CN103900977A - 一种用于快速检测食品的全谱检测仪及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于快速检测食品的全谱检测仪及其检测方法，包括：ARM嵌入式***的输出端依次与功率稳定电路、宽带光源及照明光纤连接，宽带光源发出的入射光线通过照明光纤照射到样品池中的待测溶液处并被待测溶液部分吸收后获得出射光线，出射光线通过测量光纤导入到全谱分光光路进行分光后照射到CCD探测器，CCD探测器对分光后的出射光线进行检测并将检测数据发送到信号采集电路，信号采集电路对测量数据进行处理后得到全光谱信息并发送到ARM嵌入式***；ARM嵌入式***还连接有数据存储芯片和显示模块。本发明不仅体积较小，结构紧凑、方便携带，而且测量精确，可广泛应用于食品的现场检测中。
Description
技术领域
本发明涉及食品的安全监测领域，特别是涉及一种用于快速检测食品的全谱检测仪及其检测方法。
背景技术
近年来，农残超标、毒大米、三聚氰胺、瘦肉精、地沟油等食品安全事件频频发生，已经成为危害人民健康的心腹大患，因此社会对于食品安全问题越来越重视，食品质量监管部门也在不断加强食品安全检测体系的建设，旨在实现对食品生产、存储、运输、销售等环节的全链条监控，从而能够快速及时地发现食品安全问题，将其负面影响降到最低。
食品安全检测主要针对农兽药残留、致病微生物、重金属、生物毒素、非法添加物和滥用食品添加剂等内容。传统的检测方法是采用离线抽样检测方式，即采用色谱-质谱联用、光谱-质谱联用等大型实验室仪器，这种方式准确度高，但效率低，无法适应大批量快速检测要求，且仪器体积庞大携带不便、价格昂贵，因此该方法只能作为仲裁手段使用。
目前食品检测现场采用的快速检测仪器基本上是基于比色法原理：特定波长的光通过待测溶液后被部分吸收，根据朗伯比尔定律和定标曲线即可计算出被测物的含量。因为不同的物质往往有不同的特征吸收波长，因此要用一台仪器检测多种物质的话，该仪器必须具有多波长分光的功能，其具体技术实现主要有以下几种方式：一、多波长LED组合法，即采用多个不同波长的LED构成组合光源，该方法实现较为简单、价格便宜，但是当仪器检测的物质种类较多时，相应的需要很多种LED组合，导致仪器***庞大冗繁，而且一旦仪器出厂要检测新的波长范围还要更换LED光源，极为不便，还大大增加了仪器的维护成本；二、滤光片法，当仪器检测的物质种类较多时，需要多个滤光片，而多个滤光片的安装同样导致仪器***庞大冗繁，而且仪器出厂后，一旦需要检测新的波长范围也同样要更换滤光片，极为不便；三、扫描光栅分光法，基于该原理的仪器必须有光栅的扫描转动机构，抗干扰性不好，而且仪器比较庞大笨重，测试速度较慢，在食品检测现场使用时效率低下。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种结构紧凑、方便携带且测量精确的用于快速检测食品的全谱检测仪。本发明的另一目的是提供一种测量方便且精确的用于快速检测食品的全谱检测仪的检测方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于快速检测食品的全谱检测仪，包括ARM嵌入式***、功率稳定电路、宽带光源、照明光纤、测量光纤、CCD探测器、信号采集电路、采用固定光栅进行分光的全谱分光光路以及用于放置待测溶液的样品池；
所述ARM嵌入式***的输出端依次与功率稳定电路、宽带光源及照明光纤连接，所述宽带光源发出的入射光线通过照明光纤照射到样品池中的待测溶液处并被待测溶液部分吸收后获得出射光线，出射光线通过测量光纤导入到全谱分光光路进行分光后照射到CCD探测器，CCD探测器对分光后的出射光线进行检测并将检测数据发送到信号采集电路，信号采集电路对测量数据进行处理后得到全光谱信息并发送到ARM嵌入式***；
所述ARM嵌入式***还连接有数据存储芯片和显示模块。
进一步，所述全谱分光光路包括狭缝、准直凹面镜、平面光栅及聚焦凹面镜，所述测量光纤导入的出射光线通过狭缝进行空间滤波后照射到准直凹面镜上进行准直进而得到平行光线，平行光线照射到平面光栅上进行色散，色散后的光线到达聚焦凹面镜进行聚焦后照射到CCD探测器上。
