專利名稱：一種用于牛奶快速成分分析的儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及超聲波檢測技術(shù)，是一種用于牛奶快速成份分析的儀器。
背景技術(shù)：
牛奶成分分析是進(jìn)行原奶收購按質(zhì)論價和生產(chǎn)過程產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控的必須環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的牛奶成分分析是采用化學(xué)分析技術(shù)，需要分別對牛奶的脂肪、固形物、密度、蛋白質(zhì)含量進(jìn)行化學(xué)分析。其中脂肪含量的分析是利用脂肪與其他成分密度不同，利用乳脂分離機(jī)分離后確定的；固形物含量則是采用干燥后稱重的方法測定；密度采用密度計測定；蛋白質(zhì)采用凱氏定氮法測定。整個分析過程往往需要耗費(fèi)1-2天時間，費(fèi)時費(fèi)力，同時需借助于各種化學(xué)試劑、定氮儀、干燥箱、密度計、乳脂分離機(jī)等多種化學(xué)分析儀器裝置，操作復(fù)雜，隨機(jī)誤差高，不利于產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)控和生產(chǎn)管理。
紅外線牛奶成分快速檢測分析技術(shù)是利用濾鏡處理光源，使產(chǎn)生一定波長范圍內(nèi)的紅外線，利用分子振動頻率與照射波長會將該波長吸收的性質(zhì)，根據(jù)照射后得到的不同吸收光譜，對牛奶成分進(jìn)行檢測分析。目前應(yīng)用的技術(shù)主要是近紅外和中紅外技術(shù)。這種檢測方法應(yīng)用的是光學(xué)原理，對系統(tǒng)要求復(fù)雜，實現(xiàn)的成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種用于牛奶快速成份分析的儀器，是利用超聲波在媒質(zhì)中傳播時，媒質(zhì)的聲傳播速度、聲衰減和聲阻抗等超聲量都和媒質(zhì)的特性和狀態(tài)有關(guān)，因此，通過測量這些聲學(xué)量，就能了解被測媒質(zhì)的特性和成分的變化，就可以進(jìn)行牛奶的成分分析。
本實用新型采用的技術(shù)方案如下1.一種用于牛奶快速成份分析的儀器包括AT89C52單片機(jī)，由液晶顯示器、按鍵、RS232標(biāo)準(zhǔn)接口組成的人機(jī)接口，EEPROM存儲單元，液泵，由超聲波探頭、溫度控制電路、振蕩電路、功放電路、閾值檢測電路)組成的檢測系統(tǒng)。
1)液晶顯示器、按鍵通過輸入/輸出接口、標(biāo)準(zhǔn)接口通過串行接口與單片機(jī)連接；2)存儲單元為程序和固定參數(shù)的存放；
3)中央處理器CPU控制振蕩電路產(chǎn)生等幅脈沖波，經(jīng)功放電路放大后接超聲波探頭的發(fā)射端，超聲波探頭的接收端經(jīng)閾值檢測電路其比較輸出反饋信號經(jīng)振蕩電路接中央處理器CPU；4)超聲波探頭包括外面繞有加熱線圈、兩端面裝有壓電晶體及兩端開有進(jìn)、出口管道的檢測管，壓電晶體的兩側(cè)分別經(jīng)引線一端接功放電路、另一端與閾值比較電路連接，加熱線圈組成加熱回路后接溫度控制電路。
2.所說的溫度控制電路，為橋式溫度控制電路，其輸出端經(jīng)比較器、觸發(fā)器接超聲波探頭的加熱線圈，單片機(jī)分別與比較器和觸發(fā)器連接。
3.振蕩電路，包括振蕩信號產(chǎn)生的門電路和振蕩調(diào)諧電路組成，門電路接單片機(jī)和功放電路，振蕩調(diào)諧電路接反饋調(diào)諧信號。
4.功放電路，為電感儲能放大電路。
