CN202256155U - 基于生物超弱光子辐射的禽蛋新鲜度检测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的基于生物超弱光子辐射的禽蛋新鲜度检测仪，包括暗室，暗室内底部设置有样品台，暗室的两侧内壁上设置有半导体制冷片，样品台的一侧设置有温度传感器，在样品台上方位置设置有透镜，透镜上方设置有LED激发光源，在样品台的下方设置有电子快门，电子快门的下方设置有依次连接的光电倍增管、计数器、USB接口芯片及计算机，还包括单片机，单片机上分别连接有LED驱动模块、键盘和显示模块、恒温控制器及快门驱动模块，LED驱动模块与LED激发光源相连接，恒温控制器分别与样品台、半导体制冷片相连接，快门驱动模块与电子快门相连接。本实用新型检测仪，能实现无损检测，应用范围广泛、检测劳动强度小、效率高。

Description

基于生物超弱光子辐射的禽蛋新鲜度检测仪

技术领域

本实用新型属于生物光子技术领域，涉及一种禽蛋新鲜度检测仪，具体涉及一种基于生物超弱光子辐射的禽蛋新鲜度检测仪。

背景技术

禽蛋因富含高蛋白、维生素及矿物质等营养成分而被世界各国认为是天然营养品，是人类的主要食品之一。国内外禽蛋消费以新鲜鸡蛋为主，占总蛋品消费的90％以上。在禽蛋消费中，禽蛋新鲜度是衡量禽蛋品质的主要指标，禽蛋新鲜度的检测在禽蛋存储、运输、加工和销售中具有极为重要的意义。

目前国内外对禽蛋新鲜度的检测方法主要有两种，一是根据气味等外观指标来评价；二是通过对禽蛋的哈夫单位、气室高度、pH、蛋清折射率和蛋黄指数等生物学指标的测量来判断，其中哈夫单位是美国农业部提出的根据蛋白高度与禽蛋质量之间的回归关系计算出的一个指数，其被广泛用作蛋品新鲜度的评价指标。由于哈夫单位等生物学指标的获得需要人工通过测量禽蛋质量和浓蛋白高度，其检验结果受检验者实践经验等主观因素影响较大，而且测量周期长、工作强度大、检测效率低、属于破坏性测量，对于成批蛋品只能进行抽样测量，在使用过程中会造成漏检，极大地限制了该方法的应用。因此，如何利用各种高新技术实现禽蛋新鲜度快速、无损、准确地检测成为有关检测技术的发展方向。目前，研究涉及到利用可见光和近红外光反射或透射光强变化、电子鼻、机器视觉系统、蛋品的声学性质、电学性质和微波传感器等等，但是至今没有成熟的测量方法。

生物超弱光子辐射是生物系统中发出的一种准连续光子辐射，其携带着大量的生命信息，对禽蛋发出的生物超弱光子辐射的解读与测量可以实现对禽蛋新鲜度的分析与测量，目前未见有关测量仪器的出现。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种基于生物超弱光子辐射的禽蛋新鲜度检测仪，解决了现有禽蛋新鲜度检测不能实现无损检测，且应用范围小、检测劳动强度大和效率低的问题。

本实用新型所采用的技术方案是，基于生物超弱光子辐射的禽蛋新鲜度检测仪，包括暗室，暗室内底部设置有样品台，暗室的两侧内壁上设置有半导体制冷片，样品台的一侧设置有温度传感器，在样品台上方位置设置有透镜，透镜上方设置有LED激发光源，在样品台的下方设置有电子快门，电子快门的下方设置有依次连接的光电倍增管、计数器、USB接口芯片及计算机，还包括单片机，单片机上分别连接有LED驱动模块、键盘和显示模块、恒温控制器及快门驱动模块，LED驱动模块与LED激发光源相连接，恒温控制器分别与样品台、半导体制冷片相连接，快门驱动模块与电子快门相连接。

本实用新型的有益效果是，

(1)暗室内置大功率LED作为激发光源，可选颜色有红色、蓝色、绿色。加入了LED快速关断电路，保证LED快速熄灭；

(2)采用光子计数型光电倍增管采集超弱发光信号，灵敏度高，响应快，噪声低。可探测波长范围在300～650nm，光阴极光照灵敏度小于10μA/1m，能够检测到10^-15W的光强，测量10^-13W的微弱光，能够给出1-2万次/秒的计数率；

(3)在光电倍增管前加装电子快门，在激发光源照射样品时自动关闭快门保护光电倍增管，测量样品超弱发光时自动开启快门，保证了采集信号的及时性和准确性，快门响应延时小于1ms；

