CN117470801A - 基于多光谱同时检测的母乳成分快速分析装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于多光谱同时检测的母乳成分快速分析装置，属于母乳检测技术领域，包括样品室，样品室的内部连通有红外比色皿，红外比色皿的内部开设有检测腔体，检测腔体内部连接有隔膜，隔膜将检测腔体分隔为红外检测腔和折光检测腔，还包括光源组件、热电堆温度传感器、红外探测模块、微型折光检测模块和主控电路板，采用不同光谱段的红外光源取代了传统的卤钨灯或碳硅棒等光源，也替代了传统的滤光片和光栅分光，既解决了散热和体积问题，也大幅降低了成本和控制难度，同时发光照射被测母乳，经透射/散射后被一个红外探测模块同时检测，达到对所有红外光源同时进行光谱检测的效果，提高了母乳成分检测的速度。
Description
技术领域
本发明属于母乳检测技术领域，具体地说，涉及一种基于多光谱同时检测的母乳成分快速分析装置。
背景技术
目前对于母乳的检测主要有超声法和红外法两种检测方案，超声法检测误差较大，目前已逐渐被市场淘汰，其最大的问题是可提供分析的参数较少，主要是波速和衰减两个参数，但母乳中包含许多种成分，如水、蛋白质、乳糖、脂肪、矿物质等等，而且这些成分彼此相关，互相影响，因此仅仅用两个参数去建立这种多参数的模型，其在数学上是不可能的，其实际多用经验公式来估算；
红外法测试结果相对就要精准得多，例如瑞典的MIRRIS公司，其采用的是红外技术进行母乳宏量元素分析，但红外光源的稳定性控制是一个难点，因为波长越长，其热辐射也越强，对散热也有较高的要求，为了解决背景辐射的影响，一般需要给检测器进行制冷，还要对仪器的光源进行散热处理，防止仪器内部温度过高。由于需要对被测的样品室控温，而且每个光谱波段需要分开依次进行检测，也导致其测试时间也比较长；
对红外光谱的检测，传统检测主要有三种：一是采用单个探测器，在探测器前加滤光片轮，采用多个窄带滤光片组合进行滤光；二是步进电机带动衍射光栅进行分光(即红外单色仪)，运用单个检测器进行检测；三是采用平场光栅片分光，采用线阵红外检测器进行检测；
这三种方法各有优劣，第一种体积较大，分辨率不高；
第二种红外单色仪方式，由于需要采用电机驱动光栅旋转，其体积较大，重量也很大，检测时间较长，价格十分高昂，并不适合集成到检测设备中；
第三种红外光纤光谱仪方式虽然检测速度也较快，但其价格非常高昂，如果作为一个红外检测组件嵌入设备中，整机价格将让用户无法承受；
因此目前还没有一种小体积的母乳分析设备，在实现散热和降低成本的基础之上，实现对母乳成分的快速分析。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种基于多光谱同时检测的母乳成分快速分析装置，包括样品室，样品室的内部连通有红外比色皿，红外比色皿的内部开设有检测腔体，检测腔体内部连接有隔膜，隔膜将检测腔体分隔为红外检测腔和折光检测腔，还包括光源组件、热电堆温度传感器、红外探测模块、微型折光检测模块和主控电路板，主控电路板包括有中央处理模块：
光源组件，设置于红外比色皿的一侧，用于向红外检测腔内部的母乳同时发射不同波长的红外光；
红外探测模块，设置于红外比色皿的另一侧，用于接收来自光源组件发射的红外线，并获取母乳组分信息，所述母乳组分信息为脂肪实测含量、蛋白质实测含量和水分实测含量；
热电堆温度传感器用于获取红外检测腔内部母乳的温度值；
微型折光检测模块，用于获取折光检测腔内部母乳的乳糖实测含量；
中央处理模块，将脂肪实测含量、蛋白质实测含量、水分实测含量和乳糖实测含量组成含量实测集合，并将含量实测集合和温度值输入到含量补偿模型中，获取含量补偿模型输出的含量精确集合，所述含量精确集合包括脂肪精确含量、蛋白质精确含量、水分精确含量和乳糖精确含量。
优选地，隔膜包括亲水膜和疏水膜，疏水膜固定连接在亲水膜底端。
优选地，光源组件包括半球形壳体，半球形壳体的内部设置有多个红外光源，多个红外光源采用不同的脉冲频率。
优选地，多个红外光源均安装于同一个球面上，各个红外光源的发射方向均指向球心，球心的对侧为红外探测模块的面元中心，红外探测模块通过面元中心将红外光接收。
