一種牛肉新鮮度檢測裝置及其檢測方法與流程
2023-06-01 22:30:16 2
本發明涉及肉類品質檢測技術領域，尤其是涉及一種可以準確、快速地檢測出牛肉是否腐敗的牛肉新鮮度檢測裝置及其檢測方法。
背景技術：
牛肉具有營養豐富且口感好的特點，深受廣大消費者的喜愛。但是，牛肉很容易受到汙染而變質。在儲存過程中，隨著微生物的增殖和一系列的物理化學變化，牛肉的新鮮度隨之降低。蛋白質、脂肪以及碳水化合物等豐富的營養成分被細菌和酶利用，產生氨、硫化氨、醛酸、醛、酮、乙基硫醇、醇以及羧酸的酸性氣體。代謝產物中的醛、酮、酯和其它低分子化合物使牛肉產生異味。目前，國內外通常採用光譜激勵光源照射被測樣品(即採用一個常開的雷射器陣列或者LED燈照在樣品上)，並採集入射光照射到樣品後的漫反射光或者穿過樣品的反射光，對漫反射光譜或者反射光譜進行分析，最終實現對樣品品質的檢測；但是，該檢測方法存在所採集到的檢測信息量較少，檢測的精度較低的不足。中國專利授權公告號：CN101769889A，授權公告日2010年7月7日，公開了一種農產品品質檢測的電子鼻系統，包括一主要完成對低濃度氣味收集的氣體富集模塊，一主要把氣味信號轉化為電信號的氣室氣路模塊及傳感器陣列，一主要對傳感器陣列輸出信號進行濾波、模數轉換、特徵提取的傳感器調理電路與數據預處理模塊，一對信號進行識別和判斷、且帶有數據存儲的嵌入式系統，一顯示與結果輸出模塊；所述的氣體富集模塊由裝填有吸附劑的吸附管、電熱絲和溫控裝置構成。該發明具有功能單一，檢測時間長的不足。
技術實現要素：
本發明是為了克服現有技術中的檢測方法精度低及耗時長的不足，提供了一種可以準確、快速地檢測出牛肉是否腐敗的牛肉新鮮度檢測裝置及其檢測方法。為了實現上述目的，本發明採用以下技術方案：一種牛肉新鮮度檢測裝置，包括不透光殼體，滷素燈，光譜儀，設於殼體內的升降平臺，設於升降平臺上的上端開口的矩形容器，設於容器內的矩形樣品託盤，設於殼體內的橫杆，設於橫杆上的用於向樣品照射光的光發射頭、用於接收樣品的反射光的光接收頭和用於檢測橫杆與樣品託盤之間間距的測距傳感器；滷素燈、光發射頭電連接，光接收頭與光譜儀電連接，升降平臺通過絲杆與設於殼體底部的第一電機相連接；容器和樣品託盤均由不導磁材料製成，所述容器內設有液體，所述樣品託盤懸浮於液體表面上，容器底部設有若干個呈m階矩陣排列的豎孔，各個豎孔均向上開口並且豎孔內均設有定位用電磁鐵，所述樣品託盤中部內設有定位用磁鐵塊，穿過樣品託盤下表面的金屬柱上端與定位用磁鐵塊相連接，定位用電磁鐵和定位用磁鐵塊相對端的磁極的極性相反；樣品託盤外邊緣上設有若干塊牽引用磁鐵塊，容器側面設有若干塊牽引用電磁鐵；測距傳感器、光譜儀、各塊定位用磁鐵塊、各塊牽引用電磁鐵和第一電機上均設有用於與計算機電連接的信號埠。各個豎孔的設置用於對樣品託盤進行定位，當樣品託盤移動至不同的豎孔處，光發射頭會分別照射到樣品上的不同點，從而本發明的檢測裝置可以對樣品上的多個點進行檢測。計算機中預先設有標準距離範圍，測距傳感器用於檢測橫杆與樣品託盤之間間距，當液體量在標準範圍內時，橫杆與樣品託盤之間的距離也在標準距離範圍內時，反射光會進入光接收頭中；當液體量較多或較少時，入射光照射不到樣品預定的點上，反射光的方向會發生改變，反射光無法進入光接收頭中；因此，當檢測的橫杆與樣品託盤之間間距不在標準距離範圍內時，計算機會控制第一電機的轉軸帶動絲杆轉動，從而使升降平臺上下移動，從而確保正常檢測。