蔗糖含量的實時檢測方法和在線檢測裝置的製作方法
2023-12-05 22:12:01
專利名稱：蔗糖含量的實時檢測方法和在線檢測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種蔗糖含量檢測的技術領域，具體為一種採用電脈衝激勵信號的甘蔗和蔗糖溶液中蔗糖含量的實時檢測方法和在線檢測裝置。
背景技術：
糖業是關係國計民生的重要產業，蔗糖是其中的主要組成。但甘蔗收購時的科學定標定價問題一直以來沒有得到很好的解決，這直接影響廣大蔗農的收入，也給商家確定收購最佳時機造成困難。因而通過測定甘蔗的糖含量來確定甘蔗的品質、價格和工業加工時間就顯得尤為重要。
糖含量的測量有很多方法，有化學方法、物理方法等，化學方法雖然精度高，但測量過程需加入各種試劑等待反應完成，耗時費事，不易用於工業自動化生產的在線測量以及甘蔗生長過程在線檢測；而且對於甘蔗等非液態物質，化學測量前先要取樣製得液體樣品，更影響測定速度。物理方法可分為電測和光測兩大類。光學測量主要是用光譜分析法，不同糖含量的液體對光的折射率不同，光測速度快，但是儀器成本高，而且也必須先製得溶液樣品，不能實現在線檢測糖含量。因此難以田間作業，更不可能普及成為民用產品。電學測量，主要是測定溶液或果品的電阻率，不同糖含量其電阻率不同。但是蔗糖屬於非還原性糖苷，其呈現「右旋性」，在水中會有部分水解轉變成「左旋性」的轉化糖溶液，即由等分子比例的葡萄糖和果糖溶液。由於左旋與右旋物質的粒子不同，因此形成電勢，即產生生物電場強度和極性會不同。因此用以直流激勵電測方法測定甘蔗或蔗糖溶液糖含量時，受蔗糖生物特性較不穩定的影響，其測量結果誤差較大。目前尚無檢測結果令人滿意的、能夠對甘蔗或蔗糖溶液進行實時檢測方法和在線檢測的裝置。
發明內容本發明的目的是設計一種蔗糖含量實時檢測方法，用瞬間的電脈衝序列信號克服蔗糖溶液生物電場的影響，測得準確的糖含量。
本發明的另一目的是設計一種採用上述方法的蔗糖含量在線檢測裝置，可直接對甘蔗進行接觸式糖含量檢測。該裝置不僅能滿足甘蔗生長過程中蔗糖含量在線檢測，也能滿足蔗糖溶液實時在線檢測。
本發明的蔗糖含量實時檢測方法，可以檢測蔗糖溶液或甘蔗的糖含量。試驗表明蔗糖溶液的生物電放電電流為微安級，當採用直流電導率法測量其電阻率時，蔗糖溶液的生物電對測量結果會產生很大的影響，使所測得電阻率量值漂移，難以有準確結果。本法以一定頻率的電脈衝激勵信號進行測量。當電脈衝激勵信號作用於被測物時，由於被測物的糖含量不同，其電阻率不同，因此其電壓降的幅度是不同的，根據其電壓降的幅度與糖含量的關係，換算得到被測物的糖含量。因蔗糖溶液的生物電場衰減變化是很緩慢的，一個變化緩慢的電物理量與一個瞬間電脈衝相比可以將其視為不變，故本法檢測蔗糖含量不受生物電場衰減變化影響，有效克服了直流電導率法存在的不足。
其主要步驟如下①微處理器控制的脈衝激勵信號產生電路產生50Hz～10kHz的脈衝激勵信號，送到被測物；②因被測物不同的糖含量其電阻率不相同，其上電壓降不相同；③採集的被測物電壓信號經濾波、整流、放大，送入微處理器進行處理，根據電信號幅值與甘蔗糖含量或蔗糖溶液糖含量的關係，換算得到被測物的糖含量。因甘蔗內還含有其它成份，故相同糖含量甘蔗和蔗糖溶液在相同脈衝作用下對應的電信號不同，需採用不同的程序處理。
