一種便攜式液體食品質(zhì)量超聲波檢測(cè)儀與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種便攜式液體食品質(zhì)量超聲波檢測(cè)儀與檢測(cè)方法，本檢測(cè)儀包括超聲波傳感器裝置，主要由信號(hào)處理、計(jì)時(shí)、存儲(chǔ)模塊組成的控制單元，溫度補(bǔ)償單元，以及由USB標(biāo)準(zhǔn)接口、按鍵、LCD液晶顯示屏組成的人機(jī)接口。本發(fā)明所提出的便攜式液體食品質(zhì)量超聲波檢測(cè)儀與檢測(cè)方法，可實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者隨時(shí)隨地對(duì)所將要購買的酒類，食用油，醬油、醋、牛奶、飲料等瓶裝、灌裝的液體食品，在不打開封口的情況下，進(jìn)行無損檢測(cè)，并能避免瓶壁厚度，信號(hào)處理模塊延時(shí)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，精確獲得被測(cè)液體食品的相關(guān)特性參數(shù)。然后將該值與通過大量實(shí)驗(yàn)檢測(cè)良好食品已經(jīng)建立好的云端數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對(duì)比，以鑒別被測(cè)液體食品的真?zhèn)?、好壞?br> 【專利說明】一種便攜式液體食品質(zhì)量超聲波檢測(cè)儀與方法
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本發(fā)明涉及食品安全檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種便攜式液體食品質(zhì)量超聲波檢測(cè)儀與方法。
【【背景技術(shù)】】
[0002]目前，超聲波廣泛應(yīng)用于超聲波測(cè)距和材料無損檢測(cè)，但是很少用于食品安全檢測(cè)。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們生活水平的提高，食品安全越來越引起人們的重視，而目前的食品安全檢測(cè)主要有食品安全相關(guān)部門進(jìn)行檢測(cè)，并且主要是化學(xué)方法檢測(cè)，檢測(cè)設(shè)備龐大，價(jià)格昂貴，并且檢測(cè)食品需要在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。而每個(gè)公民購買食品時(shí)并不能對(duì)其所買的食品進(jìn)行真假，好壞的辨別，本發(fā)明就是針對(duì)這種情況而設(shè)計(jì)的一種便攜式液體食品質(zhì)量超聲波檢測(cè)儀，并提出了一種檢測(cè)方法。
[0003]目前，售賣勾兌假酒，地溝油，以及品質(zhì)很差的醬油、醋、牛奶、飲料等瓶裝、灌裝液體食品的現(xiàn)象普遍存在，而市場(chǎng)上還不存在相關(guān)儀器能夠便捷地對(duì)其進(jìn)行辨別。針對(duì)這種情況，本發(fā)明提出了一種便攜式液體食品質(zhì)量超聲波檢測(cè)儀，并提出了一種檢測(cè)方法。
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【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0004]本發(fā)明的目的是提供一種便攜式液體食品質(zhì)量超聲波檢測(cè)儀與檢測(cè)方法，能夠隨時(shí)隨地不打開液體食品封裝口，就能檢測(cè)食品真假、好壞。其主要針對(duì)的液體食品是瓶裝酒類、食用油、醬油、醋、牛奶、飲料等瓶裝、灌裝的液體食品。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:一種便攜式液體食品質(zhì)量超聲波檢測(cè)儀，包括超聲波傳感器裝置，由超聲波信號(hào)處理模塊、存儲(chǔ)模塊、計(jì)時(shí)模塊組成的控制單元，溫度補(bǔ)償單元，以及由IXD液晶顯示屏、按鍵、USB標(biāo)準(zhǔn)接口組成的人機(jī)接口。
`[0006]所述超聲波傳感器裝置包括兩個(gè)收發(fā)一體的傳感器A和B。
[0007]所述超聲波信號(hào)處理模塊包括放大、濾波、整形，Hilbert變換，小波去噪，互相關(guān)時(shí)延估計(jì)。
[0008]所述超聲波信號(hào)處理模塊中放大、濾波、整形是為了對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，以便后續(xù)進(jìn)行更精確的信號(hào)處理。
