專利名稱：基于管道時延的果汁糖組分濃度測量系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于果汁糖組分濃度檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種通過測量超聲波在螺旋 管道中的傳播時間來計算果汁中葡萄糖和蔗糖濃度的方法和裝置。
背景技術(shù)：
糖是果汁、飲料中的主要成分，糖的含量直接影響著果汁飲料的口感和營養(yǎng)價值， 因此糖度檢測是果汁飲料行業(yè)中最重要的分析項目之一。現(xiàn)時的糖度檢測有以下幾種方法，但都存在各自的不足傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法可 以檢測還原糖、蔗糖和總糖含量，但是費時費力；基于光學(xué)原理的糖類濃度檢測，主要用來 測定糖的總量，并不能區(qū)分糖的種類及每種糖的含量；色譜法是目前用來對各種糖類進(jìn)行 分離和定量的主要方法，其中氣相色譜法和高效液相色譜法分離和定量游離糖的靈敏度較 高、選擇性好，但設(shè)備價格昂貴。因此目前在果汁、飲料生產(chǎn)中尚缺乏合適的方法和設(shè)備來 實現(xiàn)快速、在線的糖度測定。果汁中的糖主要有葡萄糖、果糖和蔗糖。果糖和葡萄糖均為單糖，且分子量相同， 因此在果汁溶液中以葡萄糖計的果糖含量折算系數(shù)為1，即1個果糖相當(dāng)于1個葡萄糖。所 以可把果汁溶液視為葡萄糖、蔗糖和水的混合溶液。在此基礎(chǔ)上，果汁的糖組分濃度檢測可 歸結(jié)為果汁中葡萄糖濃度和蔗糖濃度的測量。研究表明，超聲波在糖溶液中的傳播速度和糖濃度有著—— 對應(yīng)的關(guān)系，且“聲速一濃度”曲線呈拋物線變化形式，可以用二次方程 J =似2+奴+ c進(jìn)行擬合。在不同的糖溶液中，聲速和糖度有以下關(guān)系式
在葡萄糖溶液中，聲速與葡萄糖濃度的關(guān)系為 Vf=I 509.344+2.483Cf+0.03C/(公式一)
在蔗糖溶液中，聲速與蔗糖濃度的關(guān)系為 v5=1507.256+1.711C,+0.051C/(公式二)
在葡萄糖、蔗糖混合溶液中，聲速與兩類糖濃度的關(guān)系為
V— =1509.56003+2.34239Cf+1.77172C3 + 0. C4744C/ + 0.05321Q2 + 0.0805 IC^Ci (公 式三)
多元混合液的聲速與單一溶質(zhì)溶液及水溶劑的聲速存在以下關(guān)系 1/^2 = (1/<) + (1/、2) +…+ (l/vs2)-[(>-l)/V]
因此果汁中的聲速可表示為
1 / V_J = (1 / ν,2) + (1 / Vj2) - (1 / 2278795.546624)(公式四)
式中，、、力、、分別表示表示葡萄糖溶液的聲速、蔗糖溶液的聲速、混合糖溶液測量出超聲波在果汁中的傳播速后，即可解方程組，計算出果汁中葡萄糖和蔴 糖的濃度G、Ci。根據(jù)上述理論，通過測量超聲信號在果汁中的傳播速度可對果汁中葡萄糖、蔗糖 的濃度進(jìn)行測定。在已知傳播路徑的情況下，一般通過測量傳播時間，然后利用公式“速度 =傳播路程+傳播時間”來計算聲速。然而短距離的超聲測速往往存在較大的誤差，這是由 于設(shè)備對信號接收時刻進(jìn)行判決時，因信號受噪聲影響以及設(shè)備本身精度有限，難以準(zhǔn)確 捕捉信號峰值，從而產(chǎn)生了判決誤差F。而當(dāng)樣本容器的體積有限時，超聲傳播距離過短， 使得信號的實際傳播時間τ很小，導(dǎo)致在傳播時間的測量值r+e中，F(xiàn)所占的比重不能忽 略，因此把傳播時間測量值Γ+f代入公式“速度=傳播路程+傳播時間”計算聲速時，判決 誤差f對計算結(jié)果有著非常顯著的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有方法的缺陷和不足，提供基于管道時延的果汁糖組分 濃度測量系統(tǒng)及方法。本發(fā)明使用螺旋管道作為樣本腔，通過加長超聲信號的傳播路徑來 減小信號接收時刻的判決誤差f對檢測結(jié)果的影響；運用比較測定的方法，直接測量超聲 信號在螺旋管道中的傳播時延，并與預(yù)先訓(xùn)練出的“管道時延一葡萄糖濃度一蔗糖濃度”曲 面進(jìn)行對比分析，進(jìn)而得到果汁的糖組分濃度。該方法既可省去計算聲速的步驟，減少了系 統(tǒng)的運算量，又能有效提高檢測精度。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
