CN204439543U - 一种乳液主成份含量测量*** - Google Patents
一种乳液主成份含量测量*** Download PDFInfo
- Publication number
- CN204439543U CN204439543U CN201520131672.6U CN201520131672U CN204439543U CN 204439543 U CN204439543 U CN 204439543U CN 201520131672 U CN201520131672 U CN 201520131672U CN 204439543 U CN204439543 U CN 204439543U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- optical fiber
- emulsion
- content
- module
- measuring
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 title claims abstract description 106
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 138
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 60
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 137
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 29
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 15
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 13
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 13
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 4
- 238000009500 colour coating Methods 0.000 claims 1
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 36
- 239000000835 fiber Substances 0.000 abstract description 31
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 abstract description 11
- 238000012417 linear regression Methods 0.000 abstract description 3
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 29
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 29
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 21
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 20
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 20
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 18
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 14
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 11
- 238000013461 design Methods 0.000 description 9
- 235000013336 milk Nutrition 0.000 description 8
- 239000008267 milk Substances 0.000 description 8
- 210000004080 milk Anatomy 0.000 description 8
- TZCXTZWJZNENPQ-UHFFFAOYSA-L barium sulfate Inorganic materials [Ba+2].[O-]S([O-])(=O)=O TZCXTZWJZNENPQ-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 7
- 239000004816 latex Substances 0.000 description 7
- 229920000126 latex Polymers 0.000 description 7
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 6
- 235000020197 coconut milk Nutrition 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 235000010469 Glycine max Nutrition 0.000 description 5
