專利名稱：提高牛奶質(zhì)量超聲檢測(cè)精度的方法及檢測(cè)儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于牛奶質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及牛奶質(zhì)量超聲檢測(cè)中減小溫度影響和提高模型預(yù)測(cè)精度的提高牛奶質(zhì)量超聲檢測(cè)精度的方法和基于此方法的牛奶質(zhì)量超聲檢測(cè)儀器。
背景技術(shù)：
牛奶及奶制品是我們?nèi)粘Ｉ钪斜匦璧臓I養(yǎng)食品，其質(zhì)量優(yōu)劣直接關(guān)系到消費(fèi)者的健康。為保證牛奶及奶制品的質(zhì)量，從奶牛的科學(xué)飼養(yǎng)、原料奶的收購、牛奶及奶制品加工過程質(zhì)量控制到成品牛奶的合格檢驗(yàn)整個(gè)過程，都需要對(duì)牛奶質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)牛奶質(zhì)量檢測(cè)的核心內(nèi)容是對(duì)牛奶主要成分含量的測(cè)量。傳統(tǒng)的牛奶質(zhì)量檢測(cè)大都采用化學(xué)分析方法，如牛奶中的脂肪測(cè)量通常采用巴布考克法，蛋白質(zhì)含量的測(cè)量采用凱氏定氮法，乳糖含量的測(cè)量采用碘量法?；瘜W(xué)分析方法操作復(fù)雜、技術(shù)要求高、需要化學(xué)試劑、測(cè)試時(shí)間長，而且測(cè)試精度受人為因素和環(huán)境因素影響大，越來越不能滿足實(shí)際檢測(cè)的需要，特別是在線檢測(cè)的需要。近些年來，在乳成分分析領(lǐng)域里得到較快發(fā)展的紅外光譜檢測(cè)方法，因樣品無需預(yù)處理，且不被破壞，消耗量少；無需化學(xué)試劑，不造成污染；分析速度快等優(yōu)點(diǎn)得到權(quán)威機(jī)構(gòu)的認(rèn)可。但由于價(jià)格昂貴，一次性投入大，制約其廣泛應(yīng)用。應(yīng)用超聲波技術(shù)對(duì)牛奶質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)是目前值得推廣的新方法。該方法除具有紅外光譜檢測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)外，還具有成本低、能同時(shí)無損測(cè)量多種成分、可以測(cè)試不透明液體等優(yōu)點(diǎn)，是一種真正的綠色檢測(cè)技術(shù)。但現(xiàn)有的基于超聲波原理的牛奶質(zhì)量檢測(cè)儀器采取的是將牛奶加熱到一定溫度，并保持恒溫，在恒溫狀態(tài)下測(cè)量超聲參量。因控溫精度難以達(dá)到很高精度，所以超聲參量的測(cè)量受溫度的影響很大。另外現(xiàn)有的超聲牛奶質(zhì)量檢測(cè)儀采用的是用一個(gè)溫度下的超聲參量建立的模型，超聲參量數(shù)少于被測(cè)牛奶成分?jǐn)?shù)，多成分含量的測(cè)量借助了經(jīng)驗(yàn)公式，因而對(duì)牛奶質(zhì)量的檢測(cè)精度還不能滿足工程測(cè)量的要求。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種牛奶質(zhì)量超聲檢測(cè)中減小溫度影響和提高模型預(yù)測(cè)精度的牛奶質(zhì)量超聲檢測(cè)方法及檢測(cè)儀器。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種提高牛奶質(zhì)量超聲檢測(cè)精度的方法，對(duì)牛奶超聲參量測(cè)量是在對(duì)牛奶加熱過程中進(jìn)行的，牛奶超聲參量與牛奶主要成分濃度間的關(guān)聯(lián)校正模型是用牛奶多個(gè)溫度點(diǎn)處的超聲參量建立的，未知濃度牛奶的各成分濃度是用與建模相同溫度下測(cè)量得到的超聲參量代入校正模型進(jìn)行計(jì)算得到的。
