专利名称：一种畜禽肉类新鲜度无损快速检测的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种畜禽肉类新鲜度检测的方法及装置，特别涉及一种用于检测畜禽肉类深层新鲜度的无损快速检测的方法及装置。
背景技术：
随着人们生活水平的不断提高，肉类消费量日益增大，人们对于肉类的品质卫生要求更是不断提高，如何准确的评定肉品的新鲜程度关系着人们的切身利益。我国对鲜冻畜禽肉的卫生标准都有明文规定，根据卫生标准，对肉品新鲜程度的评定主要采用感官标准与理化标准相结合的方法。感官标准主要参考的是肉品色泽、粘度、弹性、气味等；理化标准主要是对肉品挥发性盐基氮等的测定。
肉的变质主要是指在微生物蛋白酶和肽链内切酶等作用下肉类蛋白质的腐败分解过程。因而目前判定肉品新鲜度主要从肉品的感观性状、腐败分解产物的特性及含量、细菌的数量及污染程度三个方面来进行，现有的检测技术主要有如下几种(1)挥发性盐基氮(TBV-N)的测试无论采用凯氏定氮法，还是采用分光光谱法，都要对肉品做前处理，提取肉浸液后再进行测定。其操作步骤烦琐，测试时间长，而且不是无损检测，难以满足当前对于大批量样品快速无损的检测要求。(2)通过测试pH值表示对新鲜度的影响美国专利申请号20020027074，专利名称为“pHsensor”中介绍的用pH值来表示稻米的新鲜度，但pH值用于畜禽肉的新鲜度测试时，易受到诸如品种、采样部位、家畜宰前状况等因素影响，因而难以单独用这一个指标反映出肉品新鲜度变化的真实情况。(3)K值测量法动物死亡后，其肉品中的三磷酸腺苷ATP在ATP酶的作用下，依次分解为二磷酸腺苷(ADP)→一磷酸腺苷(AMP)→肌苷酸(IMP)→次黄嘌呤核苷(HER)、次黄嘌呤(HE)。肌苷酸(IMP)又称5′-次黄嘌呤核苷酸，是ATP在分解过程的中间产物，而ATP分解的最终产物为次黄嘌呤核苷、次黄嘌呤。将次黄嘌呤核苷、次黄嘌呤的累积量与上述分解过程物质的质量之和的比值称为K值。如日本专利JP59130200中公开的方法，取得一定量的肉浸液，分离提纯样品中的ATP和分解物。但该方法提取样品需要做大量的前处理工作，而且测试的是肉中的提取物，不能满足无损、快速、准确的要求。(4)通过气味分辨新鲜度如日本专利JP6011501中公开的方法，将肉样品进行前处理，提取肉汁，用滤纸浸入其中提取肉汁样品，测试气味得到新鲜度。但该方法存在的问题是样品需前处理，且气味测试只能当肉品重度变质时才能有较好的灵敏度；该种方法也不是无损、快速的方法。(5)检测表面肉色来反映新鲜度如日本专利JP4350540中公开的方法，使用光源发射一定波长的光照到参照物表面，通过接收器检测反射回来的光；参照物与光源、检测器有一定距离；光源发射同样波长的光照到肉表面，接收器检测反射回来的光，计算反射吸光度，并将此值采用人工神经网络建立与肉色标准相应的数学模型，用于预测肉色，进而推测新鲜程度。又如日本专利JP2003121351中公开的方法，采用多波长方法测试得到从表面反射回来的光与表面新鲜度的经验公式。但是，上述两种方法都只能反映表面的状态，而且由于采用了经验公式，其结果受到肉的品种、家畜宰前状况、表面粗糙情况的影响，很难用于肉品新鲜度的准确测量。
综上所述，目前所用的用于检测畜禽类生肉的新鲜度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，不能完成无损检测；或者只能检测生肉的表面新鲜度，不能检测生肉的深层新鲜度状况，代表性不强；或者所用的装置结构复杂，不适合现场的快速检测。由于利用现有技术进行理化方法检测中存在上述测量耗时长、操作要求高、费用较大及不能深层测量的困境，因而在现场检验中往往依靠检验人员根据个人经验来对肉品的色、香、味、质来进行分析测试，不可避免的含有很大的主观因素，这无疑影响了对肉品品质的正确评定。因此就需要建立一种新的测评标准和研制一种无损快速检测仪器，以弥补当前检测方法的不足，使得对肉品新鲜度的检测方便、准确、客观。
发明内容
本发明的目的是，针对上述现有技术的不足，提出一种畜禽肉类新鲜度无损快速检测的方法和装置，该方法能够检测畜禽肉类的深层新鲜度，明确给出新鲜度参数，精度高，专一性强；该装置结构简单，便于携带。