优选地，红外比色皿的材质具有红外光可穿透性，红外光源向红外检测腔的方向发射红外光，红外光穿过母乳并穿出红外比色皿。
优选地，热电堆温度传感器设置于红外比色皿的一侧，并且位于红外探测模块的上方，热电堆温度传感器对母乳进行非接触式温度测量。
优选地，微型折光检测模块包括发光二极管、准直透镜、分光片、第一会聚透镜、第一硅光二极管探测器、折光棱镜、V形遮光板、第二会聚透镜和第二硅光二极管探测器。
优选地，含量补偿模型的训练过程为：获取母乳成分样本数据集，所述母乳成分样本数据集中包括含量实测集合、温度值、含量精确集合，将母乳成分样本数据集划分为母乳成分样本训练集和母乳成分样本测试集，构建回归网络，以母乳成分样本训练集中的含量实测集合和温度值作为回归网络的输入数据，以母乳成分样本训练集中的含量精确集合作为回归网络的输出数据，对回归网络进行训练，得到用于预测含量精确集合的初始回归网络，利用母乳成分样本测试集对初始回归网络进行测试，输出满足预设测试准确度的回归网络作为含量补偿模型。
优选地，光线经过准直透镜进行聚焦，所述光线由发光二极管发出，照射到分光片的表面，一部分光线被分光片反射到第一会聚透镜，另一部分光线通过准直透镜的引导，通过折光棱镜进入到折光检测腔中，主控电路板还包括相位补偿模块。
优选地，实测相位进行补偿的方式为：
第一硅光二极管探测器，用于获取反射光线的强度值，所述反射光线为分光片向第一会聚透镜反射的光线；
第二硅光二极管探测器，用于获取入射光线的实测相位，所述入射光线为通过分光片进入到折光棱镜内部的光线；
相位补偿模块，将强度值和实测相位输出到相位补偿模型中，获取相位补偿模型输出的预测精确相位，根据预测精确相位与标准相位之差获得乳糖实测含量，所述标准相位定义为：光线进入到折光棱镜内部后，直接从折光棱镜的内部反射而出，光线途中并不进入到任何溶液中，最后第二硅光二极管探测器获取的光线相位为标准相位。
优选地，相位补偿模型的训练过程为：获取相位样本数据集，所述相位样本数据集中包括历史强度值、历史实测相位和历史精确相位，将相位样本数据集划分为相位样本训练集和相位样本测试集，构建回归网络，以相位样本训练集中的历史强度值和历史实测相位作为回归网络的输入数据，以相位样本训练集中的历史精确相位作为回归网络的输出数据，对回归网络进行训练，得到用于预测精确相位的初始回归网络，利用相位样本测试集对初始回归网络进行测试，输出满足预设测试准确度的回归网络作为相位补偿模型。
优选地，历史精确相位的生成方式如下：
式中，Ape为历史精确相位，λ为入射光线的波长，n为被测乳糖的折射率，d为在被测母乳中行进的距离，u为权重系数，Spe为标准相位。
有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)采用不同光谱段的红外光源取代了传统的卤钨灯或碳硅棒等光源，也替代了传统的滤光片和光栅分光，既解决了散热和体积问题，也大幅降低了成本和控制难度，本发明中不同波长的红外光源采用不同的脉冲频率，这样可以使得多个红外光源同时发光照射被测母乳，经透射/散射后被一个红外探测模块同时检测，达到对所有红外光源同时进行光谱检测的效果，提高了母乳成分检测的速度。
(2)本发明的微型折光模块没有采用传统的位置传感器(PSD)或CMOS图像传感器，而是采用了低成本的第一硅光二极管探测器和第二硅光二极管探测器以及V形遮光板，这样可以将折射率变化导致的光斑位置变化转化为光强变化，既便于检测，也便于标定。
附图说明
图1为母乳成分检测装置的内部结构示意图；
图2为红外比色皿的结构示意图；
图3为图2中A处的放大结构示意图；
图4为光源组件的正视图；
图5为光源组件的侧面剖视图；
图6为微型折光检测模块的结构示意图；
图7为V形遮光板的结构示意图；
图8为母乳成分检测装置的内部系统示意图；
图9为主控电路板7内部结构示意图。
图中各附图标注与部件名称之间的对应关系如下：