測(cè)量的超聲參量為超聲聲速和超聲衰減系數(shù)。
加熱過程是從20℃到40℃，牛奶溫度從低到高加熱，并在加熱過程中進(jìn)行超聲參量的測(cè)量。
在測(cè)量超聲參量的同時(shí)測(cè)量牛奶的溫度。
用于建模的超聲參量為從20℃到40℃間牛奶兩個(gè)或兩個(gè)以上溫度點(diǎn)處的超聲參量。
關(guān)聯(lián)校正模型為從20℃到40℃間牛奶兩個(gè)或兩個(gè)以上溫度點(diǎn)處的聲速和衰減系數(shù)的偏最小二乘2型PLS2算法建立的多元線性回歸模型。
一種提高牛奶質(zhì)量超聲檢測(cè)精度的測(cè)試儀器，包括由多功能微處理器組成的主控模塊、超聲發(fā)射電路模塊、超聲接收電路模塊、超聲接收和發(fā)射探頭、樣品池、溫度測(cè)試電路模塊、牛奶加熱溫度調(diào)節(jié)模塊、自動(dòng)進(jìn)樣/清洗模塊；主控模塊分別與超聲發(fā)射電路模塊、超聲接收電路模塊、溫度測(cè)試電路模塊、牛奶加熱溫度調(diào)節(jié)模塊、自動(dòng)進(jìn)樣/清洗模塊相連；超聲發(fā)射電路模塊連接超聲發(fā)射探頭、超聲接收電路模塊超聲接收探頭；主控模塊產(chǎn)生的進(jìn)樣信號(hào)發(fā)送到自動(dòng)進(jìn)樣/清洗模塊，主控模塊產(chǎn)生的加熱信號(hào)發(fā)送到牛奶加熱溫度調(diào)節(jié)模塊，溫度測(cè)試電路模塊檢測(cè)到的溫度信號(hào)發(fā)送到主控模塊，主控模塊產(chǎn)生的控制信號(hào)發(fā)送到超聲發(fā)射電路模塊，超聲接收電路模塊接收的信號(hào)傳送到主控模塊，主控模塊在測(cè)量結(jié)束時(shí)產(chǎn)生的停止加熱信號(hào)傳送到牛奶加熱溫度調(diào)節(jié)模塊，主控模塊計(jì)算得到的聲速、衰減系數(shù)傳送到存儲(chǔ)器儲(chǔ)存，主控模塊通過輸出顯示裝置、打印裝置及用于連接計(jì)算機(jī)的串口進(jìn)行輸出。
所述主控模塊計(jì)算得到的聲速、衰減系數(shù)，是所述主控模塊計(jì)算得到的聲速、衰減系數(shù)，是所述主控模塊在加熱控制模塊從20℃到40℃加熱過程中到達(dá)20℃到40℃間預(yù)設(shè)的溫度點(diǎn)進(jìn)行的；所述主控模塊根據(jù)下列脂肪濃度和蛋白質(zhì)濃度的預(yù)測(cè)模型計(jì)算得到測(cè)試結(jié)果SF=kF+Σi=1nkFici+Σi=1nkαiαi]]>SP=kP+Σi=1nkPici+Σi=1nkqiαi]]>式中SF、SP為牛奶中脂肪和蛋白質(zhì)的質(zhì)量百分比濃度；ci為牛奶在20℃到40℃間第i個(gè)溫度時(shí)的聲速，單位m/s；αi為牛奶在20℃到40℃間第i個(gè)溫度時(shí)的超聲衰減系數(shù)，單位dB/cm；kF、kFi、kαi、kP、kPi、kqi為回歸系數(shù)，n為測(cè)量超聲參量的溫度點(diǎn)數(shù)。
本發(fā)明具備以下技術(shù)效果本發(fā)明提出采用多個(gè)溫度點(diǎn)處的超聲參量參與建模，一方面增加了參與建模超聲參量的特異性，使用于建模的超聲參量中包含更多的牛奶質(zhì)量信息，另一方面相當(dāng)于間接增加了自變量數(shù)目，從而使自變量數(shù)目多于被測(cè)牛奶成分?jǐn)?shù)目，實(shí)現(xiàn)了冗余計(jì)算。提高了模型的預(yù)測(cè)精度。
