CN114323507B - 一种西林瓶密封完整性测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及食品药品包装技术领域，公开了一种西林瓶密封完整性测量装置和方法，包括激光器、光电探测器、锁相放大及滤波模块、中央控制模块、信号发生模块，信号发生模块用于对激光器的发出激光频率进行调谐；多个待测样品依次设置在真空管道上，激光器发出的激光沿真空管道依次入射至各个待测样品并被光电探测器探测，探测信号发送至锁相放大及滤波模块处理后发送至中央控制模块；中央控制模块用于对复合二次谐波信号进行计算处理，得到各个待测样品对应的二次谐波信号，并根据各个待测样品对应的二次谐波信号得到对应的氧气浓度值，本发明以激光光源作为检测光源，实现了密闭容器的无损检测，并提高了检测效率。
Description
技术领域
本发明涉及食品药品包装技术领域，具体是一种西林瓶密封完整性测量装置和方法，其可以一次检测多个西林瓶内气体浓度，可以应用食品、药品密封包装的捡漏系统。
背景技术
药品包装材料的密封性是关系到药品质量的一项重要物理性监测指标。药品包装过程中容不得半点马虎，为更好的保证药品包装安全，药品包装检测便是关键环节之一，为了更好保障药品质量，企业检测药品包装的密封性成为必要。目前对于药瓶密封性检测多采用物理方法或氧气分析仪检测，这种方法无法实现非破坏检测，且精确度低，误差较大，检测速度慢。
发明内容
为了解决现有技术中西林瓶无法无损检测、精确度低、误差大、检测速度慢等问题，本发明提供了一种西林瓶密封完整性测量装置和方法，利用激光衰减度来同时检测多个西林瓶浓度的系统，以大大增加检测速度，提高检测精度。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种西林瓶密封完整性测量装置，包括激光器、真空管道、光电探测器、锁相放大及滤波模块、中央控制模块、信号发生模块、激光二极管驱动模块，
所述信号发生模块用于发出第一信号和第二信号至激光二极管驱动模块，对激光器的发出激光进行调谐；所述第一信号的频率为Hz量级，第二信号的频率为kHz量级；
多个待测样品依次设置在所述真空管道上，所述激光器发出的激光沿所述真空管道依次入射至各个待测样品并被所述光电探测器探测；
所述光电探测器用于对激光吸收信号进行光电转换后发送至所述锁相放大及滤波模块，所述锁相放大及滤波模块用于根据所述第二信号对光电探测器的探测信号进行处理得到复合二次谐波信号；
所述中央控制模块用于对复合二次谐波信号进行计算处理，得到各个待测样品对应的二次谐波信号，并根据各个待测样品对应的二次谐波信号得到对应的氧气浓度值。
所述激光器为DFB激光器。
所述第一信号的频率为10~100Hz，第二信号的频率为10~100kHz。
所述待测样品相对于激光入射方向倾斜设置。
所述的一种西林瓶密封完整性测量装置，还包括通讯模块，所述通讯模块与中央控制模块连接，用于将中央控制模块计算得到的结果上传至上位机。
此外，本发明还提供了一种西林瓶密封完整性测量方法，采用所述的一种西林瓶密封完整性测量装置实现，包括以下步骤：
S1、采集光电探测器探测并经锁相放大及滤波模块处理后的复合二次谐波信号；
S2、对复合二次谐波信号进行预处理；
S3、将得到的复合二次谐波信号进行多重洛伦兹曲线分解，获得各个待测样品的二次谐波信号；
S4、根据各个待测样品的二次谐波信号，确定对应的氧气浓度值。
所述步骤S4中，通过氧气浓度值反演模型获取各个二次谐波信号幅值对应的氧气浓度值；
所述氧气浓度反演模型根据多个标准样品的氧气浓度值以及对应的二次谐波幅值进行最小二乘法拟合得到。
所述步骤S2中，对复合二次谐波信号进行预处理的具体方法为：
取多个完整周期的复合二次谐波信号，进行平均处理。
所述步骤S3中，对得到的二次谐波信号进行多重洛伦兹曲线分解，获得各个待测样品的二次谐波信号的具体方法为：