- 244000068988 Glycine max Species 0.000 description 5
- RRHGJUQNOFWUDK-UHFFFAOYSA-N Isoprene Chemical compound CC(=C)C=C RRHGJUQNOFWUDK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 4
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 4
- 230000004044 response Effects 0.000 description 4
- 235000013322 soy milk Nutrition 0.000 description 4
- 238000005903 acid hydrolysis reaction Methods 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 2
- 238000009614 chemical analysis method Methods 0.000 description 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000002481 ethanol extraction Methods 0.000 description 2
- 230000036541 health Effects 0.000 description 2
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 2
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 238000000611 regression analysis Methods 0.000 description 2
- 101710092857 Integrator complex subunit 1 Proteins 0.000 description 1
- 102100024061 Integrator complex subunit 1 Human genes 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 235000020247 cow milk Nutrition 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 239000002612 dispersion medium Substances 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 230000003028 elevating effect Effects 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 235000020251 goat milk Nutrition 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000008268 mayonnaise Substances 0.000 description 1
- 235000010746 mayonnaise Nutrition 0.000 description 1
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 1
- 235000021243 milk fat Nutrition 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 1
- 238000010238 partial least squares regression Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本实用新型公开了一种乳液主成份含量测量***，使用了近红外LED和相匹配的光电二极管作为光电传感器的输入输出信号源，使用W型光纤作为非功能型传感器，通过可升降载物台调节光纤探头与样品间的距离，并使用恒温装置保持样品的温度恒定；测量方法采用线性回归分析法处理测量数据，并增加一路参考信号用来消除温漂等外界对***测量稳定性的影响。测量***不仅集成度高、消耗样品数量少，而且是一种无损测量方法；测量方法还实现了对测量结果的实时显示，非常适用于乳液主成份含量的测量分析。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种乳液主成份含量测量***及其检测方法，属于液体成分检测技术领域。
背景技术
被分散的液体(分散相)以小液珠的形式分散于另一连续的液体介质(分散介质)中，这种一种液体以小液珠形式分散于与其不相混溶的另一种液体中所构成的热力学不稳定体系称为乳液。乳液的分散相直径一般为0.1-10μm，从乳液的颗粒直径范围来说，大部分乳液属于粗分散体系。典型的食品乳液包括牛奶，羊奶，豆浆和蛋黄酱等，这些乳液中的主成份含量关系到人类的健康；工业上的乳液包括天然乳胶，乳胶漆等，这些乳液的主成分含量则关乎到它们的优劣和价格的高低。因此，为了推动市场的安全性和公平性，研究一种乳液中主成份含量测量的有效方法具有重要意义。