由于在本發(fā)明中，未知濃度的牛奶的各成分濃度是通過測(cè)量與建模相同溫度點(diǎn)處的超聲參量代入校正模型進(jìn)行計(jì)算得到的，采用了在加熱過程中測(cè)量超聲參量的測(cè)量方法、多溫度點(diǎn)超聲參量參與建模的多變量回歸建模方法，以及牛奶質(zhì)量檢測(cè)時(shí)測(cè)量了多個(gè)溫度點(diǎn)處的牛奶超聲參量代入模型計(jì)算的方法，所以本發(fā)明減小了溫度對(duì)超聲參量的影響，提高了模型預(yù)測(cè)精度，最終提高了牛奶質(zhì)量檢測(cè)精度，達(dá)到了工程測(cè)量的要求。


圖1溫度對(duì)牛奶聲速測(cè)量重復(fù)性影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
圖2溫度對(duì)牛奶超聲衰減系數(shù)測(cè)量重復(fù)性影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
圖3蛋白質(zhì)含量為2.33％時(shí)，不同脂肪濃度的牛奶聲速隨溫度變化關(guān)系。
圖4脂肪濃度為1.5％，蛋白質(zhì)濃度不同的牛奶聲速與溫度關(guān)系。
圖5蛋白質(zhì)濃度為2.33％時(shí)，不同脂肪濃度的牛奶的超聲衰減系數(shù)與溫度的關(guān)系。
圖6脂肪濃度為1.5％時(shí)，不同蛋白質(zhì)濃度的牛奶的超聲衰減系數(shù)與溫度的關(guān)系。
圖7超聲牛奶質(zhì)量檢測(cè)儀器構(gòu)成示意圖。
圖8超聲牛奶質(zhì)量檢測(cè)儀器軟件控制流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明技術(shù)上的主要特點(diǎn)是1、在對(duì)牛奶超聲參量——聲速和衰減系數(shù)的測(cè)量是對(duì)牛奶從初始溫度到40℃加熱過程中進(jìn)行測(cè)量的，在對(duì)牛奶超聲參量測(cè)量時(shí)，先檢測(cè)牛奶的溫度，當(dāng)檢測(cè)到溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，立即進(jìn)行牛奶超聲參量的測(cè)量，這樣就將已有技術(shù)的控溫改為測(cè)溫。已有的技術(shù)的溫度控制精度為±1℃，控溫精度較低。而本發(fā)明采用的測(cè)溫方式能夠達(dá)到±0.01℃的精度。這樣有效地減小了溫度對(duì)牛奶超聲參量測(cè)量的影響。
2、牛奶超聲參量與牛奶主要成分濃度間的關(guān)聯(lián)校正模型是用牛奶多個(gè)溫度點(diǎn)處的超聲參量建立的，并在建模過程中應(yīng)用了化學(xué)計(jì)量學(xué)方法中的偏最小二乘2型(PLS2)多元回歸算法。牛奶脂肪、蛋白質(zhì)濃度與超聲聲速、衰減系數(shù)間關(guān)聯(lián)校正模型為SF=kF+Σi=1nkFici+Σi=1nkαiαi]]>SP=kP+Σi=1nkPici+Σi=1nkqiαi]]>式中SF、SP為牛奶中脂肪和蛋白質(zhì)的質(zhì)量百分比濃度；ci為牛奶在20℃到40℃間第i個(gè)溫度時(shí)的聲速，單位m/s；αi為牛奶在20℃到40℃間第i個(gè)溫度時(shí)的超聲衰減系數(shù)，單位dB/cm；kF、kFi、kαi、kP、kPi、kqi為回歸系數(shù)，n為測(cè)量超聲參量的溫度點(diǎn)數(shù)。
下面將結(jié)合實(shí)施例及

對(duì)該發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
溫度是影響牛奶質(zhì)量超聲檢測(cè)的主要因素之一。為了尋求減小溫度對(duì)牛奶質(zhì)量超聲測(cè)量的影響，必須對(duì)溫度對(duì)牛奶超聲檢測(cè)的影響程度、規(guī)律進(jìn)行深入分析。本發(fā)明通過實(shí)驗(yàn)從兩個(gè)角度研究了溫度的影響。一方面研究了溫度對(duì)牛奶超聲參量測(cè)量重復(fù)性的影響，另一方面研究了溫度對(duì)牛奶超聲參量測(cè)量的影響程度。