本發明的檢測方法還採用偽隨機脈衝激勵信號檢測方法，對不同的蔗糖含量的甘蔗或溶液施加不同頻率的脈衝信號，以提高糖含量檢測精度。糖含量為8％以下採用50Hz～1kHz脈衝信號；糖含量為8％以上則採用1kHz～10kHz脈衝信號。
根據上述本發明的蔗糖含量實時檢測方法，本發明設計了蔗糖含量在線檢測裝置。本裝置包括外殼、針形傳感器、分壓電阻、液晶顯示器、電源開關、測量按鍵、電路模塊和電池。該針形傳感器包括導電的針筒與其內的導電針芯，針筒基部固裝於本裝置外殼一端。針筒長為3釐米～6釐米，針筒內徑為0.3毫米～1.2毫米、筒壁厚為0.1～0.3毫米，針芯直徑為0.1毫米～0.4毫米，針芯與針筒同軸，二者之間有絕緣層。外殼內的電路模塊包括嵌入式微處理器、脈衝激勵信號產生電路、分壓電阻、運算放大電路、數據採集電路，並有數據傳輸接口、顯示器接口、復位電路、電源電路、按鍵接口電路。顯示器接口通過排線與外殼上的顯示器相連；電路模塊的按鍵接口通過排線與外殼上的測量按鍵相連；電路模塊的電源電路經電源開關連接電池。針形傳感器的針芯和針筒經電纜與分壓電阻串聯，分壓電阻與電路模塊的數據採集電路連接。嵌入式微處理器內存儲有甘蔗或蔗糖溶液的不同糖含量與在脈衝信號作用下的產生的電信號關係數據和處理程序，外殼上有甘蔗測糖或溶液測糖選擇按鍵，不同測量模式下微處理器按不同程序處理所得電信號。微處理器控制脈衝激勵信號產生電路，當輸出信號大於含糖量8％對應的電信號值時，自動調節輸出脈衝信號頻率，以得到精確的含糖量。故本裝置具有偽隨機檢測功能。
測量時，打開電源開關，用於甘蔗在線測量時，選擇甘蔗測糖按鍵，將針形傳感器的針頭刺入甘蔗皮內，按下測量按鍵，電路模塊產生脈衝激勵信號通過針形傳感器送到甘蔗體內，在該激勵信號作用下，針形傳感器的針芯和針筒及它們之間的蔗糖溶液形成的阻抗產生電壓降，該電信號經針形傳感器電纜送入微處理器，與標準電阻構成的分壓電路輸出，分壓電路的輸出信號經過放大、濾波、數據處理得到其糖含量數值，在液晶顯示器上顯示。本裝置用於蔗糖溶液中測量時，選擇溶液測糖按鍵，將針形傳感器的針頭浸入溶液中，即可。
本發明的蔗糖含量實時檢測方法的優點為1、測量速度快，對甘蔗進行接觸式檢測，無須將蔗汁榨出，操作簡便，實時得到檢測結果；2、不受蔗糖溶液生物電場的幹擾，測量精度高，最小解析度達0.5％；3、測量蔗糖含量範圍寬，可測糖含量為0％～20％。
本發明的蔗糖含量在線檢測裝置的優點為1、適合用於在線檢測，特別適合田間作業，通過測量結果可標定更合理的收購價格和收穫時間，以達到提高糖的產量和農民的收入以及降低製糖工業成本的目的；2、無需專業操作，使用簡單方便；可以檢測蔗糖溶液或直接檢測甘蔗的糖含量；3、抗幹擾能力強，測量結果不受被測物體的形狀、狀態、位置的影響；測量精度高，可測範圍寬；4、裝置成本低，性價比高，使用壽命長，普通農家也可配置；5、裝置緊湊、小巧，便於攜帶，便於使用。
圖1為本蔗糖含量實時檢測方法實施例1所用電路原理框圖2為本蔗糖含量在線檢測裝置實施例1電路框圖；圖3為本蔗糖含量在線檢測裝置實施例1元件安裝正視示意圖；圖4為本蔗糖含量在線檢測裝置實施例1元件安裝側視示意圖。