5.閾值檢測電路，包括由通用單片F(xiàn)M/AM收音機(jī)集成電路、外圍電路構(gòu)成的調(diào)頻超聲波放大器和多頻觸發(fā)器。
聲傳播特性的檢測是利用發(fā)射與接收信號的混頻技術(shù)，使反饋信號與發(fā)射信號迭加后引起發(fā)射信號頻率變化，通過測定信號頻率的變化來獲取超聲傳播特性。超聲波發(fā)射電路由振蕩電路產(chǎn)生等幅脈沖波，同時利用反饋控制信號對振蕩信號進(jìn)行自動調(diào)諧，振蕩信號經(jīng)放大電路放大產(chǎn)生較高的發(fā)射電壓，激發(fā)壓電晶體產(chǎn)生超聲振動。接收電路接收的信號通過門電路進(jìn)行閾值比較，輸出信號與振蕩信號發(fā)生混頻，引起振蕩信號頻率變化。超聲波發(fā)射與接收都由CPU控制，超聲波發(fā)射與接收信號的經(jīng)過雙穩(wěn)閾值檢測電路形成一個方波脈沖，根據(jù)方波寬度與牛奶成分間的關(guān)系，通過多重線性回歸方程得出牛奶的脂肪、非脂乳固體、密度、蛋白質(zhì)含量，同時用經(jīng)驗公式計算冰點(diǎn)和加水率。
本實用新型的優(yōu)點(diǎn)是1)利用超聲波檢測技術(shù)，采用多重線形回歸方程對多相液體成分進(jìn)行分析，一次性檢測分析牛奶中的脂肪、蛋白質(zhì)、非脂乳固體、密度、冰點(diǎn)和加水率；2)采用精密溫度調(diào)節(jié)電路，適應(yīng)了較寬的樣品測試溫度范圍(15-40℃)；3)采用振蕩電路和放大電路產(chǎn)生一定頻率和電壓的發(fā)射信號，克服了牛奶黏度產(chǎn)生的超聲波衰減影響。


圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)原理框圖；圖2是溫度控制電路原理圖；圖3是振蕩電路電路原理圖；
圖4是功放電路原理圖；圖5是閾值檢測電路原理圖；圖6是超聲波探頭結(jié)構(gòu)原理圖；圖7是圖6的俯視圖；圖8是超聲波探頭電路連接示意圖；圖9是本實用新型的程序流程圖。
具體實施方式
如圖1、圖6、圖7、圖8所示，本實用新型包括AT89C52單片機(jī)1，由液晶顯示器2、按鍵3、RS232標(biāo)準(zhǔn)接口3組成的人機(jī)接口，EEPROM存儲單元5，液泵6，由超聲波探頭7、溫度控制電路8、振蕩電路9、功放電路10、閾值檢測電路11組成的檢測系統(tǒng)。
1)液晶顯示器2、按鍵3通過輸入/輸出接口、標(biāo)準(zhǔn)接口4通過串行接口與單片機(jī)1連接；2)存儲單元5為程序和固定參數(shù)的存放；3)中央處理器CPU控制振蕩電路9產(chǎn)生等幅脈沖波，經(jīng)功放電路10放大后接超聲波探頭7的發(fā)射端，超聲波探頭7的接收端經(jīng)閾值檢測電路11其比較輸出反饋信號經(jīng)振蕩電路9接中央處理器CPU；4)超聲波探頭7包括外面繞有加熱線圈7.6、兩端面裝有壓電晶體7.2及兩端開有進(jìn)、出口管道7.5的檢測管，壓電晶體7.2的兩側(cè)分別經(jīng)引線一端接功放電路10、另一端與閾值比較電路11連接，加熱線圈7.6組成加熱回路后接溫度控制電路8。
圖2溫度控制電路溫度控制電路有兩個功能，一是可以根據(jù)程序要求，由CPU控制加熱線圈驅(qū)動電路的開/關(guān)；二是由CPU控制加熱信號脈寬，以適應(yīng)不同的加熱速度，獲得不同的加熱效果，實現(xiàn)測試樣品溫度的調(diào)節(jié)控制。熱敏電阻Rf感受溫度變化后，由CPU溫度控制信號控制進(jìn)行電壓采樣，采樣電壓8.1與加熱線圈電壓8.3經(jīng)比較器LM393比較后輸出信號給觸發(fā)器74AC74，觸發(fā)控制加熱線圈開啟。同時輸出控制使能信號給單片機(jī)1，由單片機(jī)判別控制加熱線圈的加熱信號的脈寬，輸出加熱控制信號給觸發(fā)器74AC74，與比較電路的輸出信號共同觸發(fā)輸出加熱電路工作信號8.2到加熱線圈7.6，實現(xiàn)溫度的精確調(diào)節(jié)。