1.溫度對(duì)牛奶超聲參量測(cè)量重復(fù)性的影響取市售光明牌巴氏滅菌純牛奶500ml，分成10份，每份50ml。將樣品池置入恒溫水浴，溫度控制精度±0.1℃。從20℃到40℃，溫度的梯度為2℃，對(duì)每一份奶樣在各個(gè)溫度點(diǎn)處用超聲參量測(cè)試儀重復(fù)測(cè)量15次，記錄每次的聲速和衰減系數(shù)。然后計(jì)算每個(gè)溫度點(diǎn)處的聲速和衰減系數(shù)重復(fù)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差，并繪制出整個(gè)溫度范圍內(nèi)的情況。實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果如圖1和圖2所示。
從圖1和圖2看出，隨著溫度的升高，聲速和衰減系數(shù)的測(cè)量重復(fù)性逐漸變好，即測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差逐漸減??；從34℃開始標(biāo)準(zhǔn)偏差值變化均趨于平緩。說明在低溫時(shí)聲速和衰減系數(shù)的測(cè)量值的離散度較大，重復(fù)性較差，而溫度高時(shí)，聲速和衰減系數(shù)的測(cè)量值的離散度小，重復(fù)性好。所以對(duì)牛奶超聲參量的測(cè)量最適宜的溫度在34℃～40℃的溫度高的區(qū)域。在工業(yè)牛奶質(zhì)量檢測(cè)中，奶樣的初始溫度通常在20℃以下。這樣，要想對(duì)牛奶進(jìn)行準(zhǔn)確、穩(wěn)定檢測(cè)，必須加熱到34℃～40℃進(jìn)行。
2.溫度對(duì)牛奶超聲參量測(cè)量的影響程度圖3描述了當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)含量一定時(shí)，超聲波在脂肪含量不同的牛奶中聲速隨溫度變化的情況。
圖4描述了當(dāng)脂肪濃度一定時(shí)，超聲波在蛋白質(zhì)濃度不同的牛奶中聲速隨溫度變化的情況。
圖5描述了當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)濃度一定時(shí)，超聲波在脂肪濃度不同的牛奶中超聲衰減系數(shù)隨溫度變化的情況。
圖6描述了當(dāng)脂肪濃度一定時(shí)，超聲波在蛋白質(zhì)濃度不同的牛奶中超聲衰減系數(shù)隨溫度變化的情況。
綜合分析圖3～圖6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出要想把牛奶中脂肪和蛋白質(zhì)質(zhì)量百分比濃度檢測(cè)絕對(duì)誤差小于工業(yè)實(shí)際測(cè)量誤差(脂肪絕對(duì)誤差小于0.1％，蛋白質(zhì)絕對(duì)誤差0.15％)的要求，必須將溫度控制精度高于0.1℃。
綜合上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)情況來看，應(yīng)用超聲波檢測(cè)牛奶質(zhì)量時(shí)，必須加熱到34℃以上且溫度控制精度優(yōu)于0.1℃。而現(xiàn)有的牛奶質(zhì)量超聲測(cè)試儀采用加熱到40℃恒溫測(cè)量，溫度控制精度為±1℃，這樣的溫度控制精度顯然不能滿足高精度測(cè)量的要求。而要把溫度控制精度提高到0.1℃，實(shí)現(xiàn)起來十分困難。于是本發(fā)明提出在對(duì)牛奶加熱的過程中測(cè)量牛奶超聲聲速和衰減系數(shù)的方法，以減小溫度對(duì)測(cè)量的影響。
在牛奶加熱的過程中測(cè)量牛奶超聲聲速和衰減系數(shù)的方法是將牛奶從原始溫度加熱到40℃，在加熱過程中，測(cè)量牛奶的聲速和衰減系數(shù)，不用等到恒溫。因?yàn)榘雅Ｄ虡悠窂脑紲囟燃訜岬?0℃的時(shí)間為120s～180s，而完成一次超聲測(cè)量所需時(shí)間為幾毫秒，這樣在超聲測(cè)量過程中溫度變化約0.001℃，而0.001℃的溫度變化引起牛奶超聲參量的變化很小，所以可以認(rèn)為在超聲測(cè)量過程為恒溫狀態(tài)，溫度變化對(duì)測(cè)量瞬間的影響可以忽略不計(jì)。