具體實施方式
蔗糖含量實時檢測方法實施例1本例為採用本法檢測蔗糖溶液糖含量。如圖1所示一對電極構成的傳感器插入蔗糖溶液，傳感器接脈衝激勵信號產生電路，傳感器與一分壓電阻串聯，分壓電阻的電壓信號放大後接入微處理器模塊，微處理器模塊輸出端接顯示器。該微處理器模塊包括運算放大電路，存儲有蔗糖溶液不同糖含量在脈衝信號作用下的產生的電信號關係數據和處理程序。微處理器模塊控制脈衝激勵信號產生電路，當糖含量為8％以下時，產生500Hz脈衝信號，當糖含量為8％以上時，產生5kHz脈衝信號。
本例中先製得標準濃度的蔗糖溶液，對本法進行驗證。測量分壓電阻的電壓降，經微處理器模塊換算處理得到溶液含糖量。表1即為試驗結果，由此可見本法檢測蔗糖溶液濃度的最小解析度達0.5％。
表1蔗糖溶液濃度實時檢測結果
蔗糖含量實時檢測方法實施例2
本例為採用本法檢測甘蔗糖含量。與例1相似，如圖1所示，其傳感器插入甘蔗樣品內，微處理器模塊存儲有甘蔗不同糖含量在脈衝信號作用下的產生的電信號關係數據和處理程序。微處理器模塊控制脈衝激勵信號產生電路，當糖含量為8％以下時，產生500Hz脈衝信號，當糖含量為8％以上時，產生5kHz脈衝信號。
表2所示本法檢測多個甘蔗樣本糖含量的結果，並列出同一樣本的甘蔗榨汁後旋光法檢測的結果，由此可見本法檢測甘蔗糖含量結果穩定，誤差小，與旋光法檢測結果一致，誤差小於1％。
表2甘蔗含糖量實時檢測結果
蔗糖含量在線檢測裝置實施例圖2所示為本蔗糖糖含量在線檢測裝置實施例的電路框圖，包括針形傳感器、電路模塊和電池，電路模塊包括嵌入式32位微處理器，還包括脈衝激勵信號產生電路、分壓電阻、運算放大電路、數據採集電路，並有USB數據傳輸接口、RS232數據傳輸接口，復位電路、電源電路、顯示器接口。其顯示器為液晶顯示器，電路模塊的顯示器接口與液晶顯示器相連；電路模塊的按鍵電路與外殼上的測量按鍵、甘蔗測糖或溶液測糖選擇按鍵相連；電路模塊的電源電路經電源開關連接電池。傳感器電纜連接電路模塊的分壓電阻與針形傳感器，分壓電阻與電路模塊的數據採集電路連接，電路模塊所接數據傳輸接口為USB接口和或RS232接口。嵌入式微處理器內存儲有甘蔗或蔗糖溶液不同糖含量與在脈衝信號作用下的電信號關係數據及處理程序，並存儲檢測記錄。
本裝置實施例1的元件實際安裝情況如圖3和圖4所示，包括外殼7、針形傳感器針9、液晶顯示器5、測量按鍵8、電路模塊3、甘蔗測糖或溶液測糖選擇按鍵2、電源開關6、電池1。該針形傳感器9的結構如圖所示，包括針筒與其內的針芯，針筒基部固裝於外殼7頂端，針芯為高導電率的，如合金，針芯與針筒同軸，二者之間有絕緣層。針筒長為5釐米，內徑為1毫米，筒壁厚為0.3毫米，針芯直徑為0.3毫米。傳感器電纜4連接針形傳感器9和電路模塊3。電路模塊3固裝於外殼7內；液晶顯示器5的顯示屏位於外殼7面板的上部，外殼7表面裝有測量按鍵8和電源開關6，為便於操作，裝於外殼7同一側。外殼7上還裝有USB接口、RS232接口。外殼7內還嵌有電池1。
權利要求
1.一種蔗糖含量實時檢測方法，其特徵在於以一定頻率和脈寬的電脈衝激勵信號，送到被測物；不同的糖含量的被測物在該激勵信號作用下，不相同電阻率產生不同的電壓信號；經處理送入微處理器，根據電阻率與糖含量的關係，換算得到被測物的糖含量。
