專利名稱：一種交互式弱超聲波食品安全快速檢測裝置的制作方法
一種交互式弱超聲波食品安全快速檢測裝置
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲波傳感器應(yīng)用技術(shù)和食品安全檢測領(lǐng)域，特別涉及一種采用弱超聲波技術(shù)作為檢測手段，并根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境狀態(tài)即時實施分析的一種交互式弱超聲波食品安全快速檢測裝置。
背景技術(shù)：
“民以食為天，食以安為先”。近年來，像“蘇丹 紅”、“肝炎病毒礦泉水”等食品安全問題和各種食物中毒事件日益突出，引起了廣大消費者和決策層的密切關(guān)注，同樣食品安全檢測的相關(guān)技術(shù)也受到了國家的高度重視。目前，對于食品安全的檢測設(shè)備主要采用傳統(tǒng)的生物化學(xué)分析和光譜分析方法，這種方法需要在有資質(zhì)的實驗室進行，不但需要用到昂貴較大的檢測儀器，而且操作繁瑣、檢測時間過長，不能勝任現(xiàn)場快速方便的檢測工作。隨著各種食品安全檢測技術(shù)的發(fā)展，超聲波技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢在食品安全領(lǐng)域出現(xiàn)。超聲波技術(shù)是一種聲學(xué)特性分析法，其原理是超聲波在被檢測介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)的聲學(xué)特性和內(nèi)部組織的變化會對超聲波的傳播產(chǎn)生一定的影響，通過對超聲波受影響程度和狀況的探測可以了解介質(zhì)性能和結(jié)構(gòu)變化。超聲波檢測最為常用的三個測量參數(shù)是聲速、衰減、阻抗。超聲波分為兩類強超聲波和弱超聲波。目前，強超聲波由于能量高，可以改變介質(zhì)的物理屬性，被廣泛應(yīng)用在果蔬制品的防腐爛、肉禽制品的保鮮等應(yīng)用。弱超聲波由于能量低，具有無損傷、非侵入式、無需準備樣品以及快速檢測等優(yōu)點，目前主要被應(yīng)用在奶制品中脂肪含量檢測、糖分的檢測，糧食制品中烴類混合物檢測等介質(zhì)中具體某一種成份的檢測，未出現(xiàn)在食品綜合品質(zhì)檢測方面的應(yīng)用。同時，我國食品出廠前都需按照有關(guān)標準進行分析檢測，以檢測食品中是否有化學(xué)添加物質(zhì)、是否超標、是否新鮮等等，然而這種監(jiān)督一般采用抽樣檢查的方法進行，且抽樣檢查也僅僅是針對每個產(chǎn)品的單一項目進行檢測的，監(jiān)管力度有限，往往不能保證所有商場、超市、農(nóng)貿(mào)市場上的食品都是安全合格的。目前，沒有一種適合普通人民群眾的食品安全快速檢測裝置，去判斷所購買的食品是安全合格的，很容易發(fā)生食品安全事故。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于填補現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種體積小，結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、交互界面友好、檢測快速、便攜的交互式弱超聲波食品安全快速檢測裝置，可廣泛適用于普通人民群眾。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種交互式弱超聲波食品安全快速檢測裝置。所述食品安全檢測裝置由特征參數(shù)采集部分、信號處理分析部分和交互部分組成。所述特征參數(shù)采集部分采用弱超聲波傳感器陣列對待測食品進行不同位置和不同方向的信息提取。所述弱超聲波傳感器陣列分多層，每層兩組收發(fā)傳感器相交放置，傳感器在三維空間的位置均可調(diào)。所述一組收發(fā)傳感器包括一個發(fā)射頭、一個發(fā)射波接收頭和一個回波接收頭。所述信號處理分析部分包括控制器、信號處理電路、數(shù)據(jù)存儲電路、信號分析電路、可調(diào)頻方波產(chǎn)生電路、溫度測量電路、濕度測量電路、時鐘產(chǎn)生電路和電源控制電路。所述控制器是整個裝置的核心，協(xié)調(diào)各個電路有條不紊地工作。