牛奶加熱的過程中測(cè)量牛奶超聲聲速和衰減系數(shù)方法只有加熱過程，沒有溫控，不需要把溫度控制在恒溫狀態(tài)，避免了因溫控精度不高而影響測(cè)試精度，也避免了因溫控造成的測(cè)試效率下降的不足。在加熱過程中，對(duì)溫度要進(jìn)行檢測(cè)，本發(fā)明設(shè)計(jì)的溫度測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)溫靈敏度為0.01℃，很好地滿足牛奶測(cè)量精度對(duì)溫度的要求。
獲得高的牛奶超聲參量測(cè)量穩(wěn)定性和精度是高精度檢測(cè)牛奶質(zhì)量的前提，而建立穩(wěn)健的濃度預(yù)測(cè)模型也是獲得高精度牛奶質(zhì)量檢測(cè)的關(guān)鍵?，F(xiàn)有的牛奶質(zhì)量超聲測(cè)試儀僅采用40℃時(shí)的超聲參量進(jìn)行建模，由于建模的自變量(聲速、衰減系數(shù))個(gè)數(shù)少于被測(cè)牛奶主要成分(脂肪、蛋白質(zhì)、乳糖等)數(shù)目，因而模型的解不唯一，有的成分濃度需通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算獲得，這樣牛奶檢測(cè)精度不可能達(dá)到很高的水平。
本發(fā)明提出采用多個(gè)溫度點(diǎn)處的超聲參量參與建模，一方面可以增加參與建模超聲參量的特異性，使用于建模的超聲參量中包含更多的牛奶質(zhì)量信息，另一方面相當(dāng)于間接增加了自變量數(shù)目，從而使自變量數(shù)目多于被測(cè)牛奶成分?jǐn)?shù)目，實(shí)現(xiàn)冗余計(jì)算。
為了獲得參與建模的最佳溫度點(diǎn)和數(shù)目，本發(fā)明分別對(duì)兩點(diǎn)溫度、三點(diǎn)溫度、四點(diǎn)溫度和五點(diǎn)溫度這四種情況進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
表1為用不同溫度點(diǎn)和數(shù)目的牛奶聲速和衰減系數(shù)與牛奶脂肪、蛋白質(zhì)濃度建立PLS2校正模型，并用相應(yīng)溫度的獨(dú)立驗(yàn)證集樣品進(jìn)行驗(yàn)證的結(jié)果。
表1 不同溫度點(diǎn)和數(shù)目校正模型預(yù)測(cè)結(jié)果

表中R為模型的預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)，RMSEP為預(yù)測(cè)均方根誤差。
對(duì)比溫度不同組合建立的校正模型的預(yù)測(cè)效果可以看出預(yù)測(cè)精度最高的是35℃+40℃兩個(gè)溫度的組合。隨著組合溫度數(shù)的增加，預(yù)測(cè)精度卻下降。這說明在建立溫度校正模型時(shí)，并非溫度點(diǎn)數(shù)越多越好。參與建模的溫度點(diǎn)多，雖然可以包含更多的牛奶成分濃度信息，但也可能引入更多的干擾信息。
通過對(duì)比分析得出采用聲速和衰減系數(shù)聯(lián)合建模的35℃+40℃兩溫度局部溫度校正模型的預(yù)測(cè)精度最高，脂肪濃度在1.5％～5.3％范圍內(nèi)，預(yù)測(cè)均方根誤差(RMSEP)為0.059％，模型相關(guān)系數(shù)達(dá)0.996；蛋白質(zhì)濃度在2.33％～4.36％的范圍內(nèi)，預(yù)測(cè)均方根誤差(RMSEP)為0.106％，模型相關(guān)系數(shù)達(dá)0.991。這樣的精度能夠滿足工業(yè)測(cè)量精度(脂肪測(cè)量均方根誤差小于0.1％，蛋白質(zhì)測(cè)量均方根誤差小于0.15％)的要求。
