CN104458594B

CN104458594B - 一种生鲜肉品质参数多点同时检测的***及方法

Info

Publication number: CN104458594B
Application number: CN201410779721.7A
Authority: CN
Inventors: 彭彦昆; 刘媛媛; 王文秀
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2014-12-16
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2034-12-16
Also published as: CN104458594A

Abstract

本发明属于检测领域，提供一种生鲜肉品质参数多点同时检测的***，包括输送生鲜肉样品的输送单元、测距单元、多根分叉光纤、第一光谱仪和第二光谱仪、处理器、光源；所述输送单元包括高度调节装置、位于高度调节装置顶部的托盘，所述测距单元与处理器连接；多根光纤的探头用多探头定位夹持部件固定，每一根光纤中的接收光纤通过圆转线光纤分别连接在第一光谱仪和第二光谱仪上。本发明还提出一种生鲜肉品质参数多点同时检测的方法。本发明提出的一种生鲜肉品质多点同时光谱无损检测***和方法中，通过圆转线光纤将样品多点漫反射光信号一次进入光谱仪，***只需要一套光谱仪，设备简便紧凑。

Description

一种生鲜肉品质参数多点同时检测的***及方法

技术领域

本发明属于检测领域，具体涉及一种利用光谱学手段检测生鲜肉品质的***和方法。

背景技术

随着经济快速发展，人民生活水平提高，市场上对猪牛羊等生鲜肉的需求量不断增加，消费者对生鲜肉的品质更加关注。体现生鲜肉品质的参数包括肉的颜色、pH值、嫩度、多汁性、水分和脂肪的含量、蛋白质和热量等。九十年代,有学者(M ITSUMOTO M J et.al,Near infrared spectroscopy determination of physical and chemicalcharacteristics in beef cuts[J].Journal of Food Science,1991,56(6):149321496.)报道了利用近红外光谱分析牛肉分割肉的物理和化学特性,以及应用近红外反射模式分析牛肉肌内脂肪含量的研究。近红外光谱技术在此领域的发展比较成熟,对不同种类的生鲜肉均有相关的应用实例。刘炜等(傅里叶变换近红外光谱法快速检测鲜猪肉中肌内脂肪、蛋白质和水分含量，养猪,2005,(3))应用傅里叶变换近红外光谱法检测肌内脂肪、蛋白质和水分含量,分别在鲜猪肉和鲜鸡肉中均建立了良好的模型。生鲜肉品质的好坏及性是否符合我国及国际的标准，直接影响到消费者的生活质量和健康，且严重影响我国生鲜肉在国内外的销售价格。

传统的生鲜肉品质检测方法主要有感官评定法和理化分析方法。感光评定方法需要培训评定人员，且评定结果容易受评定人员的技术水平和经验等影响。理化分析方法费时费力，且对样品具有破坏性。

目前生鲜肉品质无损在线检测***为了多点检测以提高检测精度，一种方式是使用多根分叉光纤、多个光源和多套光谱仪，每根分叉光纤分别与一套光谱仪连接；另一种方式使用多根分叉光纤、多个光源、一套光谱仪和一个光纤轮多路复用器，多个光源与复用器光源入口连接，分叉光纤的照明光纤与复用器光源出口连接。第一种在线检测方式成本较高，第二种在线检测方式由于光纤多路复用器转换光学通路的时间间隔使单个样品的检测时间较长。

发明内容

针对本领域存在的问题，本发明的目的是提出一种生鲜肉品质参数多点同时检测的***。本发明提供的生鲜肉品质多点同时光谱无损检测***，用以解决现有技术中在线无损检测成本高和检测时间较长的技术问题。