1、样品室；2、红外比色皿；21、红外检测腔；22、折光检测腔；3、光源组件；31、半球形壳体；32、红外光源；4、热电堆温度传感器；5、红外探测模块；6、微型折光检测模块；61、发光二极管；62、准直透镜；63、分光片；64、第一会聚透镜；65、第一硅光二极管探测器；66、折光棱镜；67、V形遮光板；68、第二会聚透镜；69、第二硅光二极管探测器；7、主控电路板；71、中央处理模块；8、隔膜；81、亲水膜；82、疏水膜。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作详细地说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独地或选择性地与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
本实施例提供基于多光谱同时检测的母乳成分快速分析装置，如图1、图2和图3所示，包括样品室1，样品室1的内部连通有红外比色皿2，红外比色皿2的内部开设有检测腔体，检测腔体内部连接有隔膜8，隔膜8将检测腔体分隔为红外检测腔21和折光检测腔22，隔膜8包括亲水膜81和疏水膜82，亲水膜81的底端固定连接有疏水膜82；
亲水膜81的材质优选为聚醚砜(PES)，亲水膜81的作用是使得母乳中的水溶液渗入折光检测腔22中，并过滤掉大的脂肪球；疏水膜82的材质优选为聚偏氟乙烯(PVDF)，疏水膜82的作用是使得折光检测腔22中的空气由疏水膜82处排出；
基于多光谱同时检测的母乳成分快速分析装置还包括光源组件3、热电堆温度传感器4、红外探测模块5、微型折光检测模块6和主控电路板7，主控电路板7包括有中央处理模块71；
光源组件3，设置于红外比色皿2的一侧，用于向红外检测腔21内部的母乳同时发射不同波长的红外光；
需要说明的是，如图4和图5所示，光源组件3包括半球形壳体31和多个红外光源32，半球形壳体31的内部设置有多个红外光源32，多个红外光源32采用不同的脉冲频率，因此多个红外光源32发射多个红外光，多个红外光的波长不同，光源组件3向母乳发射红外光的过程为，首先母乳进入样品室1，从样品室1的内部进入到红外比色皿2内的检测腔体中，由于隔膜8将检测腔体分隔为红外检测腔21和折光检测腔22，同样母乳也位于红外检测腔21和折光检测腔22的内部，而红外比色皿2的材质具有红外光可穿透性，优选为PMMA材质，那么红外光源32向红外检测腔21的方向发射红外光，红外光穿过母乳并最后穿出红外比色皿2，红外光源32的数量优选为五个，每个红外光源32的波长分别为1100nm,1300nm，1650nm，2200nm和2400nm，且每个红外光源32的调制频率分别为400Hz，460Hz，520Hz，580Hz，640Hz，可以理解的是红外光源32的波长与调制频率无关，调制频率只是描述红外光的强度如何随时间变化的方式；
红外探测模块5，设置于红外比色皿2的另一侧，用于接收来自光源组件3发射的红外线，并获取母乳组分信息；
具体地，母乳组分信息包括母乳中的脂肪实测含量、蛋白质实测含量和水分实测含量，如4和图5所示，多个红外光源32均安装在一个球面上，各个红外光源32的发射方向均指向球心，而球心的对侧就是红外探测模块5的面元中心，红外探测模块5通过面元中心将发射来的红外光进行接收，红外探测模块5优选为InGaAs红外探测器；
热电堆温度传感器4，用于获取红外检测腔21内部母乳的温度值；
具体地，热电堆温度传感器4同样设置于红外比色皿2的一侧，并且位于红外探测模块5的上方，热电堆温度传感器4进行非接触式温度测量，这样既可以保证对母乳没有污染，也可以快速精确地测量出母乳的温度值，其测试时间为1～2秒钟，测试准确度可以达到±0.1℃；
微型折光检测模块6，用于获取折光检测腔22内部母乳的乳糖实测含量；
其中，微型折光检测模块6同样设置于红外比色皿2的一侧，并且微型折光检测模块6位于红外探测模块5的下方，如图6所示，微型折光检测模块6包括发光二极管61、准直透镜62、分光片63、第一会聚透镜64、第一硅光二极管探测器65、折光棱镜66、V形遮光板67、第二会聚透镜68和第二硅光二极管探测器69，发光二极管61，发光二极管61发出光线，光线经过准直透镜62进行聚焦，并且折光棱镜66紧贴于红外比色皿2的表面，通过准直透镜62的引导，光线通过折光棱镜66进入到折光检测腔22中，由于折光检测腔22中容纳有母乳，母乳中的乳糖使得光线发生折射，可以理解的是，由于折光棱镜66主要作用就是将光线折射或弯曲，那么本实施例中的折射是相对于光线正常进入到折光棱镜66的基础之上形成的，光线从折光棱镜66穿出后进入到V形遮光板67中，光线从V形遮光板67穿出经过第二会聚透镜68聚焦后，最终光线被第二硅光二极管探测器69接收，V形遮光板67的作用是使得第二硅光二极管探测器69对光线更加的敏感，使得第二硅光二极管探测器69的检测结果更加准确，第二硅光二极管探测器69获取光线的实测相位，通过实测相位与标准相位之间的相位差，计算母乳中乳糖含量，通过相位差求液体中溶质的含量为现有技术，本申请在此不再过多地赘述；
