CN1194225C - 超声波牛奶成份分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波牛奶成份分析仪。它包括：AT89C52单片机，由液晶显示器、按键、RS232标准接口组成的人机接口，EEPROM存储单元，液泵，由超声波探头、温度控制电路、振荡电路、功放电路、阈值检测电路组成的检测系统。本发明的优点是：采用精密温度调节电路，适应了较宽的样品测试温度范围(15-40℃)；采用振荡电路和放大电路产生一定频率和电压的发射信号，克服了牛奶黏度产生的超声波衰减影响；利用超声波检测技术，采用多重线形回归方程对多相液体成分进行分析，一次性检测分析牛奶中的脂肪、蛋白质、非脂乳固体、密度、冰点和加水率。

Description

超声波牛奶成份分析仪

                          技术领域

本发明涉及超声波检测技术，是一种超声波牛奶成份分析仪。

                          背景技术

牛奶成分分析是进行原奶收购按质论价和生产过程产品质量监控的必须环节。传统的牛奶成分分析是采用化学分析技术，需要分别对牛奶的脂肪、固形物、密度、蛋白质含量进行化学分析。其中脂肪含量的分析是利用脂肪与其他成分密度不同，利用乳脂分离机分离后确定的；固形物含量则是采用干燥后称重的方法测定；密度采用密度计测定；蛋白质采用凯氏定氮法测定。整个分析过程往往需要耗费1-2天时间，费时费力，同时需借助于各种化学试剂、定氮仪、干燥箱、密度计、乳脂分离机等多种化学分析仪器装置，操作复杂，随机误差高，不利于产品质量的监控和生产管理。

红外线牛奶成分快速检测分析技术是利用滤镜处理光源，使产生一定波长范围内的红外线，利用分子振动频率与照射波长会将该波长吸收的性质，根据照射后得到的不同吸收光谱，对牛奶成分进行检测分析。目前应用的技术主要是近红外和中红外技术。这种检测方法应用的是光学原理，对系统要求复杂，实现的成本较高。

                          发明内容

本发明的目的是提供一种超声波牛奶成份分析仪，是利用超声波在媒质中传播时，媒质的声传播速度、声衰减和声阻抗等超声量都和媒质的特性和状态有关，因此，通过测量这些声学量，就能了解被测媒质的特性和成分的变化，就可以进行牛奶的成分分析。

本发明采用的技术方案如下：

1.超声波牛奶成份分析仪包括：AT89C52单片机，由液晶显示器、按键、RS232标准接口组成的人机接口，EEPROM存储单元，液泵，由超声波探头、温度控制电路、振荡电路、功放电路、阈值检测电路组成的检测系统，

1)液晶显示器、按键通过输入/输出接口、标准接口通过串行接口与单片机连接；

2)存储单元为程序和固定参数的存放；

3)中央处理器CPU控制振荡电路产生等幅脉冲波，经功放电路放大后接超声波探头的发射端，超声波探头的接收端经阈值检测电路其比较输出反馈信号经振荡电路接中央处理器CPU；

4)超声波探头包括外面绕有加热线圈、两端面装有压电晶体及两端开有进、出口管道的检测管，压电晶体的两侧分别经引线一端接功放电路、另一端与阈值比较电路连接，加热线圈组成加热回路后接温度控制电路。

2.所说的温度控制电路，为桥式温度控制电路，其采样电压与加热线圈电压经比较器LM393输出信号给触发器74AC74和单片机，输出加热工作信号接超声波探头的加热线圈。

3.振荡电路，包括振荡信号产生的门电路和振荡调谐电路组成，门电路接单片机和功放电路，振荡调谐电路接反馈调谐信号。

4.功放电路，为电感储能放大电路。

5.阈值检测电路，一部分为高频超声波放大器，由通用单片FM/AM收音机集成电路TA7613AP和外围电路构成，另一部分为触发器LM324。

声传播特性的检测是利用发射与接收信号的混频技术，使反馈信号与发射信号迭加后引起发射信号频率变化，通过测定信号频率的变化来获取超声传播特性。超声波发射电路由振荡电路产生等幅脉冲波，同时利用反馈控制信号对振荡信号进行自动调谐，振荡信号经放大电路放大产生较高的发射电压，激发压电晶体产生超声振动。接收电路接收的信号通过门电路进行阈值比较，输出信号与振荡信号发生混频，引起振荡信号频率变化。超声波发射与接收都由CPU控制，超声波发射与接收信号的经过双稳阈值检测电路形成一个方波脉冲，根据方波宽度与牛奶成分间的关系，通过多重线性回归方程得出牛奶的脂肪、非脂乳固体、密度、蛋白质含量，同时用经验公式计算冰点和加水率。