圖3為振蕩電路。振蕩電路由振蕩信號產(chǎn)生電路和調(diào)諧電路兩部分組成。門電路9.1產(chǎn)生振蕩信號，同時由振蕩調(diào)諧電路9.2根據(jù)反饋控制信號11.1使振蕩信號的頻率自動調(diào)諧。超聲波發(fā)射器所接收到的信號源產(chǎn)生方式電路開關(guān)后，由此電路產(chǎn)生等幅脈沖波，CPU它根據(jù)程序要求，適時開與關(guān)控制振蕩信號的產(chǎn)生，同時提供調(diào)諧后的脈沖信號給功放電路10。
圖4為功放電路一般的超聲波檢測電路在發(fā)射端只設(shè)置主控振蕩器或脈沖發(fā)射器觸發(fā)超聲波換能器振蕩，由于牛奶是具有較高黏度的介質(zhì)，為了防止由于粘性造成的超聲衰減，因此利用功放電路使發(fā)射端在一定的電壓條件下發(fā)射，克服牛奶粘性引起的衰減影響，以保證獲得可靠的接收信號。功放電路采用簡單實用的電感儲能放大電路形式，將振蕩電路9過來的振蕩信號進(jìn)行電壓放大，使提供一定的頻率和電壓的振蕩信號觸發(fā)超聲波探頭發(fā)射超聲波信號。
圖5為閾值檢測電路閾值檢測電路由兩部分組成，一部分為高頻超聲波放大器，由通用單片F(xiàn)M/AM收音機(jī)集成電路TA7613AP和外圍電路構(gòu)成，另一部分為觸發(fā)器LM324。超聲波接收信號經(jīng)集成電路放大，達(dá)到一定電壓值后，使觸發(fā)器LM324產(chǎn)生脈沖輸出到單片機(jī)1。
圖6、圖7所示，為超聲波探頭的結(jié)構(gòu)原理圖超聲波探頭由壓電晶體7.2、基座7.3、接線板7.1、檢測管7.4組成。壓電晶體7.2由環(huán)氧樹脂黏結(jié)在基座7.3上組成超聲波換能器組件，基座7.3為高分子材料環(huán)氧樹脂，基座7.3為中間有圓形凹槽的圓片。超聲波換能器組件用黏結(jié)劑與檢測管相聯(lián)結(jié)，檢測管7.4與接線板7.1為焊接。檢測管7.4為銅管，以利于傳熱，管外為加熱線圈7.6，對檢測樣品進(jìn)行加熱和恒溫控制。檢測管兩端有樣品的進(jìn)出口連接管7.5。
圖8為超聲波探頭電路連接圖壓電晶體7.2接線分別由兩側(cè)引出連接到接線板接口a、b和e、f端口，端口a接功放電路10，端口e與閾值比較電路11相連接，端口b、f接地。加熱線圈g、h端口相通組成一加熱回路，同時由8端口連接熱敏電阻Rf，提供采樣電壓8.1給溫度控制電路。端口3接加熱線圈電壓8.3，加熱線圈工作由溫度控制電路8提供一定脈寬的加熱電路工作信號8.2通過端口4驅(qū)動。
本實用新型的工作過程根據(jù)設(shè)定，分為兩個階段。在開機(jī)時，設(shè)置有預(yù)熱階段。在預(yù)熱過程中根據(jù)程序設(shè)定，對各個功能模塊(顯示、通訊、超聲波發(fā)射與接收、溫度控制)進(jìn)行巡檢，確定是否進(jìn)入正常工作狀態(tài)，若檢測系統(tǒng)某一功能模塊出現(xiàn)非正常工作信號，將顯示故障代碼。在確定各部分工作正常后，進(jìn)入檢測階段，當(dāng)按鍵發(fā)出檢測指令后，CPU根據(jù)程序設(shè)定，按以下順序進(jìn)行整個檢測過程的工作進(jìn)樣——預(yù)熱——發(fā)射超聲波——接收超聲波——閾值檢測——頻率混頻——脈寬計算——數(shù)值擬合——結(jié)果顯示，在檢測過程中同時還進(jìn)行溫度控制，使恒定在一定測試溫度范圍內(nèi)，另外測試過程中還能及時判別異常樣品情況并停止測定。除此之外，測試程序還根據(jù)需要設(shè)定了標(biāo)定模塊，可以在使用一定時間后矯正系統(tǒng)的零漂。整個系統(tǒng)的程序流程圖如圖9所示。