标准相位的定义为：发光二极管61发射的光线依次经过准直透镜62、折光棱镜66、V形遮光板67、第二会聚透镜68和第二硅光二极管探测器69，折光棱镜66处于实验环境下，光线进入到折光棱镜66内部后，直接从折光棱镜66的内部反射而出，光线途中并不进入到任何溶液中，最后第二硅光二极管探测器69获取的光线相位为标准相位；
中央处理模块71，将脂肪实测含量、蛋白质实测含量、水分实测含量和乳糖实测含量组成含量实测集合，并将含量实测集合和温度值输入到含量补偿模型中，获取含量补偿模型输出的含量精确集合，所述含量精确集合包括脂肪精确含量、蛋白质精确含量、水分精确含量和乳糖精确含量；
需要说明的是，脂肪精确含量指的是，脂肪实测含量根据温度值补偿后得到的精确值，蛋白质精确含量、水分精确含量和乳糖精确含量同理可得，本实施例不再过多赘述，含量补偿模型的训练过程为：获取母乳成分样本数据集，所述母乳成分样本数据集中包括含量实测集合、温度值、含量精确集合，将母乳成分样本数据集划分为母乳成分样本训练集和母乳成分样本测试集，构建回归网络，以母乳成分样本训练集中的含量实测集合和温度值作为回归网络的输入数据，以母乳成分样本训练集中的含量精确集合作为回归网络的输出数据，对回归网络进行训练，得到用于预测含量精确集合的初始回归网络，利用母乳成分样本测试集对初始回归网络进行测试，输出满足预设测试准确度的回归网络作为含量补偿模型，所述回归网络具体为决策树回归模型、线性回归模型或神经网络模型中的一种；
可以理解的是，母乳成分样本数据集中含量精确集合可以事先在实验环境进行确定，相当于在实验环境下能够得到母乳样本中蛋白质的精确含量、脂肪的精确含量、水分的精确含量和乳糖的精确含量，例如需要得到母乳样本中蛋白质的精确含量时，可通过电泳的方式得到蛋白质的精确含量，因为化学检测方式具有极高的精确性、可靠性和特异性，那么脂肪的精确含量、水分的精确含量和乳糖的精确含量同理可得，本实施例不再过多的赘述，模型训练前先获取脂肪精确含量、蛋白质精确含量、水分精确含量和乳糖精确含量，形成含量精确集合作为回归网络的输出数据，最终得到含量补偿模型；
本实施例在一是采用不同光谱段的红外光源32取代了传统的卤钨灯或碳硅棒等光源，也替代了传统的滤光片和光栅分光，既解决了散热和体积问题，也大幅降低了成本和控制难度；
二是传统的光谱检测中是用不同波长的光依次照射被测物质，探测器对其进行分时检测，本实施例中不同波长的红外光源32采用不同的脉冲频率，这样可使得多个红外光源32同时发光照射被测母乳，经透射/散射后被一个红外探测模块5同时检测，达到对所有红外光源32同时进行光谱检测的效果，而后在后期采用数字滤波技术将各光谱分开，从而达到提高检测速度的目的，与光谱单独检测相比其检测速度可提高多倍以上；
三是增加了一个微型折光检测模块6，单独对乳糖进行检测，从而提高了检测精度，为了实现该检测目的，该红外比色皿2采用了特殊的结构，在红外比色皿2采用了特制的隔膜8，在能渗透、过滤乳液的同时，也能将底部的空气排出；传统的折光检测都是用位置传感器(PSD)或CMOS图像传感器检测被测溶液由于折射率变化导致的光斑位置的变化，这样需要做CMOS读出电路，还需要做图像处理算法，为了降低检测成本和算法难度，本发明的微型折光检测模块6没有采用传统的位置传感器(PSD)或CMOS图像传感器，而是采用了低成本的第一硅光二极管探测器65和第二硅光二极管探测器69以及V形遮光板67，如图6、图7所示，这样可以将折射率变化导致的光斑位置变化转化为光强变化，既便于检测，也便于标定。
实施例2
