CN104374703B - 一快速检测雪花牛肉的***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一快速检测雪花牛肉的***和方法。该***包括控制器和检测机构，检测机构包括底座，底座上设有检测台，检测台中部设有矩形凹槽，矩形凹槽内储存有液体，液体上设有样品托盘，样品托盘上设有第一永磁体和第二永磁体，样品托盘底部设有定位柱，定位柱底部设有定位头，矩形凹槽前内侧面设有第一电磁铁和第一接近开关，矩形凹槽后内侧面设有第二电磁铁，矩形凹槽的底面设有第一驱动电机和若干个定位块，第一驱动电机通过传动机构与定位块相连，定位块上设有角度传感器，定位块上还设有定位孔，定位孔底部设有第三电磁铁和第二接近开关，样品托盘上方设有光收发器。本发明能够快速、简便、准确地检测出牛肉是否为雪花牛肉。

Description

一快速检测雪花牛肉的***和方法

技术领域

本发明涉及食品检测技术领域，尤其涉及一快速检测雪花牛肉的***和方法。

背景技术

高档牛肉是指制作国际高档食品的优质牛肉，要求肌纤维细嫩、多汁，肌肉间含有一定量的脂肪，脂肪颗粒细小，于肌肉组织中分布均匀，成大理石纹理，俗称“雪花牛肉”。目前，雪花牛肉一般靠人肉眼进行判断，判断不够准确，且容易出现人为失误。

中国专利公开号CN1603794，公开日2005年4月6日，发明的名称为近红外技术快速检测牛肉嫩度的方法和装置，该申请案公开了一种近红外技术快速检测牛肉嫩度的方法和装置，它由近红外光源、近红外检测器、漫反射光纤设备、微处理器、显示和记录装置和可转动载物台组成。其不足之处是，该检测装置不能检测牛肉是否为雪花牛肉。

发明内容

本发明的目的是克服目前牛肉检测***不能检测牛肉是否为雪花牛肉的技术问题，提供了一快速检测雪花牛肉的***和方法，其能够快速、简便、准确地检测出牛肉是否为雪花牛肉。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明的一快速检测雪花牛肉的***，包括控制器和检测机构，所述控制器包括中央处理单元、触摸屏和光源控制模块，所述检测机构包括底座，所述底座上设有检测台，所述检测台中部设有矩形凹槽，所述矩形凹槽内储存有液体，所述液体上设有呈圆形的样品托盘，所述样品托盘的前端和后端分别设有第一永磁体和第二永磁体，所述样品托盘底部设有定位柱，所述定位柱底部设有定位头，所述定位头由铁磁性材料制成，所述矩形凹槽的前内侧面设有第一电磁铁和第一接近开关，所述矩形凹槽的后内侧面设有第二电磁铁，所述矩形凹槽的底面设有第一驱动电机和若干个可转动的定位块，所述第一驱动电机通过传动机构与定位块相连，所述定位块上设有角度传感器，所述定位块上设有与定位头配合且限制定位头自由转动的定位孔，所述若干个定位块上的定位孔从前至后呈直线排列，所述定位孔底部设有第三电磁铁和第二接近开关，所述样品托盘上方设有光收发器，所述光收发器包括照射光源和光接收器，所述中央处理单元分别与触摸屏、光源控制模块、第一电磁铁、第二电磁铁、第三电磁铁、第一接近开关、第二接近开关、第一驱动电机、光接收器和角度传感器电连接，所述光源控制模块还与照射光源电连接。

在本技术方案中，照射光源为卤素灯或激光发射器。检测时，将待测牛肉样品放置在样品托盘上，使牛肉样品的中心位于样品托盘的中心。

中央处理单元控制第一电磁铁工作，第一电磁铁产生吸力，样品托盘上的第一永磁体受第一电磁铁吸力作用，样品托盘向矩形凹槽的前内侧面运动，同时第一永磁体受吸力作用正对第一电磁铁，校准定位头的位置，保证定位头能够***定位孔。矩形凹槽左右内侧壁之间的距离比样品托盘的直径略大，使样品托盘只能够前后运动，保证定位头在定位孔排列成的直线上方运动，便于定位头***定位孔。当样品托盘移动到矩形凹槽前内侧面处时，第一接近开关发出触发信号，中央处理单元接收到第一接近开关发出的触发信号，控制第一电磁铁停止工作，控制距离矩形凹槽前内侧面最近的定位孔底部的第三电磁铁工作，第三电磁铁产生吸力，样品托盘底部的定位头受第三电磁铁的吸力作用***该定位孔，该定位孔内的第二接近开关发出触发信号。中央处理单元接收到触发信号，判断样品托盘定位成功，此时样品托盘的中心点位于光收发器的正下方。