S301、构建一个多重的洛伦兹模型：
；
其中，F表示复合二次谐波信号的强度值，n表示待测样品个数，γ1，γ2，γ3，⋯γn分别表示各个待测样品对应的洛伦兹函数的半高宽，x表示位置参数，x 0表示氧气吸收峰位置；
S302、在复合二次谐波信号上取n个点，带入多重的洛伦兹模型中求解方程组计算得到γ1，γ2，γ3，⋯γn的值；
S303、根据γ1，γ2，γ3，⋯γn确定各个待测样品的二次谐波信号，分别为：
；
其中，F(x,γ1 )……F(x,γn )表示第1~n个待测样品的二次谐波信号。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明利用密闭容器中的氧气浓度来检测待测样品的密封性，以激光光源作为检测光源，实现了密闭容器的无损检测。
2、本发明可同时检测多个密闭容器的氧气浓度，大大提高了检测速度，解决了检测速度慢的问题。
3、本发明利用多个已知瓶浓度进行最小二乘法标定，增强了检测结果的精确性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种西林瓶密封完整性测量装置的结构示意图；
图2为本发明洛伦兹曲线示意图；
图中：1为中央控制模块，2为信号发生模块，3为信号叠加模块，4为激光二级管驱动模块，5为温度控制模块，6为激光器，7为光电探测器，8为锁相放大及滤波模块，9为通讯模块，10为真空管道，11为待测样品。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，本发明实施例一提供了一种西林瓶密封完整性测量装置，包括激光器6、真空管道10、光电探测器7、锁相放大及滤波模块8、中央控制模块1、信号发生模块2、激光二极管驱动模块4，所述信号发生模块2用于发出第一信号和第二信号至激光二极管驱动模块4，对激光器6的发出激光进行调谐；所述第一信号的频率为Hz量级，第二信号的频率为kHz量级；多个待测样品依次设置在所述真空管道10上，所述激光器6发出的激光沿所述真空管道10依次入射至各个待测样品并被所述光电探测器7探测；所述光电探测器7用于对激光吸收信号进行光电转换后发送至所述锁相放大及滤波模块8，所述锁相放大及滤波模块8用于根据所述信号发生模块2的输出信号对光电探测器的探测信号进行处理得到复合二次谐波信号；所述中央控制模块1用于对复合二次谐波信号进行计算处理，得到各个待测样品对应的二次谐波信号，并根据各个待测样品对应的二次谐波信号得到对应的氧气浓度值。
具体地，本实施例中，所述激光器6为DFB激光器，其输出激光波长范围覆盖氧气的吸收峰值760nm。装置还包括温度控制模块，其用于对激光器6进行温度控制，保证其输出功率和频率稳定。
具体地，本实施例中，所述第一信号为频率为10~100Hz的三角波信号，第二信号的频率为10~100kHz的正弦波信号，其中三角波信号用于提供一个扫描信号，使激光器输出的波长包含760nm的较宽范围内周期性变化，通过对激光器的恒温温度调节，使激光器输出的扫频中心波长正好在氧的吸收峰位置。由于真空瓶内氧气浓度偏低，这时光电探测器接收到的光强变化信号比背景噪声还小，不能直接测量。本发明中，通过加入高频正弦信号，可以使激光信号在氧气的吸收峰位置发生谐波失真，通过后续的锁相放大器提取出的二次谐波，实现氧气低浓度检测。
进一步地，本实施例的一种西林瓶密封完整性测量装置，还包括信号叠加模块3，其用于将信号发生电路模块2产生的第一信号和第二信号叠加后发送至激光二极管驱动模块4。
具体地，本实施例中，所述待测样品11相对于激光入射方向倾斜设置，以减少激光的反射和透射。
进一步地，本实施例的一种西林瓶密封完整性测量装置，还包括通讯模块9，所述通讯模块9与中央控制模块1连接，用于将中央控制模块1计算得到的结果上传至上位机。