基于管道時延的果汁糖組分濃度測量系統(tǒng)，包括螺旋管道樣本腔、電路盒、超聲發(fā)射換 能器、超聲接收換能器和顯示設(shè)備；超聲發(fā)射換能器和超聲接收換能器分別位于螺旋管道 樣本腔的兩端，電路盒位于螺旋管道樣本腔的外部，電路盒外置顯示設(shè)備；電路盒包含主控 單元、存儲器、發(fā)射電路、接收電路和脈沖檢測判決電路，所述主控單元分別與存儲器、發(fā)射 電路、脈沖檢測判決電路和顯示設(shè)備相連接，超聲發(fā)射換能器與電路盒中的發(fā)射電路連接， 超聲接收換能器與電路盒中的接收電路連接，接收電路與脈沖檢測判決電路連接；
所述主控單元控制與其連接的各個電路模塊的工作，并計算超聲信號在螺旋管道樣本 腔中的傳播時間，調(diào)用存儲器中的經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比分析并把果汁糖組分濃度的檢測結(jié) 果傳送至顯示設(shè)備；
所述存儲器中存放著通過訓(xùn)練得到的“管道時延一葡萄糖濃度一蔗糖濃度”經(jīng)驗曲面
的聲速和水溶劑的聲速；Cg、C3分別表示葡萄糖的質(zhì)量百分比濃度和蔗糖的質(zhì)量百分比 濃度。聯(lián)立(公式一)至(公式四)得到以下計算糖組分濃度方程組數(shù)據(jù)庫，供檢測果汁糖組分濃度時進(jìn)行對比分析；
所述發(fā)射電路接收主控單元的指令從而產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)載波信號調(diào)制后，由超聲發(fā) 射換能器把脈沖信號發(fā)射出去；接收電路對超聲接收換能器收到的脈沖信號進(jìn)行濾波，并 送往脈沖檢測判決電路；
所述脈沖檢測判決電路采用閾值判決的方法檢測接收電路傳送來的有效脈沖信號，并 根據(jù)電平閾值對信號的到達(dá)時刻進(jìn)行判決；
所述顯示設(shè)備用于顯示設(shè)備操作導(dǎo)向和測試結(jié)果。上述基于管道時延的果汁糖組分濃度測量系統(tǒng)中，所述螺旋管道樣本腔采用保溫 材料制成，管道內(nèi)壁涂有能將信號反射的反射系數(shù)為0. 8^0. 9較大的物質(zhì)。上述基于管道時延的果汁糖組分濃度測量系統(tǒng)中，所述經(jīng)載波信號調(diào)制后信號的 頻率為 20kHz - 500kHz O上述基于管道時延的果汁糖組分濃度測量系統(tǒng)中，所述超聲發(fā)射換能器和超聲接 收換能器的中心頻率為20kHz - 500kHz。上述基于管道時延的果汁糖組分濃度測量系統(tǒng)的測量方法，包括以下步驟 步驟1、將待測果汁調(diào)節(jié)至一定溫度并注滿螺旋管道樣本腔；
步驟2、主控單元發(fā)送指令至發(fā)射電路，發(fā)射電路產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)載波調(diào)制后，由超聲 發(fā)射換能器把信號發(fā)射出去；同時，主控單元記錄下發(fā)射時刻；
步驟3、超聲接收換能器接收經(jīng)螺旋管道樣本腔反射的超聲脈沖信號，信號經(jīng)接收電路 濾波，然后由脈沖檢測判決電路對信號進(jìn)行檢測并判決接收時刻；
步驟4、主控單元根據(jù)發(fā)射時刻和接收時刻計算超聲信號在待測果汁中的管道時延； 步驟5、將管道時延的測量值與存儲器中的“管道時延一葡萄糖濃度一蔗糖濃度”經(jīng)驗 曲面數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和分析，在經(jīng)驗曲面上查找與該次管道時延對應(yīng)的點并獲取相應(yīng)的葡萄 糖濃度和蔗糖濃度數(shù)據(jù)；