本发明的优点是：

1)利用超声波检测技术，采用多重线形回归方程对多相液体成分进行分析，一次性检测分析牛奶中的脂肪、蛋白质、非脂乳固体、密度、冰点和加水率；

2)采用精密温度调节电路，适应了较宽的样品测试温度范围(15-40℃)；

3)采用振荡电路和放大电路产生一定频率和电压的发射信号，克服了牛奶黏度产生的超声波衰减影响。

                          附图说明

图1是本发明的结构原理框图；

图2是温度控制电路原理图；

图3是振荡电路电路原理图；

图4是功放电路原理图；

图5是阈值检测电路原理图；

图6是超声波探头结构原理图；

图7是图6的俯视图；

图8是超声波探头电路连接示意图；

图9是本发明的程序流程图。

                          具体实施方式

如图1、图6、图7、图8所示，本发明包括：AT89C52单片机1，由液晶显示器2、按键3、RS232标准接口4组成的人机接口，EEPROM存储单元5，液泵6，由超声波探头7、温度控制电路8、振荡电路9、功放电路10、阈值检测电路11组成的检测系统。

1)液晶显示器2、按键3通过输入/输出接口、标准接口4通过串行接口与单片机1连接；

2)存储单元5为程序和固定参数的存放；

3)中央处理器CPU控制振荡电路9产生等幅脉冲波，经功放电路10放大后接超声波探头7的发射端，超声波探头7的接收端经阈值检测电路11其比较输出反馈信号经振荡电路9接中央处理器CPU；

4)超声波探头7包括外面绕有加热线圈7.6、两端面装有压电晶体7.2及两端开有进、出口管道7.5的检测管，压电晶体7.2的两侧分别经引线一端接功放电路10、另一端与阈值比较电路11连接，加热线圈7.6组成加热回路后接温度控制电路8。

图2温度控制电路：温度控制电路有两个功能，一是可以根据程序要求，由CPU控制加热线圈驱动电路的开/关；二是由CPU控制加热信号脉宽，以适应不同的加热速度，获得不同的加热效果，实现测试样品温度的调节控制。热敏电阻Rf感受温度变化后，由CPU温度控制信号控制进行电压采样，采样电压8.1与加热线圈电压8.3经比较器LM393比较后输出信号给触发器74AC74，触发控制加热线圈开启。同时输出控制使能信号给单片机1，由单片机判别控制加热线圈的加热信号的脉宽，输出加热控制信号给触发器74AC74，与比较电路的输出信号共同触发输出加热电路工作信号8.2到加热线圈7.6，实现温度的精确调节。

图3为振荡电路。振荡电路由振荡信号产生电路和调谐电路两部分组成。

门电路9.1产生振荡信号，同时由振荡调谐电路9.2根据反馈控制信号11.1使振荡信号的频率自动调谐。超声波发射器所接收到的信号源产生方式：电路开关后，由此电路产生等幅脉冲波，CPU它根据程序要求，适时开与关控制振荡信号的产生，同时提供调谐后的脉冲信号给功放电路10。

图4为功放电路：一般的超声波检测电路在发射端只设置主控振荡器或脉冲发射器触发超声波换能器振荡，由于牛奶是具有较高黏度的介质，为了防止由于粘性造成的超声衰减，因此利用功放电路使发射端在一定的电压条件下发射，克服牛奶粘性引起的衰减影响，以保证获得可靠的接收信号。功放电路采用简单实用的电感储能放大电路形式，将振荡电路9过来的振荡信号进行电压放大，使提供一定的频率和电压的振荡信号触发超声波探头发射超声波信号。

图5为阈值检测电路：阈值检测电路由两部分组成，一部分为高频超声波放大器，由通用单片FM/AM收音机集成电路TA7613AP和外围电路构成，另一部分为触发器LM324。超声波接收信号经集成电路放大，达到一定电压值后，使触发器LM324产生脉冲输出到单片机1。