所述可調(diào)頻方波產(chǎn)生電路完成一定頻率的高頻振蕩方波的產(chǎn)生，適應(yīng)不同的被測食品，其發(fā)射脈沖頻率可由用戶設(shè)置。所述信號處理電路完成對發(fā)送的高頻方波的放大，以驅(qū)動傳感器發(fā)射頭發(fā)送超聲 波；同時可對傳感器接收頭接收的回波和反射波信號進行放大、整形和采樣處理。所述數(shù)據(jù)存儲電路完成本次檢測采集的特征參數(shù)的存儲；同時完成多種待測食品的質(zhì)量安全參考值的存儲。所述信號分析電路主要根據(jù)本次采集的特征參數(shù)計算超聲波信號在被測食品中的聲速度、聲衰減和聲阻抗，并進行環(huán)境參數(shù)校準，然后與數(shù)據(jù)庫中的參考值進行對比，給出被測食品是安全、可疑還是不安全的分析結(jié)果。所述溫度測量電路，采用高精度的溫度傳感器，對環(huán)境溫度進行實時檢測。所述濕度測量電路，采用高精度的濕度傳感器，對環(huán)境濕度進行實時檢測。所述時鐘產(chǎn)生電路，提供系統(tǒng)穩(wěn)定的工作時鐘。所述電源控制電路，為整個裝置提供穩(wěn)定可靠的工作電源。所述交互部分完成系統(tǒng)的啟動、傳感器工作模式選擇、待測食品選擇、電路參數(shù)設(shè)置和食品質(zhì)量分析結(jié)果顯示，同時提供給用戶有線和無線兩種交互方式，完成本機數(shù)據(jù)庫更新和本機數(shù)據(jù)云端存儲。所述傳感器工作模式有4種，具體如下I.默認模式，超聲波發(fā)射次數(shù)n為6，進行待測食品的全方位檢測；2. UP模式，超聲波發(fā)射次數(shù)n為2，進行待測食品頂層的檢測；3. DOWN模式，超聲波發(fā)射次數(shù)n為2，進行待測食品底層的檢測；4. MID模式，超聲波發(fā)射次數(shù)n為2，進行待測食品中間層的檢測。本發(fā)明的有益效果是I.采用弱超聲波技術(shù)，對待測食品無損傷；2.采用弱超聲波傳感器陣列，對待測食品進行全方位的檢測，提高了檢測精度；3.非侵入式，無需準備樣品，對待測食品和裝置均無污染；4.非定性定量測量，專注于食品差別，符合普通人民群眾的認識和需求。5.交互性強，用戶可以根據(jù)待測食品需求，采用無線或有線的方式下載更新本機數(shù)據(jù)參考庫，也可將本機測量數(shù)據(jù)結(jié)合使用體驗上傳到云端，供其他用戶參考。

圖I為本發(fā)明裝置的系統(tǒng)框架圖；圖2為本發(fā)明裝置中弱超聲波傳感器陣列布局圖；圖3為本發(fā)明裝置的工作流程圖；具體實施方式本申請的特征及優(yōu)點將通過實施例，結(jié)合附圖進行說明。本發(fā)明提出一種交互式弱超聲波食品安全快速檢測裝置。該裝置包括特征參數(shù)采集部分、信號處理分析部分和交互部分。所述特征參數(shù)采集部分采用弱超聲波傳感器陣列對待測食品進行全方位信息提?。凰鲂盘柼幚矸治霾糠衷诳刂破鞯闹骺叵?，有條不紊地進行環(huán)境參數(shù)的提取、可調(diào)頻方波的產(chǎn)生和處理、回波和反射波的整形采樣處理、數(shù)據(jù)的存儲和食品質(zhì)量分析；所述交互部分完成系統(tǒng)的啟動、傳感器工 作模式的選擇、待測食品選擇、食品質(zhì)量分析結(jié)果顯示、同時提供給用戶有線和無線兩種方式進行本機數(shù)據(jù)庫更新和本機數(shù)據(jù)云端存儲。本發(fā)明的裝置不對待測食品做定性定量的分析，主要關(guān)注待測食品的差異性，給出簡單易懂的分析結(jié)果，同時裝置體積小巧、結(jié)構(gòu)簡單、交互性好，可廣泛適用于個人和家庭進行食品安全快速檢測。圖I給出了本發(fā)明裝置的系統(tǒng)框架圖，主要包括三大部分特征參數(shù)采集部分101、信號處理分析部分102和交互部分103。特征參數(shù)采集部分101采用弱超聲波傳感器陣列104對待測食品進行全方位的信息提取。信號處理分析部分102包括信號處理電路105、數(shù)據(jù)存儲電路106、信號分析電路107、可調(diào)頻方波產(chǎn)生電路108、控制器109、溫度測量電路110、濕度測量電路111、時鐘產(chǎn)生電路112和電源控制電路113。交互部分103包括按鍵114、IXDl 15、USB接口 116和無線通信接口 117。