2.根據權利要求1所述的蔗糖含量實時檢測方法，其特徵在於所述脈衝激勵信號為50Hz-10kHz。
3.根據權利要求1或者所述的蔗糖含量實時檢測方法，其特徵在於被測物糖含量為8％以下採用50Hz～1kHz脈衝信號；糖含量為8％以上則採用1kHz～10kHz脈衝信號。
4.一種蔗糖含量在線檢測裝置，其特徵在於包括針形傳感器(9)、外殼(7)內的電路模塊(3)和電池(1)，電路模塊(3)包括嵌入式微處理器，還包括脈衝激勵信號產生電路、分壓電阻、運算放大電路、數據採集電路，復位電路、電源電路、顯示器接口；電路模塊(3)的顯示器接口與安裝於外殼(7)面板上的顯示器(5)相連，電路模塊(3)的按鍵電路與外殼(7)上的測量按鍵(8)、甘蔗測糖或溶液測糖選擇按鍵(2)相連；電路模塊(3)的電源電路經電源開關(6)連接電池(1)；電纜(4)連接電路模塊(3)的分壓電阻與針形傳感器(9)，分壓電阻與電路模塊(3)的數據採集電路連接；微處理器內存儲有甘蔗或蔗糖溶液不同糖含量與在脈衝信號作用下的電信號關係數據及處理程序；所述針形傳感器(9)包括導電的針筒與其內的導電針芯，針筒基部固裝於外殼(7)頂端，針芯與針筒同軸，二者之間有絕緣層。
5.根據權利要求4所述的蔗糖含量在線檢測裝置，其特徵在於所述嵌入式微處理器還存儲檢測記錄，顯示屏(5)同時顯示本次檢測結果和最近的上一次檢測結果。
6.根據權利要求5所述的蔗糖含量在線檢測裝置，其特徵在於所述嵌入式微處理器接有查看按鍵，按動此鍵，依次調出微處理器存儲的檢測記錄，在顯示屏(5)上顯示。
7.根據權利要求4所述的蔗糖含量在線檢測裝置，其特徵在於所述針形傳感器(9)的針筒長為3釐米～6釐米，內徑為0.3毫米～1.2毫米，筒壁厚為0.1毫米～0.3毫米，其針芯直徑為0.1～0.4毫米。
8.根據權利要求4所述的蔗糖含量在線檢測裝置，其特徵在於所述電路模塊(3)接有USB數據傳輸接口和/或RS232數據傳輸接口。
9.根據權利要求4所述的蔗糖含量在線檢測裝置，其特徵在於外殼(7)同一側裝有測量按鍵(8)、甘蔗測糖或溶液測糖選擇按鍵(2)和電源開關(6)。
全文摘要
本蔗糖含量實時檢測方法微處理器以50～10kH的電脈衝激勵信號檢測蔗糖溶液或甘蔗的糖含量。被測物的糖含量不同，電阻率不同，其電壓降不同，據此換算得到其糖含量。本法不受生物電場衰減變化影響。本法用偽隨機檢測方法，對不同的蔗糖含量施加不同頻率的脈衝信號，提高檢測精度。本法檢測快、準，簡便，可測糖含量為0％～20％。據本檢測方法設計的蔗糖含量在線檢測裝置，有導電針筒與針芯的針形傳感器與電路模塊連接，電路模塊有嵌入式微處理器，其內存儲有甘蔗或蔗糖溶液糖含量與脈衝信號作用下產生的電信號關係數據和處理程序。只需將傳感器針刺入甘蔗皮內或浸及溶液即可得到糖含量值。適於在線檢測，特別適合田間作業，使用簡單方便。
文檔編號G01N27/04GK101017147SQ20071004846
公開日2007年8月15日 申請日期2007年2月9日 優先權日2007年2月9日
發明者朱名日, 宋葉平, 宣啟, 楊勇, 姚育平, 楊傑, 王祥 申請人:桂林電子科技大學