养来源之一，牛乳的商品价值和营养价值由其脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量决定，因此监测乳成分已经成为现代乳厂日常管理的重要一环。传统的乳成分含量检测方法，如测量脂肪含量的索氏提取法，测量蛋白质含量的凯氏定氮法，测量乳糖含量的高效液相色谱法，测量总固形物含量的烘干法均存在仪器成本高，仪器体积大的问题，因此研发一种低成本、便携式牛乳检测方法与装置很有必要。
中国专利公告号CN101769866A，公告日2010年7月7日，专利名称为“一种牛奶成分的检测装置和方法”该申请公开了“一种牛奶成分的检测装置和方法”，其特征在于：“包括建立模型步骤和牛奶检测步骤，所述的建立模型步骤用于建立并存储近红外光谱分类校正模型，利用超声波自激频率对不同类型牛奶的近红外光谱进行分类并建立与所述不同类型牛奶对应的近红外光谱分类校正模型；所述牛奶检测步骤根据待测牛奶样品的超声波自激频率及近红外光谱信息，对应所述近红外光谱分类校正模型得到所述牛奶样品的成分含量”；所述“牛奶成分检测装置，包括建立模型模块和牛奶检测模块，其特征在于，所述建立模型模块，用于建立并存储近红外光谱分类校正模型，利用超声波自激频率对不同类型牛奶的近红外光谱进行分类并建立与所述不同类型牛奶对应的近红外光谱分类校正模型；所述牛奶检测模块，用于根据待测牛奶样品的超声波自激频率及近红外光谱信息，对应所述近红外光谱分类校正模型得到所述牛奶样品的成分含量”，“信息采集单元包括：样品池，用于盛放所述牛奶样品；近红外光谱检测子单元，包括用于发出透射光的光源准直器和用于接收所述透射光的光电探测器，所述光源准直器和所述光电探测器分别设置在所述样品池的两侧；光栅光谱仪，分别与所述近红外光谱检测子单元及所述数据分析单元连接，用于接收所述光电探测器的信号并处理该信号得到所述牛奶样品的近红外光谱，将所述近红外光谱输出到所述数据分析单元”，其“采用检测波长范围是900～1700nm”，该专利“实现了牛奶常规成分的快速、准确、自动以及高效检测”，但由于该装置采用了900～1700nm波段光栅光谱仪，且需要同时采集超声波和光谱信号，因此该专利所述“牛奶成分的检测装置和方法”存在成本高，仪器无法便携的问题，此外该专利采用的光谱采集方式是透射式，其检测基本原理是牛乳中各种成分对近红外光的吸收，而本发明所采用光谱采集方式是漫反射方式，其检测原理是牛乳中各种成分对光的散射作用，二者存在本质不同。
中国专利公告号CN107389599A，公告日2017年11月24日，专利名称为“一种针对牛奶成分检测的近红外漫反射型光谱仪”，该申请公开了“一种针对牛奶成分检测的近红外漫反射型光谱仪”，其特征在于：“仪器包括光源系统、分光系统、积分球样品池、探测器、数据采集器、嵌入式系统及电源装置”，“所述光源系统中的光源才采用溴钨灯，溴钨灯强度高，性能稳定，光谱可覆盖整个近红外谱区”，“所述探测器采用非制冷型单点扩展型InGaAs探测器”，“所述分光系统采用反射型光栅对光源进行分光”，该发明“采用多元线性回归的方法对牛奶中蛋白质、脂肪、乳糖成分进行预测”，但由于检测装置中使用了积分球和InGaAs探测器，并且使用了反射型光栅对光源进行分光，导致该发明成本高、体积大。
综上所述，现有技术存在成本高、无法便携的问题。
发明内容
解决的技术问题是一种低成本、便携式牛乳检测方法与装置。
本发明是通过以下技术方案实现的：
基于多可见近红外光谱技术的牛乳成分分析装置，其特征在于：包括键盘、显示器、控制器、电源管理模块、散热风扇、升压模块、蓄电池、光谱检测模块、光源模块、光纤探头、外壳、定位板、样本池、遮光罩；
所述键盘、显示器、控制器、电源管理模块、散热风扇、升压模块、蓄电池、光谱检测模块、光源模块、光纤探头、均固定在所述外壳上，方便携带；
所述键盘、显示器、升压模块、光谱检测模块、通过电缆与所述运控制器相连；
所述键盘、电源管理模块升压模块通过电缆与所述蓄电池相连；
所述散热风扇与升压模块通过电缆相连；
所述光谱检测模块采用光谱检测模块采用互补金属氧化物半导体传感器将光信号转换为电信号，检测波长范围为650-1100 nm；
所述光源模块通过电缆与升压模块相连并受键盘控制；
所述键盘上有电源开关和光源开关，分别控制所述便携式牛乳成分分析装置和光源模块的供电；
所述定位板安装在所述便携式牛乳成分分析装置顶部，用于固定所述样本池；
所述定位板上有一个与所述遮光罩大小相同的孔，所述遮光罩用于防止环境光对测量的影响；
所述样本池能透过650-1100 nm可见近红外光，所述遮光罩不能透过650-1100 nm可见近红外光；
所述便携式牛乳成分分析装置的长、宽、高分别不大于10 cm、12cm、和15 cm。
