CN1189736C

CN1189736C - 一种牛奶成份检测仪

Info

Publication number: CN1189736C
Application number: CN 01145157
Authority: CN
Inventors: 徐可欣
Original assignee: TIANDA OPTICAL SPECTRUM TECHNOLOGY CO LTD BEIJING
Current assignee: TIANDA OPTICAL SPECTRUM TECHNOLOGY CO LTD BEIJING
Priority date: 2001-12-31
Filing date: 2001-12-31
Publication date: 2005-02-16
Anticipated expiration: 2021-12-31
Also published as: CN1392401A

Abstract

本发明公开了一种牛奶成分检测仪，它包括光源、晶体、检测放大器、光纤、测头、信号放大器、中央处理器和驱动器，所述驱动器由智能锁相环电路和电流功率放大输出电路组成，所述智能锁相环电路由鉴相低通滤波器、D/A转换器、加法器、压控振荡器、除N分频控制器、微处理器组成，所述微处理器依次与D/A转换器、加法器、压控振荡器、除N分频控制器连接，所述微处理器分别与除N分频控制器、鉴相低通滤波器连接，所述鉴相低通滤波器分别与加法器和压控振荡器连接，所述压控振荡器与所述电流功率放大输出电路中的前置放大器连接。本发明适用于牛奶收购现场快速检验牛奶成分的需要。

Description

一种牛奶成份检测仪

技术领域

本发明属于：食品加工检测仪器类，尤其涉及牛奶成份检测仪器

背景技术

在牛奶的收购和生产管理过程中，牛奶成分的检测有着重要的意义。正确快速检测牛奶成份含量，不仅可以为产品的质量控制提供适时的：掌握和指导，而且对动物的优良培育也可提供科学的参考。所以一种快速、稳定的牛奶成分检测仪器有着广阔的应用前景。

因为牛奶中脂肪、蛋白质、乳糖、固形物等成分对光具有吸收特性，所以人们通常采用近红外分光测量。现代红外光谱检测仪器很多，但从仪器的分光类型石，可分为4种主要类型：

1、声光可调谐滤波器(AOTF)，虽具尺寸小，无机械移动件，有坚固耐用的特点；但由于它足应用了电信号的变化进行分光，所以测量速度虽较快。但仍不能满足牛奶成份快速检测的需要。

2，干涉滤光片的组合，由于其波长少，测量精度低且不利于测量项目的扩展，分光测量时间也较长，故而在实际中较少使用。

3、光栅分光，山于采用机械扫描，分光测量时间仍较长，因而在实际中也较少使用。

4，傅立叶变换分光，因测量时间长、光谱范田窄，所需设备庞大，费用昂贵，所以在实际中不常使用。

通常牛奶成份检测仪，是由光源、晶体、检测放大器、光纤、测头、信号放大器、中央处理器合驱动器构成的。其中的驱动器是用来产生和输出分光所需高频电信号的一种主要器件。而目前的声光可调谐滤波器(AoTP)的驱动器，是由锁相环环路和电流功率放大输出电路组成的。其中的锁相环环路由鉴相器，低通滤波器，压控振荡器用导体顺序连接，除N分频器用导体其一端与鉴相器连接，另一端与压控振荡器的输出端连接，用于输出较低速的高频电信号。其中的电流功率放大输出电路，由电流倍增器、前置放大器、功率放大器、RF输出接口用导体顺序连接组成；电流倍增器并由导体与压控振荡器的输出端连接，用于将压控振荡器输出的低速高频电信号进行电流和功率的放大处理。由于在鉴相器、低通滤波器、压控振荡器及除N分频器组成的传统锁相环中，当频率合成在转换频率时，需要一定时间的调整才能再次被锁定。且锁定时间的长短是由环路的自然频率经低通滤波和跳变频率的间隔来决定的。通过合理优化设计只能使其接近自然频率的限制，没有可能使其低于这一限制。并且在大幅度频率跳变时，由于压控振荡器的输出频率和输入电压基本成正比，电压越大时，频率差越大，所需锁定时间也就越长，其锁定时间长达几百微秒甚至毫秒，这极大地限制了频率扫描速度的提高，同时也影响了高频电信号输出的质量、时间和分光速度。此外，由于采用一般计算机，缺乏灵活的现场使用和手控调节，其成本高，操作也较复杂。因而在牛奶的收购和生产管理过程中，不能及时和快速检测牛奶的成分，给许多工作都带来不利的影响，很难适用牛奶收购现场快速检测牛奶成份的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种牛奶成份快速检测仪，可提高检测牛奶的速度和时间及质量标准，适合收购或生产现场需用小型高精度的牛奶检测仪器的需要。

