专利名称：畜禽肉类水分无损快速检测的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种畜禽肉类水分无损快速检测的装置及方法，尤其是一种用于检测畜禽肉类深层水分的无损快速检测的装置及方法，属于农业信息
背景技术：
市场上出售的畜禽肉有的是灌了水的肉，如灌注自来水、盐水、脏水等，还有一些病死肉、腐败变质的肉，这严重的损害了广大消费者的利益和健康，这就迫切的需要能够检验畜禽肉类(畜禽类生肉)的水分含量状况的装置和方法。
目前，检验畜禽肉类(畜禽类生肉)的水分含量状况方法主要有烘干法，基于电导率、电容测量方法和基于光学测量的检测方法。
烘干法耗时长，不利于快速检测。
采用电导率、电容测量方法时其装置携带方便、操作简单，其装置的结构如图1所示，探测头1由八根探针2组成，八根探针平均分成两组，每四根作为电导池的一个电极，并分别由屏蔽线3引至检测盒4，在测量时，探针2插入被检测肉，则检测盒4上的显示屏上显示电导率，根据电导率的大小可以判断被检测肉中的水分情况。但是，用这种方法检测，存在极化现象，影响测量结果，由于电导率、电容变化也可以由于其他成分改变而引起的，所以对水分含量检测的专一性差。
采用光学方法可以完成无损检测，使用方便安全，稳定可靠，专一性强，如图2所示的装置，发光光源10发出的光经聚光透镜11、11’，光信号调制机构30中的四个滤光镜中的一个12，聚光透镜13，反射镜14、14’，聚光透镜15照射到被测物体20上，被测物体20的部分漫反射光经凹透镜16、凸透镜17、滤光镜18照射到光电元件19上，光电元件19与水分检测电路40连接，经过水分检测电路40的一系列检测、计算，得出被测物体20处的水分，此种方法可以完成无损检测，但不能检测生肉的深层水分状况，只能检测表面水分，代表性不强。
另外，也可以将发射光纤、检测光纤集成一束形成直径5mm的探头插入待检测的生肉内部，由于发射光纤与检测光纤形成的探头直径仅为5mm，仅能检测有限范围的水分含量，代表性不强，而且属于侵入式测量。
综上所述，目前所用的用于检测畜禽肉类(畜禽类生肉)的水分含量状况的方法或者耗时长，不利于快速检测，或者属于侵入式检测，检测范围小、或者虽然可以完成无损检测，但不能检测生肉的深层水分状况，只能检测表面水分，代表性不强，所用的装置或者结构复杂，不适合现场的快速检测，或者只能检测生肉的表面水分，代表性不强。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提出一种畜禽肉类水分无损快速检测的装置，能够监测畜禽肉类的深层水分，精度高，信噪比高，结构简单，便于携带。
本发明所要解决的另一技术问题是，针对现有技术的不足，提出一种畜禽肉类水分无损快速检测的方法，能够监测畜禽肉类的深层水分，明确给出水分参数，精度高，专一性强。
本发明是通过如下的技术方案实现的一种畜禽肉类水分无损快速检测的装置，包括中央处理单元、检测单元、显示单元，所述的检测单元包括载体、光电传感器及位于载体中心的发光管，所述发光管至少为三个，且发出不同波长的光，所述的光电传感器为两个以上，分布于以发光管为圆心的不同半径的两个检测同心圆环上，且每两个位于同心圆环上的光电传感器位于同一半径延长线上；所述的中央处理单元包括处理器、发光管驱动电路、传感器信号处理电路，所述的发光管通过线缆与发光管驱动电路的驱动端连接，发光管驱动电路的控制端与处理器的输入/输出端连接，光电传感器通过线缆与传感器信号处理电路的输入端连接；传感器信号处理电路的输出端、控制端分别与处理器的输入/输出端连接；显示单元与处理器的数据端连接。
所述发光管发出的光的波长为700nm-980nm。
所述的发光管为LED发光管或激光光源或装有滤光片的白炽灯。
所述的载体为铝合金片体或采用硅胶压膜或注塑形成的片体。
所述的同心圆中最大的半径为10-60mm，两个同心圆的半径之差为4-8mm。
上述的光电传感器为硅光电池或光电二极管或快速光电二极管。
上述的传感器信号处理电路包括前置放大电路、采样保持电路和A/D转换器，所述的前置放大电路、采样保持电路和A/D转换器依次串联连接，前置放大电路的输入端连接光电传感器的信号端，采样保持电路的控制端与处理器的输入/输出端连接，A/D转换器的输出端与处理器的数据端连接。
该检测装置还包括输入单元，所述的输入单元为一个以上的按键，该按键分别与处理器的输入/输出端连接。