便携式牛乳成分分析方法，其特征在于，光源模块发出的光通过光纤探头射入装有牛乳的样本池中并被牛乳散射和反射，光谱检测模块接收与牛乳相互作用后的光并将其转换为电信号传递给控制器，控制器计算乳成分并通过显示器输出计算结果；
包括以下步骤：
(1)预热：用键盘（1）打开光源模块（9）预热10分钟以上；
(2)设置参考光谱：用键盘（1）关闭光源模块（9），用遮光罩（14）遮住光纤探头（10），采集并设置暗参考R d ，用键盘（1）打开光源模块（9），用聚四氟乙烯参考白板遮住光纤探头（10），采集并设置白参考R w ；
（3）采集并计算牛乳漫反射光谱：将牛乳样本装入样本池（13）中，将样本池（13）置于光纤探头（10）正上方并用遮光罩（14）盖住样本池（13），采集牛乳样本的漫反射原始光谱R R ，计算待测牛乳样本的多波长漫反射率光谱R S ；
所述漫反射率光谱R S 的计算方法为R S =（R R -R d ）/（R w -R d ）；
所述漫反射率光谱R S 波长范围为650-1100 nm；
（4）计算乳成分：采用偏最小二乘回归算法计算出待测牛乳样本的脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量；
所述偏最小二乘回归算法计算公式为：
Y=K·R S +c
式中Y是算法的输出值，是一个四维矩阵，每一维依次是待测牛乳样本的脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量，K是系数矩阵，R S 是待测牛乳样本的漫反射率光谱，c是常数项；
算法中系数矩阵K和常数项c的确定方法包括以下步骤：
a.数据采集：取乳成分分布范围较广的牛乳样本大于100个，用便携式牛乳成分分析装置采集其漫反射率光谱，用标准方法分别测出每个牛乳样本的脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量真实值；
b.确定系数矩阵K和常数项c：以牛乳样本的漫反射率光谱和用标准方法测得的脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量真实值为输入量，用偏最小二乘回归算法计算出系数矩阵K、和常数项c；
（5）显示分析结果。
本发明的检测原理是：
牛乳中的脂肪、蛋白质、乳糖微粒能够散射和反射可见/近红外光，散射和反射的强度与各种物质在牛乳中所占比例有关，这种牛乳中微粒与可见/近红外光在微观上的相互作用反映在了宏观的可见近红外反射率光谱上，通过本发明所述便携式牛乳成分分析方法与装置可以自动测量待测牛乳样本的可见近红外反射率光谱，并计算出其脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
a.本发明光谱检测模块采用采用互补金属氧化物半导体传感器将光信号转换为电信号，相对于采用铟镓砷传感器的光谱采集模块成本低；
b.本发明大多数部件都集成在便携式乳成分分析装置内部，且使用蓄电池供电，体积小巧，便于携带。
附图标记
1、键盘；2、显示器；3、控制器；4、电源管理模块；5、散热风扇；6、升压模块；7、蓄电池；8、光谱检测模块；9、光源模块；10、光纤探头；11、外壳；12、定位板；13、样本池；14、遮光罩。
图1是便携式牛乳成分分析装置结构图
图2是光谱采集软件主界面
图3是原型机实物图
图4是脂肪含量不同的牛乳的光谱图
图5是脂肪含量测量值和真实值关系图。
具体实施方式
下面结合一个优选实施例和附图对本发明作进一步说明：
如图1所示便携式牛乳成分分析装置，其特征在于：包括键盘1、显示器2、控制器3、电源管理模块4、散热风扇5、升压模块6、蓄电池7、光谱检测模块8、光源模块9、光纤探头10、外壳11、定位板12、样本池13、遮光罩14；键盘1、显示器2、控制器3、电源管理模块4、散热风扇5、升压模块6、蓄电池7、光谱检测模块8、光源模块9、光纤探头10、均固定在所述外壳11上，方便携带；键盘1、显示器2、升压模块6光谱检测模块8、通过电缆与所述运控制器3相连；键盘1、电源管理模块4升压模块6通过电缆与所述蓄电池7相连；散热风扇5与升压模块6通过电缆相连；光谱检测模块8采用光谱检测模块采用互补金属氧化物半导体传感器将光信号转换为电信号，检测波长范围为650-1100 nm；光源模块9通过电缆与升压模块相连并受键盘1控制；键盘1上有电源开关和光源开关，分别控制所述便携式牛乳成分分析装置和光源模块9的供电；定位板12安装在所述便携式牛乳成分分析装置顶部，用于固定所述样本池13；定位板12上有一个与所述遮光罩14大小相同的孔，遮光罩用于防止环境光对测量的影响；样本池13可以透过650-1100 nm可见近红外光，遮光罩14不能透过650-1100 nm可见近红外光；便携式牛乳成分分析装置的长、宽、高分别不大于10 cm、12cm、和15 cm。