对于乳液中主成份的测量，主要分为化学分析方法和间接分析方法。何海情通过对比和正交实验探讨酸水解法测量豆奶粉脂肪的主要因素影响，得到的豆浆粉脂肪浓度结果较好。李锦才等人对豆浆中的脂肪含量分别采用酸水解法、改良酸水解法和碱性乙醇提取法三种不同的方法进行测定，结果显示碱性乙醇提取法得到的结果精密度好，准确度高。卓海华等人改进了Robse-Gottied法，对于椰子汁中脂肪的测定，分析时间短，试剂用量较少，分析结果准确。然而上述的这些化学分析方法具有工作量大、污染样品，并且测量速度慢等缺点。Gustavsson等人通过采用瞬态平面电源技术测量牛奶的导热性系数，可以在1秒内完成对牛奶脂肪含量的测量。Xin等人利用激光散透比原来，用自行设计的测量***同时测量了牛奶中的脂肪和蛋白质含量。Bogomolov通过研究牛奶中的脂肪和蛋白质对可见光的散射现象，用偏最小二乘发回归建模实现了对脂肪含量和蛋白质含量的测量。Jayanthy通过测量室温下胶乳的介电常数，将胶乳中的干胶含量和介电常数(实部)建立线性关系，可对于胶乳中的干胶含量进行测量。RejiKumar等人提出用电容式传感器法测量天然胶乳中的干胶含量。中国热带农业科学院分析测试中心的周聪实用新型了一种热辐气动法快速测定天然胶乳的干胶含量。然而这些间接分析方法也有缺点，例如消耗试剂多、样品前处理过程繁琐等，从而无法实现快速测量。
光电技术将光学技术和电子技术相结合，引起了人们生产、生活和作战方式的重大变化，光电技术已成为21世纪信息技术发展的最大特点。目前，光电技术正在光电材料和器件、探测技术、光机电一体化、光电子微结构集成以及军事领域飞速发展，并和各种高新技术相结合，推动能源开发、环境保护、粮食生产、医疗卫生的改善。
实用新型内容
本实用新型的目的在于设计一种高灵敏度的乳液主成份含量测量***，以及提供一种采用该检测***进行主成分含量检测的方法。
本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种乳液主成份含量测量***，包括导光模块、信号源模块、光纤耦合模块以及光电探测器，所述导光模块设有光纤输入端、光纤输出端和光纤探头，所述光纤耦合模块包含若干自聚焦光纤，光纤输入端、光纤输出端和光纤探头上分别连接自聚焦光纤；其中，所述光纤输出端通过自聚焦光纤连接光电探测器，光纤输入端通过自聚焦光纤连接信号源模块。
其中，所述导光模块为W型光纤，包括五个端口，其中有两个为光纤输出端，两个为光纤探头，一个光纤输入端；所述两个光纤探头结构相同，其端面则包括内层和外层，内层用于将进入导光模块光纤输入端的光垂直入射到液体中，外层用于接收液体反射的光。
进一步的，所述信号源模块采用近红外LED，所述信号源模块与光纤输入端耦合，光纤输入端上连接的自聚焦光纤长度为L/4的奇数倍，其中α为一常数，n0为折射率。
进一步的，所述感光模块为光电探测器，该光电探测器与信号源模块在光谱特性上相匹配。
进一步的，该***包括两个容器用于盛放液体，还包括一个恒温装置，所述恒温装置放置在容器下方，用于保持待液体的温度。
作为一种优选，所述光纤探头与待测乳液样品以及蒸馏水的液面保持垂直。
作为一种优选，在连接在光纤探头上的自聚焦光纤的下端面，连接有锥状的屏蔽环，所述屏蔽环由硬质材料卷曲形成，其内表面带有深色涂层。
一种乳液主成份含量测量方法，该方法提供信号转换模块、光电流信号前置放大模块、二级去温漂放大模块以及信号处理模块，其特征在于：该方法按照如下步骤实施：
步骤一，将盛有乳液样品的容器放置一个光纤探头正下方，将盛有蒸馏水的容器放置在另一个光纤探头正下方，信号源模块发光，通过光纤耦合模块照射到导光模块，导光模块形成的光束垂直照射到乳液样品表面形成带有乳液样品信息的光信号；
步骤二，反复步骤一，最终获得光电流信号；
步骤三，对光电流信号进行信号放大和转换，采用两级放大电路放大光电流信号；
步骤四，配置若干种已知主成分浓度的乳液样品，对信号转换器输出的数字信号进行标识，构建出根据主成分含量变化随数字信号变化的标准方程；
步骤五，对待测乳液样品的主成分含量进行测量，重复步骤一至步骤三，并将信号转换器输出值代入步骤四得到的标准方程进行计算，即可实时显示此次测量样品中主成分含量。
进一步的，所述步骤一具体指：
步骤1.1：采用近红外LED作为信号源模块，光信号通过自聚焦光纤耦合进入W型光纤中，并分成光强相同的两路从光纤探头出射；
步骤1.2：出射的两路光分别通过自聚焦光纤汇聚并垂直照射在待测乳液样品表面和蒸馏水表面，照射入乳液样品的光经过乳液漫散射后，携带了乳液样品的成分含量信息；照射入蒸馏水的光经过镜面反射后，携带了蒸馏水液体镜面反射光强的信息，两路反射后的光信号再次经自聚焦光纤耦合进入W型光纤中。
进一步的，所述步骤三具体指：
步骤3.1：采用两个前置放大模块将乳液样品和蒸馏水两路光电流信号分别放大并转换成电压信号；
步骤3.2：通过二级去温漂放大模块对乳液样品信号和蒸馏水信号进行差分放大并输送到信号转换模块。
进一步的，所述步骤四具体指：
步骤4.1：配置不同的已知主成分浓度的乳液样品，按照步骤一至步骤三的测量步骤，对于各个浓度的乳液样品，依次记录对应的信号转换模块输出值；
步骤4.2：采用BaSO4作为乳液样品的参照白板，再按照按照步骤一至步骤三的测量步骤，记录对应的信号转换模块输出值；
步骤4.3：对测量数据进行回归分析，并建立回归方程，将标准方程载入信号处理模块数据处理流程中。
本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本实用新型提出一种乳液主成份含量测量***，使用W型光纤作为非功能型传感器，即用作传光通路，测量时保证光线垂直射入待测液体，能够快速准确的测量乳液中的主成份含量，适应性强，使用范围广。
在探头上另外增加设置屏蔽环，屏蔽环伸出光纤探头的部分，其内壁涂黑，在保证不影响样品散射光接收的同时遮挡了容器壁的反射光，不受外界条件干扰，并且成本低，使用操作易于上手，维护方便。