一种畜禽肉类水分无损快速检测的方法，其特征在于包括如下步骤步骤一中央处理单元驱动检测单元中的发光管顺序发光，光电传感器检测从被检测物体中散射出来的光强，并将该光强信号传输到中央处理单元；步骤二中央处理单元利用光密度值的公式计算光电传感器在不同检测距离下的光密度值ODkn，m，所述的光密度值的公式为ODkn,m=logIkIkrn,m,]]>
其中，k＝1，2，3，表示不同波长的光源的脚标；Ik为光源出射的光强；Ikrn，m为光源发出的光经过被检测物体的组织内部散射之后由光电传感器检测到的散射光强，n＝1，2，1表示内环，2表示外环；m＝1，2，3，4，5，6......，表示每个检测同心圆上的光电传感器编号；步骤三把同一检测周期内但不同检测同心圆环在同一径向上检测到的光密度值相减求差ΔODλj2,m=ODλj2,m-ODλj1,m]]>其中，即λi分别表示不同波长下的光波波长；ΔODλj2，m表示第2个圆环上的检测器对应波长为λj的光的光密度值与第1个圆环上的检测器对应波长为λj的光的光密度值之差；步骤四计算深层待测畜类生肉中与水分含量相关的参数CH2O；CH2O=C3*ΔODλ32,m+C2*ΔODλ12,m-C1*ΔODλ22,m]]>当发光管发出的光的波长在700nm-980nmm范围内时，C3取值为0.068～0.061，C2取值为0.021～0.018，C1取值为-0.08～-0.01。
其中，cH2O的单位为mol/l，表示水的绝对含量，也可以将此项参数换算成水的百分比含量，将CH2O的值乘以18g/mol即可得到。
中央处理单元驱动发光管以小于0.6ms的时间间隔顺序发光。
本发明提供的畜禽肉类水分无损快速检测的装置，能够监测畜禽肉类的深层水分，精度高，信噪比高，结构简单，便于携带；本发明提供的畜禽肉类水分无损快速检测的方法，能够监测畜禽肉类的深层水分，明确给出水分参数，精度高，专一性强。


图1为现有技术中采用电导率、电容测量方法的检测装置结构示意图；
图2为现有技术中采用光学方法检测的装置结构示意图；图3为本发明检测原理图；图4为水吸收光谱；图5为本发明装置的电路原理图；图6为本发明检测单元的结构示意图；图7为本发明装置的局部外观图；图8为本发明工作示意图；图9为本发明方法流程图。
具体实施例方式
以下通过具体的实施例对本发明进行详细的说明。
参见图3，图3为本发明检测原理图，其中，光电传感器OS1与光源LED1相距距离为r1，光电传感器OS2与光源LED1相距距离为r2。一种情况，T1表示畜类生肉的肉皮组织，T2表示畜类生肉的脂肪组织，T3表示畜类生肉的肌肉，b1、b2为光子迁移的轨迹；另一种情况，T1表示畜类生肉的肌肉，T2表示畜类生肉的脂肪组织，T3表示畜类生肉的肉皮组织。将光电传感器放在距离光源不同的位置上，距离不同，检测的深度不同，光源LED1发出的光入射进畜类生肉，透过肌肉层，经过散射从肌肉层表面散射出来，由光电传感器OS1、OS2感应，并转换成电信号输出，如图3所示，光电传感器OS1检测的主要是T1、T2层的信息，光电传感器OS2检测的是T1、T2、T3层的信息。
在某一物质中，水分对不同波长的光的吸收率不同，如图4所示，在图3所示的检测中，选择合适波长的光源LED1，根据检测到的光强和光吸收率，即可知道物质中的水分含量。
根据上述原理，本发明提出一种畜禽肉类水分无损快速检测的装置，包括中央处理单元、检测单元、显示单元、输入单元，图5为本发明的一个具体实施例的电路原理图，在本实施例中，所述的发光管为LED，波长分别为700nm、780nm、890nm；另外，本发明中的发光管也可以为三个以上，但这些发光管发出的光的波长限制在3种，当发光管增加时，光强增加，检测的效果会更好，在本实施例中，发光管为3个。光电传感器共12个，为型号为2CR21、波长响应范围400nm-1100nm的硅光电池，由载体、发光管和光电传感器组成的检测单元如图6所示。
中央处理单元包括处理器MSP430F413、3路LED驱动电路、传感器信号处理电路，传感器信号处理电路包括前置放大电路TLC27L4、采样保持电路LF398和A/D转换器TLC2543，所述的前置放大电路TLC27L4、采样保持电路LF398和A/D转换器TLC2543依次串联连接，由于光电传感器共有12个，所以，前置放大电路TLC27L4的输入端共有12路，分别连接12个光电传感器的信号端，采样保持电路的控制端与处理器MSP430F413的输入/输出端连接，A/D转换器的输出端与处理器MSP430F413的数据端连接。