本发明实施例采用的激光器是连续方式工作的DFB激光器，中心波长是761nm，激光器的工作温度为20°C~30°C，低频三角波信号频率为100Hz，高频调谐信号频率为50kHz。
本实施例的工作原理如下。
根据比尔-朗伯定律，透射率表达式为：
；（1）
式中，Ion和Iin分别为第n个模式的入射和透射光强，an是第n个纵模的吸收系数，L是光程，X是被测气体的浓度；P是被测气体的压强，Sn是吸收谱线强，是谱线线型函数，τ表示透射率。
将通过气体吸收后的光强按傅里叶级数展开，每个谐波分量可以通过锁相器相敏检波得到，以二次谐波为例：
；（2）
其中，为二阶傅里叶系数，G为探测系统的光电增益，/>为平均激光光强。上式表明，检测信号的二次谐波分量幅值是与气体浓度成正比，所以得到二次谐波的幅值便可通过最小二乘法标定出气体的浓度值。
实施例二
本发明实施例二提供了一种西林瓶密封完整性测量方法，采用图1所示的一种西林瓶密封完整性测量装置实现，包括以下步骤：
S1、打开装置，采集光电探测器7探测并经锁相放大及滤波模块8处理后的复合二次谐波信号。
激光器6发出激光通过多个待测样品后，带有气体浓度信息的光信号被光电二极管探测器7接收，并通过前置放大电路转换成电信号，然后经锁相放大和低通滤波模块8提取含有浓度信息的二次谐波信号，此时的二次谐波为多个待测样品的叠加信号，故称为复合二次谐波信号。
S2、对复合二次谐波信号进行预处理。
本实施例中，对复合二次谐波信号进行预处理的具体方法为：取多个完整周期的复合二次谐波信号，进行平均处理。具体地，可以对5个周期的复合二次谐波信号进行平均，5列采样数据进行平均处理，得到一列复合二次谐波数据。
S3、将得到的复合二次谐波信号进行多重洛伦兹曲线分解，获得各个待测样品的二次谐波信号。
本实施例中，需要对叠加信号进行分解，在常温常压下，分子的吸收光谱表现为洛伦兹线性。其表达式如下：
；（3）
其中x表示位置参数，x 0为曲线峰值时对应的位置参数，即氧气吸收峰位置；γ为峰值一半处的一半宽度。由于探测器接收到的信号为多个二次谐波信号的叠加，为了获得每个瓶子的二次谐波信号，所以需要对叠加信号进行分解，因此，需要构建一个多重的洛伦兹模型来描述氧气的吸收系数：
；（4）
其中，F表示复合二次谐波信号的强度值，n表示待测样品个数，γ1，γ2，γ3，⋯γn分别表示各个待测样品对应的洛伦兹函数的半高宽，即每个瓶子对应的洛伦兹函数峰值一半处的一半宽度，x 0表示氧气吸收峰位置；由于每个氧气吸收峰值位置不变所以每个瓶子的洛伦兹函数峰值的位置不会改变，都为。经锁相放大电路提取含有浓度信息的二次谐波信号中可以获取到/>，故/>为已知量。而对于γ1，γ2，γ3，⋯γn，只需要在信号中提取n个点便可通过待定系数求出。从而反推出各个瓶子对应的洛伦兹曲线，利用求得各自峰值求出各个瓶内气体的浓度。可使系统多次标定已知瓶的浓度，通过最小二乘法来减小系统误差。
因此，所述步骤S3中，对得到的二次谐波信号进行多重洛伦兹曲线分解，获得各个待测样品的二次谐波信号的具体方法为：
S301、构建一个如式（3）所述的多重的洛伦兹模型：
S302、在复合二次谐波信号上取n个点，带入多重的洛伦兹模型中求解方程组计算得到γ1，γ2，γ3，⋯γn的值；
S303、根据γ1，γ2，γ3，⋯γn确定各个待测样品的二次谐波信号，分别为：
；（5）
其中，其中，F(x,γ1 )……F(x,γn )示第1~n个待测样品的二次谐波信号。
S4、根据各个待测样品的二次谐波信号，确定对应的氧气浓度值。
所述步骤S4中，通过氧气浓度值反演模型获取各个二次谐波信号幅值对应的氧气浓度值；所述氧气浓度反演模型根据多个标准样品的氧气浓度值以及对应的二次谐波幅值进行最小二乘法拟合得到。