用户可通过触摸屏选择样品托盘需要***的定位孔位置。中央处理单元控制距离矩形凹槽前内侧面最近的定位孔底部的第三电磁铁停止工作，样品托盘受浮力作用浮起，样品托盘底部的定位头离开定位孔。中央处理单元控制第二电磁铁以及样品托盘需要***的定位孔底部的第三电磁铁工作，样品托盘上的第二永磁体受第二电磁铁吸力作用，样品托盘向矩形凹槽的后内侧面运动。当样品托盘移动到需要***的定位孔上方时，样品托盘下方的定位头受第三电磁铁吸力作用，样品托盘底部的定位头***该定位孔，该定位孔内的第二接近开关发出触发信号。中央处理单元接收到触发信号，判断样品托盘成功***用户选择的定位孔。样品托盘在液体中前后移动，无摩擦损耗，通过定位孔实现精确定位。

角度传感器检测定位块转动的角度。中央处理单元控制样品托盘***的定位孔所在的定位块旋转一周，每水平转动5度停下检测一次光谱数据。检测光谱数据时，照射光源发出的检测光的强度曲线先从0按照正弦曲线上升到最大值，接着从最大值按照正弦曲线下降到0。光接收器检测接收到的反射光强度，并将其发送到中央处理单元，中央处理单元对检测数据进行相应处理后，判断待测牛肉样品是否为雪花牛肉。

本发明是采用光强度不断变化的入射光照射样品，在入射光的强度渐大或者减小的变化过程中，不同基团对相应波长光的吸收是渐大或者减小的，此时基团的吸收程度处于未饱和、饱和渐弱过程中，反射光中包含更多的检测信息，从而使得到的检测信号能够更准确的表征出牛肉是否为雪花牛肉。

作为优选，所述定位头呈扁平状，所述定位头的纵截面呈倒置的等腰梯形，所述定位孔的形状与定位头的形状匹配，所述定位孔顶部设有倾斜的导向面。定位孔沿从前至后方向设置，定位孔顶部的左右两侧的导向面起导向作用，便于定位头***定位孔。

作为优选，所述矩形凹槽左右内侧壁之间的距离与样品托盘的直径相匹配。矩形凹槽左右内侧壁之间的距离比样品托盘的直径略大，使样品托盘只能够前后运动，保证定位头在定位孔排列成的直线上方运动，便于定位头***定位孔。

作为优选，所述光源控制模块包括NI数字式采集卡和功放电路，所述NI数字式采集卡的输入端与中央处理单元电连接，所述NI数字式采集卡的输出端与功放电路的输入端电连接，所述功放电路的输出端与照射光源电连接。NI数字式采集卡采集中央处理单元发出的控制信号，并通过功放电路控制照射光源发出不同强度的检测光。

作为优选，所述矩形凹槽底面上距离矩形凹槽前内侧面最近的定位孔位于光收发器的正下方。距离矩形凹槽前内侧面最近的定位孔用于样品托盘的初始定位，最前面的定位孔与最后面的定位孔之间的距离为样品托盘的半径。

本发明的一快速检测雪花牛肉的方法，包括以下步骤：

S1：制备片状牛肉样品，将牛肉样品放置在样品托盘上，使牛肉样品的中心位于样品托盘的中心；

S2：中央处理单元根据用户通过触摸屏输入的指令，控制样品托盘***用户指定的定位孔；

S3：中央处理单元通过光源控制模块控制照射光源发出特定光强的检测光照射在牛肉样品上，检测光强度曲线先从0按照正弦曲线上升到最大值，接着从最大值按照正弦曲线下降到0，光接收器采集反射光谱数据Spect(t)，然后中央处理单元控制第一驱动电机工作，第一驱动电机控制定位块转动5度，使样品托盘水平旋转5度，光接收器采集此时照射光源照射点的光谱数据，如此控制样品托盘水平旋转360度，每水平转动5度停下检测一次光谱数据，从而在牛肉样品上采集72个不同位置的光谱数据Spect(t)；

S4：中央处理单元将采集到的72个光谱数据Spect(t)均进行同样的数据处理，计算出72个信噪比特征值，对每个光谱数据Spect(t)进行的数据处理包括以下步骤：

采用输入信号作为输入矩阵，势函数V(x，t，α)与输入信号协同为一层随机共振模型：

其中，V(x，t，α)为势函数，x(t)为布朗粒子运动轨迹函数，t为运动时间，为周期性正弦信号，N(t)为内秉噪声，A是信号幅度，f是信号频率，D是外噪声强度，ξ(t)是外噪声，为相位，

计算V(x，t，α)对于x(t)的一阶导数、二阶导数和三阶导数，并且使等式等于0，得到二层随机共振模型：

设定噪声强度D＝0，Spect(t)＝0，N(t)＝0，计算得到A的临界值为将A_c代入一层随机共振模型中，并设定x₀(t)＝0，sn₀＝0，采用四阶珑格库塔算法求解一层随机共振模型，得到：

$\begin{array}{c}{x}_{n+1}\left(t\right)=x_n+1/6[{\left(k_1\right)}_n+(2-\sqrt{2}){\left(k_2\right)}_n+(2+\sqrt{2}){\left(k_3\right)}_n+{\left(k_4\right)}_n]\\ n=\mathrm{0,1},...,N-1\end{array},---\left(3\right)$

其中，待定系数：

${\left(k_1\right)}_n=a{\left({\mathrm{\αx}}_{n-1}\left(t\right)\right)}^2-b{\left({\mathrm{\αx}}_{n-1}\left(t\right)\right)}^3+{\mathrm{sn}}_{n-1}---\left(4\right)$