本实施例还包括液晶显示器，用于显示处理器MSP430F413输出的水分数据；还包括键盘，用于测量、保存操作；为了将检测到的水分数据打印出来，处理器MSP430F413还设有打印机接口，用于连接打印机。
本实施例为了携带方便，将以上各部分组装为两部分，一部分为检测单元100，如图6所示，另一部分为包括中央处理单元、显示单元、输入单元的装置200，如图7所示，两部分通过插头、插口连接。
参见图6，为检测单元的结构示意图，检测单元100包括载体101，固定在载体101中心的三个LED发光管1021、1022、1023，硅光电池103，在半径为25mm的圆1上固定六个硅光电池，在半径为30mm的圆2上对应圆1上的硅光电池，在其各自所在的半径延长线上分别固定六个硅光电池，载体101为一圆形的铝合金片体，所述的LED发光管的控制端、硅光电池的信号端通过线缆104、插头105分别与发光管驱动电路的驱动端、传感器信号处理电路的输入端连接。
参见图7，为本发明装置的局部外观图，包括壳体201，液晶显示器202，按键203，所述的按键203用于测量、保存操作。
本实施例工作时的示意图如图8所示。
被检测的畜禽肉300包括肌肉301、脂肪302、肉皮303，检测单元100平放在被检测的畜禽肉300上，位于壳体201内的中央处理单元的处理器控制三个LED发光管依顺序发光，硅光电池检测从畜禽肉300中散射出来的光，将该光信号转变成电信号，发送给中央处理单元的前置放大电路TLC27L4，前置放大电路TLC27L4将硅光电池传送来的电信号放大，通过采样保持电路LF398送到A/D转换器TLC2543，转换成处理器MSP430F413可以处理的数字信号，经过处理器MSP430F413的处理，通过液晶显示器202显示检测到的水分含量。
基于上述装置的一种畜禽肉类水分无损快速检测的方法，包括如下步骤步骤一处理器MSP430F413驱动检测单元1中的发光管1021、1022、1023以0.5ms的时间间隔顺序发光，12个硅光电池103检测从畜禽肉体中散射出来的光强，并将该光强信号传输到中央处理单元；步骤二处理器利用光密度值的公式计算畜禽肉在不同检测距离下的光密度值ODkn，m，所述的光密度值的公式为ODkn,m=logIkIkrn,m,]]>其中，k＝1，2，3......，表示不同波长的LED发光管的脚标；Ik为LED发光管出射的光强；Ikrn，m为LED发光管发出的光经过被检测物体的组织内部散射之后由硅光电池检测到的散射光强，n＝1，2，1表示内环，2表示外环；m＝1，2，3，4，5，6......，表示每个检测同心圆上的硅光电池编号；步骤三把同一检测周期内但不同检测同心圆环在同一径向上检测到的光密度值相减求差ΔODλj2,m=ODλj2,m-ODλj1,m]]>其中，即λi分别表示不同波长下的光波波长；ΔODλj2，m表示第2个圆环上的检测器对应波长为λj的光的光密度值与第1个圆环上的检测器对应波长为λj的光的光密度值之差；步骤四计算深层待测畜类生肉中与水分含量相关的参数CH2O；CH2O=C3*ΔODλ32,m+C2*ΔODλ12,m-C1*ΔODλ22,m]]>当发光管发出的光的波长在700nm-980nmm范围内时，C3取值为0.068～0.061，C2取值为0.021～0.018，C1取值为-0.08～-0.01。
在液晶显示器202中显示两项一项是CH2O参数，单位为mol/l，表示水绝对含量；一项是水分的百分比含量，该项为CH2O的值乘以18g/mol得到的数值。
在本实施例中，发光管1021、1022发出的光波长分别为700nm、780nm用于检测背景吸收，发光管1023发出的光波长为890nm，用于检测水分吸收。
利用本实施例，测试屠宰1天未注水的猪肉和屠宰1天注水猪肉的含水量，水分的百分比含量值分别为50％、59％，其效果检测可靠且易读。