应做说明的是，虽然本发明的检测方法无法识别二次谐波对应的待测样品，但是，通过一次性测量多个样品，可以提高检测效率，后续再对问题批次样品分别测量，仍然可以最终实现问题样品的标定。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种西林瓶密封完整性测量装置，其特征在于，包括激光器（6）、真空管道（10）、光电探测器（7）、锁相放大及滤波模块（8）、中央控制模块（1）、信号发生模块（2）、激光二极管驱动模块（4），
所述信号发生模块（2）用于发出第一信号和第二信号至激光二极管驱动模块（4），对激光器（6）的发出激光进行调谐；所述第一信号的频率为Hz量级，第二信号的频率为kHz量级；
多个待测样品依次设置在所述真空管道（10）上，所述激光器（6）发出的激光沿所述真空管道（10）依次入射至各个待测样品并被所述光电探测器（7）探测；
所述光电探测器（7）用于对激光吸收信号进行光电转换后发送至所述锁相放大及滤波模块（8），所述锁相放大及滤波模块（8）用于根据所述第二信号对光电探测器的探测信号进行处理得到复合二次谐波信号；
所述中央控制模块（1）用于对复合二次谐波信号进行多重洛伦兹曲线分解，得到各个待测样品对应的二次谐波信号，并根据各个待测样品对应的二次谐波信号得到对应的氧气浓度值；
其中，对复合二次谐波信号进行多重洛伦兹曲线分解，得到各个待测样品对应的二次谐波信号的具体方法为：
S301、构建一个多重的洛伦兹模型：
；
其中，F表示复合二次谐波信号的强度值，n表示待测样品个数，γ1，γ2，γ3，⋯γn分别表示各个待测样品对应的洛伦兹函数的半高宽，x表示位置参数，x0表示氧气吸收峰位置；
S302、在复合二次谐波信号上取n个点，带入多重的洛伦兹模型中求解方程组计算得到γ1，γ2，γ3，⋯γn的值；
S303、根据γ1，γ2，γ3，⋯γn确定各个待测样品的二次谐波信号，分别为：
；
其中，F(x,γ1 )……F(x,γn )表示第1~n个待测样品的二次谐波信号。
2.根据权利要求1所述的一种西林瓶密封完整性测量装置，其特征在于，所述激光器（6）为DFB激光器。
3.根据权利要求1所述的一种西林瓶密封完整性测量装置，其特征在于，所述第一信号的频率为10~100Hz，第二信号的频率为10~100kHz。
4.根据权利要求1所述的一种西林瓶密封完整性测量装置，其特征在于，所述待测样品相对于激光入射方向倾斜设置。
5.根据权利要求1所述的一种西林瓶密封完整性测量装置，其特征在于，还包括通讯模块（9），所述通讯模块（9）与中央控制模块（1）连接，用于将中央控制模块（1）计算得到的结果上传至上位机。
6.一种西林瓶密封完整性测量方法，采用权利要求1所述的一种西林瓶密封完整性测量装置实现，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采集光电探测器（7）探测并经锁相放大及滤波模块（8）处理后的复合二次谐波信号；
S2、对复合二次谐波信号进行预处理；
S3、将得到的复合二次谐波信号进行多重洛伦兹曲线分解，获得各个待测样品的二次谐波信号；
S4、根据各个待测样品的二次谐波信号，确定对应的氧气浓度值。
7.根据权利要求6所述的一种西林瓶密封完整性测量方法，其特征在于，所述步骤S4中，通过氧气浓度值反演模型获取各个二次谐波信号幅值对应的氧气浓度值；
所述氧气浓度反演模型根据多个标准样品的氧气浓度值以及对应的二次谐波幅值进行最小二乘法拟合得到。
8.根据权利要求6所述的一种西林瓶密封完整性测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，对复合二次谐波信号进行预处理的具体方法为：
取多个完整周期的复合二次谐波信号，进行平均处理。
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| CN114323507A (zh) | 2022-04-12 |
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