光电探测器在使用时需要注意的是选择的器件必须和信号源在光谱特性上匹配，即需要根据信号源的工作波段，选择光谱响应好的光电探测器。本实用新型中起光电转换作用的是光谱响应好的PIN型光电二极管。
测量***不仅集成度高、消耗样品数量少，而且是一种无损测量方法。测量***还实现了对测量结果的实时显示，非常适用于乳液主成份含量的测量分析，并且能实现实时显示。
基于该测量***的主成份含量测量方法，采用线性回归分析法处理测量数据，并增加一路参考信号用来消除温漂等外界对***测量稳定性的影响；配套的硬件电路，配置了前置放大模块电路来对微电流信号进行放大，以及设计二级去温漂放大电路来减少温湿度漂移对***测量的影响；对所获得的信号进行数字滤波，进而通过标准方程计算乳液中的主成份含量。测量***不仅集成度高、消耗样品数量少，而且是一种无损测量方法；测量方法还实现了对测量结果的实时显示，非常适用于乳液主成份含量的测量分析。
附图说明
图1为一种乳液主成份含量测量***的框图；
图2为自聚焦光纤中光线传播路径；
图3为一种乳液主成份含量测量***中W型光纤的结构图；
图4为一种乳液主成份含量测量***光强变化规律示意图；
图5为一种乳液主成份含量测量***中屏蔽环示意图；
图6为一种乳液主成份含量测量方法中前置放大电路图；
图7为一种乳液主成份含量测量方法中二级放大电路图；
图8为一种乳液主成份含量测量方法中信号处理模块硬件电路示意图；
图9为一种乳液主成份含量测量方法中处理器读取数据的流程图；
图10为一种乳液主成份含量测量方法中数字滤波流程图；
图11为一种乳液主成份含量测量方法中计算主成分含量流程图；
图12为采用乳液主成份含量测量***的一种实施例数据拟合曲线图；
图13为采用乳液主成份含量测量***的一种实施例数据拟合曲线图；
图14为采用乳液主成份含量测量***的一种实施例数据拟合曲线图。
其中，
101 近红外LED 102 光电探测器 103 光电探测器
104 自聚焦光纤 105 自聚焦光纤 106 自聚焦光纤
107 W型光纤 108 自聚焦光纤 109 自聚焦光纤
110 测量杯 111 测量杯 112 恒温控制模块
113 前置放大电路 114 前置放大电路 115 二级差分放大电路
116 A/D转换模块 117 处理器 118 数码管
119 运算放大电路模块 120 升降台 121 光电传感器模块
122 测量***主体
301 光纤输出端 302 光纤输入端 303 光纤输入端
304 光纤输出端 305 光纤探头 306光纤探头
307 初始光线出射口 308 反射光线入射口 309反射光线入射口
310 初始光线出射口 311 反射光线出射口 312初始光线入射口
313 反射光线出射口
501 屏蔽环 502 屏蔽环
800 移位寄存器。
具体实施方式
本实用新型提供一种乳液主成份含量测量***及其测量方法，为使本实用新型的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
为了达到上述实用新型目的，本实用新型的技术方案为基于W型光纤传感器的乳液中主成份含量测量***，其相应的测量***组成如图1所示，具体包括下列模块：
导光模块107、信号源模块101、光纤耦合模块包含五个自聚焦光纤104、105、106、108、109以及感光模块，导光模块107设有光纤输入端312、光纤输出端和光纤探头，光纤输入端312、光纤输出端和光纤探头上分别连接自聚焦光纤；其中，所述光纤输出端通过自聚焦光纤连接感光模块，光纤输入端312通过自聚焦光纤连接信号源模块101。
信号源模块101，用于***的初始信号发射。该信号源的发射信号是本***的关键，对稳定性的要求较高，发光二极管(LED)是一种非相干光源，谱线较宽并且发射角比较大，在短距离光传输中应用比较广泛，LED具有工作电压低、响应速度快、小巧轻便、使用寿命长等优点，满足本实用新型的要求，因此选择近红外LED作为***的信号源。
其中，上述的导光模块107为W型光纤，包括五个端口，其中有两个为光纤输出端313、311，两个为光纤探头306和305，一个光纤输入端312；两个光纤探头结构相同，其端面则包括内层和外层，其中一个光纤探头305位于待测乳液样品上方，其内层用于将进入导光模块107光纤输入端的光垂直入射到乳液样品，其外层用于接收由乳液样品漫反射的光；另一个光纤探头306位于蒸馏水上方，其内层用于将进入导光模块光纤输入端的光垂直入射到蒸馏水，其外层用于接收由蒸馏水漫反射的光。
W型光纤是一种新型光纤，利用它可以实现入射光和反射光的分离，从而极大地消除了背景光的影响，同时减少了光源波动和镜面反射的影响，其结构如图3所示。在这里，对W型光纤的具体操作进行说明。
导光模块107的输入端302和303分别作为导光模块的信号输入端，其公共输入端面为312；301和304分别作为导光模块的信号输出端，其输出端面为311和313。光纤探头305 和306结构相同，它们的端面则包括两部分，其中，一个光纤探头305的内层部分为310外层部分为309，另一个光纤探头306的内层部分为307外层部分为308；光纤探头305的内层310用于将进入导光模块107输入端302的光垂直入射到乳液样品，光纤探头305的外层309用于接收由乳液样品漫反射的光。光纤探头306的内层307用于将进入导光模块107输入端303的光垂直入射到蒸馏水的表面，光纤探头306的外层308用于接收由蒸馏水反射的光。