最后所应说明的是以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种畜禽肉类水分无损快速检测的装置，包括中央处理单元、检测单元、显示单元，其特征在于所述的检测单元包括载体、位于载体中心的发光管、光电传感器，所述发光管至少为三个，且发出不同波长的光，所述的光电传感器为两个以上，且分布于以发光管为圆心的不同半径的两个检测同心圆环上，且每两个位于同心圆环上的光电传感器位于同一半径延长线上；所述的中央处理单元包括处理器、发光管驱动电路、传感器信号处理电路，所述的发光管通过线缆与发光管驱动电路的驱动端连接，发光管驱动电路的控制端与处理器的输入/输出端连接，光电传感器通过线缆与传感器信号处理电路的输入端连接；传感器信号处理电路的输出端、控制端分别与处理器的输入/输出端连接；显示单元与处理器的数据端连接。
2.根据权利要求1所述的畜禽肉类水分无损快速检测的装置，其特征在于所述发光管发出的光的波长为700nm-980nm。
3.根据权利要求1或2所述的畜禽肉类水分无损快速检测的装置，其特征在于所述的发光管为LED发光管或激光光源或装有滤光片的白炽灯。
4.根据权利要求1所述的畜禽肉类水分无损快速检测的装置，其特征在于所述的载体为铝合金片体或采用硅胶压膜或注塑形成的片体。
5.根据权利要求1所述的畜禽肉类水分无损快速检测的装置，其特征在于所述的检测同心圆环中最大的半径为10-60mm，且两个同心圆环的半径之差为4-8mm。
6.根据权利要求1所述的畜禽肉类水分无损快速检测的装置，其特征在于所述的光电传感器为硅光电池或光电二极管或快速光电二极管。
7.根据权利要求1所述的畜禽肉类水分无损快速检测的装置，其特征在于所述的传感器信号处理电路包括前置放大电路、采样保持电路和A/D转换器，所述的前置放大电路、采样保持电路和A/D转换器依次串联连接，前置放大电路的输入端连接光电传感器的信号端，采样保持电路的控制端与处理器的输入/输出端连接，A/D转换器的输出端与处理器的数据端连接。
8.根据权利要求1所述的畜禽肉类水分无损快速检测的装置，其特征在于还包括输入单元，所述的输入单元为一个以上的按键，该按键分别与处理器的输入/输出端连接。
9.一种畜禽肉类水分无损快速检测的方法，其特征在于包括如下步骤步骤一中央处理单元驱动检测单元中的发光管顺序发光，光电传感器检测从被检测物体中散射出来的光强，并将该光强信号传输到中央处理单元；步骤二中央处理单元利用光密度值的公式计算光电传感器在不同检测距离下的光密度值ODkn，m，所述的光密度值的公式为ODkn,m=logIkIkrn,m,]]>其中，k＝1，2，3，表示不同波长的光源的脚标；Ik为不同光源出射的光强；Ikrn，m为光源发出的光经过被检测物体的组织内部散射之后由光电传感器检测到的散射光强，n＝1，2，1表示内环，2表示外环；m＝1，2，3，4，5，6......，表示每个检测同心圆上的光电传感器编号；步骤三把同一检测周期内但不同检测同心圆环在同一径向上检测到的光密度值相减求差ΔODλj2,m=ODλJ2,m-ODλj1,m]]>其中，即λi分别表示不同波长下的光波波长； 表示第2个圆环上的检测器时应波长为λj的光的光密度值与第1个圆环上的检测器对应波长为λj的光的光密度值之差；步骤四计算深层待测畜类生肉中与水分含量相关的参数CH2O；CH2O=C3*ΔODλ32,m+C2*ΔODλ12,m-C1*ΔODλ22,m]]>当发光管发出的光的波长在700nm-980nmm范围内时，C3取值为0.068～0.061，C2取值为0.021～0.018，Cl取值为-0.08～-0.01。
10.根据权利要求9所述的畜禽肉类水分无损快速检测的方法，其特征在于所述的中央处理单元驱动发光管顺序发光的时间间隔小于0.6ms。
全文摘要
本发明公开了一种畜禽肉类水分无损快速检测的装置和方法，所述的装置包括中央处理单元、检测单元、显示单元，其中，所述的检测单元包括载体、及位于载体中心的发光管、光电传感器，所述发光管为三个以上，且发出不同的波长的光；光电传感器为两个以上，光电传感器分布于以发光管为圆心的不同半径的两个同心圆上，且每两个位于同心圆上的光电传感器位于同一半径延长线上；所述的方法包括检测单元检测从被检测物体中散射出来的光强，并将该光强信号传输到中央处理单元，中央处理单元接收该光强信号并计算得出水分含量，本发明能够监测畜禽肉类的深层水分，明确给出水分参数，精度高，信噪比高，结构简单，便于携带，专一性强。
文档编号G01N21/47GK1566929SQ20041004615
公开日2005年1月19日 申请日期2004年6月2日 优先权日2004年6月2日
发明者黄岚, 王忠义, 闵顺耕, 黄燕, 吴平 申请人:中国农业大学