本发明的另一目的是提出一种生鲜肉品质参数多点同时检测的方法。

实现本发明目的的技术方案为：

一种生鲜肉品质参数多点同时检测的***，包括输送生鲜肉样品的输送单元、测距单元、多根分叉光纤、第一光谱仪和第二光谱仪、处理器、光源；

所述输送单元包括高度调节装置、位于高度调节装置顶部的托盘，所述测距单元与处理器通过扩展口连接；

所述分叉光纤有2-8根，光纤的探头用多探头定位夹持部件固定，每根分叉光纤的两个接收光纤通过圆转线光纤分别连接在第一光谱仪和第二光谱仪上；

所述托盘与多探头定位夹持部件围成封闭的暗环境；所述光源位于多探头定位夹持部件正上方；

所述第一光谱仪和第二光谱仪与所述处理器通过USB数据线连接；所述第一光谱仪和第二光谱仪通过同步线连接。

所述第一光谱仪与多个卤钨灯光源通过控制线连接。

其中，所述输送单元为包括输送样品水平移动的环形输送带和高度调节装置，所述高度调节装置包括驱动托盘垂直移动的步进电机、丝杠螺母副和上下限位开关。

其中，所述测距单元包括激光位移传感器，与处理器通讯输出方式采用RS232、RS422、RS485协议中的一种或多种；为了将多个激光位移传感器信号传至处理器，优选使用PCI转多个串口扩展卡，串口选择与传感器输出方式对应，可减少处理器通讯接口的数量。

其中，所述激光位移传感器个数与分叉光纤个数一致，与所述光纤的探头在同一水平上(即，信号接收位置与所述光纤探头端面在同一水平上)；激光位移传感器检测点分布方式和光纤探头分布方式一致(在一个水平高度，都是环形分布、或都是矩形分布)，所述激光位移传感器与探头位于同一水平。

其中，所述第一光谱仪和第二光谱仪互相独立地为全波段光谱仪，所述光谱仪的光谱范围分别为300-1100nm和950-1700nm或为了检测生鲜肉更多的品质参数，所述光谱仪的光谱范围分别为300-1100nm和950-2500nm。

其中，所述光源为多个卤钨灯，每个卤钨灯为每根分叉光纤的照明光纤提供内置光源；所述分叉光纤为3叉光纤，光纤的照明光纤与所述光源连接；

进一步地，所述卤钨灯下放置滤光片，滤光片采用带通滤波片，滤除掉两个光谱仪接收光谱范围以外的光谱数据。

或，所述光源为外置光源，由多个卤钨灯珠组成环形光源，各个卤钨灯珠参数一致；环形的直径大于样品光谱检测范围，直径大小应保证检测点范围内的光均匀。

一种生鲜肉品质参数多点同时检测的方法，使用本发明提出的***，包括步骤：

1)托盘上放置标准漫反射参考白板，通过输送单元水平输送到测距单元下方，调整标准漫反射参考白板和测距传感器距离为标准距离，所述标准距离为80-150mm；读取白参考和黑参考数据并储存，取下白板；

例如，所述标准距离可选120mm；

2)将生鲜肉样品置于托盘上，多个激光测距传感器同时测量样品上相应点到测距传感器的距离，传感器将测得的数据上传至处理器；

3)处理器取多个测距传感器信号，确定中间距离点，并控制高度调整装置，使中间距离点与探头的距离为标准距离；

4)生鲜肉高度调整完成后，通过输送单元水平输送到光谱采集下方，光源将光照射在样品上，分叉光纤和圆型转线型光纤将样品对光的响应信号导入第一光谱仪和第二光谱仪；

5)光谱仪将光谱数据传至处理器，处理器对光谱数据进行预处理，预处理方法可以使用多元散射校正、变量标准化、平滑等。

6)将预处理后的光谱数据输入到品质参数预测模型获得生鲜肉品质数值；所述生鲜肉品质参数包括嫩度、含水量、pH值、颜色、挥发性盐基氮中的一种或多种。

通过步骤3)的距离调整，保证探头对应的检测点中至少有一个不会失焦，有精确的测量值；而其他测点偏差为最小。

进一步地，所述的方法通过多元散射校正、变量标准化、平滑等方法预处理光谱数据；在建立模型之前选用逐步回归法和/或连续投影算法，确定各品质参数对应的特征波长选取方法选取的特征波长；每个品质参数使用的建模方法为多元线性回归或支持向量机。