3.基于本發(fā)明所述方法的牛奶質(zhì)量檢測(cè)儀構(gòu)成如圖7所示，該儀器由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。儀器的硬件部分由主控模塊(多功能微處理器)、超聲發(fā)射電路模塊、超聲接收電路模塊、超聲接收和發(fā)射探頭、樣品池、溫度測(cè)試電路模塊、牛奶加熱溫度調(diào)節(jié)模塊、自動(dòng)進(jìn)樣/清洗模塊、LCD顯示模塊、打印模塊、通訊模塊和操作面板等部分組成。
1)聲速測(cè)量采用減幅振蕩脈沖超聲循環(huán)法，即在主控模塊的控制下，由超聲發(fā)射電路產(chǎn)生一個(gè)一定寬度的激勵(lì)電壓脈沖，將此脈從施加在超聲發(fā)射探頭，產(chǎn)生超聲波，此超聲波經(jīng)過牛奶、超聲接收探頭、整形電路，超聲發(fā)射電路，再激勵(lì)發(fā)射探頭，重復(fù)同一閉合電路，產(chǎn)生連續(xù)的超聲收/發(fā)，記錄收/發(fā)N次所用時(shí)間T，計(jì)算出平均收發(fā)時(shí)間t‾=T/N,]]>然后利用公式c=L/t‾]]>計(jì)算出聲速來。
聲強(qiáng)衰減測(cè)量是通過測(cè)量超聲發(fā)射端的激勵(lì)電壓和接收端信號(hào)電壓后，應(yīng)用下式計(jì)算得到。
α=10f(MHz)L(cm)logUinUout]]>
式中α——超聲衰減系數(shù)；f——超聲波振蕩頻率；Uin——發(fā)射端激勵(lì)電壓幅值；Uout——接收端信號(hào)電壓幅值；L——超聲收發(fā)探頭間距。
2)牛奶溫度調(diào)節(jié)模塊是用于將牛奶從初始溫度緩慢加熱到40℃，加熱時(shí)間通常為60s～180s，具體加熱所需時(shí)間因牛奶初始溫度的高低而不同。
3)溫度測(cè)試模塊是用于檢測(cè)牛奶的溫度，一方面與加熱模塊配合，以控制牛奶加熱時(shí)的溫度上升速率，另一方面與超聲參量測(cè)量模塊配合，以使牛奶超聲參量的測(cè)量在設(shè)定的多個(gè)溫度點(diǎn)處進(jìn)行。
4)自動(dòng)進(jìn)樣/清洗模塊實(shí)現(xiàn)在工作時(shí)將牛奶吸入樣品池，待測(cè)試完了，再將牛奶排出樣品池。也用于將洗滌液吸入/排出樣品池，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品池的自動(dòng)清洗。
5)LCD顯示器用來顯示分析結(jié)果、過程參量、工作狀態(tài)和報(bào)警信息等。
6)操作面板用來進(jìn)行工作模式選擇、參數(shù)設(shè)置等操作。
7)打印模塊用于將測(cè)試結(jié)果報(bào)表打印出來。
8)串行通訊模塊用于將測(cè)試結(jié)果傳輸?shù)絇C機(jī)，以便對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行收集、再處理等。
基于本發(fā)明所述方法的牛奶質(zhì)量檢測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，中間用到了多種編程技術(shù)，并包含復(fù)雜的顯示和成分計(jì)算子程序。由于存在許多數(shù)制轉(zhuǎn)換和超越函數(shù)，為了在保證計(jì)算精度的同時(shí)，盡可能地減少存儲(chǔ)單元的開銷，在進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算時(shí)采用查表來代替大數(shù)據(jù)運(yùn)算，以提高運(yùn)算效率。