进一步，所述狭缝的宽度范围为5μm~100μm，所述准直凹面镜与聚焦凹面镜均采用镀铝球面反射镜，所述平面光栅采用线密度范围为300线/mm~1200线/mm的锯齿槽型的闪耀光栅。
进一步，所述功率稳定电路采用恒压电路。
进一步，所述样品池采用光程为10mm的石英比色皿。
进一步，所述照明光纤及测量光纤均采用掺杂熔融石英多模光纤，且光纤的纤芯直径范围为50μm~1000μm，光纤封装接口为SMA905。
进一步，所述CCD探测器采用3648×1像素的线阵探测器且像素大小为8×200μm。
进一步，所述ARM嵌入式***还分别连接有扩展接口、打印设备、以太网有线模块、Wi-Fi无线模块以及GSM/GPRS无线模块中的一个或多个。
本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：
一种用于快速检测食品的全谱检测仪的检测方法，包括：
S1、将宽带光源发出的入射光线照射到待测溶液处并被待测溶液部分吸收后获得出射光线；
S2、将出射光线导入到全谱分光电路进行分光后照射到CCD探测器上进行检测；
S3、将CCD探测器的检测数据发送到信号采集电路进行处理后获得全光谱信息；
S4、ARM嵌入式***接收全光谱信息后，结合预存的定标曲线，根据朗伯比尔定律计算出待测物的成分含量。
进一步，所述步骤S2，其具体为：
将出射光线导入到狭缝进行空间滤波后照射到准直凹面镜上进行准直进而得到平行光线，平行光线照射到平面光栅上进行色散，色散后的光线到达聚焦凹面镜进行聚焦后照射到CCD探测器上进行检测。
本发明的有益效果是：本发明的一种用于快速检测食品的全谱检测仪，包括ARM嵌入式***、功率稳定电路、宽带光源、照明光纤、测量光纤、CCD探测器、信号采集电路、采用固定光栅进行分光的全谱分光光路以及用于放置待测溶液的样品池，ARM嵌入式***还连接有数据存储芯片和显示模块，本发明的全谱检测仪采用了固定光栅进行分光结合CCD探测器进行检测的方式，不仅体积较小，结构紧凑、方便携带，而且测量精确。
本发明的另一有益效果是：本发明的一种用于快速检测食品的全谱检测仪的检测方法，将宽带光源发出的入射光线照射到待测溶液处并被待测溶液部分吸收后获得出射光线，然后将出射光线导入到全谱分光电路进行分光后照射到CCD探测器上进行检测，进而将CCD探测器的检测数据发送到信号采集电路进行处理后获得全光谱信息，最后嵌入式***接收全光谱信息后，结合预存的定标曲线，根据朗伯比尔定律计算出待测物的成分含量，可以方便快捷且精确地进行检测。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的一种用于快速检测食品的全谱检测仪的结构框图；
图2是本发明的一种用于快速检测食品的全谱检测仪的全谱分光光路的结构图；
图3是本发明的一种用于快速检测食品的全谱检测仪的检测方法的流程图；
图4是本发明的一具体实施例的全谱检测仪进行升级的流程示意图。
具体实施方式
参照图1，本发明提供了一种用于快速检测食品的全谱检测仪，包括ARM嵌入式***1、功率稳定电路2、宽带光源3、照明光纤4、测量光纤6、CCD探测器8、信号采集电路9、采用固定光栅进行分光的全谱分光光路7以及用于放置待测溶液的样品池5；
所述ARM嵌入式***1的输出端依次与功率稳定电路2、宽带光源3及照明光纤4连接，所述宽带光源3发出的入射光线通过照明光纤4照射到样品池5中的待测溶液处并被待测溶液部分吸收后获得出射光线，出射光线通过测量光纤6导入到全谱分光光路7进行分光后照射到CCD探测器8，CCD探测器8对分光后的出射光线进行检测并将检测数据发送到信号采集电路9，信号采集电路9对测量数据进行处理后得到全光谱信息并发送到ARM嵌入式***1；
所述ARM嵌入式***1还连接有数据存储芯片10和显示模块11。
进一步作为优选的实施方式，参照图2，所述全谱分光光路7包括狭缝201、准直凹面镜202、平面光栅203及聚焦凹面镜204，所述测量光纤6导入的出射光线通过狭缝201进行空间滤波后照射到准直凹面镜202上进行准直进而得到平行光线，平行光线照射到平面光栅203上进行色散，色散后的光线到达聚焦凹面镜204进行聚焦后照射到CCD探测器8上。