本实施例在实施例1的基础之上做进一步的改进，如图6所示，微型折光检测模块6还包括分光片63、第一会聚透镜64和第一硅光二极管探测器65，当光线经过准直透镜62进行聚焦后，照射到分光片63的表面，一部分光线被分光片63反射到第一会聚透镜64，经过第一会聚透镜64的聚焦后被第一硅光二极管探测器65接收，另一部分光线通过准直透镜62的引导，光线通过折光棱镜66进入到折光检测腔22中，最终被第二硅光二极管探测器69接收，本实施例通过设置分光片63、第一会聚透镜64和第一硅光二极管探测器65，能够对第二硅光二极管探测器69获取光线的实测相位进行补偿得出精确相位，主控电路板7还包括相位补偿模块72；
对实测相位进行补偿的方式为：
第一硅光二极管探测器65，用于获取反射光线的强度值，所述反射光线为分光片63向第一会聚透镜64反射的光线；
第二硅光二极管探测器69，用于获取入射光线的实测相位，所述入射光线为通过分光片63进入到折光棱镜66内部的光线；
相位补偿模块72，将强度值和实测相位输出到相位补偿模型中，获取相位补偿模型输出的预测精确相位，根据预测精确相位与标准相位之差获得乳糖实测含量；
需要说明的是，本实施例中获取精确相位后，通过精确相位与标准相位之间的相位差，计算母乳中乳糖含量，其中，本实施例中的标准相位定义为：发光二极管61发射的光线依次经过准直透镜62、分光片63、折光棱镜66、V形遮光板67、第二会聚透镜68和第二硅光二极管探测器69，折光棱镜66处于实验环境下，光线进入到折光棱镜66内部后，直接从折光棱镜66的内部反射而出，光线途中并不进入到任何溶液中，最后第二硅光二极管探测器69获取的光线相位为标准相位；
相位补偿模型的训练过程为：获取相位样本数据集，所述相位样本数据集中包括历史强度值、历史实测相位和历史精确相位，将相位样本数据集划分为相位样本训练集和相位样本测试集，构建回归网络，以相位样本训练集中的历史强度值和历史实测相位作为回归网络的输入数据，以相位样本训练集中的历史精确相位作为回归网络的输出数据，对回归网络进行训练，得到用于预测精确相位的初始回归网络，利用相位样本测试集对初始回归网络进行测试，输出满足预设测试准确度的回归网络作为相位补偿模型，所述回归网络具体为决策树回归模型、线性回归模型或神经网络模型中的一种；
需要说明的是，本实施例中历史强度值和历史实测相位可以直接获取，而历史精确相位的生成方式如下：
式中，Ape为历史精确相位，λ为入射光线的波长，n为被测溶质的折射率，d为在被测溶液中行进的距离，u为权重系数，Spe为标准相位；
例如，需要得到母乳样本中乳糖的历史精确相位时，可以预先通过化学检测的方式确定母乳样本中乳糖的含量，已知乳糖含量，再根据斯涅尔定律确定乳糖的折射率，n为入射光线在母乳样本中行进距离，λ为入射光线的波长，可以理解的是，本实施例中权重系数u是根据微型折光检测模块6的结构进行设置；
本实施例中通过相位补偿模型对实测相位进行补偿，获得预测精确相位，从而计算出更加准确的相位差，再根据相位差获得准确的乳糖含量。
上述公式均是去量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最近真实情况的一个公式，公式中的预设参数、权重以及阈值选取由本领域的技术人员根据实际情况进行设置。
上述实施例，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或其他任意组合来实现。当使用软件实现时，上述实施例可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令或计算机程序。在计算机上加载或执行所述计算机指令或计算机程序时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以为通用计算机、专用计算机、计算机网络或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线网络或无线网络方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集合的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)或者半导体介质。半导体介质可以是固态硬盘。
