CN107042208A - 基于光谱分析的三文鱼肉挥发性盐基氮在线批量检测装置和检测方法 - Google Patents
基于光谱分析的三文鱼肉挥发性盐基氮在线批量检测装置和检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了基于光谱分析的三文鱼肉挥发性盐基氮在线批量检测装置和检测方法，检测装置包括：检测传送带，用于连续传输三文鱼肉；光谱探头，架设在所述检测传送带的上方，用以采集三文鱼肉的光谱信息；主机，用于接收来自光谱探头的光谱信息并与预设值进行对比获得检测结果；分拣机械手，依据所述检测结果，对所述检测传送带上的三文鱼肉进行分拣以区分合格品与不合格品。本发明可实现三文鱼肉挥发性盐基氮的大批量自动检测，分析最能反应三文鱼肉挥发性盐基氮的特征波长，采集对应波长滤光片的光照强度，利用多元线性回归方法确定了挥发性盐基氮的计算公式，减少采集光谱数据，简化计算模型，达到快速检测的目的。
Description
技术领域
本发明涉及光谱检测技术，尤其涉及一种在线批量快速检测三文鱼肉的装置和方法。
背景技术
近年来，随着生活水平的提高，肉制品受到人们的青睐。其中，三文鱼肉因其高蛋白、低脂肪的优点，在肉制品中尤其受到消费者欢迎。但随着需求量的增加，三文鱼肉的品质越来越受到关注和重视。
目前，全球范围内的检测方式大多停留在化学方法。这种方式带来了较高的检测精度，却同时伴有成本高、操作难、检测周期长及破坏检测样本品质的弊端。肉制品的无损检测技术成为了研究热点，而光谱技术成为了最具潜力的无损检测方法。近年来，光谱技术被国内外学者和研究人员广泛应用于检测肉制品品质方面并取得良好效果。但光谱检测更多停留在实验室阶段，需要操作者具备非常专业光谱知识，而且全谱数据多，分析慢，三文鱼肉挥发性盐基氮在线大批量快速检测的装置和方法仍未见报道。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种检测分析速度快、利于大批量检测的三文鱼肉挥发性盐基氮检测装置和方法。
一种基于光谱分析的三文鱼肉挥发性盐基氮在线批量检测装置，包括：
检测传送带，用于连续传输三文鱼肉；
光谱探头，架设在所述检测传送带的上方，用以采集三文鱼肉的光谱信息；
主机，用于接收来自光谱探头的光谱信息并与预设值进行对比获得检测结果；
分拣机械手，依据所述检测结果，对所述检测传送带上的三文鱼肉进行分拣以区分合格品与不合格品。
本发明中，待检测的三文鱼肉随检测传送带连续移动，在经过光谱探头时，进行光谱信息的采集，主机获得测量值(即光谱信息)后，再将测量值与预设值进行对比，获得三文鱼肉是合格品或为不合格品的检测结果，并据此控制分拣机械手。
关于挥发性盐基氮含量测定本身，可以采用现有技术，主机可以仅仅是依照现有方法获得测量值并与预设值进行对比。当然，在下文中，本发明还提供一种改进的测定方法。
作为优选，还设有：
合格品传送带，承接所述检测传送带以输出合格品
不合格品传送带，用于承接来自所述分拣机械手所挑选出的不合格品。
获得合格品与否的结论后，分拣机械手将三文鱼肉分拣至对应的传送带上，有关分拣机械手的控制，既可以依照检测结果人工控制，也可以是主机利用检测结果进行控制。
合格品可以不经分拣直接由检测传送带传递至合格品传送带，而分拣机械手仅仅是挑选出的不合格品。当然也可以是分拣机械手挑选和抓取每一块三文鱼肉，或者是分拣机械手仅仅是挑选出合格品。
作为优选，还设有：
送料传送带，用于输送待检测的三文鱼肉；
送料机械手，用于将送料传送带上的三文鱼肉转移到所述检测传送带上。
送料传送带可以连续的供应三文鱼肉，送料机械手可以根据需要抽检，将抽检到的三文鱼肉转移至检测传送带，当然也可以每块三文鱼肉都进行检测。
作为优选，所述送料传送带与检测传送带之间呈第一L形布置，所述送料机械手位于该第一L形的拐角部位；所述检测传送带与不合格品传送带之间呈第二L形布置，所述分拣机械手位于该第二L形的拐角部位。
此处的“第一”、“第二”仅仅为了区分和便于描述，对传送带以及布置方式本身并没有限定。