为了达到上述目的，本发明通过如下的方法步骤和技术方案实现一种畜禽肉类新鲜度无损快速检测方法，包括如下步骤1、用至少3束已知强度的波长范围为730nm～1100nm的不同波长的光从肉品表面射入肉品内部，在肉品表面上包括第一区域和第二区域的至少两个不同区域内检测肉品中散射出来的不同波长的光强度。
2、由下面的公式计算出各束光的漫射比率Rxk
Rkx=IkIkrx]]>式中，k＝1，2，……n，表示不同波长的光源的脚标，n≥3；Ik为第k束光入射的光强；Ixkr为第k束光经过被检测物体的组织内部散射之后在肉品表面区域检测到的漫射光强，x＝1，2；1表示第一区域，2表示第二区域；r为漫射光的标识；3、对同一波长的入射光，但不同区域上检测到的漫射比率值按下面所述的公式进行数据运算∂RλK=logIkIkr2-logIkIkr1,]]>μaλkμsλk=(ln10∂RλkΔρ-2ρ)23]]>freindex=13Σk=13μaλkμsλk]]>式中，λk表示不同波长；Δρ为两个区域的中心距离；ρ为与入射光束相距较远的区域与入射光束的距离；μa为吸收系数，μs为散射系数，用吸收系数与散射系数的乘积平均值表示新鲜程度，这个指标为freindex；4)根据freindex的值将肉品的新鲜度分三级freindex≥0.075mm-2表示一级新鲜度，0.075mm-2＞freindex≥0.055mm-2表示次级新鲜度，freindex＜0.055mm-2表示变质。
上述方法中，步骤1)中所述至少两个区域是以入射光束为中心的两个中心半径不同的环形区域，第二环形区域的圆环的中心半径为10mm～40mm，第一环形区域的中心半径小于第二环形区域的中心半径，且两个同心环形区域的中心半径之差为2mm～6mm。
上述方法中，步骤1)中所述至少3束光是依次入射，每次入射光的持续时间为150μs，间隔时间小于1ms。
一种畜禽肉类新鲜度无损快速检测的装置，如图3、图4所示，包括光电检测单元100、中央处理单元、显示单元202。
如图2、图3所示，所述光电检测单元100包括载体101、位于载体中心的光源、至少两个光电探测器；所述光源顺序地发出3个不同的波长的光，入射光的持续时间为150μs，间隔时间小于1ms；所述包括第一光电探测器1031和第二光电探测器1032的至少两个光电探测器为圆环形的，分布于以光源为圆心的、不同半径的两个同心环上；所述的载体101采用硅胶压膜或注塑形成的片体。
如图2所示，所述的中央处理单元包括微控制器1、光源功率稳定电路2、信号处理电路3和存储器4；所述光源功率稳定电路2的驱动端通过线缆与所述光源连接，所述光源功率稳定电路2的控制端与所述微控制器1的输入/输出端连接；光电检测单元100中的至少两个光电探测器1031、1032通过线缆与所述信号处理电路的输入端连接；所述信号处理电路3的输出端、控制端分别与所述微控制器1的输入、输出端连接；所述存储器4与微控制器1连接，用于存储测量数据。
所述显示单元202与所述微控制器1的数据端连接，用于显示测量结果。
在上述装置中，所述光源发出光的波长范围为为730nm～1100nm；所述的光源为LED(Light-Emitting Diode，简称LED)发光管或激光光源或装有滤光片的白炽灯。
在上述装置中，所述环形的第一光电探测器1031的中心内径为10mm～40mm，所述环形的第二光电探测器1032的半径大于第一光电探测器1031，两者的半径之差为2mm～6mm；所述光电探测器为硅光电池或其他光电探测器，其响应波长范围应包括光源发光的波长范围。
在上述装置中，如图2所示，所述信号处理电路3包括前置放大电路5、低通滤波电路6、采样保持电路7顺序串联连接；所述前置放大电路5的输入端与所述至少两个光电探测器1031、1032的信号端连接；所述采样保持电路7的控制端与微控制器1的输入/输出端连接，微控制器1内部的模拟数字转换电路9对输入信号进行转换。
在上述装置中，如图2、图4所示，还包括一输入单元203与微控制器1连接，所述的输入单元203为一组按键及相应的电路。
在上述装置中，如图2、图4所示，还包括一打印机接口205与微控制器1连接，用于外接打印机设备。
在上述装置中，如图2、图4还包括一串行口204与微控制器1连接，用于向如个人计算机等其他设备传输数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果是本发明提供的方法能够监测畜禽肉类的深层新鲜度，明确给出新鲜度参数和等级，精度高，专一性强；本发明提供的装置精度高，信噪比高，结构简单，便于携带，适于现场快速检测。