进一步作为优选的实施方式，所述狭缝201的宽度范围为5μm~100μm，准直凹面镜202与聚焦凹面镜204均采用镀铝球面反射镜，平面光栅203采用线密度范围为300线/mm~1200线/mm的锯齿槽型的闪耀光栅。
进一步作为优选的实施方式，所述功率稳定电路2采用恒压电路。
进一步作为优选的实施方式，所述样品池5采用光程为10mm的石英比色皿。
进一步作为优选的实施方式，所述照明光纤4及测量光纤6均采用掺杂熔融石英多模光纤，且光纤的纤芯直径范围为50μm~1000μm，光纤封装接口为SMA905。
进一步作为优选的实施方式，所述CCD探测器8采用3648×1像素的线阵探测器且像素大小为8×200μm。
进一步作为优选的实施方式，所述ARM嵌入式***1还分别连接有扩展接口12、打印设备13、以太网有线模块14、Wi-Fi无线模块15以及GSM/GPRS无线模块16中的一个或多个。
参照图3，本发明还提供了一种用于快速检测食品的全谱检测仪的检测方法，包括：
S1、将宽带光源3发出的入射光线照射到待测溶液处并被待测溶液部分吸收后获得出射光线；
S2、将出射光线导入到全谱分光电路7进行分光后照射到CCD探测器8上进行检测；
S3、将CCD探测器8的检测数据发送到信号采集电路9进行处理后获得全光谱信息；
S4、ARM嵌入式***1接收全光谱信息后，结合预存的定标曲线，根据朗伯比尔定律计算出待测物的成分含量。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤S2，其具体为：
将出射光线导入到狭缝201进行空间滤波后照射到准直凹面镜202上进行准直进而得到平行光线，平行光线照射到平面光栅203上进行色散，色散后的光线到达聚焦凹面镜204进行聚焦后照射到CCD探测器8上进行检测。
下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。
参照图1及图2，本发明的一具体实施例如下：一种用于快速检测食品的全谱检测仪，包括ARM嵌入式***1、功率稳定电路2、宽带光源3、照明光纤4、测量光纤6、CCD探测器8、信号采集电路9、采用固定光栅进行分光的全谱分光光路7以及用于放置待测溶液的样品池5；
ARM嵌入式***1的输出端依次与功率稳定电路2、宽带光源3及照明光纤4连接，宽带光源3发出的入射光线通过照明光纤4照射到样品池5中的待测溶液处并被待测溶液部分吸收后获得出射光线，出射光线通过测量光纤6导入到全谱分光光路7进行分光后照射到CCD探测器8，CCD探测器8对分光后的出射光线进行检测并将检测数据发送到信号采集电路9，信号采集电路9对测量数据进行处理后得到全光谱信息并发送到ARM嵌入式***1；
ARM嵌入式***1还连接有数据存储芯片10和显示模块11。
本实施例的全谱分光光路7包括狭缝201、准直凹面镜202、平面光栅203及聚焦凹面镜204，测量光纤6导入的出射光线通过狭缝201进行空间滤波后照射到准直凹面镜202上进行准直进而得到平行光线，平行光线照射到平面光栅203上进行色散，色散后的光线到达聚焦凹面镜204进行聚焦后照射到CCD探测器8上。优选的，狭缝201的宽度范围为5μm~100μm，准直凹面镜202与聚焦凹面镜204均采用镀铝球面反射镜，平面光栅203采用线密度范围为300线/mm~1200线/mm的锯齿槽型的闪耀光栅。
这里平行光线照射到平面光栅203上进行色散是指，平面光栅203将照射到其上的多波长平行光束进行色散，不同波长光的一级衍射具有不同的空间出射角度。进而经色散后的各波长光束经过聚焦凹面镜204进行聚焦后聚焦到CCD探测器8的不同位置。