图6、图7所示，为超声波探头的结构原理图：超声波探头由压电晶体7.2、基座7.3、接线板7.1、检测管7.4组成。压电晶体7.2由环氧树脂黏结在基座7.3上组成超声波换能器组件，基座7.3为高分子材料环氧树脂，基座7.3为中间有圆形凹槽的圆片。超声波换能器组件用黏结剂与检测管相联结，检测管7.4与接线板7.1为焊接。检测管7.4为铜管，以利于传热，管外为加热线圈7.6，对检测样品进行加热和恒温控制。检测管两端有样品的进出口连接管7.5。

图8为超声波探头电路连接图：压电晶体7.2接线分别由两侧引出连接到接线板接口a、b和e、f端口，端口a接功放电路10，端口e与阈值比较电路11相连接，端口b、f接地。加热线圈g、h端口相通组成一加热回路，同时由8端口连接热敏电阻Rf，提供采样电压8.1给温度控制电路。端口3接加热线圈电压8.3，加热线圈工作由温度控制电路8提供一定脉宽的加热电路工作信号8.2通过端口4驱动。

本发明的工作过程根据设定，分为两个阶段。在开机时，设置有预热阶段。在预热过程中根据程序设定，对各个功能模块(显示、通讯、超声波发射与接收、温度控制)进行巡检，确定是否进入正常工作状态，若检测系统某一功能模块出现非正常工作信号，将显示故障代码。在确定各部分工作正常后，进入检测阶段，当按键发出检测指令后，CPU根据程序设定，按以下顺序进行整个检测过程的工作：进样——预热——发射超声波——接收超声波——阈值检测——频率混频——脉宽计算——数值拟合——结果显示，在检测过程中同时还进行温度控制，使恒定在一定测试温度范围内，另外测试过程中还能及时判别异常样品情况并停止测定。除此之外，测试程序还根据需要设定了标定模块，可以在使用一定时间后矫正系统的零漂。整个系统的程序流程图如图9所示。

Claims (5)

1.一种超声波牛奶成份分析仪，其特征在于它包括：AT89C52单片机(1)，由液晶显示器(2)、按键(3)、RS232标准接口(4)组成的人机接口，EEPROM存储单元(5)，液泵(6)，由超声波探头(7)、温度控制电路(8)、振荡电路(9)、功放电路(10)、阈值检测电路(11)组成的检测系统，

1)液晶显示器(2)、按键(3)通过输入/输出接口、标准接口(4)通过串行接口与单片机(1)连接；

2)存储单元(5)为程序和固定参数的存放；

3)中央处理器CPU控制振荡电路(9)产生等幅脉冲波，经功放电路(10)放大后接超声波探头(7)的发射端，超声波探头(7)的接收端经阈值检测电路(11)其比较输出反馈信号经振荡电路(9)接中央处理器CPU；

4)超声波探头(7)包括外面绕有加热线圈(7.6)、两端面装有压电晶体(7.2)及两端开有进、出口管道(7.5)的检测管，压电晶体(7.2)的两侧分别经引线一端接功放电路(10)、另一端与阈值比较电路(11)连接，加热线圈(7.6)组成加热回路后接温度控制电路(8)。

2.根据权利要求1所述的一种超声波牛奶成份分析仪，其特征在于：所说的温度控制电路(8)为桥式温度控制电路，其采样电压(8.1)与加热线圈电压(8.3)经比较器LM393输出信号给触发器74AC74和单片机(1)，输出加热工作信号(8.2)接超声波探头的加热线圈(7.6)。

3.根据权利要求1所述的一种超声波牛奶成份分析仪，其特征在于：所说振荡电路(9)，包括振荡信号产生的门电路(9.1)和振荡调谐电路(9.2)组成，门电路(9.1)接单片机(1)和功放电路(10)，振荡调谐电路(9.2)接反馈调谐信号。

4.根据权利要求1所述的一种超声波牛奶成份分析仪，其特征在于：所说的功放电路(10)为电感储能放大电路。

5.根据权利要求1所述的一种超声波牛奶成份分析仪，其特征在于：所说的阈值检测电路(11)，一部分为高频超声波放大器，由通用单片FM/AM收音机集成电路TA7613AP和外围电路构成，另一部分为触发器LM324。

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