如圖I所示，控制器109是整個裝置的核心，協(xié)調(diào)各個電路有條不紊地工作；可調(diào)頻方波產(chǎn)生電路108在啟動信號控制下產(chǎn)生用戶設(shè)置的超聲波頻率振蕩方波；信號處理電路105可對發(fā)送的高頻方波進行放大，以推動傳感器發(fā)射頭發(fā)送超聲波，同時可對接收頭接收的回波和反射波進行整形、采樣處理；數(shù)據(jù)存儲電路106可對本次采集到的數(shù)據(jù)進行存儲，同時存儲用戶下載的多種食品的參考值；信號分析電路107根據(jù)本次測量的環(huán)境參數(shù)和食品安全參考庫數(shù)據(jù)，對本次測量數(shù)據(jù)分析，給出安全、可疑或者不安全的分析結(jié)果；溫度測量電路110可以實時測量環(huán)境溫度；濕度測量電路111可以實時測量環(huán)境濕度；時鐘產(chǎn)生電路112用于提供系統(tǒng)穩(wěn)定的工作時鐘；電源控制電路113為整個裝置提供穩(wěn)定可靠的工作電源。如圖I所示，按鍵114提供用戶對系統(tǒng)進行啟動控制、傳感器工作模式選擇、待測食品選擇和電路參數(shù)設(shè)置的入口 ；LCD115提供良好的人機界面，顯示分析結(jié)果；USB接口116和無線通信接口 117提供給用戶有線和無線兩種交互方式，完成本機數(shù)據(jù)庫更新和本機數(shù)據(jù)云端存儲。圖2給出了本發(fā)明裝置中弱超聲波傳感器陣列布局圖，主要包括6組超聲波傳感器(202，203)、(204，205)、(206，207)、(208，209)、(210，211)、(212，213)，放置在待測食品容器201的不同位置和不同方向上，對待測食品進行全方位的檢測。主要機理是一方面弱超聲波頻率高、波長短、定向傳播性好、穿透性強，同時由于弱超聲波能量低，不會對待測食品產(chǎn)生物化破壞作用；另一方面超聲波的基本物理參數(shù)——聲速、衰減系數(shù)、聲學(xué)阻抗都依賴于待測食品的結(jié)構(gòu)、組成等性質(zhì)，因此，可以利用弱超聲波通過對待測食品的全方位檢測，獲得待測食品的超聲波物理參數(shù)，進一步分析得出假冒偽劣食品與安全食品的差異。圖3給出了本發(fā)明裝置的工作流程圖，具體的檢測步驟如下SI.系統(tǒng)上電復(fù)位；
S2.用戶進行待測食品選擇、傳感器工作模式選擇、超聲波頻率選擇等參數(shù)設(shè)置；S3.用戶啟動測量；S4.根據(jù)傳感器工作模式判斷發(fā)射次數(shù)n是否被減為0，如果是0，就跳到第11步，否則，進入第5步；S5.根據(jù)用戶設(shè)定的超聲波頻率，發(fā)送高頻振蕩方波；S6.對發(fā)送的高頻方波進行放大處理，以推動傳感 器發(fā)送頭發(fā)射超聲波；S7.被驅(qū)動的傳感器發(fā)送頭發(fā)射超聲波；S8.超聲波穿過被測食品后，被相對應(yīng)的回波接收頭和反射波接收頭接收；S9.對接收到的回波和反射波進行信號的調(diào)整、采樣處理，采集回波和反射波幅值和穿過待測食品和容器壁所用的時間等參數(shù)；S10.對采集到的特征參數(shù)進行存儲，再跳到第4步；Sll.根據(jù)傳感器工作模式，對采集到的多組特征參數(shù)進行平均和相關(guān)性處理；S12.將當(dāng)前的環(huán)境參數(shù)以及采集到的數(shù)據(jù)進行多元線性回歸處理，最后與食品質(zhì)量安全參考庫中的對應(yīng)數(shù)據(jù)比較，分析判斷，得到被測食品是安全、可疑還是不安全的；S13.將測量結(jié)果進行顯示，給用戶以參考；S14.系統(tǒng)掉電關(guān)閉。所述的一種交互式弱超聲波食品安全檢測裝置，一方面充分利用弱超聲波頻率高(介于0. I 0. 2MHz)、定向傳播性好、穿透力強、能量小(往往小于IOOmW)，對被測食品不會產(chǎn)生物化破壞，采用脈沖式操作等特點，特別是弱超聲波的三個基本的物理參數(shù)——聲速、衰減系數(shù)、聲音阻抗都依賴于被測食品的結(jié)構(gòu)、組成等性質(zhì)以及這三個超聲參數(shù)都可以根據(jù)通過待測食品后的回波信號以及容器壁的反射波信號進行測量等優(yōu)勢，提出了如圖2所示的超聲波傳感器陣列，可以全方位的對待測食品進行檢測；同時考慮到環(huán)境因素對測量結(jié)果的影響，設(shè)計了溫濕度檢測電路，都是采用高精度的溫濕度傳感器實現(xiàn)。