本发明的目的是这样实现的，

一种牛奶成分检测仪，包括光源、晶体、检测放大器、光纤、测头、信号放大器、中央处理器和驱动器，其特征是，所述驱动器由智能锁相环电路和电流功率放大输出电路组成，所述智能锁相环电路由鉴相低通滤波器、D/A转换器、加法器、压控振荡器、除N分频控制器、微处理器组成，所述微处理器依次与D/A转换器、加法器、压控振荡器、除N分频控制器连接，所述微处理器分别与除N分频控制器、鉴相低通滤波器连接，所述鉴相低通滤波器分别与加法器和压控振荡器连接，所述压控振荡器与所述电流功率放大输出电路中的前置放大器连接。

所述电流功率放大输出电路由前置放大器、功率放大器、RF输出接口依次连接组成。

输出可调高频电信号，适用牛奶收购现场快速检测牛奶成份的需要。

由于本发明采用了以上的技术方案，因而牛奶成份快速检测仪具有：

1，在牛奶成份检测时，可快速进行分光波长的调整和转换；

2，可输出30-90MHz的宽广扫描频率，满足牛奶成份快速检时对质量和时间的要求；

3，在牛奶成份快速检测时，可灵活进行高频电信号频率的扫描，且其数量、间隔、时间、循环、驱动功率等都可灵活调整，快速调制；

4，大屏幕显示，粗、精调整相结合，牛奶成份快速检测结果一目了然。

附图说明

图1是本发明的牛奶成份检测仪中驱动器的智能锁相环电路的原理示意图；

图2是本发明的牛奶成份检测仪中驱动器的电路原理示意图；

图3是本发明的牛奶成份检测仪在牛奶检测工作时的原理示意图。

其中：

1、光源 2、聚光镜A 3、反光镜

4、晶体 5、聚光镜B 6、分光镜

7、光纤端口A 8、光纤端口B 9、光纤

10、测头 11、测量容器 12、牛奶

13、检测放大器A 14、检测放大器B 15、信号放大器

16、中央处理器 17、电源 18、驱动器

19、控制面板 20、显示器 21、D/A转换器

22、RF输出 23、加法器 24、压控振荡器

25、鉴相低通滤波器 26、除N分频控制器 27、前置放大器

28、功率放大器 29、微处理器

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施作如下说明：

在图1中，驱动器18内设置的智能锁相环环路由加法器23、D/A转换器21、微处理器29、鉴相低通滤波器25、除N分频控制器26组成，用于牛奶成份检测时快速产生和输出可调高频电信号。其加法器23、D/A转换器21、微处理器29由导体顺序连接；加法器23并设置在鉴相低通滤波器25与压控振荡器24连接导体中。微处理器29还分别由导体与鉴相低通滤波器25及除N分频控制器26连接。

在图2中，驱动器18内设置的控制电路，由智能锁相环环路电路和电流功率放大输出电路用导体连接构成。

其中，智能锁相环环路电路由图1所述，是由加法器23、D/A转换器21、微处理器29、鉴相低通滤波器25、除N分频控制器26组成的，用于牛奶成份检测时快速产生和输出可调高频电信号。其加法器23、D/A转换器21、微处理器29由导体顺序连接；加法器23并设置在鉴相低通滤波器25与压控振荡器24连接导体中。微处理器29还分别由导体与鉴相低通滤波器25及除N分频控制器26连接。

电流功率放大输出电路，其由前置放大器27、功率放大器28、RF输出接口22用导体顺序连接组成，用于将压控振荡器24输出的快速高频电信号进行电流和功率的放大处理。

由上所述的驱动器控制电路，其一端还与控制面板19上各控制开关(如键盘、按钮开关等)连接，用于接受外界调控指令。

在驱动器18内设置的控制电路中，

1，微处理器29：用于牛奶成份快速检测时，对驱动器18进行管理和控制中枢。

2，D/A转换器器21：可采用2路8位数/数模转换器，其中一路用于跳频电压值放大，另一路用于输出增益值放大。

3，压控振荡器24：用于振荡频率随压控电压线性变化，在牛奶成份快速检测时，可产生和输出30——90MHz的高频电信号。

4，鉴相低通滤波器25：用于牛奶成份快速检测时，控制压控电压值。

5，除N分频控制器26：用于牛奶成份快速检测时，将来自压控振荡器24输入的nf0高频电信号进行n分频后，与标准频率f0比较鉴相，其频差信号经低通滤波器送至压控振荡器，进而完成高频电信号的锁相功能。