L形布置可灵活利用场地，便于操作人员进行干预操作，减少空间上的干涉。
作为优选，所述送料机械手以及分拣机械手分别包括：
基座；
旋转气缸，安装在所述基座上，且旋转轴线竖直布置；
摆臂，固定在所述旋转气缸的旋转轴上；
气动夹指，安装在所述摆臂上，用以夹持三文鱼肉。
送料机械手以及分拣机械手可以采用更加复杂的结构，但会增加成本不便维护，本发明的两个机械手结构简单实用，通过旋转气缸可将摆臂指向不同的传送带，继而利用气动夹指夹持或松开三文鱼肉。
其中气动夹指部分可以采用现有技术，在避免空间干涉的情况下，气动夹指的夹持口朝向可是水平朝向也可以竖直向下。
为了便于采集光谱信息，作为优选，所述检测传送带的上方倒扣有暗箱，该暗箱内设有照亮三文鱼肉的光源，所述光谱探头安装在暗箱内。
暗箱四周和顶部封闭、底部开放，通过光源作为采集光谱信息的照明。
为了感测三文鱼肉的移动位置，进而触发各机械手的运动，作为优选，在送料传送带的侧边设有用于感测三文鱼肉位置的第一传感器，所述送料机械手依据该第一传感器的信号而相应动作；
在检测传送带的侧边且位于暗箱内位置处，设有用于感测三文鱼肉位置的第二传感器，所述光谱探头依据该第二传感器的信号而开始采集光谱信息；
在检测传送带的侧边且位于暗箱下游处，设有用于感测三文鱼肉位置的第三传感器，所述分拣机械手依据该第三传感器的信号以及来自主机的检测结果而相应动作。
作为优选，还设有主机，用于接收来自光谱仪的光谱信息并与预设值进行对比获得检测结果，并相应的驱动分拣机械手。
为了进一步实现自动化，所述光源、光谱仪、送料机械手、分拣机械手、各传感器以及各传送带的驱动机构等用电设备均接入主机。
作为优选，所述暗箱内安装有接入并受控于所述主机的二维码识别器。可以通过三文鱼肉上的二维码识别该三文鱼肉的生产、物流等相关信息。
本发明在现有光谱信息采集方式的基础上，对采集的光谱波段进行了优选，作为优选，所述光谱探头中设有滤光片以及光电传感器，来自三文鱼肉的光线经由滤光片进入所述光电传感器，所述滤光片共面的排布有九个，分别选择相应波长的光线通过，所述光电传感器有九个，分别接收来自对应一个滤光片的光线。
九个滤光片对应的波长分别为800nm、852nm、1252nm、1426nm、1670nm、1998nm、2006nm、2191nm和2245nm。
所述光谱探头包括外壳即探头本体，探头本体的内腔中依次设有底片、方孔夹层片、圆孔夹层片和顶片。
所述底片设有透光孔；
所述方孔夹层片设有九个安装方孔，分别安装对应的滤光片；
所述圆孔夹层片设有九个圆孔，分别安装对应的光电传感器；
所述顶片设有光电传感器穿线用小孔；
光线从透光孔进入，经由滤光片入射至光电传感器。
当然所述方孔、圆孔也可以依照器件的形状做适应性调整。
本发明还提供了一种基于光谱分析的三文鱼肉挥发性盐基氮在线批量检测方法，包括：
移动待检测的三文鱼肉；
三文鱼肉运动至指定位置后在线采集其光谱信息；
根据所述光谱信息计算该三文鱼肉的挥发性盐基氮含量；
将其挥发性盐基氮含量与预设值对比，并根据结果进行分拣；
所述挥发性盐基氮含量的计算式为：
Y＝3.1913X1+4.5437X2+2.9287X3-3.4758X4+7.8498X5-5.8928X6+7.7325X7+5.5217X8-7.9474X9+25.92；
式中：Y为挥发性盐基氮含量；
X1～X9分别为波长800nm、852nm、1252nm、1426nm、1670nm、1998nm、2006nm、2191nm和2245nm所对应的反射率。
本发明通过连续送料、分拣，可实现三文鱼肉挥发性盐基氮的大批量自动检测，省却了人为记录的失误率和劳动强度；分析最能反应三文鱼肉挥发性盐基氮的特征波长，采集对应波长滤光片的光照强度，利用多元线性回归方法确定了挥发性盐基氮的计算公式，减少采集光谱数据，简化计算模型，达到快速检测的目的；9个滤光片的光谱探头，省却了光谱光纤等专业设备，减少了设备投入成本。还可以利用二维码标签将三文鱼肉信息录入数据库，便于跟踪。
附图说明
图1为本发明实施例检测装置(暗箱仅示意框架)的轴测图；