由光纤探头305的外层309进入光纤的光，是经过待测乳液样品漫反射后的光，因此必定携带了乳液样品的主成分含量信息。由光纤探头306的外层308进入光纤的光，是经过蒸馏水反射后的光，因此携带了液体镜面反射光强的信息。探测到的两个光信号作差分放大，即消除了镜面反射和光源波动等外界因素的影响，只有漫反射光强。由于漫反射光强与待测乳液样品浓度，即样品中的主成分含量，是有密切关系的，因此根据输出端301与304射出的反射光的强度之差，就可以得出待测乳液样品的主成分含量百分比，这也就是本***的测量原理所在。
从导光模块107的光纤输出端311和313射出的光线，通过耦合光纤模块106和104后，射到光电探测器103和102表面上，由光电探测器103和102将这两个光信号转换成电信号。光电探测器密封在一个暗盒中，以避免受外界光的影响。检测这两个电信号强度，即相当于检测光信号的强度，所以电信号也就反映了待测乳液的主成分含量信息。
进一步，所述信号源模块采用近红外LED，所述信号源模块与光纤输入端耦合，光纤输入端上连接的自聚焦光纤长度为L/4的奇数倍，其中α为一常数，n0为折射率。
光纤耦合模块105用于将信号源模块101发射的初始信号耦合至导光模块107中；光纤耦合模块108和109用于将初始信号射出照射到液体表面，并将液体反射回来的光信号耦合入导光模块107中；光纤耦合模块104和106用于将样品反射回来的光信号射出至光电探测器102和103上。这里对光纤耦合方法以及本实用新型使用的光纤耦合方法进行说明。
由于信号源需要和光纤的输入端312耦合，本实用新型所述的***中采用自聚焦耦合的方式，自聚焦光纤中光线传播路径如图2所示。从图中可以看出，不同入射角的光在自聚焦光纤中传播具有相同的空间周期其中α为一常数，n0为折射率。当自聚焦光纤长度取L/4或者L/4的奇数倍，光从光纤截面射出时，均是沿着正弦曲线的切线方向射出，即以平行于光纤轴线的方向射出。因此，当选择的自聚焦光纤长度为周期L的1/4倍时，即可实现对信号的高效率耦合。
本***测量乳液主成分含量的关键就是测量由光纤输出端301与304射出的光强。因此，保证它的稳定性是得到准确测量结果的关键。
影响由光纤输出端301与304射出的光信号的强度稳定性的因素主要有以下三个。
第一，进入导光模块107的初始光强的稳定性，即信号源模块101输出的稳定性。本***的信号源为近红外LED。我们给近红外LED供电的电源为稳压电源，经过测定，输出光强稳定，符合测量要求。
在本实施例中，感光模块用于接收从W型光纤出射的光信号，并将光信号转换成电信号。感光模块是由光电探测器102和103构成的，它们是将被测量的光信号转换成电信号的电子器件。光电探测器在使用时需要注意的是选择的器件必须和信号源在光谱特性上匹配，即需要根据信号源的工作波段，选择光谱响应好的光电探测器。本实用新型中起光电转换作用的是PIN型光电二极管。
第二，光纤探头305和306分别与乳液液面和蒸馏水液面的距离。影响输出端射出光信号强度的因素不仅是乳液样品的主成分浓度，还与光纤探头到液面的距离有关。因此，只有保持光纤探头305到乳液样品液面的距离、光纤探头306到蒸馏水液面的距离相等且不变，才能保证输出端301和304射出的光信号的强度之差只与乳液样品的主成分浓度有关。
具体测量中，由于光纤探头的内层射出的初始光，经液面反射后，要从外层返回。因此，必须保证垂直入射，即保证光纤探头305与乳液液面保持垂直、保证光纤探头306与蒸馏水液面保持垂直。将W型光纤的探头305和306从放置***的平台上垂下相同的长度，并且使其在以后的测量中都保持垂直。
量取相同体积的待测乳液样品和蒸馏水，分别倒入测量杯111和110中，将测量杯111和110同时放在一个恒温装置112上，然后将整个恒温装置112放在一个可以微调的升降台120上。将测量杯111和110放于垂下的光纤探头305和306的正下方，保证由探头305射出的光正好可以射到乳液液面的中央，由探头306射出的光正好可以射到蒸馏水液面的中央。然后就可以通过调整升降台120的高度来控制光纤探头到液面的距离。
通过上述大量的实验发现，通过调整升降台的高度使待测乳液样品的液面由远及近向光纤探头靠近时，从光纤输出端301射出的光强先变大再变小。光强变化规律如图4所示。
如果测量距离选的过大，则信号比较微弱，不易分辨；如果测量距离选的过小，微小的距离变动就会引起很大的误差。曲线的顶点处(x＝2.8cm)，斜率最小，即距离的变化对电压输出的影响最小。同时，该处的信号强度也是最大的，因此选此距离为最佳测量距离。定标和测量的过程中，探头和乳液液面的距离都选定为此值，通过量取定量体积的样品和保证屏蔽环深入测量容器的深度不变，可以保证测量距离的不变。
第三，杂散光的影响。从光纤探头的内层射出的光，经液面反射后，从外层返回光纤中。由于探头裸露在外，必然会有杂散光也随着反射光一起进入光纤中，并最终被探测器接收。 杂散光主要包括外界光和经盛放液体容器的杯壁反射的光。这两种杂散光由于只与外界条件有关，并不携带有任何乳液样品的信息，因此必须滤除。
为了滤除上述的杂散光，特设计了如图5所示的屏蔽环。屏蔽环501和502结构和形状上完全相同。它们可以用任何硬质材料做成，将其圈成圆锥状，并分别固定在光纤探头上，高度根据光纤探头到液面的高度做合适的选择。屏蔽环501和502伸出光纤探头的部分，其内壁涂黑，在保证不影响样品散射光接收的同时遮挡了容器壁的反射光。
使用屏蔽环501和502后，由于是垂直入射，从光纤探头305内层310出射的光和从光纤探头306内层307出射的光经液体反射后仍能够从外层309和308返回到光纤中。而经杯壁反射的光和外界光由于屏蔽环501和502的阻挡和其黑色内壁的吸收，绝大部分无法进入光纤中，对测量结果的影响已经降到最低。