[0009]所述超聲波信號(hào)處理模塊中Hilbert變換是為了獲取回波包絡(luò),再用小波技術(shù)對(duì)包絡(luò)去噪。
[0010]所述超聲波信號(hào)處理模塊包括小波去噪，所述小波去噪是在小波域?qū)υ肼曅〔ㄏ禂?shù)進(jìn)行抑制，以達(dá)到去除噪聲的目的。經(jīng)過小波去噪后的噪聲的影響范圍變得小到基本不會(huì)影響信號(hào)本身，有利于后續(xù)使用互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法獲取超聲波傳播時(shí)間。
[0011]所述超聲波信號(hào)處理模塊包括互相關(guān)時(shí)延估計(jì)，所述互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法是一種主流處理算法，原理簡(jiǎn)單、容易理解，在實(shí)現(xiàn)上運(yùn)算量適中，精度可靠，能夠準(zhǔn)確地捕捉到回波起點(diǎn)，提高超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量精確度。
[0012]所述的控制單元，是工作頻率大于25M的單片機(jī)或者FPGA，工作頻率高是為了提高超聲波傳播時(shí)計(jì)時(shí)的精度。
[0013]所述的控制單元中包括存儲(chǔ)模塊，所述的存儲(chǔ)模塊為程序、固定參數(shù)、以及測(cè)量數(shù)據(jù)的存放。
[0014]所述的溫度補(bǔ)償單元包括溫度傳感器，根據(jù)測(cè)得的溫度對(duì)超聲波傳播時(shí)間進(jìn)行修正。
[0015]所述人機(jī)接口包括USB標(biāo)準(zhǔn)接口，按鍵和IXD顯示。
[0016]本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:本檢測(cè)儀，比較便攜，可以實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者隨時(shí)隨地對(duì)所將要購買的酒類、食用油、醬油、醋、牛奶、飲料等瓶裝、灌裝的液體食品進(jìn)行質(zhì)量的檢測(cè)。本檢測(cè)儀可以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)液體食品不打開封口的情況下，進(jìn)行無損檢測(cè)。本發(fā)明提出的超聲波信號(hào)處理模塊，可以實(shí)現(xiàn)超聲波傳播時(shí)間的精確測(cè)量。本發(fā)明所提出了一種檢測(cè)方法，命名為時(shí)間差檢測(cè)法，可以避免液體食品瓶壁厚度、信號(hào)處理延時(shí)以及傳感器與瓶壁不能無縫接觸對(duì)測(cè)量精度的影響，因?yàn)檫@些時(shí)間延遲通過想減被消除，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液體特性進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。
【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0017]圖1為一種便攜式液體食品質(zhì)量超聲波檢測(cè)儀的實(shí)施例；
[0018]圖2為信號(hào)處理模塊的詳細(xì)說明；
[0019]圖3為超聲波傳感器裝置的示意說明；
[0020]圖4為一種便攜式液體食品質(zhì)量超聲波檢測(cè)儀的工作流程圖。
【【具體實(shí)施方式】】`
[0021 ] 本申請(qǐng)的特征及優(yōu)點(diǎn)將通過實(shí)施例，結(jié)合附圖進(jìn)行說明。
[0022]請(qǐng)參閱圖1，一種便攜式液體食品質(zhì)量超聲波檢測(cè)儀，包括超聲波傳感器裝置101，由計(jì)時(shí)模塊105、存儲(chǔ)模塊I 06、信號(hào)處理模塊I 07組成的控制單元104，以及由USB標(biāo)準(zhǔn)接口 109、按鍵110、IXD液晶顯示屏111組成的人機(jī)接口 108，溫度補(bǔ)償單元112。