(4)采用金属铝材料制成暗室，以减少外界电磁辐射的影响。暗室各连接处严格密封，尽量减少外界杂散光的干扰。暗室内壁涂上消光剂，电子快门也作发黑处理，进一步降低红外噪声辐射量，提高对杂散光的吸收能力；

(5)暗室内置恒温系统，温度控制模块驱动半导体制冷片确保暗室内测量环境的温度恒定。采用高精度PID算法进行恒温控制，温度稳定范围可以达到±0.5℃；

(6)激发光源照射时间、暗室内温度可根据实验要求调节；

(7)由FPGA芯片作为脉冲计数器，统计光电倍增管输出的脉冲信号，计数器的最高工作频率可达320MHz；

(8)计数器统计的光子脉冲计数通过USB接口芯片发送至计算机；

(9)计算机端采用Labview编写控制和分析程序，可实时显示样品的超弱发光光子计数，并自动计算出禽蛋样品的新鲜度等级。

附图说明

图1是本实用新型基于生物超弱光子辐射的禽蛋新鲜度检测仪的结构示意图。

图中，1.LED激发光源，2.暗室，3.透镜，4.样品台，5.电子快门，6.光电倍增管，7.LED驱动模块，8.键盘和显示模块，9.单片机，10.恒温控制器，11.快门驱动模块，12.计数器，13.USB接口芯片，14.计算机，15.半导体制冷片，16.温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

从能量角度来看，离开母体后的禽蛋新鲜度是由禽蛋存贮的能量维持的。在禽蛋的储藏过程中，伴随着禽蛋内部能量的耗散，禽蛋新鲜度越来越差。因此，禽蛋新鲜度Q取决于自身存贮的能量E和耗散出去的能量ε的比值，即

$Q=\frac{E}{\mathrm{\ϵ}}---\left(1\right)$

由于将禽蛋用一定强度的非饱和光激发，如果在激发光停止后的一定时间T内禽蛋发出的光子数越多，表明其能量存贮能力越强。因此，将禽蛋在外来光激发下在一定时间T内发出的所有光子数的总和称为延迟发光积分强度I(T)，用某一测量周期T内延迟发光的积分强度I(T)可以计算禽蛋的能量存储能力，而禽蛋耗散出去的能量可以通过黑暗中禽蛋在单位时间内发出的自发光子辐射I_SL来测量。于是，禽蛋新鲜度可以通过下式来获得：

$Q=\frac{I\left(T\right)}{I_{\mathrm{SL}}T}---\left(2\right)$

其中，Q是一个无量纲的纯数。这样，依据Q值的大小可以对禽蛋新鲜度进行分级。

本实用新型基于生物超弱光子辐射的禽蛋新鲜度检测仪的结构如图1所示，包括暗室2，暗室2内底部设置有样品台4，暗室2的两侧内壁上设置有半导体制冷片15，样品台4的一侧设置有温度传感器16，在样品台4上方位置设置有透镜3，透镜3上方设置有LED激发光源1，在样品台4的下方设置有电子快门5，电子快门5的下方设置有依次连接的光电倍增管6、计数器12、USB接口芯片13及计算机14。还包括单片机9，单片机9上分别连接有LED驱动模块7、键盘和显示模块8、恒温控制器10及快门驱动模块11，LED驱动模块7与LED激发光源1相连接，恒温控制器10分别与样品台4、半导体制冷片15相连接，快门驱动模块11与电子快门5相连接。其中的