恒温控制模块112，用于对测量***进行温度补偿。样品温度的不同，会引起样品吸光度的不同。为了保证测量的精度，必须对样品进行恒温控制。本实用新型设计了基于热电制冷器(TEC)的小型温度控制***。当温度传感器获得样品的实时温度后，根据输出的控制值调节PWM波控制双极性驱动器输出电流，由TEC实现对样品的加热或者制冷。设计的***体积小，成本低，可帮助该***在动态温度下实现恒温测量。
本实施例中还提供一个可升降载物台模块120，可升降载物台的高度能够调节，从而控制乳液和蒸馏水液面与光纤探头之间的距离。
对乳液主成分检测要解决以下三个问题：第一个是设计一种高精度的光电传感***；第二个问题是设计配套的硬件电路，其中最主要的是设计光电流前置放大模块电路来对微电流信号进行放大，以及设计二级去温漂放大电路来减少温湿度漂移对***测量的影响；第三是设计数据处理流程实现对信号的处理，对所获得的信号进行数字滤波，进而通过标准方程计算乳液中的主成份含量。
采用本实用新型提供的乳液主成份含量测量***作为高精度的光传感***解决了第一个问题，再提供配套的硬件电路和准确的测量方法即可提供对乳液主成分含量测量的完整实施方案。
作为辅助的硬件电路，本实用新型公开的测量方法还提供以下设备：
光电流信号前置放大模块113，114，用于放大光电流信号并将电流信号转换为电压信号,是测量***主体的重要部分。图6给出了本实用新型的前置放大电路，输出电压表达式如下：
二级去温漂放大模块115，为了消除由外界环境因素引起的元器件性能漂移，同时也为了 电压信号的再次放大。增加了一路参考信号，用于接收蒸馏水的散射光信号，其他方面的设计与测量支路完全一致。二级放大电路如图7所示，V1表示测量支路前置放大电路的输出，通过R2和R4耦合到运放的同相端，V2表示参考支路的前置放大电路输出参考信号，通过R1耦合到运放的反相端。
信号转换模块116，用于将输出的模拟电压信号转为数字信号。
信号处理模块117，用于对信号转换模块116中的A/D转换器输出数据的处理，以及显示模块118中数据的显示。它是整个测量***主体的核心，分为硬件部分和数据处理流程部分。
数据显示模块118，用于实时显示测量样品的浓度。本实用新型利用处理器117实现LED数码管显示。
运算放大电路模块119，用于对光电转换后的电信号进行放大，包括前置放大电路113、114以及二级差分放大电路115。其中前置放大电路113和114的电路结构完全一样。散射光经由导光模块107的输出端301和304输出后分别被光电二极管103和102接收，转换为光电流信号。从光电探测器103输出的信号带有样品成分含量的信息，但是非常微弱，只有微安级别，因此需要经过放大电路的放大，这就是前置放大电路。同时为了消除外界环境因素(温度、湿度等)对元器件性能的影响以及减少镜面反射所携带的与浓度无关的信息、消除光源波动的影响，还设计了一路参考信号，即从光电探测器102输出的带有蒸馏水镜面反射的光电流信号。参考信号的前置放大输出和带有样品信息的前置放大电路输出做一次差分放大，构成二级放大电路115。
硬件部分中微控制器采用8051系列中的通用处理器AT89C52。图8为微控制器AT89C52与A/D转换器MC14433、移位寄存器的连接示意图。
采用上述测量***以及硬件设备，来实现乳液主成份含量测量方法，该方法按照如下步骤实施：
步骤一，信号源模块发光，通过光纤耦合模块照射到导光模块，导光模块形成的光束垂直照射到待测乳液样品表面形成带有待测乳液样品信息的光信号；
步骤1.1：采用近红外LED作为信号源模块，光信号通过自聚焦光纤耦合进入W型光纤中，并分成光强相同的两路从光纤探头出射；
步骤1.2：出射的两路光分别通过自聚焦光纤汇聚并垂直照射在待测乳液样品表面和蒸馏水表面，照射入乳液样品的光经过乳液漫散射后，携带了待测乳液样品的成分含量信息；照射入蒸馏水的光经过镜面反射后，携带了液体镜面反射光强的信息，两路反射后的光信号再次经自聚焦光纤耦合进入W型光纤中。
步骤二，反复步骤一，最终获得光电流信号。
步骤三，对光电流信号进行信号放大和转换，采用两级放大电路来放大光电流信号；
步骤3.1：采用两个前置放大模块将待测乳液样品和蒸馏水两路光电流信号分别放大并转换成电压信号；
步骤3.2：通过二级去温漂放大模块对待测乳液样品信号和蒸馏水信号进行差分放大并输送到信号转换模块。
步骤四，配置若干种已知主成分浓度的乳液样品，对信号转换器输出的数字信号进行标识，构建出根据主成分含量变化随数字信号变化的标准方程；
步骤4.1：配置不同的已知主成分浓度的乳液样品，按照步骤一至步骤三的测量步骤，对于各个浓度的乳液样品，依次记录对应的信号转换模块输出值；
步骤4.2：采用BaSO4作为乳液样品的参考白板，再按照按照步骤一至步骤三的测量步骤，记录对应的信号转换模块输出值；
步骤4.3：对测量数据进行回归分析，并建立回归方程，将标准方程载入信号处理模块数据处理流程中。
步骤五，对待测乳液样品的主成分含量进行测量，重复步骤一至步骤三，并将信号转换器输出值代入步骤四得到的标准方程进行计算，即可实时显示此次测量样品中主成分含量。
数据处理流程分为两个部分，一部分是微处理器从A/D转换器读取转换完成的数据；另一部分是对待测乳液样品主成份含量的测量，包括吸光度转换和主成份含量值的计算。
在第一部分设计中，数据读取的流程如图9所示。其中该***数字滤波是基于中值滤波和平均值滤波基础上的复合滤波，其流程图如图10所示。
在第二部分设计中，需要在定标实验中配置各个浓度的标准样品，通过对标准样品测量的大量数据进行线性回归分析，确定回归方程
y＝ax+b (2)此公式是y关于x的函数，x代表乳液样品的漫反射吸光度，y代表乳液样品的主成分百分含量值；乳液样品的漫反射吸光度x由公式(3)算出：