儀器在軟件控制下，工作流程分兩個(gè)階段進(jìn)行第一個(gè)階段是儀器預(yù)熱階段，開機(jī)后儀器進(jìn)行初始化設(shè)置，并對(duì)操作面板、LCD顯示器、溫度傳感器、加熱裝置、超聲收發(fā)模塊、自動(dòng)進(jìn)樣/清洗模塊等進(jìn)行工作狀態(tài)檢查，如果各功能模塊工作正常，則進(jìn)入儀器預(yù)熱狀態(tài)，否則給出故障提示信息。預(yù)熱時(shí)間一般為3～5分鐘。當(dāng)預(yù)熱時(shí)間到，儀器處于檢測(cè)準(zhǔn)備就緒狀態(tài)。當(dāng)操作面板的測(cè)試按鍵按下時(shí)儀器進(jìn)入第二階段。第二階段為牛奶樣品質(zhì)量檢測(cè)階段。該階段是在主控模塊的控制下，按照“進(jìn)樣——加熱——溫度檢測(cè)——發(fā)射接收超聲波——計(jì)算聲速、衰減系數(shù)并記錄——溫度檢測(cè)——發(fā)射接收超聲波——計(jì)算聲速、衰減系數(shù)并記錄——……——停止加熱——計(jì)算牛奶各主要成分含量——顯示、打印測(cè)試結(jié)果”步驟進(jìn)行。在此過程中遇到異常則中斷測(cè)試，回到檢測(cè)初始狀態(tài)，并顯示故障提示信息。儀器軟件控制流程如圖8所示。
本發(fā)明的主要特征在于1.牛奶超聲參量的測(cè)量是在對(duì)牛奶加熱過程中進(jìn)行測(cè)量的。
2.牛奶超聲參量與牛奶主要成分濃度間的關(guān)聯(lián)校正模型是用牛奶多個(gè)溫度下的超聲參量和牛奶主要成分濃度建立的。
3.未知濃度的牛奶的各成分濃度是用與建模相同溫度的超聲參量代入校正模型進(jìn)行計(jì)算得到的。
本專業(yè)技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明提供的技術(shù)啟示，可以做出若干變通的技術(shù)方案，例如，在20℃至40℃間增加溫度測(cè)量點(diǎn)數(shù)，或者將溫度范圍擴(kuò)大到15℃至50℃，這些改變?nèi)栽诒菊f明書涵蓋范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種提高牛奶質(zhì)量超聲檢測(cè)精度的方法，其特征在于對(duì)牛奶超聲參量測(cè)量是在對(duì)牛奶加熱過程中進(jìn)行的，牛奶超聲參量與牛奶主要成分濃度間的關(guān)聯(lián)校正模型是用牛奶多個(gè)溫度點(diǎn)處的超聲參量建立的，未知濃度牛奶的各成分濃度是用與建模相同溫度下測(cè)量得到的超聲參量代入校正模型進(jìn)行計(jì)算得到的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高牛奶質(zhì)量超聲檢測(cè)精度的方法，其特征是，測(cè)量的超聲參量為超聲聲速和超聲衰減系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高牛奶質(zhì)量超聲檢測(cè)精度的方法，其特征是，加熱過程是從20℃到40℃，牛奶溫度從低到高加熱，并在加熱過程中進(jìn)行超聲參量的測(cè)量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高牛奶質(zhì)量超聲檢測(cè)精度的方法，其特征是，在測(cè)量超聲參量的同時(shí)測(cè)量牛奶的溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高牛奶質(zhì)量超聲檢測(cè)精度的方法，其特征是，用于建模的超聲參量為從20℃到40℃間牛奶兩個(gè)或兩個(gè)以上溫度點(diǎn)處的超聲參量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高牛奶質(zhì)量超聲檢測(cè)精度的方法，其特征是，關(guān)聯(lián)校正模型為從20℃到40℃間牛奶兩個(gè)或兩個(gè)以上溫度點(diǎn)處的聲速和衰減系數(shù)的偏最小二乘2型PLS2算法建立的多元線性回歸模型。
