封闭容器的酒精浓度测量装置及测量方法与流程

本发明属于检测领域，具体涉及了一种封闭容器的酒精浓度测量装置及测量方法。

背景技术：

酒精广泛用于化工、冶金、造纸、印刷、酿酒、食品、制糖工业及环保行业。酒精浓度是白酒及工业酒精生成品质的主要指标之一。按国家标准测定。必须将白酒样品进行蒸馏、定容、再用比重瓶法或酒精计法测定其酒精浓度，上述各类方法费时，流程繁琐。采用装置分析方法，如使用气相色谱法分析白酒中乙醇含量时，不但操作过程复杂，而且装置价格昂贵使得白酒生产过程中的酒精浓度快速检测难以实现。拉曼散射光谱技术具有近红外光谱技术的成本低、操作简便、快速的优点，并且不必对检测样品进行预处理，克服近红外技术受水的干扰缺点，所以拉曼散射快速检测装置是研究水溶液的理想工具。

经过现有的技术检索发现，方法主要分为四类：

1)基于酒精比重测量仪方法。譬如专利文献中国专利cn105372152记载使用玻璃比重计、用于测量该玻璃比重计在待测液体中上下浮动距离的光栅尺传感器、及与该光栅尺传感器连接的测量与控制系统来完成酒精比重计算。该技术涉及的检测系统安装结构较为复杂；该装置没有识别酒精能力，需要人工指定；该测量方法是有损检测方式会接触待测样品；当检测对象在封闭玻璃容器中，该装置测量技术无法使用。

2)基于太赫兹异向介质谐振效应检测方法。譬如专利文献中国专利cn102830069a记载用聚酰亚胺衬底上下表面布置两层金属谐振环阵列构建太赫兹异向介质，将异向介质一侧金属谐振环阵列上放置待测酒精溶液，再使用太赫兹大型装置完成酒精检测。该技术涉及的检测系统成本高不适合现场应用推广或者在线应用；该测量方法是有损检测方式会接触待测样品；当检测对象在封闭玻璃容器中，该装置测量技术无法使用。

3)基于激光光程差方法。譬如专利文献中国专利cn103630513a记载了一种带有u形卡座的激光光程差测量装置，首先产生锯形波激光，然后通过光纤传输到所述测量部的卡座活动端部，锯形波激光经过所述聚焦镜反射后有所述光纤返回，并对返回的锯形波激光进行处理，通过处理光程差数字信号来计算获得酒精浓度。该技术涉及的装置需要额外固定和测试酒瓶的瓶径，装置需要完整的反射光路；当容器体积过大该装置使用困难，当存储容器结构不支持完整反射光路的应用场合，该装置无法使用；该装置没有识别酒精能力，需要人工指定。

以上方法存在步骤较复杂难以用于现场或者移动无损快速检测应用或者依赖成本高的大型专业装置等问题，因此需要新方法的检测装置。

技术实现要素：

为了克服当前酒精检测方法较复杂不利于用于现场及移动无损快速检测应用或者依赖成本高的大型专业装置等问题，本发明提出了一种封闭容器的酒精浓度测量装置及测量方法，能够快速无损测量封闭容器内的酒精浓度。

本发明体积小成本低，操作简便、检测无损快速，不必对检测样品进行预处理，可以不拆开封闭酒瓶及玻璃容器直接完成检测测量，解决了传统比重瓶法和酒精计法的操作繁琐，避免使用价格贵的专用装置检测酒类酒精，而且应用对象广，具有较大的现场应用价值。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括外壳和安装在外壳内的嵌入式系统电路板卡模块、拉曼信号采集模块、激光光源模块、激光功率控制模块、触摸屏显示控制模块、锂电池及电源管理模块和探头，探头经光纤分别与拉曼信号采集模块和激光光源模块，激光光源模块经激光功率控制模块和嵌入式系统电路板卡模块，拉曼信号采集模块连接到嵌入式系统电路板卡模块，锂电池及电源管理模块连接到嵌入式系统电路板卡模块进行供电，嵌入式系统电路板卡模块连接触摸屏显示控制模块进行显示输出；探头安装在外壳的侧壁上，探头针对盛有酒精溶液样品的封闭容器进行激光激发和接收。