6、前置放大器27：用于牛奶成份快速检测时完成信号的初级放大。

7、功率放大器28：用于前置放大器27输入信号的功率放大。

本发明在传统锁相环环路中加入一电压加法器23等，其加法器23有两个输入端和一个输出端。其关系为VA+VB＝Vc。

其中，VA为鉴相低通滤波器25输出，VB为D/A转换器21输出。频率合成的分频比值接决定输出频率。分频比一般是由微处理器29控制的。如果在微处理器29中对应每一个分频比相应地储存一个D/A数椐，改变分频比调节输出频率时，同时也改变了这个D/A值，使压控振荡器24的控制电压跳变到等于或接近下一个跳变频率所需的电压值，然后让锁相环路完成余下的自然锁定过程，即可大大缩短传统环路的锁定时间。

实际控制过程中并不需要对每一个分频比输出不同的D/A电压。应视要求可以分段输出不同的D/A电压。例如频率合成工作在30-90MHz、步长为5KHz时，可以设置60个不同的D/A电压对应30-89MHz，在1MHz范围内共用同一个D/A电压。再如频率合成工作在55.555MH时，D/A的输出电压为55MHzHz时的对应值，环路自动锁定到精确的55.555MHz。如跳变到85.105M时，D/A电压首先从55MHz对应的电压跳变到85MHz对应的电压，环路自然锁定到85.105M。

D/A值一般可以可方便地在实际过程中测到。

本发明的核心——“智能化锁相环”的实质，就是应用计算机技术及D/A转换器技术，将大范围频率跟踪通过数/模转换而得以快速实现。它的快速频率跟踪为多种应用奠定了良好的基础。本发明的高频声光可调谐滤波器的驱动器频率锁定时间之所以快于传统的声光可调谐滤波器的驱动器及其传统的锁相环，是因为采用了D/A转换器21，其速度仅为25微妙。这样，超大范围内整数频率差(例如几十兆赫兹)的跟踪就可在几十微妙内完成；而小于1兆赫兹的频率残差，可通过传统的锁相方式来完成；频率跟踪的总和时间也仅为100微妙左右，其频率锁定时间缩短了近10倍

在图3中，本发明的牛奶成份快速检测仪，在牛奶测量工作时的原理说明如下：

在牛奶成份快速检测中，牛奶成份快速检测仪由光源1、聚光镜A2、反光镜3、晶体4、聚光镜5、分光镜6、光纤端口A7、光纤端口B8、光纤9、测头10、检测放大器A13、检测放大器B14、信号放大器15、中央处理器16、电源17、驱动器18、显示器20组成。其中，

1，光源1：可采用溴钨灯作为该系统的光源，特点是其光谱覆盖了全部近红外的范围，而且该光源在近红外范围内，光谱均一、稳定，是较理想的近红外全谱光源。其溴钨灯电源电压为12v，功率为50W为好。

2，驱动器18：与以往的分光方式不同，本发明采用了图1、图2所述的设置有先进的智能锁相环环路电路构成的AOTF(Acousto-ptic Tunabie Filter)声光可调谐滤光器分光技术，只需改变驱动晶体4高频电信号的频率即可达到快速分光的效果。在一定频率范围内快速、连续的扫描可获得所需光谱范围内快速切换而连续的单色光。这种分光方式的特点是波长切换快，重现性好，光学系统无移动性部件，且程序化的波长控制使其应用具有更大的灵活性。本发明中AOTF高频电信号的产生是采用智能锁相环环路电路构成的AOTF(Acousto-optic Tunabie Filter)驱动器，输出的是经调制的高频电信号，经晶体分光后可得到调制的单色光。晶体可采用TeO₂晶体。

3，测头10：采用光纤作为测头。驱动器18分出的单色光经由输出光纤9传递到牛奶被测物，再由牛奶被测物经漫反射后由输入光纤拾取并向后级传递。采用光纤作为测头的优点在于：机构简单，使用、操作灵活，便于在多种场合应用。