LED激发光源1，用于产生照射样品的激发光。

LED驱动模块7，用于给LED激发光源1提供稳定的工作电流，并控制LED激发光源1的开启和熄灭。

透镜3，用于使LED激发光源1发出的光线经透镜变换成平行光，均匀的照射在样品上。

暗室2采用金属铝材料制成，以减少外界电磁辐射的影响，同时避免外界杂散光的干扰。

样品台4，用于放置待测样品。

温度传感器16，用于测试暗室内的温度；

半导体制冷片15，用于对暗室加热或者制冷；

恒温控制器10，用于根据预设温度和温度传感器传回的信号控制半导体制冷片加热或者制冷。

电子快门5，用于保护光电倍增管6，当LED激发光源1开启时，电子快门5关闭；当LED激发光源1熄灭后，开启电子快门5开始进行测量。

快门驱动模块11，用于提供快门开启和关闭时的工作电压，快门驱动模块11输出12V的电压，电子快门5开启；快门驱动模块11输出电压为0V时，电子快门5关闭。

光电倍增管6，用于接收样品的超弱发光信号，把光信号转换为电脉冲，样品的发光越强，则输出的脉冲频率越高。

计数器12，用于统计光电倍增管6输出的电脉冲信号。

USB接口芯片13(CH341)，用于将计数器12统计的脉冲数值通过USB接口发送到计算机14。

计算机14，用于运行计数接收程序，通过USB接口接收计数脉冲，并进行计算分析，得出样品的新鲜度等级。

键盘和显示模块8包括5个按键和一个LCD显示器，其中按键用来控制LED光源的照射时间、快门开启时间、光源检测、仪器复位和测试开始，LCD显示器用来显示各个测试参数和仪器工作状态。

单片机9，用于综合控制仪器的工作流程和LED驱动模块7、恒温控制器10、快门驱动模块11以及键盘与显示模块8等外围模块。

本实用新型基于生物超弱光子辐射的禽蛋新鲜度检测仪的工作过程：仪器通电后，各控制模块和计数器自动复位，快门处于关闭状态，LED激发光源1处于熄灭状态。通过按键设置暗室内的温度，单片机9内PID恒温控制程序启动，等待5分钟后，暗室内温度即可恒定在设置值上。运行计算机14端软件，打开对应端口等待数据输入。将样品放入暗室2内，按键设置样品自发发光测量时间、LED激发光源1的照射时间和快门持续开启时间，然后按下启动按键。单片机9与快门驱动模块11连接的引脚置为高电平，使得快门驱动模块11向电子快门5输出12V的电压，快门开启，同时单片机9对快门开启时间进行倒计时，时间在LCD上显示。由于快门开启，样品的超弱发光照射在光电倍增管6上，光电倍增管6输出电脉冲，计数器12将脉冲计数结果通过USB连接芯片13输出到计算机14端。软件接收并记录此时的脉冲计数，即为样品的自发发光。单片机9对自发发光倒计时为0时，其与LED驱动模块7连接的管脚置为高电平，LED驱动模块7向LED激发光源1提供1A的电流，LED光源被点亮；同时单片机9对LED照射时间进行倒计时，时间在LCD上显示。当倒计时为0时，单片机9与LED驱动模块7连接的管脚置为低电平，LED驱动通过电感提供一个瞬时反向电压，使得LED迅速熄灭，以避免LED的余光干扰下一步测量。单片机9经过0.2秒等待延时后，单片机9与快门驱动模块11连接的引脚再次被置为高电平，使得快门开启，并对快门开启时间进行倒计时，时间在LCD上显示。计数器12将光电倍增管6的脉冲进行计数，并通过USB连接芯片13输出到计算机14。软件接收并记录此时的脉冲计数，即为样品的延迟发光信号。当单片机9对快门开启时间倒计数为0时，其与快门驱动模块11连接的引脚被置为低电平，使得快门关闭，此时结束测量。然后计算机端软件通过测量得出的样品自发发光和延迟发光信号，计算出样品的新鲜度等级，并在计算机14屏幕上显示出来。

本实用新型基于生物超弱光子辐射的禽蛋新鲜度检测仪，采用测量禽蛋超弱光子辐射的方法来测量禽蛋的新鲜度，解决了现有仪器测量时间长、测量手续复杂、不能进行无损测量的问题。采用暗室内置激发光源、光电倍增管前加装电子快门以实现自动测量的方法，解决了无法准确测量样品延迟发光的问题，且采用该方法可以准确测量绝大部分样品的延迟发光。

Claims (1)

1.基于生物超弱光子辐射的禽蛋新鲜度检测仪，其特征在于，包括暗室(2)，暗室(2)内底部设置有样品台(4)，暗室(2)的两侧内壁上设置有半导体制冷片(15)，样品台(4)的一侧设置有温度传感器(16)，在样品台(4)上方位置设置有透镜(3)，透镜(3)上方设置有LED激发光源(1)，在样品台(4)的下方设置有电子快门(5)，电子快门(5)的下方设置有依次连接的光电倍增管(6)、计数器(12)、USB接口芯片(13)及计算机(14)，还包括单片机(9)，单片机(9)上分别连接有LED驱动模块(7)、键盘和显示模块(8)、恒温控制器(10)及快门驱动模块(11)，LED驱动模块(7)与所述的LED激发光源(1)相连接，恒温控制器(10)分别与所述的样品台(4)、半导体制冷片(15)相连接，快门驱动模块(11)与所述的电子快门(5)相连接。

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