图2为本发明检测装置中送料机械手的轴测图；
图3为本发明检测装置中光谱探头的轴测图；
图4为本发明检测装置中底片的轴测图；
图5为本发明检测装置中方孔夹层片的轴测图；
图6为本发明检测装置中圆孔夹层片的轴测图；
图7为本发明检测装置中顶片的轴测图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明，参见图1至图7：
本发明三文鱼肉挥发性盐基氮的在线批量检测装置，包括有支架10，支架10固定安装在地面基础上，支架10采用型材连接，拆装方便。
为了节省人力，可以采用全自动上料、检测、分拣、记录，提高检测效率，以实现在线大批量检测。
支架10上安装有四条传送带，各传送带分别匹配有驱动机构。驱动机构均可才用调速电机驱动，方便调节皮带的速度。
四条传送带分别为送料传送带1，检测传送带3，合格品传送带7，不合格品传送带8。
送料传送带1和检测传送带3成L形布置，便于腾出空间让操作者向送料传送带1放入待测样品。拐角处设置送料机械手2，用于将送料传送带1上的三文鱼肉转移到检测传送带3上。
检测传送带3上方设有暗箱5(图中仅示意了其框架部分)，暗箱5顶面以及四周封闭，下方开口。暗箱5内设有光谱探头4以及光源6，用以采集三文鱼肉的光谱信息。
光源6为卤素灯，卤素灯通常用于需要集中照射的场合，具有亮度易调整、显色性好，而且使用寿命长于一般白炽灯，发光效率高。
结合图3～图7，光谱探头4包括有钟形的探头本体，采用三明治的结构将滤光片和光电传感器固定安装，探头本体内设有底片401、方孔夹层片402、圆孔夹层片403、顶片404，且从下至上依次布置。
底片401设有透光孔，方孔夹层片402设有安装方孔且安装有滤光片，圆孔夹层片403设有圆孔且安装有光电传感器，顶片404设有光电传感器穿线用的小孔。
暗箱5内还安装有二维码识别器，可以进行三文鱼肉身份信息的确定。
合格品传送带7处在检测传送带3的延长线，检测传送带3与不合格品传送带8呈L形布置，拐角处设置分拣机械手9，用于根据检测结果将不合格品挑选至不合格品传送带8上。待检测的三文鱼肉中，一般合格品占大多数，所以上述布置的好处是：合格品会从检测传送带3上顺延至合格品传送带7上，然后输送至下个工位去包装，这样分拣机械手9的动作频率低，减少了故障几率。
送料机械手2与分拣机械手9机构相同，参见图2，包括：
基座；
旋转气缸201，安装在基座上，且旋转轴线竖直布置；
板状的摆臂202，固定在旋转气缸的旋转轴上；
气动夹指，安装摆臂202上，用以夹持三文鱼肉。
气动夹指包括：
固定夹指，固定在摆臂202上；
导轨205，固定在摆臂202上；
活动夹指203，沿导轨205运动，且与固定夹指相配合；
气缸204，安装在摆臂202上以驱动活动夹指203。
为了感测三文鱼肉的移动位置，进而触发各机械手的运动，在送料传送带1的侧边设有用于感测三文鱼肉位置的传感器101，送料机械手1依据该传感器101的信号而相应动作；
在检测传送带3的侧边且位于暗箱5内，设有用于感测三文鱼肉位置的传感器102，光谱探头依据该传感器102的信号而开始采集光谱信息；
在检测传送带3的侧边且位于暗箱5下游处，设有用于感测三文鱼肉位置的传感器105，分拣机械手9依据该传感器103的信号以及来自主机的检测结果而相应动作。
在合格品传送带7，不合格品传送带8上也分别设有传感器105和传感器104，用于感测三文鱼肉位置以触发下一动作。
利用本发明检测装置进行三文鱼肉挥发性盐基氮在线批量检测时，包括以下步骤：
S1步骤，材料准备：将待测三文鱼肉装入托盘，托盘底部贴上二维码标签，用二维码扫描器扫描二维码后并与对应的三文鱼肉信息录入主机***；在主机控制界面，打开电源并调节光源的光照强度，启动各传送带并调节适宜的速度；
S2步骤，白板黑板矫正：白板和黑板分别与托盘高度平齐放置，进行光谱白板黑板矫正，以对光谱反射率进行归一化；