[0023]請(qǐng)參閱圖1、圖3和圖4，系統(tǒng)上電復(fù)位后，通過按鍵控制使得收發(fā)一體超聲波傳感器A301發(fā)射超聲波，此時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)模塊中的計(jì)時(shí)器I和計(jì)時(shí)器2，開始計(jì)時(shí)。超聲波入射過瓶壁I，穿過液體，然后，一部分超聲波入射過瓶壁2,傳到收發(fā)一體超聲波傳感器B302, —部分超聲波被瓶壁2的內(nèi)壁反射回去，反射回去的超聲波，再次穿過液體和瓶壁I,傳到收發(fā)一體超聲波傳感器A201。當(dāng)收發(fā)一體超聲波傳感器B302接受到超聲波，并經(jīng)過信號(hào)處理模塊處理后，控制單元檢測(cè)到回波信號(hào)的回波起點(diǎn)，此時(shí)停止計(jì)時(shí)器1，記錄下超聲波傳播時(shí)間^ ;當(dāng)收發(fā)一體超聲波傳感器A接受到反射回的超聲波，此超聲波經(jīng)過信號(hào)處理模塊處理后，控制單元檢測(cè)到回波信號(hào)的回波起點(diǎn)，此時(shí)停止計(jì)時(shí)器2，記錄下超聲波傳播時(shí)間tM ;tAA減去即是，超聲波在液體中傳播的精確時(shí)間。在液體瓶?jī)?nèi)徑D已知的情況下，就可以算出超聲波在此液體中的傳播速度，若不知道液體瓶?jī)?nèi)徑D，可以不改變傳感器裝置位置的情況，在空氣中測(cè)得傳播時(shí)間，由于超聲波在空氣中的傳播速度是已知的，可以計(jì)算出這段距離的長(zhǎng)度，進(jìn)而得出超聲波在此液體食品中的傳播速度，并且可以通過按鍵設(shè)置，進(jìn)行多次測(cè)量求傳播速度的平均值，從而可以反映出此液體食品的密度特性。然后，與我們已經(jīng)通過大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試質(zhì)量良好的該液體食品所建立的云端數(shù)據(jù)庫參數(shù)對(duì)比，就可以知道此被測(cè)液體食品的好壞、真假。
[0024]請(qǐng)參閱圖3超聲波傳感器裝置101，本發(fā)明提出的一種便攜式液體食品質(zhì)量超聲波檢測(cè)儀所使用的檢測(cè)方法是:第一種檢測(cè)方法:時(shí)間差檢測(cè)法，同時(shí)使用收發(fā)一體超聲波傳感器A301和收發(fā)一體超聲波傳感器B302。h是超聲波在液體介質(zhì)中從內(nèi)瓶壁的一側(cè)傳到另一側(cè)所用的時(shí)間，t2是超聲波在瓶壁中的傳播時(shí)間，tAB是收發(fā)一體超聲波傳感器A301傳播到收發(fā)一體超聲波傳感器B302所需要的時(shí)間，tAA是超聲波信號(hào)從收發(fā)一體超聲波傳感器A301經(jīng)過反射后再次傳播到收發(fā)一體超聲波傳感器A301所需要的時(shí)間。根據(jù)圖3，超聲波傳播路徑可以得出，tAB = 2t1+t2, tM = 2tj2t2，兩者相減，就是t1;即是超聲波在液體介質(zhì)中的傳播時(shí)間，由于^和tAA可以精確測(cè)得，所以也就能精確得出h時(shí)間。第二種檢測(cè)方法是，反射回波檢測(cè)法，只使用收發(fā)一體超聲波傳感器A301，只需測(cè)出tAA時(shí)間，tAA的一半就認(rèn)為是超聲波在該液體中的傳播時(shí)間。第一種檢測(cè)方法，多應(yīng)用于瓶壁厚的液體食品，由于是超聲波傳播時(shí)間差檢測(cè)方法，避免液體食品瓶壁厚度、信號(hào)處理延時(shí)以及傳感器與瓶壁不能無縫接觸對(duì)測(cè)量精度的影響，因?yàn)檫@些時(shí)間延遲通過想減被消除，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液體特性進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。第二種檢測(cè)方法可以應(yīng)用于瓶壁較薄的液體食品。
[0025]請(qǐng)參閱圖1和圖2信號(hào)處理模塊107，包括放大、濾波、整形201，Hilbert變換203，小波去噪，互相關(guān)時(shí)延估計(jì)208。
[0026]請(qǐng)參閱圖2超聲波信號(hào)處理模塊包括放大、濾波、整形201，由于超聲波回波信號(hào)振幅減小，反射波能量變小，產(chǎn)生電信號(hào)幅值小。所述放大、濾波、整形是對(duì)接收到的超聲波信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，獲得信噪比高的接收信號(hào)，進(jìn)行后續(xù)處理。
[0027]請(qǐng)參閱圖2超聲波信號(hào)處理模塊包括Hilbert變換203，所述Hilbert變換，對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行處理，能夠得到較好的超聲波信號(hào)包絡(luò)，避免信號(hào)相位的不確定以及相移。通過Hilbert變換構(gòu)造出的解析信號(hào)僅含正頻率分量，可以降低信號(hào)的采樣頻率。