所述嵌入式系统电路板卡模块经激光功率控制模块控制激光光源模块向探头发出激光，激光经封闭容器内的酒精溶液散射后，再被探头接收，散射光接收信号被拉曼信号采集模块提取获得拉曼光谱数据后发送到嵌入式系统电路板卡模块，嵌入式系统电路板卡模块分辨出光谱特征峰数值并计算获得酒精浓度。

嵌入式系统电路板卡模块将酒精浓度结果发送到触摸屏显示控制模块进行显示输出。

所述的锂电池及电源管理模块实现装置所有模块供电。

所述的拉曼信号采集模块接收到散射光接收信号后，滤波处理除去瑞利散射信号，获得拉曼信号并转换为拉曼光谱数据，通过usb接口发送到嵌入式系统电路板卡模块。

所述的封闭容器采用透明材质，例如玻璃。

所述的封闭容器可采用酒瓶。本发明能够针对盛有纯酒精溶液的样品进行检测。

所述的嵌入式系统电路板卡模块通过usb2.0host接口连接拉曼信号采集模块来获得拉曼光谱数据，嵌入式系统电路板卡模块通过spi接口连接激光功率控制模块调节激光光源模块发出的激光功率大小，嵌入式系统电路板卡模块通过sdio连接有tf卡进行数据保存。

所述的激光功率控制模块通过spi接口接收嵌入式系统电路板卡模块控制命令，以0w～5w变化范围调节增加或者降低激光功率。

所述的嵌入式系统电路板卡模块实现激光光源模块功率控制、拉曼光谱数据采集接收、酒精特征峰检测计算、触摸屏界面控制、数据文件存储的功能。

所述的嵌入式系统电路板卡模块嵌入有linux系统编写的软件。

二、一种封闭容器的酒精浓度测量方法：

所述嵌入式系统电路板卡模块经激光功率控制模块控制激光光源模块向探头发出激光，激光经封闭容器内的酒精溶液散射后，再被探头接收，散射光接收信号被拉曼信号采集模块提取获得拉曼光谱数据后发送到嵌入式系统电路板卡模块，嵌入式系统电路板卡模块针对拉曼光谱数据进行处理分辨出光谱特征峰数值并计算获得酒精浓度。

所述嵌入式系统电路板卡模块针对拉曼光谱数据进行处理分辨出光谱特征峰数值并计算获得酒精浓度，具体为：

首先利用以下公式(1)遍历搜索拉曼光谱数据中的每个采样信号，获得所有候选特征峰：

其中，m—采样信号的峰值强度；i—采样信号的序号；

具体是比较第i-1、i和i+1个候选特征峰位的峰值强度的作为特征峰位，通过对所有候选峰位的遍历完成酒精所有特征峰位。

然后取峰值强度最大的候选特征峰作为酒精拉曼显著特征峰，然后代入以下公式(2)进行计算：

y＝ax+b(2)

其中，y—酒精浓度，x—酒精拉曼显著特征峰的峰值强度值，a和b分别表示第一、第二浓度系数。

所述的第一、第二浓度系数a和b是通过用已知酒精浓度的多个酒精溶液样品通过所述测量方法获得酒精拉曼显著特征峰的峰值强度值后，结合样品的已知酒精浓度进行线性拟合获得。

本发明具有的有益效果是：

本发明体积小成本低，操作简便、检测无损快速，不必对检测样品进行预处理，可以不拆开封闭酒瓶及玻璃容器直接完成检测，这个检测过程时间只需要5秒，解决了传统比重瓶法和酒精计法的操作繁琐，避免使用价格贵的专用装置检测酒类酒精，而且应用对象广，具有较大的现场应用价值。