另一方面為了滿足用戶對多種食品的安全檢測需求，提供了有線和無線兩種方式供用戶下載最新的參考數(shù)據(jù)更新本機數(shù)據(jù)庫以及與其他用戶交流；同時在電路設(shè)計中采用參數(shù)化的設(shè)計，使得系統(tǒng)具有靈活性和可配置性，適用范圍廣。本發(fā)明提出的這種交互式弱超聲波食品安全檢測裝置，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，交互性好，檢測速度快，可以實現(xiàn)廣泛應(yīng)用于普通人民群眾和家庭進行快速食品安全檢測的目的。以上內(nèi)容是結(jié)合實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種交互式弱超聲波食品安全快速檢測裝置，其特征在于所述裝置包括特征參數(shù)采集部分、信號處理分析部分和交互部分。
2.如權(quán)利要求I所述的特征參數(shù)采集部分，其特征在于所述部分采用弱超聲波傳感器陣列對待測食品進行非接觸全方位信息提?。凰鋈醭暡▊鞲衅麝嚵蟹侄鄬?，每層兩組收發(fā)傳感器相交放置，傳感器在三維空間的位置均可調(diào)；所述一組收發(fā)傳感器包括一個發(fā)射頭、一個發(fā)射波接收頭和一個回波接收頭。
3.如權(quán)利要求I所述的信號處理分析部分，其特征在于所述部分包括控制器、信號處理電路、數(shù)據(jù)存儲電路、信號分析電路、可調(diào)頻方波產(chǎn)生電路、溫度測量電路、濕度測量電路、時鐘產(chǎn)生電路和電源控制電路。
4.如權(quán)利要求3所述的各電路，其特征在于控制器作為整個裝置的核心，協(xié)調(diào)各個電路有條不紊地工作；可調(diào)頻方波產(chǎn)生電路在啟動信號控制下產(chǎn)生用戶設(shè)置的超聲波頻率振蕩方波；信號處理電路可對發(fā)送的高頻方波進行放大，以推動傳感器發(fā)射頭發(fā)送超聲波， 同時可對接收頭接收的回波和反射波進行整形、采樣處理；數(shù)據(jù)存儲電路可對本次采集到的數(shù)據(jù)進行存儲，同時存儲用戶下載的多種食品的參考值；信號分析電路根據(jù)本次測量的環(huán)境參數(shù)和食品安全參考庫數(shù)據(jù)，對本次測量數(shù)據(jù)分析，給出安全、可疑或者不安全的分析結(jié)果；溫度測量電路可以實時測量環(huán)境溫度；濕度測量電路可以實時測量環(huán)境濕度；時鐘產(chǎn)生電路用于提供系統(tǒng)穩(wěn)定的工作時鐘；電源控制電路為整個裝置提供穩(wěn)定可靠的工作電源。
5.如權(quán)利要求I所述的交互部分，其特征在于所述部分完成系統(tǒng)的啟動、傳感器工作模式選擇、待測食品選擇、食品質(zhì)量分析結(jié)果顯示、同時提供有線和無線兩種方式進行本機數(shù)據(jù)庫更新和本機數(shù)據(jù)云端存儲。
全文摘要
本發(fā)明公開一種交互式弱超聲波食品安全快速檢測裝置。該裝置包括特征參數(shù)采集部分、信號處理分析部分和交互部分。所述特征參數(shù)采集部分采用弱超聲波傳感器陣列對待測食品進行非接觸全方位信息提??；所述信號處理分析部分在控制器主控下，有條不紊地進行環(huán)境參數(shù)的提取、可調(diào)頻方波的產(chǎn)生和處理、回波和反射波的整形采樣處理、采集的數(shù)據(jù)和食品質(zhì)量安全參考數(shù)據(jù)的存儲和被測食品質(zhì)量分析；所述交互部分完成系統(tǒng)的啟動、傳感器工作模式選擇、待測食品選擇、食品質(zhì)量分析結(jié)果顯示、同時提供有線和無線兩種方式進行本機數(shù)據(jù)庫更新和本機數(shù)據(jù)云端存儲。本發(fā)明的裝置體積小巧、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、交互性好，適合個人和家庭進行食品安全快速檢測使用。
文檔編號G01N29/00GK102788842SQ201210227680
公開日2012年11月21日 申請日期2012年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月3日
發(fā)明者劉彬, 史小龍, 張芳妮, 曹穎, 王新安, 郭朝陽, 雍珊珊 申請人:北京大學(xué)深圳研究生院