图1为本发明检测原理图；图2为本发明实施例的电路框图；图3为本发明实施例光电检测单元的结构示意图；图4为本发明实施例主机外观图；图5为本发明实施例工作状态示意图；图6为本发明实施例方法流程图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述根据上述原理，如图2、图3、图4所示，一种畜禽肉类新鲜度无损快速检测的装置，包括中央处理单元、光电检测单元100、显示单元202、输入单元203。
光电检测单元100，如图3所示，包括载体101、由固定在载体101中心的三个LED发光管(第一发光管1021、第二发光管1022和第三发光管1023)组成的光源以及第一光电探测器1031和第二光电探测器1032。在以光源为圆心半径为20mm的圆上固定一环型硅光电池做成第一光电探测器1031；在以光源为圆心半径为25mm的圆上固定一个环型硅光电池做成第二光电探测器1032。两个光电探测器1031、1032的为型号为2CR21，波长响应范围为400nm-1100nm。载体101为一半径30mm的圆形黑色硅胶片。光源的驱动端和第一光电探测器1031、第二光电探测器1032的信号端通过线缆104、插头105分别与中央处理单元中的光源功率稳定电路2和信号处理电路3的输入端连接。在本实施例中，组成光源的三个LED，其发光波长分别为730nm、830nm、940nm；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，当每个波长的LED数量增加时，光强增加，检测的效果会更好。在本实施例中，发光管为3个。
如图2所示，中央处理单元包括微控制器1、存储器4、三路LED光源功率稳定电路2、信号处理电路3；微控制器1采用C8051F005芯片；信号处理电路3包括由TLC27L2芯片组成的前置放大电路5、由运算放大器TLC272芯片构成的低通滤波单元6、由LF398芯片组成的采样保持电路7；前置放大电路5、低通滤波单元6、采样保持电路7和微控制器1内部的12位模拟数字转换器按照常规电路依次串联连接。由于环形光电探测器共有两个，所以，前置放大电路1的输入端共有2路，分别连接第一光电探测器1031和第二光电探测器1032的信号端。采样保持电路7的控制端与微控制器的输入/输出端连接，采样保持电路7的信号输出端与微控制器1内部的12位模拟数字转换器连接，微控制器1内部的12位模拟数字转换器的输出端与微控制器1内部的数据端连接。存储器4采用闪存AT45DB321B，与微控制器1连接，用于保存计算结果。
如图2、图4所示，显示单元202采用一示场所售的液晶显示器，与微控制器1连接，用于显示微控制器1输出的新鲜度数据；输入单元203与微控制器1连接，包括一键盘，用于测量、保存等控制操作；本实施例还设有打印机接口205与微控制器1连接，用于连接外部打印机，可将检测到的新鲜度数据打印出来；本实施例还设有串行口204与微控制器连接，用于向如个人计算机等其他外部设备传输数据。
为了携带方便，本实施例将以上各部分组装为两部分，一部分为光电检测单元100，如图3所示；另一部分为包括中央处理单元、显示单元202、输入单元203的主机200，如图3、图4所示，两部分通过接有线缆104的插头105和插口206连接。
如图4所示，为本实施例装置的局部外观图，包括壳体201、液晶显示器202、键盘203、串行口204、打印机接口205、光电检测单元插口206。
结合图1，下面介绍本发明的检测原理图1表示的是光电探测单元100放置在肉品的表面进行探测时的剖面图。环型的第一光电探测器1031与光源中心的距离为r1，环型的第二光电探测器1032与光源中心的距离为r2。曲线路径A、路径B表示光子迁移轨迹的示意图；301表示畜类生肉的肌肉组织，302表示畜类生肉的脂肪组织，303表示畜类生肉的肉皮组织。光源发出的光入射进畜类生肉，透过肌肉层301，经过散射从肌肉层301表面散射出来，被第一光电探测器1031、第二光电探测器1032感应，并转换成电信号输出。两个环形光电探测器的半径不同，检测的深度也就不同，如图1所示，第一光电探测器1031检测的主要是深度为1/2的r1处的层的信息，第二光电探测器1032检测的主要是深度为1/2的r2处的层的信息。