S3步骤，上料：将托盘呈队列地放置在送料传送带上，托盘经过传感器101时，传感器101将信号发送给主机，主机控制送料传送带停止，控制送料机械手抓紧托盘，将托盘转移至检测传送带上继续移动，直至到达暗箱的光谱探头正下方，传感器102发出信号，检测传送带停止；
S4步骤，检测：延时2～10秒，暗箱内光源照射至待检测的三文鱼肉后，反射光依次经透光孔、滤光片入射至光电传感器，光电传感器将光信号转换为电信号传送给主机。
延时的作用是保证检测传送带以及托盘停稳，避免三文鱼肉晃动带来的检测噪声。延时的时间也可以依据实际情况调整。
主机按预设公式：
Y＝3.1913X1+4.5437X2+2.9287X3-3.4758X4+7.8498X5-5.8928X6+7.7325X7+5.5217X8-7.9474X9+25.92，计算得出三文鱼肉挥发性盐基氮，式中Y为三文鱼肉挥发性盐基氮，X1～X9分别为波长800nm、852nm、1252nm、1426nm、1670nm、1998nm、2006nm、2191nm和2245nm所对应反射率。
传统的近红外光谱检测方法是780-2526nm区域的电磁辐射波吸收检测，近红外光谱区与有机分子中含氢基团(O-H、N-H、C-H)振动的合频和各级倍频的吸收区一致，通过扫描样品的近红外光谱，可以得到样品中有机分子含氢基团的特征信息，全谱数据检测建模变量维度高，分析速度慢。
本发明通过样本建模分析，针对不同指标选取相应的特征波长，再通过多元线性回归建模，计算指标值。由于滤光片数量少，计算结果比全谱快速的多，使得大批量快速检测成为可能，下表是本发明利用9个滤光片选取的特征波长建模相关指标。9个滤波片通过的中心波峰值分别为800nm、852nm、1252nm、1426nm、1670nm、1998nm、2006nm、2191nm和2245nm。
S5步骤，分拣：检测完成后，检测传送带继续运动，直至传感器103检测到托盘，测量值大于或等于预设值时，分拣机械手不动作，托盘直接传送至合格品传动带，否则传感器103检测到托盘时分拣机械手将托盘抓取至不合格传送带。
S6步骤，记录：将不合格传送带的托盘扫描，输入至主机数据库；
重复S3～S6步骤，直至所有样品测量完毕。
从微观上说，组成三文鱼肉的分子的活动状态受到检测光的能量激发，产生不同的能级跃迁，吸收和释放能量，形成与分子对应的的反射光谱和吸收光谱。不同的化学键，如N-H、C＝O、S-H、C-H等，化学键的转动以及伸缩振动，在能级间的跃迁会吸收特定波长的光，并激发产生特征峰，依据特征峰的强度以及波数可以判断物质的组成。
所用波长与三文鱼肉的水分相关成分中的O-H等化学键的振动信息相关，这些信息能够反映三文鱼肉挥发性盐基氮的多少。例如800nm反映了三文鱼肉的胺基信息，852nm反映了三文鱼肉的芳烃信息，1426nm反映了三文鱼肉的伯酰胺信息，2006nm反映了三文鱼肉的伯酰胺和羟基信息，2191nm和2245nm反映了三文鱼肉的胺基信息，这些波长和基团CH3、CH2、ROH、NH2、CONHR、CONH2和ArCH信息相关，反映了三文鱼肉挥发性盐基氮的信息。应用多元线性回归算法对上述特征波长进行建模分析，建立三文鱼肉的含量与特征波长的线性方程。
本发明所选定的特征波长仅针对三文鱼肉挥发性盐基氮的快速检测，如果需要测量其他指标，需要重新选定特定波长，通过多元线性回归，建立模型，计算得到相应的指标值。
利用本发明提供的方法建立模型的相关指标见表1，其中，建模集表示建立模型时，利用三文鱼肉的反射率以及现有方法测试得到的三文鱼肉挥发性盐基氮拟合得到模型方程，预测集表示，预测时，即建立完模型后，依据模型方程，将三文鱼肉光谱的特征波长反射率代入模型方程计算得到的三文鱼肉挥发性盐基氮。
表1
实施例1～10
利用本发明提供的检测装置和方法对三文鱼肉挥发性盐基氮进行检测，检测结果见表2。
表2
由表2数据，可以看出，利用本发明方法测得的三文鱼肉的挥发性盐基氮与现有方法测试得到的数据接近，利用本发明可以快速测定三文鱼肉的挥发性盐基氮，结果可靠。