[0028]請(qǐng)參閱圖3超聲波信號(hào)處理模塊包括小波去噪，所述小波去噪，是在小波域?qū)υ肼曅〔ㄏ禂?shù)進(jìn)行抑制，以達(dá)到去除噪聲的目的。從信號(hào)處理角度看，是一個(gè)信號(hào)濾波的問題，實(shí)際上是特征提取和低通濾波功能的綜合?；痉椒ㄊ窍葘?duì)含噪信號(hào)進(jìn)行多尺度小波變換，然后在各尺度下盡可能提取出信號(hào)的小波系數(shù)而去除噪聲的小波系數(shù)，最后用小波逆變換重構(gòu)信號(hào)，達(dá)到去噪的目的。小波去噪包括三個(gè)步驟:小波變換204，線性、非線性處理205，小波逆變換206。經(jīng)過小波去噪后的噪聲影響范圍變得小到基本不會(huì)影響信號(hào)本身，有利于后續(xù)使用互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法捕捉到超聲波信號(hào)回波起點(diǎn)。
[0029]請(qǐng)參閱圖2超聲波信號(hào)處理模塊包括互相關(guān)時(shí)延估計(jì)208,所述互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法是一種主流處理算法，原理簡(jiǎn)單、容易理解，充分利用了回波信號(hào)的相近性、相關(guān)性和窄帶性，精度可靠，在實(shí)現(xiàn)上運(yùn)算量適中，能夠準(zhǔn)確地捕捉到回波起點(diǎn)，提高超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量精確度。
[0030]請(qǐng)參閱圖1，所述人機(jī)接口 108包括USB標(biāo)準(zhǔn)接口 109，可以與PC通信，或者外接USB藍(lán)牙裝置，與手機(jī)通信。無論是PC，還是手機(jī)，都可以將測(cè)得的速度參數(shù)與網(wǎng)上存的云端數(shù)據(jù)庫參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，以鑒別被測(cè)液體食品的真假、好壞。
[0031]請(qǐng)參閱圖1，所述人機(jī)接口 108包括按鍵110，所述按鍵可以實(shí)現(xiàn)工作模式的選擇，啟動(dòng)發(fā)送超聲波信號(hào)，選擇LCD液晶顯示屏111進(jìn)行顯示，還可以選擇測(cè)試儀通過USB標(biāo)準(zhǔn)接口 109與PC通信，還是通過外接USB藍(lán)牙裝置與手機(jī)通信。并且可以設(shè)置檢測(cè)次數(shù)，對(duì)每次檢測(cè)所得的結(jié)果進(jìn)行平均值的計(jì)算。
[0032]根據(jù)本檢測(cè)儀檢測(cè)液體食品得出的數(shù)據(jù)鑒別液體食品真假、好壞的具體方法:利用本發(fā)明所述的時(shí)間差檢測(cè)方法，通過本檢測(cè)儀測(cè)得超聲波在液體食品中的傳播速度，可以經(jīng)過多次測(cè)量求平均值，而該速度反映出被測(cè)食品的密度特性，但是沒必要根據(jù)傳播速度計(jì)算出密度，只需將測(cè)得的傳播速度與我們已經(jīng)測(cè)得的該批次該型號(hào)的良好食品的數(shù)據(jù)庫中的速度參數(shù)范圍進(jìn)行比較，若測(cè)得的速度在云端數(shù)據(jù)庫中的速度參數(shù)范圍之內(nèi)，則認(rèn)為被測(cè)液體食品是真的，或者質(zhì)量良好。
[0033]盡管上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限與上述的【具體實(shí)施方式】，上述的【具體實(shí)施方式】?jī)H僅是示意性的，并不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以作出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種便攜式液體食品質(zhì)量超聲波檢測(cè)儀，其特征是:包括超聲波傳感器裝置，主要由超聲波信號(hào)處理模塊、存儲(chǔ)模塊、計(jì)時(shí)模塊組成的控制單元，溫度補(bǔ)償單元，以及由LCD液晶顯示屏、按鍵、USB標(biāo)準(zhǔn)接口組成的人機(jī)接口。