光檢測牛肉新鮮度的原理：一束光照射被測樣品後，由於不同新鮮度樣品中所包含的不同化學特徵性基團是不同的，因此對於不同波長入射光的吸收程度是不同的，因而反射光中各波長光的強度是不同的，因此可以根據這些信息去表徵樣品的新鮮度。但是，如果入射光的光強度固定，則入射光穩定地照射在樣品上，樣品中的各個化學基團對於不同波長光的吸收程度處於飽和狀態，雖然可以得到檢測信息，但是信息量並不豐富，檢測的準確定較低。因此，本發明具有檢測速度快，檢測點更多，檢測數據的可靠性和精度更高的特點。作為優選，各個豎孔下方的容器內均設有第二電機，各個定位用電磁鐵分別與各個第二電機的豎向轉軸相連接，各個定位用電磁鐵上均設有定位件，各個定位件上端開設有x形凹槽，金屬柱下端設有與x形凹槽相對應的x形突起，各個第二電機上設有用於與計算機電連接的信號埠。金屬柱上設有彈簧，定位件採用金屬材料製成。第二電機用於帶動定位用電磁鐵水平轉動，在旋轉的過程中，x形突起會嵌入x形凹槽中，從而帶動樣品託盤水平旋轉，則在與該豎孔定位連接的檢測過程中，檢測的是樣品上多個連續的點。得到的檢測信號中所包含的樣品信息更多，檢測更準確。作為優選，還包括光強度調節裝置，所述光強度調節裝置包括數據採集卡和功率放大器，所述數據採集卡上設有用於與計算機電連接的信號輸入接口，所述數據採集卡與功率放大器的輸入端電連接，所述功率放大器的輸出端與滷素燈的電源電連接。本發明的光強度調節裝置用於調節雷射器陣列發出的光源的光強度，在入射光的強度漸大或者減小的變化過程中，不同基團對相應波長光的吸收是漸大或者減小的，此時基團的吸收程度處於未飽和、飽和漸弱過程中，反射光中包含更多的檢測信息，從而使得到的檢測信號能夠更準確的表徵出牛肉的新鮮度。計算機產生用於控制光強度變化的波形，數據採集卡將該波形信號採集，並輸出到功率放大器上，功率放大器的輸出端與雷射器陣列的電源電連接，從而通過控制雷射器陣列的電源實現對雷射器陣列發出的光源的光強度的調節，並通過光發射頭向樣品照射強度變化的入射光。作為優選，所述絲杆上端通過軸承與升降平臺連接，絲杆下端通過下端封閉的管狀固定件與殼體相連接，管狀固定件與絲杆螺紋連接。作為優選，光發射頭和光接收頭分別通過豎杆與橫杆相連接；各塊牽引用磁鐵塊均呈條形，各塊牽引用磁鐵塊外側的磁極極性相同。一種牛肉新鮮度檢測裝置的檢測方法，包括如下步驟：(6-1)依據中國國家標準GB/T5009.44-2003，檢測不同存放時間牛肉樣品的揮發性鹽基氮TVB-N值，並得到與m2個樣品檢測點分別對應的新鮮度閾值SNRthre1，SNRthre1，...，；(6-2)距離調節：將測距傳感器、第一電機分別與計算機電連接，測距傳感器檢測橫杆與樣品託盤之間的間距，計算機將檢測到的間距與預設的標準距離範圍相比較，並根據比較的結果控制第一電機帶動絲杆轉動，從而使橫杆與樣品託盤之間的間距位於標準距離範圍內；(6-3)樣品製備：從待檢測的牛肉中選取片狀肉作為待檢測樣品；(6-4)進行檢測：將控制器與光譜儀、各塊定位用電磁鐵和各塊牽引用電磁鐵電連接，將樣品平放到樣品託盤上；(6-4-1)控制器通過給各個各塊定位用電磁鐵和各塊牽引用電磁鐵通電及斷電，控制樣品託盤沿弓字形移動至各個豎孔；每當金屬柱插入一個豎孔之後，計算機控制滷素燈及光發射頭向樣品照射發射光，光接收頭接收反射光，光譜儀接收到檢測信號Spect(t)；(6-5)計算機對m2個檢測信號Spect(t)均做如下數據處理：將檢測信號Spect(t)輸入一層隨機共振模型：中，計算機計算V(x，t，α)對於x的一階導數、二階導數和三階導數，