全谱分光光路7的优点在于：基于宽带光源3，全谱分光光路7获取的是连续的全波段光谱信息，因此常见的比色法测量的波长均可覆盖，故本全谱检测仪可以检测不同波长范围的被测样品制成的待测溶液。当需要检测新的检测项目时，只要其检测波长在宽带光源3的光谱范围内，都可以进行测试，或者只需要直接通过软件升级方式增加新的检测项目到检测方法数据库中，即可提供相应的操作提示指引用户进行检测，升级方便。而且，全谱分光光路7的构成决定了其可采用全固态设计，没有运动部件，结构紧凑，而且抗干扰性强，适合现场快速测量。还有，本光路的测量精确度高，因为光栅分光的光谱分辨率较高，而且平面光栅设计灵活，可通过优化消除信号光的零级反射以及杂散光，信噪比好；而且全光谱信息可以提供更为准确的背景光测量数据，综合上述可知本光路具有很高的测量精度。此外，本光路还易于满足用户的各种订制需求，当用户需要订制扩展到紫外、近红外波段时，可以通过更换平面光栅实现，而无需对仪器进行其它改动。
ARM嵌入式***1具体可采用基于Cortex M3/M4架构或Cortex A8/A9结构的ARM芯片，其操作***可采用WinCE、μC/OS-II、Android等，全谱检测仪的软件界面采用C++语言开发。
数据存储芯片10用于存储被测样品的检测结果，也可以用于存储检测方法数据库。数据存储芯片10采用电可擦写可编程只读存储器EEPROM，其容量大小可根据全谱检测仪的存储数据条目和检测方法数据库的大小而定。检测方法数据库中的检测方法是检测时的操作指引，用户进行检测时，首先选择并调用相应的检测方法，此时显示模块11上会显示相应的操作提示，用户根据操作提示进行测试即可，从而使得本全谱检测仪的操作更为便捷。
本实施例中显示模块11采用LCD触摸显示屏，可采用7寸全彩显示屏和四线电阻触摸屏拼合。
宽带光源3一般是根据全谱检测仪的检测波长范围来选择的，测量范围为常用的可见光波段时，采用卤钨灯光源。
功率稳定电路2采用恒压电路，一般采用由稳压芯片、运算放大器与功率放大MOS管组成的恒压电路即可，恒压电路的结构是目前较为成熟的技术，因此这里不做详细描述。
样品池5采用光程为10mm的石英比色皿。
照明光纤4及测量光纤6均采用掺杂熔融石英多模光纤，且光纤的纤芯直径范围为50μm~1000μm，光纤封装接口为SMA905。
CCD探测器8采用3648×1像素的线阵探测器且像素大小为8×200μm，且像面长度为29.2mm。
信号采集电路9可采用现场可编程门阵列FPGA，只要加载了色度学计算的相关公式，即可根据CCD探测器8的检测数据计算获得全光谱信息。
ARM嵌入式***1接收信号采集电路9发送的全光谱信息后，结合预存的定标曲线，根据朗伯比尔定律计算出待测物的成分含量。检测结果以及检测过程中获得的全光谱信息可以在显示模块11上实时显示，同时自动存储到数据存储芯片10上。全光谱信息在显示模块11上显示为光谱图。
本实施例中，ARM嵌入式***1还分别连接有扩展接口12、打印设备13、以太网有线模块14、Wi-Fi无线模块15以及GSM/GPRS无线模块16。
扩展接口12包括USB接口和SD卡接口，其中USB接口可用于连接电脑进行数据传输，也可以用于***U盘、USB鼠标、USB键盘等外设，SD卡接口用于***外部的SD存储卡。
以太网有线模块14遵循TCP/IP协议，Wi-Fi无线模块15符合IEEE802.11b/g标准且频率为2.4GHz，GSM/GPRS无线模块16采用900MHz/1800MHz双频通讯方式。以太网有线模块14、Wi-Fi无线模块15和GSM/GPRS无线模块16采用SPI接口、RS232接口等形式与ARM嵌入式***1进行通讯。
ARM嵌入式***1可以通过扩展接口12将检测结果以及检测过程中获得的全光谱信息发送到外部存储器、外部电脑或者服务器上，也可以发送到打印设备13进行打印。而且，还可以通过以太网有线模块14、Wi-Fi无线模块15或GSM/GPRS无线模块16将检测结果发送到食品监管部门的服务器并及时反馈给相关工作人员，从而提高食品监管的效率。
参照图4所示，当全谱检测仪的检测结果需要上传时，首先可分别通过以太网有线模块14、Wi-Fi无线模块15或GSM/GPRS无线模块16依次判断有线网络、Wi-Fi或GPRS网络是否连通，若其中有一个是连通的，则可通过该网络尝试连接登陆远程服务器，连接成功后可将数据上传至服务器，并通过服务器向有关人员发布。若网络不通或登陆远程服务器失败，可自动跳转至直联模式，用GSM/GPRS无线模块16中的GSM功能直接向全谱检测仪中预存的工作人员的手机号码发送数据，数据上传可以留待网络畅通后上传或者导出至具有以太网的电脑后上传。这种方式可以确保食品安全监测数据传输的时效性和可靠性。