${\left(k_2\right)}_n=a({\mathrm{\αx}}_{n-1}\left(t\right)+\frac{{\left(k_1\right)}_{n-1}}{3})-b{({\mathrm{\αx}}_{n-1}\left(t\right)+\frac{{\left(k_1\right)}_{n-1}}{3})}^3+{\mathrm{sn}}_{n-1}---\left(5\right)$

${\left(k_3\right)}_n=a({\mathrm{\αx}}_{n-1}\left(t\right)+\frac{{\left(k_2\right)}_{n-1}}{3})-b{({\mathrm{\αx}}_{n-1}\left(t\right)+\frac{\sqrt{2}-1}{3}{\left(k_1\right)}_{n-1}+\frac{2-\sqrt{2}}{3}{\left(k_2\right)}_{n-1})}^3+{\mathrm{sn}}_{n+1}---\left(6\right)$

${\left(k_4\right)}_n=a({3\mathrm{\αx}}_{n-1}\left(t\right)+{\left(k_3\right)}_{n-1})-b{({\mathrm{\αx}}_{n-1}\left(t\right)-\frac{\sqrt{2}}{3}{\left(k_2\right)}_{n-1}+\frac{2+\sqrt{2}}{3}{\left(k_3\right)}_{n-1})}^3+{\mathrm{sn}}_{n+1}---\left(7\right)$

其中，x_n(t)为x(t)的n阶导数，sn_n是S(t)的n阶导数在t＝0处的值，a、b为设定的常数，

计算得到x₁(t)，x₂(t)…x_n+1(t)的值，对x₁(t)，x₂(t)…x_n+1(t)进行积分得到x(t)，并得到x(t)在一层随机共振模型和二层随机共振模型组成的双层随机共振***产生共振时刻的位置x_m值、与x_m相对应的共振时刻t1、与t1相对应的运动加速度α1以及与t1相对应的噪声D1，D1为D中的一个值，

通过公式 $\mathrm{SNR}=\sqrt{2}{\left(\mathrm{\ΔU}\frac{{4a}^3/27b}{D_1}\right)}^2{e}^{{-\left(\mathrm{\ΔU}\right)}^2/D_1},$ 计算得到信噪比特征值SNR_特征，其中，ΔU＝a²/4b；

S5：将计算出的72个信噪比特征值SNR_特征分别与设定的阈值比较，如果SNR_特征＞-68.74判断该信噪比特征值对应的检测点为白色光谱点，如果SNR_特征＜-77.49判断该信噪比特征值对应的检测点为红色光谱点；

S6：统计白色光谱点的个数N1和红色光谱点的个数N2，如果且则判断该牛肉样品是雪花牛肉，否则判断该牛肉样品不是雪花牛肉。

作为优选，所述步骤S2包括以下步骤：

S21：中央处理单元控制第一电磁铁工作，样品托盘受第一电磁铁吸力作用运动到矩形凹槽前内侧面处，第一接近开关发出触发信号；

S22：中央处理单元接收到第一接近开关发出的触发信号，控制第一电磁铁停止工作，控制距离矩形凹槽前内侧面最近的定位孔底部的第三电磁铁工作，第三电磁铁产生吸力，样品托盘底部的定位头受第三电磁铁的吸力作用***该定位孔，该定位孔内的第二接近开关发出触发信号；

S23：中央处理单元接收到第二接近开关发出的触发信号，判断样品托盘定位成功，此时样品托盘的中心点位于光收发器的正下方；

S24：中央处理单元读取用户通过触摸屏输入的指令确定样品托盘需要***的定位孔位置；

S25：中央处理单元控制距离矩形凹槽前内侧面最近的定位孔底部的第三电磁铁停止工作，样品托盘受浮力作用浮起，样品托盘底部的定位头离开定位孔；

S26：中央处理单元控制第二电磁铁以及样品托盘需要***的定位孔底部的第三电磁铁工作，样品托盘底部的定位头***该定位孔，该定位孔内的第二接近开关发出触发信号。

本发明的实质效果是：(1)能够快速、简便、准确地检测出牛肉是否为雪花牛肉。(2)样品托盘在液体中前后移动，无摩擦损耗，通过定位孔实现精确定位。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是矩形凹槽的结构示意图；