7.一種提高牛奶質(zhì)量超聲檢測(cè)精度的測(cè)試儀器，其特征是，包括由多功能微處理器組成的主控模塊、超聲發(fā)射電路模塊、超聲接收電路模塊、超聲接收和發(fā)射探頭、樣品池、溫度測(cè)試電路模塊、加熱控制模塊、自動(dòng)進(jìn)樣模塊；主控模塊分別與超聲發(fā)射電路模塊、超聲接收電路模塊、溫度測(cè)試電路模塊、加熱控制模塊、自動(dòng)進(jìn)樣模塊相連；超聲發(fā)射電路模塊連接超聲發(fā)射探頭、超聲接收電路模塊連接超聲接收探頭；主控模塊產(chǎn)生的進(jìn)樣信號(hào)發(fā)送到自動(dòng)進(jìn)樣模塊，主控模塊產(chǎn)生的開始加熱信號(hào)發(fā)送到加熱控制模塊，溫度測(cè)試電路模塊檢測(cè)到的溫度信號(hào)發(fā)送到主控模塊，主控模塊產(chǎn)生的控制信號(hào)發(fā)送到超聲發(fā)射電路模塊，超聲接收電路模塊接收的信號(hào)傳送到主控模塊，主控模塊在測(cè)量結(jié)束時(shí)產(chǎn)生的停止加熱信號(hào)傳送到加熱控制模塊，主控模塊計(jì)算得到的聲速、衰減系數(shù)傳送到存儲(chǔ)器儲(chǔ)存，主控模塊通過輸出顯示裝置、打印裝置及用于連接計(jì)算機(jī)的串口將測(cè)試結(jié)果輸出。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種提高牛奶質(zhì)量超聲檢測(cè)精度的測(cè)試儀器，其特征是，所述主控模塊計(jì)算得到的聲速、衰減系數(shù)，是所述主控模塊在加熱控制模塊從20℃到40℃加熱過程中到達(dá)20℃到40℃間預(yù)設(shè)的溫度點(diǎn)進(jìn)行的；所述主控模塊根據(jù)下列脂肪濃度和蛋白質(zhì)濃度的預(yù)測(cè)模型計(jì)算得到測(cè)試結(jié)果SF=kF+Σi=1nkFici+Σi=1nkαiαi]]>SP=kP+Σi=1nkPici+Σi=1nkqiαi]]>式中SF、SP為牛奶中脂肪和蛋白質(zhì)的質(zhì)量百分比濃度；ci為牛奶在20℃到40℃間第i個(gè)溫度時(shí)的聲速，單位m/s；αi為牛奶在20℃到40℃間第i個(gè)溫度時(shí)的超聲衰減系數(shù)，單位dB/cm；kF、kFi、kαi、kP、kPi、kqi為回歸系數(shù)，n為測(cè)量超聲參量的溫度點(diǎn)數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明屬于牛奶質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及提高牛奶質(zhì)量超聲檢測(cè)精度的方法及檢測(cè)儀器。為提供一種牛奶質(zhì)量超聲檢測(cè)中減小溫度影響和提高模型預(yù)測(cè)精度的牛奶質(zhì)量超聲檢測(cè)方法及檢測(cè)儀器，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是對(duì)牛奶超聲參量測(cè)量是在對(duì)牛奶加熱過程中進(jìn)行的，牛奶超聲參量與牛奶主要成分濃度間的關(guān)聯(lián)校正模型是用牛奶多個(gè)溫度點(diǎn)處的超聲參量建立的，未知濃度牛奶的各成分濃度是用與建模相同溫度下測(cè)量得到的超聲參量代入校正模型進(jìn)行計(jì)算得到的。本發(fā)明主要用于牛奶質(zhì)量檢測(cè)。
文檔編號(hào)G06F19/00GK101071123SQ20071005726
公開日2007年11月14日 申請(qǐng)日期2007年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月29日
發(fā)明者徐可欣, 孫選 申請(qǐng)人:天津大學(xué)