附图说明

图1是本发明装置架构图。

图2是本发明装置的工作流程图。

表1是本发明装置的封闭瓶装白酒中酒精的特征峰自动计算结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明包括外壳和安装在外壳内的嵌入式系统电路板卡模块2、拉曼信号采集模块3、激光光源模块6、激光功率控制模块5、触摸屏显示控制模块1、锂电池及电源管理模块7和探头4，探头4经光纤分别与拉曼信号采集模块3和激光光源模块6，激光光源模块6经激光功率控制模块5和嵌入式系统电路板卡模块2，拉曼信号采集模块3连接到嵌入式系统电路板卡模块2，锂电池及电源管理模块7连接到嵌入式系统电路板卡模块2进行供电，嵌入式系统电路板卡模块2连接触摸屏显示控制模块1进行显示输出；探头4安装在外壳的侧壁上，探头4针对盛有酒精溶液样品的封闭容器进行激光激发和接收。

嵌入式系统电路板卡模块2经激光功率控制模块5控制激光光源模块6向探头4发出激光，激光经封闭容器内的酒精溶液散射后，再被探头4接收，散射光接收信号被拉曼信号采集模块3提取获得拉曼光谱数据后发送到嵌入式系统电路板卡模块2，嵌入式系统电路板卡模块2分辨出光谱特征峰数值并计算获得酒精浓度，并将酒精浓度结果发送到触摸屏显示控制模块1进行显示输出。

拉曼信号采集模块3接收到散射光接收信号后，滤波处理除去瑞利散射信号，获得拉曼信号并转换为拉曼光谱数据，通过usb接口发送到嵌入式系统电路板卡模块2。

嵌入式系统电路板卡模块实现激光光源模块功率控制、拉曼光谱数据采集接收、酒精特征峰检测计算、触摸屏界面控制、数据文件存储的功能。嵌入式系统电路板卡模块2通过usb2.0host接口连接拉曼信号采集模块3来获得拉曼光谱数据，嵌入式系统电路板卡模块2通过spi接口连接激光功率控制模块5调节激光光源模块6发出的激光功率大小，嵌入式系统电路板卡模块2通过sdio连接有tf卡进行数据保存。

激光功率控制模块通过spi接口接收嵌入式系统电路板卡模块控制命令，以0w～5w变化范围调节增加或者降低激光功率。

本发明的实施工作过程是：

具体实施的嵌入式系统电路板卡模块2采用armcortex-a8，armcortex-a8预装了linux嵌入式系统操作系统，armcortex-a8电路板卡模块处理器频率为1ghz，板载内存是1gb。

嵌入式系统电路板卡模块2经激光功率控制模块5控制激光光源模块6向探头4产生发出785nm激光，785nm激光打到封闭瓶装二锅头白酒样品上，经封闭瓶装二锅头白酒样品内的白酒溶液散射后，再被探头4接收，散射光接收信号被拉曼信号采集模块3提取获得拉曼光谱数据后发送到嵌入式系统电路板卡模块2，嵌入式系统电路板卡模块2针对拉曼光谱数据进行处理分辨出光谱特征峰数值并计算获得酒精浓度。

嵌入式系统电路板卡模块2针对拉曼光谱数据进行处理，利用公式(1)遍历搜索拉曼光谱数据中的每个采样信号，获得所有候选特征峰。探头4是间隔采样的，散射光接收信号和拉曼光谱数据均是由离散的采样信号构成。具体实施公式(1)中i总数为2048，并且存在i+2和i-2，因此i数值范围是3～2045。

具体实施中，特征峰及其对应强度结果如表1所示：

表1特征峰自动计算结果

酒精所有特征峰位中第4个序号最显著特征峰879.5cm^-1的强度值最大，作为酒精拉曼显著特征峰，然后代入公式(2)进行计算。

计算得到酒精浓度为55.8度，而实际的封闭瓶装二锅头白酒样品的白酒浓度为56度，检测准确性为99.6％，可见本发明准确性很高。

由上述各个实施步骤及图例可见，本发明体积小操作简便、检测无损快速，不必对检测样品进行预处理，可以不拆开封闭酒瓶及玻璃容器直接完成检测，整个过程5秒钟，解决了传统比重瓶法和酒精计法的操作繁琐，避免使用价格贵的专用装置检测酒类酒精，而且应用对象广，具有较大的现场应用价值。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和等同替换、改进、换用检测对象等，都落入本发明的保护范围。