图3是矩形凹槽和样品托盘的结构示意图；

图4是图3的截面图；

图5是定位孔的结构示意图；

图6是本发明的电路原理连接框图；

图7是检测时照射光源发出的检测光的光强曲线图。

图中：1、中央处理单元，2、触摸屏，3、光源控制模块，4、底座，5、检测台，6、矩形凹槽，7、样品托盘，8、第一永磁体，9、第二永磁体，10、定位柱，11、定位头，12、第一电磁铁，13、第二电磁铁，14、定位块，15、第一驱动电机，16、定位孔，17、第三电磁铁，18、第一接近开关，19、光收发器，20、照射光源，21、光接收器，22、升降机构，23、导向面，24、NI数字式采集卡，25、功放电路，26、摄像头，27、横向连杆，28、纵向连杆，29、丝杆，30、支撑杆，31、螺纹套，32、套管，33、第二接近开关，34、角度传感器。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一快速检测雪花牛肉的***，如图1、图2、图3、图4所示，包括控制器和检测机构，控制器包括中央处理单元1、触摸屏2和光源控制模块3，检测机构包括底座4，底座4上设有检测台5，检测台5中部设有矩形凹槽6，矩形凹槽6内储存有液体，液体上设有呈圆形的样品托盘7，样品托盘7的前端和后端分别设有第一永磁体和第二永磁体，样品托盘7底部设有定位柱10，定位柱10底部设有定位头11，定位头11由铁磁性材料制成，矩形凹槽6的前内侧面设有第一电磁铁12和第一接近开关18，矩形凹槽6的后内侧面设有第二电磁铁13，矩形凹槽6的底面设有第一驱动电机15和七个可转动的定位块14，第一驱动电机15通过传动机构与定位块14相连，定位块14上设有角度传感器34，定位块14上设有与定位头11配合且限制定位头11自由转动的定位孔16，七个定位块14上的定位孔16从前至后呈直线排列，定位孔16底部设有第三电磁铁17和第二接近开关33，样品托盘7上方设有光收发器19，光收发器19包括照射光源20和光接收器21，底座4上还设有带动光收发器19上下运动的升降机构22。

如图6所示，光源控制模块3包括NI数字式采集卡24和功放电路25，矩形凹槽6上方还设有摄像头26，摄像头26通过连接件与升降机构22相连，中央处理单元1分别与触摸屏2、第一电磁铁12、第二电磁铁13、第三电磁铁17、第一接近开关18、第二接近开关33、第一驱动电机15、光接收器21、角度传感器34、升降机构22、摄像头26、NI数字式采集卡24的输入端电连接，NI数字式采集卡24的输出端与功放电路25的输入端电连接，功放电路25的输出端与照射光源20电连接。

升降机构22包括横向连杆27、纵向连杆28、丝杆29、支撑杆30以及驱动丝杆29转动的第二驱动电机，丝杆29和支撑杆30竖直设置在底座4上，横向连杆27一端设有套设在丝杆29上的螺纹套31以及套设在支撑杆30上的套管32，所述横向连杆27另一端与纵向连杆28的顶端相连，所述光收发器19设置在纵向连杆28的底端，照射光源20的照射方向竖直向下，第二驱动电机与中央处理单元1电连接。中央处理单元1可通过升降机构22调整光收发器29的上下位置，以满足需要的检测高度。

传动机构包括设置在每个定位块14底部的传动齿轮、设置在第一驱动电机15转轴上的传动齿轮以及与传动齿轮啮合的齿条。第一驱动电机15的转轴正反转时，齿条前后移动，七个定位块14在其底部的传动齿轮带动下同步转动，角度传感器34安装在其中一个定位块14上，用于检测定位块14的转动角度。

定位头11呈扁平状。定位头11的纵截面呈倒置的等腰梯形，定位孔16的形状与定位头11的形状匹配，如图5所示，定位孔16顶部左右两侧分别设有倾斜的导向面23。定位孔16沿从前至后方向设置，定位孔16顶部左右两侧的导向面23起导向作用，便于定位头11***定位孔16。

矩形凹槽6左右内侧壁之间的距离与样品托盘7的直径相匹配。矩形凹槽6左右内侧壁之间的距离比样品托盘7的直径大1cm，使样品托盘7只能够前后运动，保证定位头11在定位孔16排列成的直线上方运动，便于定位头11***定位孔16。

矩形凹槽6底面上距离矩形凹槽6前内侧面最近的定位孔16位于光收发器19的正下方。距离矩形凹槽6前内侧面最近的定位孔16用于样品托盘7的初始定位，最前面的定位孔16与最后面的定位孔16之间的距离为样品托盘7的半径。

样品托盘7包括呈圆形的底盘以及与底盘外缘相连的环形侧壁，第一永磁体和第二永磁体分别镶嵌在环形侧壁的前端和后端，底盘底部设有向下凸出的凸块，凸块呈球冠形，定位柱10设置在凸块的底部。凸块呈球冠形，使样品托盘7能够平稳的在液体中上下浮动，底盘用于放置待测牛肉样品，环形侧壁可防止液体溅到底盘上的待测牛肉样品上。

NI数字式采集卡24采集中央处理单元1发出的控制信号，并通过功放电路25控制照射光源20发出不同强度的检测光。摄像头26采集矩形凹槽6的图像信息，并发送到中央处理单元1，中央处理单元1通过图像处理得到样品托盘7的位置信息，在样品托盘7前后移动时进行监控，如果样品托盘7没有移动到需要***的定位孔16的正上方，中央处理单元1通过第一电磁铁12和第二电磁铁13调整样品托盘7的位置，便于中央处理单元1更准确的调整样品托盘7的位置。照射光源20为卤素灯。