以上公开的仅为本发明的具体实施例，但是本发明并非局限于此，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。显然这些改动和变型均应属于本发明要求的保护范围保护内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何特殊限制。
Claims (10)
1.一种基于光谱分析的三文鱼肉挥发性盐基氮在线批量检测装置，其特征在于，包括：
检测传送带，用于连续传输三文鱼肉；
光谱探头，架设在所述检测传送带的上方，用以采集三文鱼肉的光谱信息；
主机，用于接收来自光谱探头的光谱信息并与预设值进行对比获得检测结果；
分拣机械手，依据所述检测结果，对所述检测传送带上的三文鱼肉进行分拣以区分合格品与不合格品。
2.如权利要求1所述的基于光谱分析的三文鱼肉挥发性盐基氮在线批量检测装置，其特征在于，还设有：
合格品传送带，承接所述检测传送带以输出合格品
不合格品传送带，用于承接来自所述分拣机械手所挑选出的不合格品。
3.如权利要求2所述的基于光谱分析的三文鱼肉挥发性盐基氮在线批量检测装置，其特征在于，还设有：
送料传送带，用于输送待检测的三文鱼肉；
送料机械手，用于将送料传送带上的三文鱼肉转移到所述检测传送带上。
4.如权利要求3所述的基于光谱分析的三文鱼肉挥发性盐基氮在线批量检测装置，其特征在于，所述送料传送带与检测传送带之间呈第一L形布置，所述送料机械手位于该第一L形的拐角部位；所述检测传送带与不合格品传送带之间呈第二L形布置，所述分拣机械手位于该第二L形的拐角部位。
5.如权利要求3所述的基于光谱分析的三文鱼肉挥发性盐基氮在线批量检测装置，其特征在于，所述送料机械手以及分拣机械手分别包括：
基座；
旋转气缸，安装在所述基座上，且旋转轴线竖直布置；
摆臂，固定在所述旋转气缸的旋转轴上；
气动夹指，安装在所述摆臂上，用以夹持三文鱼肉。
6.如权利要求3所述的基于光谱分析的三文鱼肉挥发性盐基氮在线批量检测装置，其特征在于，所述检测传送带的上方倒扣有暗箱，该暗箱内设有照亮三文鱼肉的光源，所述光谱探头安装在暗箱内。
7.如权利要求6所述的基于光谱分析的三文鱼肉挥发性盐基氮在线批量检测装置，其特征在于，在送料传送带的侧边设有用于感测三文鱼肉位置的第一传感器，所述送料机械手依据该第一传感器的信号而相应动作；
在检测传送带的侧边且位于暗箱内位置处，设有用于感测三文鱼肉位置的第二传感器，所述光谱探头依据该第二传感器的信号而开始采集光谱信息；
在检测传送带的侧边且位于暗箱下游处，设有用于感测三文鱼肉位置的第三传感器，所述分拣机械手依据该第三传感器的信号以及来自主机的检测结果而相应动作。
8.如权利要求1所述的基于光谱分析的三文鱼肉挥发性盐基氮在线批量检测装置，其特征在于，所述光谱探头中设有滤光片以及光电传感器，来自三文鱼肉的光线经由滤光片进入所述光电传感器，所述滤光片共面的排布有九个，分别选择相应波长的光线通过，所述光电传感器有九个，分别接收来自对应一个滤光片的光线。
9.如权利要求8所述的基于光谱分析的三文鱼肉挥发性盐基氮在线批量检测装置，其特征在于，九个滤光片对应的波长分别为800nm、852nm、1252nm、1426nm、1670nm、1998nm、2006nm、2191nm和2245nm。
10.一种基于光谱分析的三文鱼肉挥发性盐基氮在线批量检测方法，其特征在于，包括：
移动待检测的三文鱼肉；
三文鱼肉运动至指定位置后在线采集其光谱信息；
根据所述光谱信息计算该三文鱼肉的挥发性盐基氮含量；
将其挥发性盐基氮含量与预设值对比，并根据结果进行分拣；
所述挥发性盐基氮含量的计算式为：
Y＝3.1913X1+4.5437X2+2.9287X3-3.4758X4+7.8498X5-5.8928X6+7.7325X7+5.5217X8-7.9474X9+25.92；
式中：Y为挥发性盐基氮含量；
X1～X9分别为波长800nm、852nm、1252nm、1426nm、1670nm、1998nm、2006nm、2191nm和2245nm所对应的反射率。
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