本全谱检测仪的检测项目需要升级时，可以将升级文件下载到U盘或SD卡中，然后***扩展接口12导入从而进行本地升级，也可以通过以太网有线模块14、Wi-Fi无线模块15或GSM/GPRS无线模块16连接升级服务器进行网络升级。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种用于快速检测食品的全谱检测仪，其特征在于，包括ARM嵌入式***（1）、功率稳定电路（2）、宽带光源（3）、照明光纤（4）、测量光纤（6）、CCD探测器（8）、信号采集电路（9）、采用固定光栅进行分光的全谱分光光路（7）以及用于放置待测溶液的样品池（5）；
所述ARM嵌入式***（1）的输出端依次与功率稳定电路（2）、宽带光源（3）及照明光纤（4）连接，所述宽带光源（3）发出的入射光线通过照明光纤（4）照射到样品池（5）中的待测溶液处并被待测溶液部分吸收后获得出射光线，出射光线通过测量光纤（6）导入到全谱分光光路（7）进行分光后照射到CCD探测器（8），CCD探测器（8）对分光后的出射光线进行检测并将检测数据发送到信号采集电路（9），信号采集电路（9）对测量数据进行处理后得到全光谱信息并发送到ARM嵌入式***（1）；
所述ARM嵌入式***（1）还连接有数据存储芯片（10）和显示模块（11）。
2.根据权利要求1的一种用于快速检测食品的全谱检测仪，其特征在于，所述全谱分光光路（7）包括狭缝（201）、准直凹面镜（202）、平面光栅（203）及聚焦凹面镜（204），所述测量光纤（6）导入的出射光线通过狭缝（201）进行空间滤波后照射到准直凹面镜（202）上进行准直进而得到平行光线，平行光线照射到平面光栅（203）上进行色散，色散后的光线到达聚焦凹面镜（204）进行聚焦后照射到CCD探测器（8）上。
3.根据权利要求2的一种用于快速检测食品的全谱检测仪，其特征在于，所述狭缝（201）的宽度范围为5μm~100μm，所述准直凹面镜（202）与聚焦凹面镜（204）均采用镀铝球面反射镜，所述平面光栅（203）采用线密度范围为300线/mm~1200线/mm的锯齿槽型的闪耀光栅。
4.根据权利要求1的一种用于快速检测食品的全谱检测仪，其特征在于，所述功率稳定电路（2）采用恒压电路。
5.根据权利要求1的一种用于快速检测食品的全谱检测仪，其特征在于，所述样品池（5）采用光程为10mm的石英比色皿。
6.根据权利要求1的一种用于快速检测食品的全谱检测仪，其特征在于，所述照明光纤（4）及测量光纤（6）均采用掺杂熔融石英多模光纤，且光纤的纤芯直径范围为50μm~1000μm，光纤封装接口为SMA905。
7.根据权利要求1的一种用于快速检测食品的全谱检测仪，其特征在于，所述CCD探测器（8）采用3648×1像素的线阵探测器且像素大小为8×200μm。
8.根据权利要求1的一种用于快速检测食品的全谱检测仪，其特征在于，所述ARM嵌入式***（1）还分别连接有扩展接口（12）、打印设备（13）、以太网有线模块（14）、Wi-Fi无线模块（15）以及GSM/GPRS无线模块（16）中的一个或多个。
9.一种用于快速检测食品的全谱检测仪的检测方法，其特征在于，包括：
S1、将宽带光源（3）发出的入射光线照射到待测溶液处并被待测溶液部分吸收后获得出射光线；
S2、将出射光线导入到全谱分光电路（7）进行分光后照射到CCD探测器（8）上进行检测；
S3、将CCD探测器（8）的检测数据发送到信号采集电路（9）进行处理后获得全光谱信息；
S4、ARM嵌入式***（1）接收全光谱信息后，结合预存的定标曲线，根据朗伯比尔定律计算出待测物的成分含量。
10.根据权利要求9的一种用于快速检测食品的全谱检测仪的检测方法，其特征在于，所述步骤S2，其具体为：
将出射光线导入到狭缝（201）进行空间滤波后照射到准直凹面镜（202）上进行准直进而得到平行光线，平行光线照射到平面光栅（203）上进行色散，色散后的光线到达聚焦凹面镜（204）进行聚焦后照射到CCD探测器（8）上进行检测。
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