4，检测放大器A13、检测放大器B14：检测放大器A13为参考光检测放大器，检测放大器B14为信号光检测放大器。检测放大器B14由接受光纤拾取并传递含有牛奶被测物信息的光信号，经投射到检测放大器的受光表面后，在检测放大器A13、检测放大器B14输出端可得到与其输入光强相对应的电信号。检测放大器A13、检测放大器B14的作用就是将光信号转换为相应的电信号，输出至信号放大器15。本发明采用铟镓砷为光电检测器件，在所需的光谱范围内有良好的响应度和线性度，并有噪音低的特点。

5，信号放大器15：从检测放大器A13、检测放大器B14的输入中，取出微弱的电信号中的交流成分，经由低噪声、低漂移、线性度良好放大后，并进一步抑制了噪声。经过处理的信号再输出给中央处理器16。

6，中央处理器16：在本发明中，中央处理器16控制牛奶的起始测量。首先，中央处理器16控制AOTF驱动器18产生AOTF分光所对应的高频频率。其由导线与信号放大器15连接，将检测放大器A13、检测放大器B14检测到的牛奶测量数据及采集时间、采集点数、采集次数和采集速率进行光谱和数据的分析处理后，即可获得牛奶成分测量的精确数据，并可通过显示器20等显示其测量结果。其次，中央处理器16还兼控驱动器18，对晶体4输出所需高频电信号。

7，电源17，用于供给检测放大器A13、检测放大器B14、信号放大器15、中央处理器16、驱动器18等处所需电源。

在牛奶成份快速检测中，牛奶成份快速检测仪的检测工作过程如下：

首先由光源1发出入射光经聚光镜A2、反光镜3入射至晶体4，同时驱动器18在其内的微处理器29及中央处理器16的指令及控制下，产生高频电信号，输入晶体4。晶体4内的电声换能器将高频输入电信号(一般约为几十兆赫至二百兆赫之间)，转换为在晶体内的超声波振动，超声波产生了空间周期性的调制，其作用象一块位相光栅。当光源1的入射光照射到此光栅后将产生布喇格衍射，发射出+衍射光、—衍射光及未衍射光，其衍射光的波长与高频电信号的频率有着一一对应的关系。所以只要调节、改变快速高频声光可调谐滤波器的驱动器18输出信号的频率，即可改变衍射光的波长，进而也就达到了测量牛奶所需分光的目的。由此，晶体4出射的测量近红外光中的+衍射光或—衍射光，经聚光镜5、分光镜6、及光纤端口A7，传至光纤9及测量容器11中的测头10。置于测量容器11中的牛奶12其内的脂肪、蛋白质、乳糖、固形物等成分对近红外光具有吸收和散射特性，因而入射的近红外光在牛奶12中一边散射，一边被吸收，被减弱的光最后经光纤9输出至检测放大器B14，由此分别获得测量光信号，经信号放大器15放大处理后被中央处理器16采集。中央处理器16对采集输入的信号进行回归分析等一系列处理，即可得出牛奶中的脂肪、蛋白质、乳糖、固形物等成分的浓度。

本发明的牛奶成分检测仪，由于采用了先进的智能锁相环环路电路构成的AOTF(Acousto-optic Tunabie Filter)声光可调谐滤波器的驱动器18，并具有电子调制功能，所以它相对于经典的分光仪器具有速度快，无机械移动件，光谱范围宽，尺寸小等优点，其在牛奶测量中检测分光速度比目前的牛奶成分检测仪的分光速度提高近10倍，所以测量速度快，最高可实现4000波长/秒的转换速度，且具有良好的波长选择准确性和重复性等特点，因而非常适用于牛奶收购和生产管理过程中对牛奶成分浓度的快速监测和测量。

Claims

1.一种牛奶成份检测仪，包括光源、晶体、检测放大器、光纤、测头、信号放大器、中央处理器和驱动器，其特征是，所述驱动器由智能锁相环电路和电流功率放大输出电路组成，所述智能锁相环电路由鉴相低通滤波器、D/A转换器、加法器、压控振荡器、除N分频控制器、微处理器组成，所述微处理器依次与D/A转换器、加法器、压控振荡器、除N分频控制器连接，所述微处理器分别与除N分频控制器、鉴相低通滤波器连接，所述鉴相低通滤波器分别与加法器和压控振荡器连接，所述压控振荡器与所述电流功率放大输出电路中的前置放大器连接。

2.根据权利要求1所述的牛奶成份检测仪，其特征是，所述电流功率放大输出电路由前置放大器、功率放大器、RF输出接口依次连接组成。