畜禽肉类的主要成分是蛋白质(包括肌原纤维蛋白、肌浆蛋白)、水分、脂类、少量浸出物(含氮与不含氮的物质)、微量的维生素等。对于波长为700nm～1100nm范围内的入射光，其主要的吸收物质是肌浆蛋白和水分，它们的含量将影响肉品的吸收系数，而其他物质的含量主要影响肉品的散射系数。在肉品新鲜程度变化过程中，其吸收系数和散射系数都会变化，利用本发明的装置，选择合适波长的光源，根据检测到的吸收系数与散射吸收之积的平均值，即可知道肉的新鲜程度。
在本实施例中，如图3所示，光源的第一发光管1021、第二发光管1022发出的光波长分别为730nm、830nm用于检测新鲜度，光源的第三发光管1023发出的光波长为970nm，用于检测背景吸收——水分吸收的检测。
本实施例工作状态的示意图如图5所示。被检测的畜禽肉300包括肌肉组织301、脂肪组织302、肉皮组织303，光电检测单元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微控制器1控制三个发光管1021、1022、1023依顺序发光，光电探测器1031、1032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5，前置放大电路将光电探测器传送来的电信号放大，输入到运算放大器构成的低通滤波单元6，通过采样保持电路7送到微控制器1内部的12位模拟数字转换器，转换成微控制器1可以处理的数字信号，经过微控制器1的处理，通过液晶显示器202显示检测到的新鲜度结果；微控制器1将结果存于存储器4中。
参照上述实施例提供的装置，一种畜禽肉类新鲜度无损快速检测方法，如图6所示，包括如下步骤1、利用上述具体实施例中提供的畜禽肉类新鲜度无损快速检测装置，用3束已知强度的3种波长(730nm、830nm、970nm)的光从肉品表面射入肉品内部，在肉品表面上两个不同区域内检测从肉品表面散射出来的三种波长的光强度。
2、由下面的公式计算出各束光的漫射比率RxkRkx=IkIkrx,]]>式中，k＝1，2，……3表示不同波长的光源的脚标；Ik为第k束光入射的光强；Ikrx为第k束光经过被检测物体的组织内部散射之后在肉品表面区域检测到的漫射光强，x＝1，2；1表示第一光电探测器，2表示第二光电探测器；r为漫射光的标识；3、对同一波长的光，但不同区域上检测到的漫射比率值按下面所述的公式进行数据运算∂Rλj=logIkIkr2-logIkIkr1,]]>μaλkμsλk=(ln10∂RλkΔρ-2ρ)23]]>freindex=13Σk=13μaλkμsλk]]>式中，λk表示不同波长；Δρ为两个区域的中心距离；ρ为与入射光束相距较远的区域与入射光束的距离；μa为吸收系数，μs为散射系数，用吸收系数与散射系数的乘积平均值表示新鲜程度，这个指标为freindex；
4.根据freindex的值将肉品的新鲜度分三级freindex≥0.075mm-2表示一级新鲜度，0.075mm-2＞freindex≥0.055mm-2表示次级新鲜度，freindex＜0.055mm-2表示变质。
上述方法中，步骤1中所述的3束光是依次入射、依次探测漫射光强的；每次入射光的持续时间为150μs，间隔时间为1ms。
利用本发明提供的装置，测试了屠宰、排酸24小时以内的冷却猪肉和将其存贮12天后的新鲜度值，测得其新鲜度值分别为0.09mm-2(一级新鲜度)，0.0521mm-2(变质)，其检测结果可靠且易读。
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
1.一种畜禽肉类新鲜度无损快速检测方法，其特征在于，包括如下步骤1)用至少3束已知强度的波长范围为730nm～1100nm的不同波长的光从肉品表面射入肉品内部，在肉品表面上包括第一区域和第二区域的至少两个不同区域内检测肉品中散射出来的不同波长的光强度；2)由下面的公式计算出各束光的漫射比率RkxRkx=IkIkrx]]>式中，k＝1，2，……n，表示不同波长的光源的脚标，n≥3；Ik为第k束光入射的光强；Ikrx为第k束光经过被检测物体的组织内部散射之后在肉品表面区域检测到的漫射光强；x＝1，2；1表示第一区域，2表示第二区域；r为漫射光的标识；3)对同一波长的入射光，但在不同区域上检测到的漫射比率值按下面所述的公式进行数据运算∂Rλk=logIkIkr2-logIkIkr1,]]>μaλkμsλk=(ln10∂RλkΔρ-2ρ)23]]>freindex=13Σk=13μaλkμsλk]]>式中，λk表示不同波长；Δρ为两个区域的中心距离；ρ为与入射光束相距较远的区域与入射光束的距离；μa为吸收系数，μs为散射系数，用吸收系数与散射系数的乘积平均值表示新鲜程度，这个指标为freindex；4)根据freindex的值将肉品的新鲜度分三级freindex≥0.075mm-2表示一级新鲜度，0.075mm-2＞freindex≥0.055mm-2表示次级新鲜度，freindex＜0.055mm-2表示变质。