本领域普通技术人员可意识到，结合本发明中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其他的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其他的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种基于多光谱同时检测的母乳成分快速分析装置，其特征在于：包括样品室(1)，样品室(1)的内部连通有红外比色皿(2)，红外比色皿(2)的内部开设有检测腔体，检测腔体内部连接有隔膜(8)，隔膜(8)将检测腔体分隔为红外检测腔(21)和折光检测腔(22)，还包括光源组件(3)、热电堆温度传感器(4)、红外探测模块(5)、微型折光检测模块(6)和主控电路板(7)，主控电路板(7)包括有中央处理模块(71)：
光源组件(3)设置于红外比色皿(2)的一侧，用于向红外检测腔(21)内部的母乳同时发射不同波长的红外光；
红外探测模块(5)设置于红外比色皿(2)的另一侧，用于接收来自光源组件(3)发射的红外线，并获取母乳组分信息，所述母乳组分信息为脂肪实测含量、蛋白质实测含量和水分实测含量；
热电堆温度传感器(4)用于获取红外检测腔(21)内部母乳的温度值；
微型折光检测模块(6)用于获取折光检测腔(22)内部母乳的乳糖实测含量；
中央处理模块(71)将脂肪实测含量、蛋白质实测含量、水分实测含量和乳糖实测含量组成含量实测集合，并将含量实测集合和温度值输入到含量补偿模型中，获取含量补偿模型输出的含量精确集合，所述含量精确集合包括脂肪精确含量、蛋白质精确含量、水分精确含量和乳糖精确含量。
2.根据权利要求1所述的基于多光谱同时检测的母乳成分快速分析装置，其特征在于：隔膜(8)包括亲水膜(81)和疏水膜(82)，疏水膜(82)固定连接在亲水膜(81)底端。
3.根据权利要求1所述的基于多光谱同时检测的母乳成分快速分析装置，其特征在于：光源组件(3)包括半球形壳体(31)，半球形壳体(31)的内部设置有多个红外光源(32)，多个红外光源(32)采用不同的脉冲频率。
4.根据权利要求3所述的基于多光谱同时检测的母乳成分快速分析装置，其特征在于：多个红外光源(32)均安装于同一个球面上，各个红外光源(32)的发射方向均指向球心，球心的对侧为红外探测模块(5)的面元中心，红外探测模块(5)通过面元中心将红外光接收。
5.根据权利要求3所述的基于多光谱同时检测的母乳成分快速分析装置，其特征在于：红外比色皿(2)的材质具有红外光可穿透性，红外光源(32)向红外检测腔(21)的方向发射红外光，红外光穿过母乳并穿出红外比色皿(2)。
6.根据权利要求1所述的基于多光谱同时检测的母乳成分快速分析装置，其特征在于：热电堆温度传感器(4)设置于红外比色皿(2)的一侧，并且位于红外探测模块(5)的上方，热电堆温度传感器(4)对母乳进行非接触式温度测量。
7.根据权利要求1所述的基于多光谱同时检测的母乳成分快速分析装置，其特征在于：微型折光检测模块(6)包括发光二极管(61)、准直透镜(62)、分光片(63)、第一会聚透镜(64)、第一硅光二极管探测器(65)、折光棱镜(66)、V形遮光板(67)、第二会聚透镜(68)和第二硅光二极管探测器(69)。
8.根据权利要求1所述的基于多光谱同时检测的母乳成分快速分析装置，其特征在于：含量补偿模型的训练过程为：获取母乳成分样本数据集，所述母乳成分样本数据集中包括含量实测集合、温度值、含量精确集合，将母乳成分样本数据集划分为母乳成分样本训练集和母乳成分样本测试集，构建回归网络，以母乳成分样本训练集中的含量实测集合和温度值作为回归网络的输入数据，以母乳成分样本训练集中的含量精确集合作为回归网络的输出数据，对回归网络进行训练，得到用于预测含量精确集合的初始回归网络，利用母乳成分样本测试集对初始回归网络进行测试，输出满足预设测试准确度的回归网络作为含量补偿模型。