其中V参比是测BaSO4白板所得的光强值，由输出电压值表示，V样品是测乳液样品所得的光强值，由输出电压值表示。通过已经测得的定标数据，得到系数a，b的值，从而确定标准方程。
最后计算主成分含量，其数据处理的流程如图11所示：首先计算出吸光度数值，再通过 调用已经载入到微处理器中的定标方程计算子程序，即可运算得到样品的主成分百分含量。
对于***的前置放大电路模块，基于微电流放大原理以及高精度，使用高增益的ICL 7650运放来实现微弱光信号的放大转换。
对于信号转换模块，选择MC14433三位半双积分式A/D转换器，选择8051系列中的通用处理器AT89C52。当测量样品时，样品与蒸馏水散射的光由W型光纤输出端输出并分别被光电探测器接收，再经过两级放大电路的放大后送至A/D转换器。当微处理器查询到数据转换信号端口INT1有效时，由微处理器读取MC14433的转换数据，经过数据处理后代入事先标定的标准方程中计算乳液样品的主成份含量，最后送至显示模块118显示测量结果。
实施例1
以天然浓缩乳胶中干胶含量测量为例。在测量未知浓度样品之前需要先进行定标，以后即可直接测量。配置标准浓度样品，最低干胶含量浓度为15％，最高干胶含量浓度为50％，间隔5％，共8组样品。将BaSO4白板和这8组样品依次放在光纤探头1下方，蒸馏水放在光纤探头2下方，依次读出二级放大电路模块输出的电压值(可用示波器测得)，并将电压值代入公式(2)将算得的吸光度数据记录如表1。
表1 测量胶乳数据表
得到的拟合方程为
y＝-128.128x+72.54 (4)
拟合的曲线如图12所示，横坐标为天然胶乳的的吸光度，纵坐标为天然胶乳的干胶百分含量。
具体测量时，将未知干胶含量的天然胶乳样品放入本实用新型所述的***中，即可直接 在数码显示管上显示其干胶百分含量。
实施例2
以豆浆中脂肪含量测量为例。在测量未知浓度样品之前需要先进行定标，以后即可直接测量。配置标准浓度样品，最低脂肪含量浓度为0.213％，最高脂肪含量浓度为1.698％，共8组样品。将BaSO4白板和这8组样品依次放在光纤探头1下方，蒸馏水放在光纤探头2下方，依次读出二级放大电路模块输出的电压值(可用示波器测得)，并将电压值代入公式(2)将算得的吸光度数据记录如表2。
表2 测量豆浆数据表
得到的拟合方程为
y＝-7.176x+2.59 (5)
拟合的曲线如图13所示，横坐标为豆浆的的吸光度，纵坐标为豆浆的脂肪百分含量。
具体测量时，将未知脂肪含量的豆浆样品放入本实用新型所述的***中，即可直接在数码显示管上显示其脂肪百分含量。
实施例3
以椰奶中脂肪含量测量为例。在测量未知浓度样品之前需要先进行定标，以后即可直接测量。配置标准浓度样品，最低脂肪含量浓度为0.415％，最高脂肪含量浓度为1.168％，共8组样品。将BaSO4白板和这8组样品依次放在光纤探头1下方，蒸馏水放在光纤探头2下方，依次读出二级放大电路模块输出的电压值(可用示波器测得)，并将电压值代入公式(2)将算得的吸光度数据记录如表3。
表3 测量椰奶数据表
得到的拟合方程为
y＝-5.843x+2.439 (6)
拟合的曲线如图14所示，横坐标为椰奶的的吸光度，纵坐标为椰奶的脂肪百分含量。具体测量时，将未知脂肪含量的椰奶样品放入本实用新型所述的***中，即可直接在数码显示管上显示其脂肪百分含量。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种乳液主成份含量测量***，其特征在于：包括导光模块、信号源模块、光纤耦合模块以及感光模块，所述导光模块设有光纤输入端、光纤输出端和光纤探头，所述光纤耦合模块包含若干自聚焦光纤，光纤输入端、光纤输出端和光纤探头上分别连接自聚焦光纤；其中，所述光纤输出端通过自聚焦光纤连接感光模块，光纤输入端通过自聚焦光纤连接信号源模块。
2.根据权利要求1所述的一种乳液主成份含量测量***，其特征在于：所述导光模块为W型光纤，包括五个端口，其中上部的最左和最右端两个为光纤输出端，下部的两个为光纤探头，以及上部中间的光纤输入端；所述两个光纤探头结构相同，其端面包括内层和外层，内层用于将进入导光模块光纤输入端的光垂直入射到液体中，外层用于接收液体反射的光。
3.根据权利要求1所述的一种乳液主成份含量测量***，其特征在于：所述信号源模块采用近红外LED，所述信号源模块与光纤输入端耦合，光纤输入端上连接的自聚焦光纤长度为L/4的奇数倍，其中α为一常数，n0为折射率。
4.根据权利要求3所述的一种乳液主成份含量测量***，其特征在于：所述感光模块为光电探测器，该光电探测器与信号源模块在光谱特性相匹配。
5.根据权利要求1至4任意一种所述的乳液主成份含量测量***，其特征在于：该***包括两个容器用于盛放液体，还包括一个恒温装置，所述恒温装置放置在容器下方，用于保持待液体的温度。
6.根据权利要求5所述的一种乳液主成份含量测量***，其特征在于：在连接在所述光纤探头上的自聚焦光纤的下端面，设有锥状的屏蔽环，所述屏蔽环由硬质材料卷曲形成，其内表面带有深色涂层。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201520131672.6U CN204439543U (zh) | 2015-03-06 | 2015-03-06 | 一种乳液主成份含量测量*** |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201520131672.6U CN204439543U (zh) | 2015-03-06 | 2015-03-06 | 一种乳液主成份含量测量*** |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN204439543U true CN204439543U (zh) | 2015-07-01 |