检测时，将待测牛肉样品放置在样品托盘7上，使牛肉样品的中心位于样品托盘7的中心。

中央处理单元1控制第一电磁铁12工作，第一电磁铁12产生吸力，样品托盘7上的第一永磁体受第一电磁铁12吸力作用，样品托盘7向矩形凹槽6的前内侧面运动，同时第一永磁体受吸力作用正对第一电磁铁12，校准定位头11的位置，保证定位头11能够***定位孔16。矩形凹槽6左右内侧壁之间的距离比样品托盘7的直径略大，使样品托盘7只能够前后运动，保证定位头11在定位孔16排列成的直线上方运动，便于定位头11***定位孔16。当样品托盘7与矩形凹槽6前内侧面相接触时(此时，定位头11位于距离矩形凹槽6前内侧面最近的定位孔16的正上方)，第一接近开关18发出触发信号，中央处理单元1接收到第一接近开关18发出的触发信号，控制第一电磁铁12停止工作，控制距离矩形凹槽6前内侧面最近的定位孔16底部的第三电磁铁17工作，第三电磁铁17产生吸力，样品托盘7底部的定位头11受第三电磁铁17的吸力作用***该定位孔16，该定位孔16内的第二接近开关33发出触发信号。中央处理单元1接收到第二接近开关33发出的触发信号，判断样品托盘7定位成功，此时样品托盘7的中心点位于光收发器19的正下方。

用户可通过触摸屏2选择样品托盘7需要***的定位孔16位置。中央处理单元1控制距离矩形凹槽6前内侧面最近的定位孔16底部的第三电磁铁17停止工作，样品托盘7受浮力作用浮起，样品托盘7底部的定位头11离开定位孔16。中央处理单元1控制第二电磁铁13以及样品托盘7需要***的定位孔16底部的第三电磁铁17工作，样品托盘7上的第二永磁体受第二电磁铁13吸力作用，样品托盘7向矩形凹槽6的后内侧面运动。当样品托盘7移动到需要***的定位孔16上方时，样品托盘7下方的定位头11受第三电磁铁13吸力作用，样品托盘7底部的定位头11***该定位孔16，该定位孔16内的第二接近开关33发出触发信号。中央处理单元1接收到触发信号，判断样品托盘7成功***用户选择的定位孔16。样品托盘7在液体中前后移动，无摩擦损耗，通过定位孔16实现精确定位。

中央处理单元1控制样品托盘7***的定位孔16所在的定位块14旋转一周，每水平转动5度停下检测一次光谱数据。检测光谱数据时，照射光源20发出的检测光的强度曲线先从0按照正弦曲线上升到最大值，接着从最大值按照正弦曲线下降到0，如图7所示。光接收器21检测接收到的反射光强度曲线，并将其发送到中央处理单元1，中央处理单元1对检测数据进行相应处理后，判断待测牛肉样品是否为雪花牛肉。

本发明是采用光强度不断变化的入射光照射样品，在入射光的强度渐大或者减小的变化过程中，不同基团对相应波长光的吸收是渐大或者减小的，此时基团的吸收程度处于未饱和、饱和渐弱过程中，反射光中包含更多的检测信息，从而使得到的检测信号能够更准确的表征出牛肉是否为雪花牛肉。

本实施例的一快速检测雪花牛肉的方法，适用于上述的一快速检测雪花牛肉的***，包括以下步骤：

S1：制备厚度为6mm-7mm的牛肉样品，将牛肉样品放置在样品托盘上，使牛肉样品的中心位于样品托盘的中心；

S2：中央处理单元根据用户通过触摸屏输入的指令，控制样品托盘***用户指定的定位孔；

S3：中央处理单元通过光源控制模块控制照射光源发出特定光强的检测光照射在牛肉样品上，检测光强度曲线先从0按照正弦曲线上升到最大值，接着从最大值按照正弦曲线下降到0，光接收器采集反射光谱数据Spect(t)，然后中央处理单元控制第一驱动电机工作，第一驱动电机控制定位块转动5度，使样品托盘水平旋转5度，光接收器采集此时照射光源照射点的光谱数据，如此控制样品托盘水平旋转360度，每水平转动5度停下检测一次光谱数据，从而在牛肉样品上采集72个不同位置的光谱数据Spect(t)；

S4：中央处理单元将采集到的72个光谱数据Spect(t)均进行同样的数据处理，计算出72个信噪比特征值，对每个光谱数据Spect(t)进行的数据处理包括以下步骤：

采用输入信号作为输入矩阵，

在绝热近似条件下，假设信号幅度极小(A＜＜1)，双稳态***在没有足够能量驱动的情况下，布朗运动粒子偏置于一侧势阱中，信号周期比一些典型势阱内***弛豫时间要长的多，此时周期性驱动力的出现使势函数发生倾斜，最终导致布朗运动粒子从一个势阱到另外一个势阱的跃迁，因此势函数V(x，t，α)与输入信号协同为一层随机共振模型：

其中，V(x，t，α)为势函数，x(t)为布朗粒子运动轨迹函数，t为运动时间，为周期性正弦信号，N(t)为内秉噪声，A是信号幅度，f是信号频率，D是外噪声强度，ξ(t)是外噪声，为相位，