9.根据权利要求7所述的基于多光谱同时检测的母乳成分快速分析装置，其特征在于：光线经过准直透镜(62)进行聚焦，所述光线由发光二极管(61)发出，照射到分光片(63)的表面，一部分光线被分光片(63)反射到第一会聚透镜(64)，另一部分光线通过准直透镜(62)的引导，通过折光棱镜(66)进入到折光检测腔(22)中，主控电路板(7)还包括相位补偿模块(72)。
10.根据权利要求9所述的基于多光谱同时检测的母乳成分快速分析装置，其特征在于：实测相位进行补偿的方式为：
第一硅光二极管探测器(65)用于获取反射光线的强度值，所述反射光线为分光片(63)向第一会聚透镜(64)反射的光线；
第二硅光二极管探测器(69)用于获取入射光线的实测相位，所述入射光线为通过分光片(63)进入到折光棱镜(66)内部的光线；
相位补偿模块(72)将强度值和实测相位输出到相位补偿模型中，获取相位补偿模型输出的预测精确相位，根据预测精确相位与标准相位之差获得乳糖实测含量，所述标准相位为光线进入到折光棱镜(66)内部后，直接从折光棱镜(66)的内部反射而出，光线途中并不进入到任何溶液中，最后第二硅光二极管探测器(69)获取的光线相位为标准相位。
11.根据权利要求10所述的基于多光谱同时检测的母乳成分快速分析装置，其特征在于：相位补偿模型的训练过程为：获取相位样本数据集，所述相位样本数据集中包括历史强度值、历史实测相位和历史精确相位，将相位样本数据集划分为相位样本训练集和相位样本测试集，构建回归网络，以相位样本训练集中的历史强度值和历史实测相位作为回归网络的输入数据，以相位样本训练集中的历史精确相位作为回归网络的输出数据，对回归网络进行训练，得到用于预测精确相位的初始回归网络，利用相位样本测试集对初始回归网络进行测试，输出满足预设测试准确度的回归网络作为相位补偿模型。
12.根据权利要求11所述的基于多光谱同时检测的母乳成分快速分析装置，其特征在于：历史精确相位的生成方式如下：
式中，Ape为历史精确相位，λ为入射光线的波长，n为被测乳糖的折射率，d为在被测母乳中行进的距离，u为权重系数，Spe为标准相位。
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Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN201532362U (zh) * | 2009-11-10 | 2010-07-21 | 哈尔滨理工大学 | 激光鲜乳乳糖成分测定仪 |
| RU2410671C1 (ru) * | 2009-11-12 | 2011-01-27 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Новые Энергетические Технологии" | Спектрометрический экспресс-анализатор показателей качества молока и молочного напитка |
| CN102435580A (zh) * | 2011-12-23 | 2012-05-02 | 吉林大学 | 近红外牛奶成分快速测量装置与方法 |
| CN108572153A (zh) * | 2017-03-07 | 2018-09-25 | 泰安市康宇医疗器械有限公司 | 一种便携式母乳分析仪 |
| CN108760671A (zh) * | 2018-05-29 | 2018-11-06 | 上海贝高医疗科技有限公司 | 一种母乳红外检测装置 |
| KR20190104298A (ko) * | 2019-09-02 | 2019-09-09 | 건국대학교 글로컬산학협력단 | 모유 분석 장치 |
| CN113607676A (zh) * | 2021-08-04 | 2021-11-05 | 淮北师范大学 | 基于异形比色皿和近红外图像的牛奶成分快速检测方法 |
| CN114324245A (zh) * | 2021-11-15 | 2022-04-12 | 西安电子科技大学 | 基于部分相干结构光照明的定量相位显微装置和方法 |
| CN114414521A (zh) * | 2022-01-20 | 2022-04-29 | 淮北师范大学 | 基于红外多光谱传感器的牛奶主要成分测量方法 |