Family
ID=53607396
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201520131672.6U Expired - Fee Related CN204439543U (zh) | 2015-03-06 | 2015-03-06 | 一种乳液主成份含量测量*** |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN204439543U (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104730035A (zh) * | 2015-03-06 | 2015-06-24 | 南京航空航天大学 | 一种乳液主成份含量测量***及其检测方法 |
| CN111602051A (zh) * | 2017-12-22 | 2020-08-28 | 恩德斯+豪斯流量技术股份有限公司 | 用于测量奶中脂肪的方法及设备 |
-
2015
- 2015-03-06 CN CN201520131672.6U patent/CN204439543U/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104730035A (zh) * | 2015-03-06 | 2015-06-24 | 南京航空航天大学 | 一种乳液主成份含量测量***及其检测方法 |
| CN111602051A (zh) * | 2017-12-22 | 2020-08-28 | 恩德斯+豪斯流量技术股份有限公司 | 用于测量奶中脂肪的方法及设备 |
| US11579060B2 (en) | 2017-12-22 | 2023-02-14 | Endress+Hauser Flowtec Ag | Method and device for measuring fat in milk |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104596990B (zh) | 双通道光纤浊度测量方法及传感器 | |
| CN105044030B (zh) | 光纤纤间倏逝场耦合折射率计及其检测方法 | |
| TW516955B (en) | Method and apparatus for detecting mastitis by using visible light rays and/or near infrared light | |
| EP2071306A1 (en) | Ultraviolet ray detection device and ultraviolet ray protection effect evaluating device | |
| CN109891214A (zh) | 分析测试设备 | |
| CN102216784A (zh) | 自动分析装置 | |
| CN106053391A (zh) | 一种浊度测量方法、装置及浊度计 | |
| CN203672786U (zh) | 一种双波长调制痕量物质光电检测装置 | |
| CN201732058U (zh) | 一种全自动液体浊度测试仪 | |
| CN105424692B (zh) | 基于多单色光和光纤的尿液干化分析装置及分析方法 | |
| CN204439543U (zh) | 一种乳液主成份含量测量*** | |
| CN102112866A (zh) | 用于测定来自生物体的生理活性物质的方法和测定装置 | |
| CN104122231B (zh) | 一种在线式自校准水质浊度检测*** | |
| CN104730035A (zh) | 一种乳液主成份含量测量***及其检测方法 | |
| AU590223B2 (en) | Concentration meter | |
| CN210037588U (zh) | 一种吸收光谱测试*** | |
| CN108333085A (zh) | 一种具有电容及颜色补偿的光电式垂线含沙量检测***及方法 | |
| CN107860712A (zh) | 光学检测*** | |
| CN207379885U (zh) | 空气颗粒物的检测装置 | |
| CN105784671A (zh) | 一种液芯光纤共振拉曼光谱在线检测亚硝酸盐方法 | |
| CN209961674U (zh) | 基于单光源双检测器的浊度检测装置 | |
| CN108611267A (zh) | 一种实时动态光散射定量pcr仪 | |
| CN110146472A (zh) | 一种基于光生伏特效应的水浊度测量装置及方法 | |
| CN1657910B (zh) | 基于后向光散射技术的高灵敏多功能分析仪 | |
| LI et al. | Measurement of Fat Concentration in Milk Using a Laser Sensor. |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150701 Termination date: 20170306 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |