牛肉新鲜度检测装置及其检测方法与流程

本发明涉及肉类品质检测技术领域，尤其是涉及一种可以准确、快速地检测出牛肉是否腐败的牛肉新鲜度检测装置及其检测方法。

背景技术：
牛肉具有营养丰富且口感好的特点，深受广大消费者的喜爱。但是，牛肉很容易受到污染而变质。在储存过程中，随着微生物的增殖和一系列的物理化学变化，牛肉的新鲜度随之降低。蛋白质、脂肪以及碳水化合物等丰富的营养成分被细菌和酶利用，产生氨、硫化氨、醛酸、醛、酮、乙基硫醇、醇以及羧酸的酸性气体。代谢产物中的醛、酮、酯和其它低分子化合物使牛肉产生异味。目前，国内外通常采用光谱激励光源照射被测样品(即采用一个常开的激光器阵列或者LED灯照在样品上)，并采集入射光照射到样品后的漫反射光或者穿过样品的反射光，对漫反射光谱或者反射光谱进行分析，最终实现对样品品质的检测；但是，该检测方法存在所采集到的检测信息量较少，检测的精度较低的不足。中国专利授权公告号：CN101769889A，授权公告日2010年7月7日，公开了一种农产品品质检测的电子鼻系统，包括一主要完成对低浓度气味收集的气体富集模块，一主要把气味信号转化为电信号的气室气路模块及传感器阵列，一主要对传感器阵列输出信号进行滤波、模数转换、特征提取的传感器调理电路与数据预处理模块，一对信号进行识别和判断、且带有数据存储的嵌入式系统，一显示与结果输出模块；所述的气体富集模块由装填有吸附剂的吸附管、电热丝和温控装置构成。该发明具有功能单一，检测时间长的不足。

技术实现要素：
本发明是为了克服现有技术中的检测方法精度低及耗时长的不足，提供了一种可以准确、快速地检测出牛肉是否腐败的牛肉新鲜度检测装置及其检测方法。为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种牛肉新鲜度检测装置，包括不透光壳体，控制器、激光器阵列，光谱仪，光强度调节装置，设于壳体内的上端开口的矩形容器、设于容器内的矩形样品托盘、设于壳体底板上的支架、设于支架上的用于向样品照射光的光发射头和用于接收样品的反射光的光接收头；光强度调节装置、激光器阵列、光发射头依次电连接，光接收头与光谱仪电连接；容器和样品托盘均由不导磁材料制成，所述容器内设有液体，所述样品托盘悬浮于液体表面上，容器底部设有呈m阶方阵排列的若干个竖孔，各个竖孔均向上开口并且竖孔内均设有定位用电磁铁，所述样品托盘中部内设有定位用磁铁块，穿过样品托盘下表面的金属柱上端与定位用磁铁块相连接，定位用电磁铁和定位用磁铁块相对端的磁极的极性相反；样品托盘的各个边缘上均设有若干块牵引用磁铁块，容器各个侧面上均设有若干块牵引用电磁铁；光强度调节装置、光谱仪、各块定位用电磁铁和各块牵引用电磁铁均与控制器电连接。本发明的光强度调节装置用于调节激光器阵列发出的光源的光强度，各个定位用电磁铁用于给样品托盘定位，牵引用电磁铁用于牵引样品托盘移动，液体的设置用于给样品托盘提供脱离与容器定位连接的浮力，从而使本发明可以对样品上的多个点进行检测，并对各个照射点得到的检测信号进行数据分析，并得到牛肉样品的新鲜度，检测的范围更广，检测信息更全面，提高了检测结果的可靠性。光检测学牛肉新鲜度的原理：一束光照射被测样品后，由于不同新鲜度样品中所包含的不同化学特征性基团是不同的，因此对于不同波长入射光的吸收程度是不同的，因而反射光中各波长光的强度是不同的，因此可以根据这些信息去表征样品的新鲜度。但是，如果入射光的光强度固定，则入射光稳定地照射在样品上，样品中的各个化学基团对于不同波长光的吸收程度处于饱和状态，虽然可以得到检测信息，但是信息量并不丰富，检测的准确定较低。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的新鲜度。因此，本发明具有检测速度快，检测点更多，检测数据的可靠性和精度更高的特点。作为优选，各个竖孔下方的容器内均设有电机，各个定位用电磁铁分别与各个电机的竖向转轴相连接，定位用电磁铁上设有定位件，定位件上端开设有米字形凹槽，金属柱下端设有与米字形凹槽相对应的米字形突起，各个电机与控制器电连接。金属柱上设有弹簧，定位件采用金属材料制成。电机用于带动样品托盘旋转，从而使入射光照射到样品的不同点上，检测过程中被检测的点更多，获得的检测信号中包含更多地新鲜度信息。作为优选，所述激光器阵列包括6个捆绑在一起并且波长依次排列的单波长激光器，各个单波长激光器的波长分别为630nm、925nm、534nm、780nm、610nm和730nm。本发明针对牛肉的理化性质，选择以上6个波长的激光器进行检测，可以更加突出牛肉的检测特征，提高检测的准确度。作为优选，所述光强度调节装置包括数据采集卡和功率放大器，所述数据采集卡上设有用于与控制器电连接的信号输入接口，所述数据采集卡与功率放大器的输入端电连接，所述功率放大器的输出端与激光器阵列的电源电连接。控制器产生用于控制光强度变化的波形，数据采集卡将该波形信号采集，并输出到功率放大器上，功率放大器的输出端与激光器阵列的电源电连接，从而通过控制激光器阵列的电源实现对激光器阵列发出的光源的光强度的调节，并通过光发射头向样品照射强度变化的入射光。作为优选，支架呈L形，包括水平杆和立柱；光发射头和光接收头分别通过竖杆与水平杆相连接；各块牵引用磁铁块均呈条形，各块牵引用磁铁块外侧的磁极极性相同。一种牛肉新鲜度检测装置的检测方法，包括如下步骤：(6-1)依据中国国家标准GB/T5009.44-2003，检测不同存放时间牛肉样品的挥发性盐基氮TVB-N值，并得到与m2个样品检测点分别对应的新鲜度阈值；(6-2)样品制备：从待检测的牛肉中选取片状肉作为待检测样品；(6-3)进行检测：将控制器与光强度调节装置、光谱仪、各块定位用电磁铁和各块牵引用电磁铁电连接，将样品平放到样品托盘上；(6-3-1)控制器通过给各个各块定位用电磁铁和各块牵引用电磁铁通电及断电，控制样品托盘沿弓字形移动至各个竖孔；(6-3-2)每当金属柱插入一个竖孔之后，控制器通过光强度调节装置调节激光器阵列输出的检测光，检测光从0按照正弦曲线上升到最大值MAT，然后从最大值MAT按照正弦曲线下降至0；检测完后光谱仪得到m2个检测信号Spect(t)；(6-4)控制器对m2个检测信号Spect(t)均做如下数据处理：将检测信号Spect(t)输入一层随机共振模型：中，控制器计算V(x，t，α)对于x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的临界值代入一层随机共振模型中，并设定X0(t)＝0，sn0＝0，用四阶珑格库塔算法求解一层随机共振模型，得到n＝0，1，…，N-1其中待定系数：(k1)n＝a(αxn-1(t))2-b(αxn-1(t))3+snn-1其中，xn(t)为x(t)的n阶导数，snn+1是S(t)的n-1阶导数在t＝0处的值，snn+1是S(t)的n+1阶导数在t＝0处的值，n＝0，1，…，N-1；得到x1(t)，x2(t)，…，xn+1(t)的值；控制器对x1(t)，x2(t)，…，xn+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系统产生随机共振时刻的最优检测时刻时间t1，最优瞬时运动加速度α1，并确定t1和α1所对应的噪声D1；控制器利用公式计算双层随机共振系统输出的信噪比；其中，△U＝a2/4b；得到m2个输出信噪比(6-5)控制器利用公式计算第k组旋转角度数据所对应的输出信噪比误差QEk，其中，k＝1，…，m2；控制器计算满足QEk≤5％的输出信噪比误差的个数M1；控制器计算满足QEk＞5％的输出信噪比误差的个数M2；(6-6)若则控制器做出样品新鲜的判断；若则控制器做出样品不新鲜的判断；否则，返回步骤(6-3-1)，对样品重新检测并进行数据处理。作为优选，各个竖孔下方的容器内均设有电机，各个定位用电磁铁分别与各个电机的竖向转轴相连接，定位用电磁铁上设有定位件，定位件上端开设有米字形凹槽，金属柱下端设有与米字形凹槽相对应的米字形突起，各个电机与控制器电连接；步骤(6-3-2)由下述步骤代替：每当金属柱插入一个竖孔之后，控制器通过光强度调节装置调节激光器阵列输出的检测光，所述检测光从0按照正弦曲线上升到最大值MAT，然后从最大值MAT按照正弦曲线下降至0；在检测过程中，控制器控制与金属柱所插入竖孔相对应的电机的转轴带动样品托盘旋转1至2周，光谱仪得到检测信号Spect(t)。作为优选，所述片状肉的厚度为26至68mm。作为优选，光发射头的入射角度为15至60度。作为优选，MAT的取值范围为98勒克斯至210勒克斯。因此，本发明具有如下有益效果：(1)检测速度快；(2)检测点更多，检测数据的可靠性和精度更高。附图说明图1是本发明的一种结构示意图；图2是本发明的样品托盘的一种结构示意图；图3是本发明的金属柱、竖孔、电机、定位用电磁铁和定位件的一种结构示意图；图4是本发明的实施例1的一种原理框图；图5是本发明的检测光的强度变化示意图；图6是本发明的实施例1的一种流程图。图中：光谱仪1、光强度调节装置2、容器3、样品托盘4、支架5、光发射头6、光接收头7、竖孔8、定位用电磁铁9、金属柱11、牵引用磁铁块12、牵引用电磁铁13、电机14、定位件15、米字形凹槽16、米字形突起17、数据采集卡18、功率放大器19、激光器阵列20、壳体底板21、弹簧23、控制器24。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。实施例1如图1、图2、图3、图4所示的实施例是一种牛肉新鲜度检测装置，如图4所示，包括不透光壳体，控制器24、激光器阵列20，光谱仪1，光强度调节装置2，如图1所示，设于壳体内的上端开口的矩形容器3、设于容器内的矩形样品托盘4、设于壳体底板21上的支架5、设于支架上的用于向样品照射光的光发射头6和用于接收样品的反射光的光接收头7；光强度调节装置、激光器阵列、光发射头依次电连接，光接收头与光谱仪电连接；容器和样品托盘均由塑料材料制成，容器内设有液体，样品托盘悬浮于液体表面上，如图1所示，容器底部设有呈4阶方阵排列的16个竖孔8，各个竖孔均向上开口并且竖孔内均设有定位用电磁铁9，样品托盘中部内设有定位用磁铁块，如图3所示的穿过样品托盘下表面的金属柱11上端与定位用磁铁块相连接，定位用电磁铁和定位用磁铁块相对端的磁极的极性相反；如图2所示，样品托盘的各个边缘上均设有4块牵引用磁铁块12，容器各个侧面上均设有4块牵引用电磁铁13；如图4所示，光强度调节装置、光谱仪、各块定位用电磁铁和各块牵引用电磁铁均与控制器电连接。激光器阵列包括6个捆绑在一起并且波长依次排列的单波长激光器，各个单波长激光器的波长分别为630nm、925nm、534nm、780nm、610nm和730nm。如图4所示，光强度调节装置包括数据采集卡18和功率放大器19，数据采集卡上设有用于与控制器电连接的信号输入接口，所述数据采集卡与功率放大器的输入端电连接，功率放大器的输出端与激光器阵列的电源电连接。支架呈L形，包括水平杆和立柱；光发射头和光接收头分别通过竖杆与水平杆相连接；各块牵引用磁铁块均呈条形，各块牵引用磁铁块外侧的磁极极性相同。电机为步进电机。一种牛肉新鲜度检测装置的检测方法，包括如下步骤：依据中国国家标准GB/T5009.44-2003，检测不同存放时间牛肉样品的挥发性盐基氮TVB-N值，并得到与16个样品检测点分别对应的新鲜度阈值SNRthre1，SNRthre1，...，SNRthre16；新鲜度阈值SNRthre1，SNRthre1，...，SNRthre16获得的方法如下：检测刚宰杀的新鲜牛肉的挥发性盐基氮数值，检测完后将牛肉放到冷藏装置中存储，第二天，第三天，......取出牛肉继续检测牛肉的挥发性盐基氮数值，每次检测完均放入冷藏装置中存储，当某天样品的挥发性盐基氮数值第一次超标，则将该天的样品采用下述步骤进行检测，得到的16个SNR即为新鲜度阈值SNRthre1，SNRthre1，...，SNRthre16。