| US20220364920A1 (en) * | 2019-09-18 | 2022-11-17 | Roumiana Tsenkova | Spectroscopic analyzer and spectroscopic analysis method |
| CN116297228A (zh) * | 2023-04-12 | 2023-06-23 | 曲阜师范大学 | 一种相位补偿超灵敏偏光干涉仪 |
-
2023
- 2023-11-02 CN CN202311444168.7A patent/CN117470801B/zh active Active
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN201532362U (zh) * | 2009-11-10 | 2010-07-21 | 哈尔滨理工大学 | 激光鲜乳乳糖成分测定仪 |
| RU2410671C1 (ru) * | 2009-11-12 | 2011-01-27 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Новые Энергетические Технологии" | Спектрометрический экспресс-анализатор показателей качества молока и молочного напитка |
| CN102435580A (zh) * | 2011-12-23 | 2012-05-02 | 吉林大学 | 近红外牛奶成分快速测量装置与方法 |
| CN108572153A (zh) * | 2017-03-07 | 2018-09-25 | 泰安市康宇医疗器械有限公司 | 一种便携式母乳分析仪 |
| CN108760671A (zh) * | 2018-05-29 | 2018-11-06 | 上海贝高医疗科技有限公司 | 一种母乳红外检测装置 |
| KR20190104298A (ko) * | 2019-09-02 | 2019-09-09 | 건국대학교 글로컬산학협력단 | 모유 분석 장치 |
| US20220364920A1 (en) * | 2019-09-18 | 2022-11-17 | Roumiana Tsenkova | Spectroscopic analyzer and spectroscopic analysis method |
| CN113607676A (zh) * | 2021-08-04 | 2021-11-05 | 淮北师范大学 | 基于异形比色皿和近红外图像的牛奶成分快速检测方法 |
| CN114324245A (zh) * | 2021-11-15 | 2022-04-12 | 西安电子科技大学 | 基于部分相干结构光照明的定量相位显微装置和方法 |
| CN114414521A (zh) * | 2022-01-20 | 2022-04-29 | 淮北师范大学 | 基于红外多光谱传感器的牛奶主要成分测量方法 |
| CN116297228A (zh) * | 2023-04-12 | 2023-06-23 | 曲阜师范大学 | 一种相位补偿超灵敏偏光干涉仪 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 王磊;康俊巍;刘顺顺;王丽英;朱生伟;: "乳品分析仪在乳及乳制品快速检测中的应用", 轻工科技, no. 12, 23 December 2013 (2013-12-23), pages 111 - 112 * |
| 田晓华;常彦琴;于助;沈涛;姬广举;: "光折射法快速测量牛乳乳糖质量分数研究", 黑龙江八一农垦大学学报, no. 05, 31 October 2011 (2011-10-31), pages 64 - 67 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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