键盘上有2个开关和5个按键，2个开关分别用于控制整个装置的供电和光源的供电；5个按键分别是菜单键、返回键、上翻键、下翻键和测量键。
显示器采用OLED12864。
控制器采用树莓派Zero W。
电源管理模块采用telesky公司生产的锂电池充放电管理模块。
散热风扇采用 JMC 3010-5LS型散热风扇。
升压模块采用LTC1700升压板，其输出电压为5V。
蓄电池采用锂电池。
光谱检测模块采用STS-NIR微型光谱仪。
光源模块采用998418-12型微型卤钨灯。
光纤探头采用“Y”形光纤探头。
样本池采用石英样本池。
遮光罩用黑色树脂3D打印。
图2是光谱采集软件主界面，该软件用于采集牛乳光谱，确定乳成分分析算法中系数矩阵K和常数项c。
图3是原型机实物图，该原型机能够测量牛乳样本的脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量。
便携式牛乳成分分析方法，其特征在于，光源模块发出的光通过光纤探头射入装有牛乳的样本池中并被牛乳散射和反射，光谱检测模块接收与牛乳相互作用后的光并将其转换为电信号传递给控制器，控制器计算乳成分并通过显示器输出计算结果；
包括以下步骤：
(1)预热：用键盘1打开光源模块9预热10分钟以上；
(2)设置参考光谱：用键盘1打关闭光源模块9，用遮光罩14遮住光纤探头10，采集暗参考R d ，用键盘1打开光源模块9，用聚四氟乙烯参考白板遮住光纤探头10，点采集暗参考R w ，将其设置为白参考；
（3）采集并计算牛乳漫反射光谱：将牛乳样本装入样本池13中，将样本池13置于光纤探头10正上方并用遮光罩14盖住样本池13，采集牛乳样本的漫反射原始光谱R R ，计算出待测牛乳样本的多波长漫反射率光谱R S ；
漫反射率光谱R S 的计算方法为R S =（R R -R d ）/（R w -R d ）；
漫反射率光谱R S 波长范围为650-1100 nm；
（4）计算乳成分：采用偏最小二乘回归算法计算出待测牛乳样本的脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量；
所述偏最小二乘回归算法计算公式为：
Y=K·R S +c
式中Y是算法的输出值，是一个四维矩阵，每一维依次是待测牛乳样本的脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量，K是系数矩阵，R S 是待测牛乳样本的漫反射率光谱，c是常数项；
算法中系数矩阵K和常数项c的确定方法包括以下步骤：
a.数据采集：取乳成分分布范围较广的牛乳样本大于130个，用图2所示光谱采集软件控制便携式牛乳成分分析装置采集其漫反射率光谱，用milkoScan FT1乳成分分析仪分别测出每个牛乳样本的脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量真实值；
b.确定系数矩阵K和常数项c：以牛乳样本的漫反射率光谱和用标准方法测得的脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量真实值为输入量，用偏最小二乘回归算法计算出系数矩阵K、和常数项c，然后将计算出的系数矩阵K和常数项c导入到图3所示便携式牛乳成分分析装置中，使其具备分析牛乳中脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量的能力；
（5）显示分析结果。
图4是用本实施例所述便携式牛乳成分分析装置测量的平均脂肪含量分别为3.3%, 4.1%, 4.6%和 5.3% 的牛乳样本的可见近红外光谱反射率光谱，从图4可见，在650-1100nm波长范围内牛乳的可见近红外光谱反射率光谱随脂肪含量的升高而升高。
图5是用本实施例所述可见近红外光谱技术的牛乳成分分析装置测量的生鲜乳和均质牛乳的脂肪含量测量值和真实值关系图，数据点均匀地分布于坐标轴45°线附近，二者之间的均方根误差为0.14%和0.10%，说明本发明所述便携式牛乳成分分析装置对牛乳中脂肪含量具有良好的准确性。
此外本实施例对生鲜乳中蛋白质、乳糖和总固形物含量的测量均方根误差分别为0.14%,, 0.08% 和 0.27%；对均质乳中蛋白质、乳糖和总固形物含量的测量均方根误差分别为0.12%, 0.08% 和 0.21%。
以上实施例仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.便携式牛乳成分分析方法，其特征在于，光源模块发出的光通过光纤探头射入装有牛乳的样本池中并被牛乳散射和反射，光谱检测模块接收与牛乳相互作用后的光并将其转换为电信号传递给控制器，控制器计算乳成分并通过显示器输出计算结果；