並且使等式等於0，得到二層隨機共振模型：設定噪聲強度D＝0，Spect(t)＝0，N(t)＝0；計算得到A的臨界值為將A的臨界值代入一層隨機共振模型中，並設定X0(t)＝0，sn0＝0，用四階瓏格庫塔算法求解一層隨機共振模型，得到n＝0，1，…，N-1其中待定係數：(k1)n＝a(αxn-1(t))2-b(αxn-1(t))3+snn-1其中，xn(t)為x(t)的n階導數，snn-1是S(t)的n-1階導數在t＝0處的值，snn+1是S(t)的n+1階導數在t＝0處的值，n＝0，1，…，N-1；得到x1(t)，x2(t)，…，xn+1(t)的值；計算機對x1(t)，x2(t)，…，xn+1(t)進行積分，得到x(t)，並得到x(t)在一層隨機共振模型和二層隨機共振模型組成的雙層隨機系統產生隨機共振時刻的最優檢測時刻時間t1，最優瞬時運動加速度α1，並確定t1和α1所對應的噪聲D1；計算機利用公式計算雙層隨機共振系統輸出的信噪比；其中，ΔU＝a2/4b；得到m2個輸出信噪比SNRthre1，SNRthre1，...，；(6-6)計算機利用公式計算第k組旋轉角度數據所對應的輸出信噪比誤差QEk，其中，k＝1，…，m2；計算機計算滿足QEk≤5％的輸出信噪比誤差的個數M1；計算機計算滿足QEk＞5％的輸出信噪比誤差的個數M2；(6-7)若則計算機做出樣品新鮮的判斷；若則計算機做出樣品不新鮮的判斷；否則，返回步驟(6-4-1)，對樣品重新檢測並進行數據處理。作為優選，所述各個豎孔下方的容器內均設有第二電機，各個定位用電磁鐵分別與各個第二電機的豎向轉軸相連接，各個定位用電磁鐵上均設有定位件，各個定位件上端均開設有x形凹槽，金屬柱下端設有與x形凹槽相對應的x形突起，各個第二電機上設有用於與計算機電連接的信號埠；在(6-4-1)的檢測過程中，計算機控制與金屬柱所插入的豎孔相對應的電機的轉軸帶動樣品託盤旋轉1至2周。作為優選，所述還包括光強度調節裝置，所述光強度調節裝置包括數據採集卡和功率放大器，所述數據採集卡上設有用於與計算機電連接的信號輸入接口，所述數據採集卡與功率放大器的輸入端電連接，所述功率放大器的輸出端與滷素燈的電源電連接；步驟(6-4-1)由下述步驟代替：每當金屬柱插入一個豎孔之後，控制器通過光強度調節裝置調節滷素燈輸出的檢測光，所述檢測光從0按照正弦曲線上升到最大值MAT，然後從最大值MAT按照正弦曲線下降至0。作為優選，所述片狀肉的厚度為33至68mm。作為優選，光發射頭的入射角度為15至60度；MAT的取值範圍為100勒克斯至220勒克斯。因此，本發明具有如下有益效果：(1)檢測速度快；(2)檢測點更多，檢測數據的可靠性和精度更高。附圖說明圖1是本發明的容器和支架的一種結構示意圖；圖2是本發明的樣品託盤的一種結構示意圖；圖3是本發明的金屬柱、豎孔、電機、定位用電磁鐵和定位件的一種結構示意圖；圖4是本發明的一種原理框圖；圖5是本發明的檢測光的強度變化示意圖；圖6是本發明的實施例1的一種流程圖。圖中：滷素燈1、光譜儀2、升降平臺3、容器4、樣品託盤5、橫杆6、光發射頭7、光接收頭8、測距傳感器9、豎孔10、定位用電磁鐵12、金屬柱13、牽引用電磁鐵14、第二電機15、定位件16、x形凹槽17、x形突起18、計算機19、光強度調節裝置20、數據採集卡21、功率放大器22、彈簧23、第一電機24、牽引用磁鐵塊25、殼體26。具體實施方式下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步的描述。