计算V(x，t，α)对于x(t)的一阶导数、二阶导数和三阶导数，并且使等式等于0，得到二层随机共振模型：

设定噪声强度D＝0，Spect(t)＝0，N(t)＝0，计算得到A的临界值为在A＜A_c的情况下，布朗运动粒子在其原始位置左右进行徘徊，并不能实现两个势阱之间的跃迁，但是粒子在得到外噪声干预的情况下，即便是A＜A_c其也能完成势阱之间的跃迁，这就是随机共振的发生过程，将A_c代入一层随机共振模型中，并设定x₀(t)＝0，sn₀＝0，采用四阶珑格库塔算法求解一层随机共振模型，得到：

$\begin{array}{c}{x}_{n+1}\left(t\right)=x_n+1/6[{\left(k_1\right)}_n+(2-\sqrt{2}){\left(k_2\right)}_n+(2+\sqrt{2}){\left(k_3\right)}_n+{\left(k_4\right)}_n]\\ n=\mathrm{0,1},...,N-1\end{array},---\left(3\right)$

其中，待定系数：

${\left(k_1\right)}_n=a{\left({\mathrm{\αx}}_{n-1}\left(t\right)\right)}^2-b{\left({\mathrm{\αx}}_{n-1}\left(t\right)\right)}^3+{\mathrm{sn}}_{n-1}---\left(4\right)$

${\left(k_2\right)}_n=a({\mathrm{\αx}}_{n-1}\left(t\right)+\frac{{\left(k_1\right)}_{n-1}}{3})-b{({\mathrm{\αx}}_{n-1}\left(t\right)+\frac{{\left(k_1\right)}_{n-1}}{3})}^3+{\mathrm{sn}}_{n-1}---\left(5\right)$

${\left(k_3\right)}_n=a({\mathrm{\αx}}_{n-1}\left(t\right)+\frac{{\left(k_2\right)}_{n-1}}{3})-b{({\mathrm{\αx}}_{n-1}\left(t\right)+\frac{\sqrt{2}-1}{3}{\left(k_1\right)}_{n-1}+\frac{2-\sqrt{2}}{3}{\left(k_2\right)}_{n-1})}^3+{\mathrm{sn}}_{n+1}---\left(6\right)$

${\left(k_4\right)}_n=a({3\mathrm{\αx}}_{n-1}\left(t\right)+{\left(k_3\right)}_{n-1})-b{({\mathrm{\αx}}_{n-1}\left(t\right)-\frac{\sqrt{2}}{3}{\left(k_2\right)}_{n-1}+\frac{2+\sqrt{2}}{3}{\left(k_3\right)}_{n-1})}^3+{\mathrm{sn}}_{n+1}---\left(7\right)$

其中，x_n(t)为x(t)的n阶导数，sn_n是S(t)的n阶导数在t＝0处的值，a、b为设定的常数，

计算得到x₁(t)，x₂(t)…x_n+1(t)的值，对x₁(t)，x₂(t)…x_n+1(t)进行积分得到x(t)，并得到x(t)在一层随机共振模型和二层随机共振模型组成的双层随机共振***产生共振时刻的位置x_m值、与x_m相对应的共振时刻t1、与t1相对应的运动加速度α1以及与t1相对应的噪声D1，D1为D中的一个值，

通过公式 $\mathrm{SNR}=\sqrt{2}{\left(\mathrm{\ΔU}\frac{{4a}^3/27b}{D_1}\right)}^2{e}^{{-\left(\mathrm{\ΔU}\right)}^2/D_1},$ 计算得到信噪比特征值SNR_特征，其中，ΔU＝a²/4b；

S5：将计算出的72个信噪比特征值SNR_特征分别与设定的阈值比较，如果SNR_特征＞-68.74判断该信噪比特征值对应的检测点为白色光谱点，如果SNR_特征＜-77.49判断该信噪比特征值对应的检测点为红色光谱点；

S6：统计白色光谱点的个数N1和红色光谱点的个数N2，如果且则判断该牛肉样品是雪花牛肉，否则判断该牛肉样品不是雪花牛肉。

光强度曲线先从0按照正弦曲线上升到最大值，接着从最大值按照正弦曲线下降到0的检测光适合检测厚度为6mm-7mm的牛肉样品。

步骤S2包括以下步骤：

S21：中央处理单元控制第一电磁铁工作，样品托盘受第一电磁铁吸力作用运动到矩形凹槽前内侧面处，第一接近开关发出触发信号；

S22：中央处理单元接收到第一接近开关发出的触发信号，控制第一电磁铁停止工作，控制距离矩形凹槽前内侧面最近的定位孔底部的第三电磁铁工作，第三电磁铁产生吸力，样品托盘底部的定位头受第三电磁铁的吸力作用***该定位孔，该定位孔内的第二接近开关发出触发信号；