本发明的有益效果在于：

本发明提出的一种生鲜肉品质多点同时光谱无损检测***和方法中，通过圆转线光纤将样品多点漫反射光信号一次进入光谱仪，***只需要一套光谱仪，设备简便紧凑。

本发明进一步在光源下放置滤光片，过滤掉干扰信号；多点同时测量，可以提高检测效率和准确度。另外，***中有高度调解装置，消除了由于生鲜肉表面不平造成的光谱数据误差。因此，本发明中的***和方法可以降低***成本，提高检测效率和准确性。

附图说明

图1为生鲜肉多点同时光谱无损快速检测方法的基本流程示意图。

图2为生鲜肉多点同时光谱无损快速检测***的结构图。图3为3叉光纤的连接示意图。

图4为实施例2光纤的连接示意图。

图中，1为输送单元，2为高度调节装置，3为托盘，4为测距单元，5为多探头定位夹持部件，6为光纤探头，7为分叉光纤，8为光源，9为圆转线光纤，10为第一光谱仪，11为处理器，12为USB数据线，13为同步线，14为控制线。

具体实施方式

现以以下实施例来说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中使用的手段，如无特别说明，均使用本领域常规的手段。

两波段光谱仪均是荷兰爱万提斯生产的，第一波段光谱仪型号是AvaSpec-ULS2048XL-USB2，第二波段光谱仪型号AvaSpec-NIR256-1.7TEC。

实施例1：

见图2，生鲜肉品质参数多点同时检测的***，包括输送生鲜肉样品的输送单元1、5根分叉光纤7、第一光谱仪10和第二光谱仪、处理器11、光源8；第一光谱仪10为第一波段光谱仪，型号是AvaSpec-ULS2048XL-USB2，第二光谱仪为第二波段光谱仪，型号AvaSpec-NIR256-1.7TEC。

所述输送单元包括高度调节装置2、位于高度调节装置顶部的托盘、测距单元4，所述测距单元4与处理器11通过扩展口连接；

所述分叉光纤为3叉光纤(FCR-19IR200-2-ME,荷兰爱万提斯)，有5根，光纤探头6用多探头定位夹持部件5固定，每根3叉光纤的两个接收光纤通过圆转线光纤9(与光谱仪为同一厂家出品)分别连接在第一光谱仪和第二光谱仪上；光纤的照明光纤与所述光源8内置式连接(见图3)。

托盘3与多探头定位夹持部件5围成封闭的暗环境；

处理器为装winXP***的计算机。第一光谱仪10和第二光谱仪与处理器11通过USB数据线12连接；第一光谱仪10和第二光谱仪通过同步线13连接。第一光谱仪10与多个卤钨灯光源通过控制线14连接。

输送单元1包括输送样品水平移动的环形输送带和高度调节装置2，所述高度调节装置2包括驱动托盘垂直移动的步进电机、丝杠螺母副和上下位开关等。输送单元上有多个高度调整装置，运动速度可调。

测距单元4包括激光位移传感器，通讯输出方式采用RS232。使用PCI转多个串口扩展卡连接处理器11，串口选择与传感器输出方式对应，可减少处理器通讯接口的数量。

圆转线光纤与光谱仪连接方式采用SMA连接。3叉光纤和圆转线光纤的芯径200μm，两波段光谱仪的入射狭缝宽度为50μm，长度为2000μm。圆转线光纤输出光纤与光谱仪连接时位于入射狭缝的中间位置。可见接收光纤和近红外接收光纤分别连接第一光谱仪和第二光谱仪。

所述激光位移传感器有5个，所述激光位移传感器个数与3叉光纤个数一致，与光纤的探头在同一水平上；激光位移传感器检测点水平分布和光纤探头分布一样，均是环形分布(工具样品大小、形状，也可设置成长方形分布、椭圆分布等)。