2.一種便攜式液體食品質(zhì)量超聲波檢測(cè)方法，其特征是:可以實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者隨時(shí)隨地對(duì)所將要購買的酒類，食用油，醬油、醋等瓶裝、灌裝的液體食品，在不打開封口的情況下，進(jìn)行無損檢測(cè)，并能避免瓶壁厚度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，精確獲得被測(cè)液體食品的相關(guān)特性參數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種便攜式液體食品質(zhì)量超聲波檢測(cè)儀，其特征在于:所述的超聲波傳感器裝置具有兩個(gè)收發(fā)一體超聲波傳感器A和B。
4.如權(quán)利要求1和3所述的一種便攜式液體食品質(zhì)量超聲波檢測(cè)儀，其特征在于:所述的超聲波傳感器裝置可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)使用傳感器A和B進(jìn)行檢測(cè)，也可以只使用一個(gè)傳感器A實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。
5.如權(quán)利要求1所述的一種便攜式液體食品質(zhì)量超聲波檢測(cè)儀，其特征在于:所述的超聲波信號(hào)處理模塊包括對(duì)超聲波回波的放大、濾波、整形，Hilbert變換，小波去噪，互相關(guān)時(shí)延估計(jì)。
6.如權(quán)利要求1和5所述的一種便攜式液體食品質(zhì)量超聲波檢測(cè)儀，其特征在于:小波去噪包括三個(gè)步驟:小波變換，線性、非線性處理和小波逆變換。
7.如權(quán)利要求1所述的一種便攜式液體食品質(zhì)量超聲波檢測(cè)儀，其特征在于:所述的由LCD液晶顯示屏、按鍵、USB標(biāo)準(zhǔn)接口組成的人機(jī)接口，其中的按鍵可以對(duì)控制單元進(jìn)行設(shè)置，LCD液晶顯示屏可以顯示測(cè)得的數(shù)據(jù)，USB標(biāo)準(zhǔn)接口可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)儀與PC通信，還可以外接USB藍(lán)牙裝置，實(shí)現(xiàn)與手機(jī)的通信。
8.如權(quán)利要求1所述的一種便攜式液體食品質(zhì)量超聲波檢測(cè)儀，其特征在于:可以通過按鍵設(shè)置，對(duì)同一液體食品進(jìn)行多次檢測(cè)，由控制單元求其平均值，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。
9.如權(quán)利要求2和3所述的一種便攜式液體食品質(zhì)量超聲波檢測(cè)方法，其特征在于:利用收發(fā)一體超聲波傳感器A先發(fā)射超聲波，將接受到內(nèi)瓶壁反射回的超聲波傳播時(shí)間減去收發(fā)一體超聲波傳感器B接受到透射的超聲波傳播時(shí)間，這種時(shí)間差檢測(cè)法可以精確算出超聲波在液體食品中的傳播時(shí)間，避免液體食品瓶壁厚度、信號(hào)處理延時(shí)以及傳感器與瓶壁不能無縫接觸對(duì)測(cè)量精度的影響，因?yàn)檫@些時(shí)間延遲通過相減被消除。對(duì)于瓶壁薄的液體食品，提出了反射回波檢測(cè)法，可以只使用收發(fā)一體超聲波傳感器A先發(fā)送超聲波，再接受反射超聲波，將測(cè)得的超聲波傳播時(shí)間除以2，得到超聲波在液體食品中的傳播時(shí)間，進(jìn)而得出被測(cè)液體食品的特性參數(shù)。
10.如權(quán)利要求2和7所述的一種便攜式液體食品質(zhì)量超聲波檢測(cè)儀與方法，其特征在于:該便攜式液體食品質(zhì)量超聲波檢測(cè)儀測(cè)得的液體食品相關(guān)特性參數(shù)，可以通過USB標(biāo)準(zhǔn)接口將測(cè)得的數(shù)據(jù)上傳到PC或者通過外接藍(lán)牙裝置傳到手機(jī)上，與已經(jīng)通過大量實(shí)驗(yàn)檢測(cè)良好食品建立好的云端數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對(duì)比，還可以通過IXD顯示的特性參數(shù)數(shù)據(jù)與已經(jīng)記錄的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，以鑒別被測(cè)液體食品的真?zhèn)巍⒑脡摹?br> 【文檔編號(hào)】G01N29/024GK103487506SQ201210192852
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月12日
【發(fā)明者】郭朝陽, 王新安, 雍珊珊, 張芳妮, 史小龍, 劉彬, 曹穎 申請(qǐng)人:北京大學(xué)深圳研究生院