S23：中央处理单元接收到第二接近开关发出的触发信号，判断样品托盘定位成功，此时样品托盘的中心点位于光收发器的正下方；

S24：中央处理单元读取用户通过触摸屏输入的指令确定样品托盘需要***的定位孔位置；

S25：中央处理单元控制距离矩形凹槽前内侧面最近的定位孔底部的第三电磁铁停止工作，样品托盘受浮力作用浮起，样品托盘底部的定位头离开定位孔；

S26：中央处理单元控制第二电磁铁以及样品托盘需要***的定位孔底部的第三电磁铁工作，样品托盘受第二电磁铁吸力作用移动到需要***的定位孔上方，样品托盘底部的定位头受第三电磁铁吸力作用***该定位孔，该定位孔内的第二接近开关发出触发信号。摄像头采集矩形凹槽的图像信息，并发送到中央处理单元，中央处理单元通过图像处理得到样品托盘的位置信息，如果样品托盘受第二电磁铁吸力作用向后移动过度，运动到需要***的定位孔的后方，中央处理单元通过第一电磁铁和第二电磁铁调整样品托盘的位置，使样品托盘保持在需要***的定位孔的正上方。

在本实施例中，统计白色光谱点的个数N1＝10和红色光谱点的个数N2＝62， $\left|\frac{N1}{72}\right|=14\%<20\%,\left|\frac{N2}{72}\right|=86\%>75\%,$ 判断牛肉样品是雪花牛肉。

Claims (7)

1.一快速检测雪花牛肉的***，其特征在于：包括控制器和检测机构，所述控制器包括中央处理单元(1)、触摸屏(2)和光源控制模块(3)，所述检测机构包括底座(4)，所述底座(4)上设有检测台(5)，所述检测台(5)中部设有矩形凹槽(6)，所述矩形凹槽(6)内储存有液体，所述液体上设有呈圆形的样品托盘(7)，所述样品托盘(7)的前端和后端分别设有第一永磁体和第二永磁体，所述样品托盘(7)底部设有定位柱(10)，所述定位柱(10)底部设有定位头(11)，所述定位头(11)由铁磁性材料制成，所述矩形凹槽(6)的前内侧面设有第一电磁铁(12)和第一接近开关(18)，所述矩形凹槽(6)的后内侧面设有第二电磁铁(13)，所述矩形凹槽(6)的底面设有第一驱动电机(15)和若干个可转动的定位块(14)，所述第一驱动电机(15)通过传动机构与定位块(14)相连，所述定位块(14)上设有角度传感器(34)，所述定位块(14)上设有与定位头(11)配合且限制定位头(11)自由转动的定位孔(16)，所述若干个定位块(14)上的定位孔(16)从前至后呈直线排列，所述定位孔(16)底部设有第三电磁铁(17)和第二接近开关(33)，所述样品托盘(7)上方设有光收发器(19)，所述光收发器(19)包括照射光源(20)和光接收器(21)，所述中央处理单元(1)分别与触摸屏(2)、光源控制模块(3)、第一电磁铁(12)、第二电磁铁(13)、第三电磁铁(17)、第一接近开关(18)、第二接近开关(33)、第一驱动电机(15)、光接收器(21)和角度传感器(34)电连接，所述光源控制模块(3)还与照射光源(20)电连接。

2.根据权利要求1所述的一快速检测雪花牛肉的***，其特征在于：所述定位头(11)呈扁平状，所述定位头(11)的纵截面呈倒置的等腰梯形，所述定位孔(16)的形状与定位头(11)的形状匹配，所述定位孔(16)顶部设有倾斜的导向面(23)。

3.根据权利要求1所述的一快速检测雪花牛肉的***，其特征在于：所述矩形凹槽(6)左右内侧壁之间的距离与样品托盘(7)的直径相匹配。

4.根据权利要求1或2或3所述的一快速检测雪花牛肉的***，其特征在于：所述光源控制模块(3)包括NI数字式采集卡(24)和功放电路(25)，所述NI数字式采集卡(24)的输入端与中央处理单元(1)电连接，所述NI数字式采集卡(24)的输出端与功放电路(25)的输入端电连接，所述功放电路(25)的输出端与照射光源(20)电连接。

5.根据权利要求1或2或3所述的一快速检测雪花牛肉的***，其特征在于：所述矩形凹槽(6)底面上距离矩形凹槽(6)前内侧面最近的定位孔(16)位于光收发器(19)的正下方。

6.一快速检测雪花牛肉的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：制备片状牛肉样品，将牛肉样品放置在样品托盘上，使牛肉样品的中心位于样品托盘的中心；

S2：中央处理单元根据用户通过触摸屏输入的指令，控制样品托盘***用户指定的定位孔；

S3：中央处理单元通过光源控制模块控制照射光源发出特定光强的检测光照射在牛肉样品上，检测光强度曲线先从0按照正弦曲线上升到最大值，接着从最大值按照正弦曲线下降到0，光接收器采集反射光谱数据Spect(t)，然后中央处理单元控制第一驱动电机工作，第一驱动电机控制定位块转动5度，使样品托盘水平旋转5度，光接收器采集此时照射光源照射点的光谱数据，如此控制样品托盘水平旋转360度，每水平转动5度停下检测一次光谱数据，从而在牛肉样品上采集72个不同位置的光谱数据Spect(t)；

S4：中央处理单元将采集到的72个光谱数据Spect(t)均进行同样的数据处理，计算出72个信噪比特征值，对每个光谱数据Spect(t)进行的数据处理包括以下步骤：