實施例1如圖1所示的實施例是一種牛肉新鮮度檢測裝置，包括不透光殼體26，滷素燈1，光譜儀2，設於殼體內的升降平臺3，設於升降平臺上的上端開口的矩形容器4，設於容器內的矩形樣品託盤5，設於殼體內的橫杆6，設於橫杆上的用於向樣品照射光的光發射頭7、用於接收樣品的反射光的光接收頭8和如圖4所示的用於檢測橫杆與樣品託盤之間間距的測距傳感器9；如圖4所示，滷素燈、光發射頭電連接，光接收頭與光譜儀電連接，升降平臺通過絲杆與設於殼體底部的第一電機24相連接；容器和樣品託盤均由塑料製成，容器內盛有水，樣品託盤懸浮於液體表面上，容器底部設有呈4階矩陣排列的16個豎孔10，各個豎孔均向上開口並且豎孔內均設有定位用電磁鐵12，樣品託盤中部內設有定位用磁鐵塊，穿過樣品託盤下表面的金屬柱13上端與定位用磁鐵塊相連接，定位用電磁鐵和定位用磁鐵塊相對端的磁極的極性相反；如圖2所示，樣品託盤外邊緣上設有16塊牽引用磁鐵塊25，容器側面設有16塊牽引用電磁鐵14；牽引用磁鐵塊和牽引用電磁鐵的數量可以相同，也可以不同，只要足夠牽引樣品託盤移動即可。如圖4所示，第一電機、測距傳感器、光譜儀、各塊定位用磁鐵塊和各塊牽引用電磁鐵上均與計算機19電連接。如圖6所示，一種牛肉新鮮度檢測裝置的檢測方法，包括如下步驟：依據中國國家標準GB/T5009.44-2003，檢測不同存放時間牛肉樣品的揮發性鹽基氮TVB-N值，並得到與16個樣品檢測點分別對應的新鮮度閾值SNRthre1，SNRthre1，...，SNRthre16；計算機中設有標準距離範圍15.30釐米至15.40釐米；依據中國國家標準GB/T5009.44-2003，檢測不同存放時間牛肉樣品的揮發性鹽基氮TVB-N值，並得到與8個樣品檢測點分別對應的新鮮度閾值SNRthre1，SNRthre1，...，SNRthre16；新鮮度閾值SNRthre1，SNRthre1，...，SNRthre16獲得的方法如下：檢測剛宰殺的新鮮牛肉的揮發性鹽基氮數值，檢測完後將牛肉放到冷藏裝置中存儲，第二天，第三天，……取出牛肉繼續檢測牛肉的揮發性鹽基氮數值，每次檢測完均放入冷藏裝置中存儲，當某天樣品的揮發性鹽基氮數值第一次超標，則將該天的樣品採用下述步驟進行檢測，得到的16個SNR即為新鮮度閾值SNRthre1，SNRthre1，...，SNRthre16。新鮮度閾值與儲存環境是相關的，對在某種溫度、壓強及溼度存儲的牛肉樣品進行檢測所得到的新鮮度閾值SNRthre1，SNRthre1，...，SNRthre16，只能用於檢測在相同條件下存儲的牛肉的新鮮度。步驟100，距離調節：將測距傳感器、第一電機分別與計算機電連接，測距傳感器檢測橫杆與樣品託盤之間的間距，計算機將檢測到的間距與預設的標準距離範圍相比較，並根據比較的結果控制第一電機帶動絲杆轉動，從而使橫杆與樣品託盤之間的間距位於標準距離範圍內；步驟200，樣品製備：從待檢測的牛肉中選取40mm厚的片狀肉作為待檢測樣品；步驟300，進行檢測：將控制器與光譜儀、各塊定位用電磁鐵和各塊牽引用電磁鐵電連接，將樣品平放到樣品託盤上；步驟310，控制器通過給各個各塊定位用電磁鐵和各塊牽引用電磁鐵通電及斷電，控制樣品託盤沿圖1中箭頭所示的順序呈弓字形移動至各個豎孔；每當金屬柱插入一個豎孔之後，計算機控制滷素燈及光發射頭向樣品照射發射光，光接收頭接收反射光，光譜儀接收到檢測信號Spect(t)；步驟400，數據處理：計算機對16個檢測信號Spect(t)均做如下數