權(quán)利要求1.一種用于牛奶快速成份分析的儀器，其特征在于它包括AT89C52單片機(jī)(1)，由液晶顯示器(2)、按鍵(3)、RS232標(biāo)準(zhǔn)接口(3)組成的人機(jī)接口，EEPROM存儲單元(5)，液泵(6)，由超聲波探頭(7)、溫度控制電路(8)、振蕩電路(9)、功放電路(10)、閾值檢測電路(11)組成的檢測系統(tǒng)。1)液晶顯示器(2)、按鍵(3)通過輸入/輸出接口、標(biāo)準(zhǔn)接口(4)通過串行接口與單片機(jī)(1)連接；2)存儲單元(5)為程序和固定參數(shù)的存放；3)中央處理器CPU控制振蕩電路(9)產(chǎn)生等幅脈沖波，經(jīng)功放電路(10)放大后接超聲波探頭(7)的發(fā)射端，超聲波探頭(7)的接收端經(jīng)閾值檢測電路(11)其比較輸出反饋信號經(jīng)振蕩電路(9)接中央處理器CPU；4)超聲波探頭(7)包括外面繞有加熱線圈(7.6)、兩端面裝有壓電晶體(7.2)及兩端開有進(jìn)、出口管道(7.5)的檢測管，壓電晶體(7.2)的兩側(cè)分別經(jīng)引線一端接功放電路(10)、另一端與閾值比較電路(11)連接，加熱線圈(7.6)組成加熱回路后接溫度控制電路(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于牛奶快速成份分析的儀器，其特征在于所說的溫度控制電路(8)為橋式溫度控制電路，其采樣電壓(8.1)與加熱線圈電壓(8.3)經(jīng)比較器LM393輸出信號給觸發(fā)器74AC74和單片機(jī)(1)，輸出加熱工作信號(8.2)到超聲波探頭的加熱線圈(7.6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于牛奶快速成份分析的儀器，其特征在于所說振蕩電路(9)，包括振蕩信號產(chǎn)生的門電路(9.1)和振蕩調(diào)諧電路(9.2)組成，門電路(9.1)接單片機(jī)(1)和功放電路(10)，振蕩調(diào)諧電路(9.2)接反饋調(diào)諧信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于牛奶快速成份分析的儀器，其特征在于所說的功放電路(10)為電感儲能放大電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于牛奶快速成份分析的儀器，其特征在于所說的閾值檢測電路(11)，一部分為高頻超聲波放大器，由通用單片F(xiàn)M/AM收音機(jī)集成電路TA7613AP和外圍電路構(gòu)成，另一部分為觸發(fā)器LM324。
專利摘要本實用新型公開了一種用于牛奶快速成分分析的儀器。它包括AT89C52單片機(jī)，由液晶顯示器、按鍵、RS232標(biāo)準(zhǔn)接口組成的人機(jī)接口，EEPROM存儲單元，液泵，由超聲波探頭、溫度控制電路、振蕩電路、功放電路、閾值檢測電路組成的檢測系統(tǒng)。本實用新型的優(yōu)點(diǎn)是采用精密溫度調(diào)節(jié)電路，適應(yīng)了較寬的樣品測試溫度范圍(15－40℃)；采用振蕩電路和放大電路產(chǎn)生一定頻率和電壓的發(fā)射信號，克服了牛奶黏度產(chǎn)生的超聲波衰減影響；利用超聲波檢測技術(shù)，采用多重線形回歸方程對多相液體成分進(jìn)行分析，一次性檢測分析牛奶中的脂肪、蛋白質(zhì)、非脂乳固體、密度、冰點(diǎn)和加水率。
文檔編號G01N29/02GK2604686SQ0322937
公開日2004年2月25日 申請日期2003年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月10日
發(fā)明者劉東紅, 葉興乾, 郭明 申請人:浙江大學(xué)