采用输入信号作为输入矩阵，势函数V(x，t，α)与输入信号协同为一层随机共振模型：

其中，V(x，t，α)为势函数，x(t)为布朗粒子运动轨迹函数，t为运动时间，为周期性正弦信号，N(t)为内秉噪声，A是信号幅度，f是信号频率，D是外噪声强度，ξ(t)是外噪声，为相位，α为运动加速度，

计算V(x，t，α)对于x(t)的一阶导数、二阶导数和三阶导数，并且使等式等于0，得到二层随机共振模型：

设定噪声强度D＝0，Spect(t)＝0，N(t)＝0，计算得到A的临界值为将A_c代入一层随机共振模型中，并设定x₀(t)＝0，sn₀＝0，采用四阶珑格库塔算法求解一层随机共振模型，得到：

$\begin{array}{c}{x}_{n+1}\left(t\right)=x_n\left(t\right)+1/6\&lsqb;{\left(k_1\right)}_n+(2-\sqrt{2}){\left(k_2\right)}_n+(2+\sqrt{2}){\left(k_3\right)}_n+{\left(k_4\right)}_n\&rsqb;\\ n=0,1,...,N-1\end{array},---\left(3\right)$

其中，待定系数：

(k₁)_n＝a(αx_n-1(t))²-b(αx_n-1(t))³+sn_n-1 (4)

${\left(k_2\right)}_n=a\left({\mathrm{\&alpha;x}}_{n-1}\right(t)+\frac{{\left(k_1\right)}_{n-1}}{3})-b{\left({\mathrm{\&alpha;x}}_{n-1}\right(t)+\frac{{\left(k_1\right)}_{n-1}}{3})}^3+{\mathrm{sn}}_{n-1}---\left(5\right)$

${\left(k_3\right)}_n=a\left({\mathrm{\&alpha;x}}_{n-1}\right(t)+\frac{{\left(k_2\right)}_{n-1}}{3})-b{\left({\mathrm{\&alpha;x}}_{n-1}\right(t)+\frac{\sqrt{2}-1}{3}{\left(k_1\right)}_{n-1}+\frac{2-\sqrt{2}}{3}{\left(k_2\right)}_{n-1})}^3+{\mathrm{sn}}_{n+1}---\left(6\right)$

${\left(k_4\right)}_n=a\left(3{\mathrm{\&alpha;x}}_{n-1}\right(t)+{\left(k_3\right)}_{n-1})-b{\left({\mathrm{\&alpha;x}}_{n-1}\right(t)-\frac{\sqrt{2}}{3}{\left(k_2\right)}_{n-1}+\frac{2+\sqrt{2}}{3}{\left(k_3\right)}_{n-1})}^3+{\mathrm{sn}}_{n+1}---\left(7\right)$

其中，x_n(t)为x(t)的n阶导数，sn_n是S(t)的n阶导数在t＝0处的值，a、b为设定的常数，

计算得到x₁(t)，x₂(t)…x_n+1(t)的值，对x₁(t)，x₂(t)…x_n+1(t)进行积分得到x(t)，并得到x(t)在一层随机共振模型和二层随机共振模型组成的双层随机共振***产生共振时刻的位置x_m值、与x_m相对应的共振时刻t1、与t1相对应的运动加速度α1以及与t1相对应的噪声D1，D1为D中的一个值，

通过公式计算得到信噪比特征值SNR_特征，其中，ΔU＝a²/4b；

S5：将计算出的72个信噪比特征值SNR_特征分别与设定的阈值比较，如果SNR_特征＞-68.74判断该信噪比特征值对应的检测点为白色光谱点，如果SNR_特征＜-77.49判断该信噪比特征值对应的检测点为红色光谱点；

S6：统计白色光谱点的个数N1和红色光谱点的个数N2，如果且则判断该牛肉样品是雪花牛肉，否则判断该牛肉样品不是雪花牛肉。

7.根据权利要求6所述的一快速检测雪花牛肉的方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：

S21：中央处理单元控制第一电磁铁工作，样品托盘受第一电磁铁吸力作用运动到矩形凹槽前内侧面处，第一接近开关发出触发信号；

S22：中央处理单元接收到第一接近开关发出的触发信号，控制第一电磁铁停止工作，控制距离矩形凹槽前内侧面最近的定位孔底部的第三电磁铁工作，第三电磁铁产生吸力，样品托盘底部的定位头受第三电磁铁的吸力作用***该定位孔，该定位孔内的第二接近开关发出触发信号；

S23：中央处理单元接收到第二接近开关发出的触发信号，判断样品托盘定位成功，此时样品托盘的中心点位于光收发器的正下方；

S24：中央处理单元读取用户通过触摸屏输入的指令确定样品托盘需要***的定位孔位置；

S25：中央处理单元控制距离矩形凹槽前内侧面最近的定位孔底部的第三电磁铁停止工作，样品托盘受浮力作用浮起，样品托盘底部的定位头离开定位孔；

S26：中央处理单元控制第二电磁铁以及样品托盘需要***的定位孔底部的第三电磁铁工作，样品托盘底部的定位头***该定位孔，该定位孔内的第二接近开关发出触发信号。