第一光谱仪和第二光谱仪互相独立地为全波段光谱仪，所述光谱仪的光谱范围分别为300-1100nm和950-1700nm。

光源为多个卤钨灯，每个卤钨灯为每根3叉光纤的照明光纤提供内置光源。前面有带通滤光片安装槽方便安装滤波片，用于滤去双波段光谱仪探测器不能接受的光谱数据。卤钨灯光源有内置快门，通过处理器上位机软件和硬件连接可实现多光源暗背景同时保存。

样品上检测点圆形分布，光纤探头分布半径可调，当检测样品面积较小时(如猪肉、羊肉等)，半径可选择25mm；当检测样品面积较大时(如牛肉)，半径可选择35mm；

光源有内置快门，通过处理器上位机软件和硬件连接可实现多光源暗背景同时保存。

实施例2

本实施例的***和实施例1相同布置，不同之处为圆转线光纤与光谱仪连接方式采用FC/PC连接；两个光谱仪均为全波段光谱仪，其光谱范围为950-2500nm。

光源为外置光源，使用多个卤钨灯珠组成环形光源，各个卤钨灯珠参数一致；环形光源环形直径大于样品光谱检测范围，保证检测点范围内的光均匀。光纤的三个分叉中，照明光纤顶部用盖子盖住(图4)，可见接收光纤和近红外接收光纤分别连接第一光谱仪和第二光谱仪。

实施例3

使用实施例1的***，测试生鲜肉的流程见图1。

S1：托盘上放置标准漫反射参考白板，通过输送单元水平输送到测距单元下方，调整白板和测距传感器距离为120mm(此距离作为标准距离)，读取白参考和黑参考数据，光谱采集软件设置成漫反射采集模式；储存数据后，每次样品测定之前不必测白参考和黑参考；

将生鲜肉样品置于托盘上，多个激光测距传感器同时测量样品上相应点到测距传感器的距离，传感器将测得的数据上传至处理器；

S2：处理器取多个测距传感器信号的中间距离与标准距离作比较，得出五个检测点中的中间距离检测点，控制高度调整装置升或降直至该中间距离检测点与探头的间距为120mm；

S3：生鲜肉高度调整完成后，通过输送单元水平输送到光谱采集下方，光源将光照射在样品上，3叉光纤和圆型转线型光纤将样品对光的响应信号导入第一光谱仪和第二光谱仪；

S4：光谱仪将光谱数据传至处理器，处理器对光谱数据进行预处理，预处理方法可以使用多元散射校正、变量标准化、平滑等；

S5：将预处理后的光谱数据输入到品质参数预测模型获得生鲜肉品质数值；所述生鲜肉品质参数包括嫩度、含水量、pH值、颜色、挥发性盐基氮中的一种或多种。

生鲜肉样品漫反射光谱数据采用以下公式：

样品漫反射光谱数据(％)＝(光谱强度测定值-白参考强度值)/(光谱强度测定值-黑参考强度值)×100％

在使用上述方法预测生鲜肉品质参数时，需要先建立生鲜肉品质参数的预测模型。模型建立过程如下：样品光谱数据获取后从托盘上取下样品，按照相应品质参数的标准测量方法测量品质参数理化值(如pH测量时参考GB/T9695.5-88肉与肉制品pH测定)；原始光谱数据通过多元散射校正、变量标准化、平滑等方法进行预处理，用于消除光谱曲线基线漂移和光谱噪声等；在建立模型之前可选用逐步回归法、连续投影算法等特征波长选取方法选取各个品质参数的特征波长；每个品质参数利用选定的特征波长可以使用不同的建模方法建立品质预测模型，如多元线性回归、支持向量机等。