2.根据权利要求1所述的畜禽肉类新鲜度无损快速检测方法，其特征在于，步骤1)中所述至少两个区域是以入射光束为中心的两个中心半径不同的环形区域，第二环形区域的圆环的中心半径为10mm～40mm，第一环形区域的中心半径小于第二环形区域的中心半径，且两个同心环形区域的中心半径之差为2mm～6mm。
3.根据权利要求1所述的畜禽肉类新鲜度无损快速检测方法，其特征在于，步骤1)中所述的至少3束光是依次入射，每次入射光的持续时间为150μs，间隔时间小于1ms。
4.一种畜禽肉类新鲜度无损快速检测装置，其特征在于，包括光电检测单元、中央处理单元、显示单元；所述光电检测单元包括载体、位于载体中心的光源、至少两个光电探测器；所述光源为LED发光管或激光光源或装有滤光片的白炽灯，所述光源顺序地发出至少三种不同波长的光；所述载体采用硅胶压膜或注塑形成的片体；所述中央处理单元包括微控制器、光源功率稳定电路、信号处理电路和存储器；所述光源功率稳定电路的驱动端通过线缆与光源连接，所述光源功率稳定电路的控制端与所述微控制器的输入/输出端连接；所述光电检测单元中的至少两个光电探测器通过线缆与所述信号处理电路的输入端连接；所述信号处理电路的输出端、控制端分别与所述微控制器的输入/输出端连接；所述存储器与微控制器连接，用于存储测量数据；所述显示单元与所述微控制器的数据端连接，用于显示测量结果。
5.根据权利要求4所述的畜禽肉类新鲜度无损快速检测装置，其特征在于，所述至少两个光电探测器为圆环形的，形成以所述光源为圆心的、不同半径的同心圆环；所述圆环形的第一光电探测器的中心半径为10mm～40mm，所述圆环形的第二光电探测器的中心半径大于第一光电探测器的中心半径，两者的半径之差为2mm～6mm；所述光源发出光的波长范围为730nm～1100nm。
6.根据权利要求4所述的畜禽肉类新鲜度无损快速检测装置，其特征在于，所述信号处理电路包括前置放大电路、低通滤波电路、采样保持电路顺序串联连接；所述前置放大电路的输入端与所述至少两个光电探测器的信号端连接；所述采样保持电路的控制端与微控制器的输入/输出端连接，微控制器内部的模拟数字转换电路对输入信号进行转换；所述光源发出的至少三种不同波长的光，其波长分别为730nm、830nm和970nm。
7.根据权利要求4所述的畜禽肉类新鲜度无损快速检测装置，其特征在于，所述光电探测器为硅光电池或其他光电探测器，其响应波长范围应包括光源发光的波长。
8.根据权利要求4所述的畜禽肉类新鲜度无损快速检测装置，其特征在于，还包括一输入单元与所述微控制器连接，所述的输入单元为一组按键及相应的电路，用于测量、保存等控制操作。
9.根据权利要求4所述的畜禽肉类新鲜度无损快速检测装置，其特征在于，还包括一打印机接口与所述微控制器连接，用于外接打印机设备。
10.根据权利要求4所述的畜禽肉类新鲜度无损快速检测装置，其特征在于，还包括一串行接口与所述微控制器连接，用于向如个人计算机等其他设备传输数据。
全文摘要
本发明提供一种用于检测畜禽肉类深层新鲜度的无损快速检测的方法及装置。该方法采用3束已知强度的3种波长的光从肉品表面入射肉品内部，在肉品表面上两个不同环形区域内检测肉品中散射出来的不同波长的光强度，用吸收系数与散射系数的乘积平均值表示新鲜程度。该装置包括光电检测单元、中央处理单元、显示单元；其中光电检测单元中的光源顺序地发出3个不同的波长的光，两个光电探测器为以光源为圆心不同中心半径的两个圆环。本发明能够监测畜禽肉类的深层新鲜度，精度高，专一性强，适合现场的快速检测。
文档编号G01N21/49GK1687749SQ20051005993
公开日2005年10月26日 申请日期2005年4月1日 优先权日2005年4月1日
发明者黄岚, 王忠义, 侯瑞峰, 吴平, 黄燕 申请人:中国农业大学