包括以下步骤：
（1）预热：用键盘（1）打开光源模块（9）预热10分钟以上；
（2）设置参考光谱：用键盘（1）关闭光源模块（9），用遮光罩（14）遮住光纤探头（10），采集并设置暗参考R d ，用键盘（1）打开光源模块（9），用聚四氟乙烯参考白板遮住光纤探头（10），采集并设置白参考R w ；
（3）采集并计算牛乳漫反射光谱：将牛乳样本装入样本池（13）中，将样本池（13）置于光纤探头（10）正上方并用遮光罩（14）盖住样本池（13），采集牛乳样本的漫反射原始光谱R R ，计算待测牛乳样本的多波长漫反射率光谱R S ；
所述漫反射率光谱R S 的计算方法为R S =（R R -R d ）/（R w -R d ）；
所述漫反射率光谱R S 波长范围为650-1100 nm；
（4）计算乳成分：采用偏最小二乘回归算法计算出待测牛乳样本的脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量；
所述偏最小二乘回归算法计算公式为：
Y=K·R S +c
式中Y是算法的输出值，是一个四维矩阵，每一维依次是待测牛乳样本的脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量，K是系数矩阵，R S 是待测牛乳样本的漫反射率光谱，c是常数项；
算法中系数矩阵K和常数项c的确定方法包括以下步骤：
a.数据采集：取乳成分分布范围较广的牛乳样本大于100个，用便携式牛乳成分分析装置采集其漫反射率光谱，用标准方法分别测出每个牛乳样本的脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量真实值；
b.确定系数矩阵K和常数项c：以牛乳样本的漫反射率光谱和用标准方法测得的脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量真实值为输入量，用偏最小二乘回归算法计算出系数矩阵K、和常数项c；
（5）显示分析结果。
2.便携式牛乳成分分析装置，其特征在于：包括键盘（1）、显示器（2）、控制器（3）、电源管理模块（4）、散热风扇（5）、升压模块（6）、蓄电池（7）、光谱检测模块（8）、光源模块（9）、光纤探头（10）、外壳（11）、定位板（12）、样本池（13）、遮光罩（14）
所述键盘（1）、显示器（2）、控制器（3）、电源管理模块（4）、散热风扇（5）、升压模块（6）、蓄电池（7）、光谱检测模块（8）、光源模块（9）、光纤探头（10）均固定在所述外壳（11）上，方便携带；
所述键盘（1）、显示器（2）、升压模块（6）光谱检测模块（8）、通过电缆与所述运控制器（3）相连；
所述键盘（1）、电源管理模块（4）升压模块（6）通过电缆与所述蓄电池（7）相连；
所述散热风扇（5）与升压模块（6）通过电缆相连；
所述光谱检测模块（8）采用光谱检测模块采用互补金属氧化物半导体传感器将光信号转换为电信号，检测波长范围为650-1100 nm；
所述光源模块（9）通过电缆与升压模块相连并受键盘（1）控制。
3.根据权利要求1所述便携式牛乳成分分析装置，其特征在于：所述键盘（1）上有电源开关和光源开关，分别控制所述便携式牛乳成分分析装置和光源模块（9）的供电。
4.根据权利要求1所述便携式牛乳成分分析装置，其特征在于：所述定位板（12）安装在所述便携式牛乳成分分析装置顶部，用于固定所述样本池（13）。
5.根据权利要求1所述便携式牛乳成分分析装置，其特征在于：所述定位板（12）上有一个与所述遮光罩（14）大小相同的孔，所述遮光罩用于防止环境光对测量的影响。
6.根据权利要求1所述便携式牛乳成分分析装置，其特征在于：所述样本池（13）能透过650-1100 nm可见近红外光，所述遮光罩（14）不能透过650-1100 nm可见近红外光。
7.根据权利要求1所述便携式牛乳成分分析装置，其特征在于：所述便携式牛乳成分分析装置的长、宽、高分别不大于10 cm、12cm、和15 cm。
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|---|---|---|---|---|
| CN113075161A (zh) * | 2021-03-31 | 2021-07-06 | 重庆电子工程职业学院 | 近红外水果内在品质检测系统 |
| CN113295631A (zh) * | 2021-05-13 | 2021-08-24 | 武汉轻工大学 | 牛乳品质的评价方法、装置及存储介质及吸光度检测装置 |
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