新鲜度阈值与储存环境是相关的，对在某种温度、压强及湿度存储的牛肉样品进行检测所得到的新鲜度阈值SNRthre1，SNRthre1，...，SNRthre16，只能用于检测在相同条件下存储的牛肉的新鲜度。检测之前，调节容器中的水位高度，使光发射头发射的反射光经样品反射后可以正好进入光接收头中；如图6所示，步骤100，样品制备：从待检测的牛肉中选取40mm厚的片状肉作为待检测样品；步骤200，进行检测：将控制器与光强度调节装置、光谱仪、各块定位用电磁铁和各块牵引用电磁铁电连接，将样品平放到样品托盘上；步骤210，控制器通过给各个各块定位用电磁铁和各块牵引用电磁铁通电及断电，控制样品托盘按照如图1中箭头所示的顺序呈弓字形移动至各个竖孔；步骤220，每当金属柱插入一个竖孔之后，控制器通过光强度调节装置调节激光器阵列输出的检测光，检测光从0按照正弦曲线上升到最大值MAT，然后从最大值MAT按照正弦曲线下降至0；检测完后光谱仪得到m2个检测信号Spect(t)；步骤300，数据处理：控制器对m2个检测信号Spect(t)均做如下数据处理：将检测信号Spect(t)输入一层随机共振模型：中，其中，V(x，t，α)为势函数，x(t)为布朗运动粒子运动轨迹函数，a，b为设定的常数，ξ(t)是外噪声，D是在[0，1]范围内以0.01步进的外噪声强度，N(t)为内秉噪声，为周期性正弦信号，A是信号幅度，f是信号频率，t为运动时间，为相位，设控制器计算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的临界值代入一层随机共振模型中，并设定X0(t)＝0，sn0＝0，用四阶珑格库塔算法求解一层随机共振模型，得到n＝0，1，…，N-1并计算待定系数：(k1)n＝a(αxn1(t))2-b(αxn1(t))3+snn-1其中，xn(t)为x(t)的n阶导数，snn+1是S(t)的n-1阶导数在t＝0处的值，snn+1是S(t)的n+1阶导数在t＝0处的值，n＝0，1，…，N-1；得到x1(t)，x2(t)，…，xn+1(t)的值；控制器对x1(t)，x2(t)，…，xn+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系统产生随机共振时刻的最优检测时刻时间t1，最优瞬时运动加速度α1，并确定t1和α[1所对应的噪声D1；D1为D中的一个值；D是在[0，1]范围内以0.01周期循环步进的一个函数，D的取值与时间相关，知道了t1时刻，D1就确定了。控制器利用公式计算双层随机共振系统输出的信噪比；其中，△U＝a2/4b；得到m2个输出信噪比步骤400，误差计算：控制器利用公式计算第k组旋转角度数据所对应的输出信噪比误差QEk，其中，k＝1，…，m2；控制器计算满足QEk≤5％的输出信噪比误差的个数M1；控制器计算满足QEk＞5％的输出信噪比误差的个数M2；步骤500，做出判断：若则控制器做出样品新鲜的判断；若则控制器做出样品不新鲜的判断；否则，返回步骤210，对样品重新检测并进行数据处理。本实施例中M1＝14，因此，控制器做出样品新鲜的判断。实施例2实施例2中，如图3所示，竖孔下方的容器内设有电机14，定位用电磁铁与电机的竖向转轴相连接，定位用电磁铁上设有定位件15，定位件上端开设有米字形凹槽16，金属柱下端设有与米字形凹槽相对应的米字形突起17，电机上设有用于与控制器电连接的信号输出端口。金属柱上设有弹簧23。实施例2中的步骤220由下述步骤代替：每当金属柱插入一个竖孔之后，控制器通过光强度调节装置调节激光器阵列输出的检测光，所述检测光从0按照正弦曲线上升到最大值MAT，然后从最大值MAT按照正弦曲线下降至0；在检测过程中，控制器控制与金属柱所插入的竖孔相对应的电机的转轴带动样品托盘旋转1周，光谱仪得到检测信号Spect(t)。实施例2中的其它结构和方法部分与实施例1中相同。应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。