下面以生鲜猪肉pH预测模型建立过程为例：将原始光谱曲线截取380-1600nm范围的光谱数据，进行多元散射校正预处理，利用逐步回归法建立预测模型为：

pH＝11.98-0.2259×X_394.2+0.5152×X_420.6-0.9185×X_631.2+0.7989×X_671.8

-1.1483×X₃₅₆+0.1841×X_1679.8-0.4219×X_1879.6

式中：X的下角标为波长，X_λ是波长λ处经过多元散射处理后的光谱数据。

利用本发明专利的生鲜肉品质参数多点同时检测***和方法检测生鲜肉品质，当光纤探头底面与托盘底部标准距离为(标准漫反射白板+120mm)且白板的强度峰值达到探测器饱和值的80％时，第一波段光谱仪的积分时间可设定为8ms，第二波段光谱仪的积分时间可设定为12ms。采集***使用同步模式，此***一个样品进行多点检测时光谱采集时间仅为一个样品上一个点的时间。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种生鲜肉品质参数多点同时检测的方法，使用一种生鲜肉品质参数多点同时检测的***，其包括输送生鲜肉样品的输送单元(1)、测距单元(4)、多根分叉光纤(7)、第一光谱仪和第二光谱仪、处理器(11)、光源(8)；

所述输送单元包括高度调节装置(2)、位于高度调节装置顶部的托盘(3)，所述测距单元(4)与处理器(11)通过扩展口连接；

所述分叉光纤有2-8根，光纤的探头(6)用多探头定位夹持部件(5)固定，每根分叉光纤的两个接收光纤通过圆转线光纤(9)分别连接在第一光谱仪和第二光谱仪上；

所述托盘(3)与多探头定位夹持部件(5)围成封闭的暗环境；所述光源(8)位于多探头定位夹持部件(5)正上方，或者与所述分叉光纤连接；

所述第一光谱仪和第二光谱仪与所述处理器通过USB数据线(12)连接；所述第一光谱仪和第二光谱仪通过同步线(13)连接；

所述方法包括步骤：

3)处理器取多个测距传感器信号，确定中间距离点，控制高度调整装置，使中间距离点与探头的距离为标准距离；

4)生鲜肉高度调整完成后，通过输送单元水平输送到光谱采集下方，光源将光照射在样品上，分叉光纤和圆型转线型光纤将样品漫反射光谱数据导入第一光谱仪和第二光谱仪；

5)光谱仪将光谱数据传至处理器，处理器对光谱数据进行预处理，预处理方法使用多元散射校正、变量标准化、平滑中的一种或多种；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输送单元包括输送样品水平移动的环形输送带和高度调节装置(2)，所述高度调节装置(2)包括驱动托盘垂直移动的步进电机、丝杠螺母副和上下限位开关。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测距单元(4)包括激光位移传感器，与处理器通讯输出方式采用RS232、RS422、RS485协议中的一种或多种；激光位移传感器使用PCI转多个串口扩展卡连接所述处理器。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述激光位移传感器个数与分叉光纤个数一致，与所述光纤的探头在同一水平上；激光位移传感器检测点分布方式和光纤探头分布方式一致。

5.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，所述第一光谱仪和第二光谱仪互相独立地为全波段光谱仪，所述光谱仪的光谱范围分别为300-1100nm和950-1700nm或所述光谱仪的光谱范围分别为300-1100nm和950-2500nm。

6.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，所述分叉光纤为3叉光纤，光纤的照明光纤与所述光源(8)连接；所述光源(8)为多个卤钨灯，每个卤钨灯为每根分叉光纤的照明光纤提供内置光源；所述第一光谱仪与多个卤钨灯源通过控制线(14)连接。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，卤钨灯下放置有滤光片，所述滤光片为带通滤波片。

8.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，所述光源为外置光源，由多个卤钨灯珠组成环形光源，各个卤钨灯珠参数一致；环形的直径大于样品光谱检测范围。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过多元散射校正、变量标准化、平滑方法预处理光谱数据；在建立模型之前选用逐步回归法和/或连续投影算法，确定各品质参数对应的特征波长选取方法选取的特征波长；每个品质参数使用的建模方法为多元线性回归或支持向量机。