據處理：將檢測信號Spect(t)輸入一層隨機共振模型：中，其中，V(x，t，α)為勢函數，x(t)為布朗運動粒子運動軌跡函數，a，b為設定的常數，ξ(t)是外噪聲，D是在[01]範圍內以0.01步進的外噪聲強度，N(t)為內秉噪聲，為周期性正弦信號，A是信號幅度，f是信號頻率，t為運動時間，為相位，設計算機計算V(x，t，α)對於x(t)的一階導數、二階導數和三階導數，並且使等式等於0，得到二層隨機共振模型：設定噪聲強度D＝0，Spect(t)＝0，N(t)＝0；計算得到A的臨界值為將A的臨界值代入一層隨機共振模型中，並設定X0(t)＝0，sn0＝0，用四階瓏格庫塔算法求解一層隨機共振模型，得到n＝0，1，…，N-1並計算待定係數：(k1)n＝a(αxn-1(t))2-b(αxn-1(t))3+snn-1其中，xn(t)為x(t)的n階導數，snn-1是S(t)的n-1階導數在t＝0處的值，snn+1是S(t)的n+1階導數在t＝0處的值，n＝0，1，…，N-1；得到x1(t)，x2(t)，…，xn+1(t)的值；計算機對x1(t)，x2(t)，…，xn+1(t)進行積分，得到x(t)，並得到x(t)在一層隨機共振模型和二層隨機共振模型組成的雙層隨機系統產生隨機共振時刻的最優檢測時刻時間t1，最優瞬時運動加速度α1，並確定t1和α1所對應的噪聲D1；D1為D中的一個值；D是在[0，1]範圍內以0.01周期循環步進的一個函數，D的取值與時間相關，知道了t1時刻，D1就確定了。計算機利用公式計算雙層隨機共振系統輸出的信噪比；其中，AU＝a2/4b；得到16個輸出信噪比SNR1，SNR2，…，SNR16；步驟500，誤差計算：計算機利用公式計算第k組旋轉角度數據所對應的輸出信噪比誤差QEk，其中，k＝1，…，16；計算機計算滿足QEk≤5％的輸出信噪比誤差的個數M1；計算機計算滿足QEk＞5％的輸出信噪比誤差的個數M2；步驟600，做出判斷：若則計算機做出樣品新鮮的判斷；若則計算機做出樣品不新鮮的判斷；否則，返回步驟310，對樣品重新檢測並進行數據處理。本實施例中M1＝14，因此，計算機做出樣品新鮮的判斷。實施例2實施例2中，如圖3所示，各個豎孔下方的容器內均設有第二電機15，各個定位用電磁鐵分別與各個第二電機的豎向轉軸相連接，各個定位用電磁鐵上均設有定位件16，各個定位件上端均開設有x形凹槽17，金屬柱下端設有與x形凹槽相對應的x形突起18，各個第二電機上設有用於與計算機19電連接的信號埠。金屬柱上設有彈簧23。如圖4所示，還包括光強度調節裝置20，光強度調節裝置包括數據採集卡21和功率放大器22，數據採集卡上設有用於與計算機電連接的信號輸入接口，數據採集卡與功率放大器的輸入端電連接，功率放大器的輸出端與滷素燈的電源電連接。步驟310由下述步驟代替：每當金屬柱插入一個豎孔之後，控制器通過光強度調節裝置調節滷素燈輸出的檢測光，如圖5所示，檢測光從0按照正弦曲線上升到最大值200勒克斯，然後從最大值200勒克斯按照正弦曲線下降至0；檢測過程中，計算機控制與金屬柱所插入的豎孔相對應的第二電機的轉軸帶動樣品託盤旋轉1周。實施例2中的其它結果和方法部分與實施例1中相同。應理解，本實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之後，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落於本申請所附權利要求書所限定的範圍。