步驟6、將果汁糖組分濃度檢測結(jié)果傳送至顯示設(shè)備進(jìn)行顯示。上述的測量方法中，所述“管道時延一葡萄糖濃度一蔗糖濃度”經(jīng)驗曲面數(shù)據(jù)是經(jīng) 過對已知濃度的訓(xùn)練樣本進(jìn)行訓(xùn)練所得，在傳播路徑不變的條件下，傳播時間和聲速存在 一一對應(yīng)的關(guān)系速度=傳播路程+傳播時間，而聲速和糖組分濃度也是一一對應(yīng)，傳播 時間和糖組分也存在一一對應(yīng)關(guān)系。上述的測量方法中，通過所述訓(xùn)練樣本來擬合一個與理論相符的“管道時延一葡 萄糖濃度一蔗糖濃度”經(jīng)驗曲面，在訓(xùn)練經(jīng)驗數(shù)據(jù)時，分別準(zhǔn)備不同濃度的葡萄糖溶液和蔗 糖溶液，兩兩等量混合形成多種糖組分比例不同的溶液；采用多次測量取平均值的方法獲 取超聲信號在這些樣本溶液中的管道時延；將測量數(shù)據(jù)擬合成“管道時延一葡萄糖濃度一 蔗糖濃度”曲面并將數(shù)據(jù)存入存儲器中。所述樣本腔設(shè)計成螺旋管道式樣，加長了超聲信號的傳播距離，使信號在管道 中的傳播時間Γ遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于判決誤差從而減少了 e對檢測結(jié)果的影響；樣本腔用保溫材 料制成，以減少溫度變化對測量值的影響；樣本腔的螺旋管道內(nèi)壁涂有聲反射系數(shù)較大 (0. 8^0. 9)的物質(zhì)，使超聲接收換能器可接收足夠強的反射信號，以作出準(zhǔn)確的計算。所述發(fā)射電路和接收電路分別與超聲發(fā)射換能器和超聲接收換能器相連接。發(fā)射 電路接收主控單元的指令從而產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)載波信號調(diào)制后，由超聲發(fā)射換能器把脈沖信號發(fā)射出去。接收電路對超聲接收換能器收到的脈沖信號進(jìn)行濾波，并送往脈沖檢測 判決電路。為了避免超聲信號在溶液中衰減過快，信號的頻率應(yīng)控制在低頻范圍內(nèi)，因此載 波頻率可在20kHz - 500kHz范圍內(nèi)選取。所述超聲發(fā)射換能器和超聲接收換能器分別用 于發(fā)射和接收超聲脈沖信號，換能器的中心頻率對應(yīng)于載波頻率可在20kHz - 500kHz范圍 內(nèi)選取。所述“管道時延一葡萄糖濃度一蔗糖濃度，，經(jīng)驗曲面數(shù)據(jù)庫是經(jīng)過對已知濃度的 訓(xùn)練樣本進(jìn)行訓(xùn)練所得。在傳播路徑不變的條件下，傳播時間和聲速存在一一對應(yīng)的關(guān)系 速度=傳播路程+傳播時間，而聲速和糖組分濃度也是一一對應(yīng)，因此在理論上，傳播時 間和糖組分存在一一對應(yīng)關(guān)系。然而超聲信號在螺旋管道中的傳播路徑難以測算，無法直 接套用如前所述的計算糖組分濃度方程組進(jìn)行求解，所以本發(fā)明通過訓(xùn)練樣本來擬合一個 與理論相符的“管道時延一葡萄糖濃度一蔗糖濃度”經(jīng)驗曲面。在訓(xùn)練經(jīng)驗數(shù)據(jù)時，分別準(zhǔn) 備不同濃度的葡萄糖溶液和蔗糖溶液，兩兩等量混合形成多種糖組分比例不同的溶液；采 用多次測量取平均值的方法獲取超聲信號在這些樣本溶液中的管道時延；將測量數(shù)據(jù)擬合 成“管道時延一葡萄糖濃度一蔗糖濃度”曲面并將數(shù)據(jù)存入存儲器中。在實際檢測時，根據(jù) 管道時延的測量值，在經(jīng)驗曲面上查找出與之對應(yīng)的點即可獲取相應(yīng)的葡萄糖濃度和蔗糖 濃度的數(shù)值。綜上所述，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點和技術(shù)效果 1、系統(tǒng)構(gòu)建容易實現(xiàn)，流程簡單，無需耗費大量的時間和復(fù)雜的操作。2、使用螺旋形管道，加長超聲信號的傳播路徑，使得傳播時間Γ變大且遠(yuǎn)大于判 決誤差L從而大大減小了 F對糖組分濃度計算結(jié)果的影響，提高了檢測精度。i然螺旋形管道加長了超聲信號的傳播路徑，但和一般樣本腔相比，并沒有占 用多余的空間。4、由于訓(xùn)練和實際測量都是在相同的管道環(huán)境中進(jìn)行，因此訓(xùn)練數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù) 之間不會有明顯的相對誤差，所以運用比較測定方法是合理的。5、該方法直接測量信號的傳播時間，然后與經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，進(jìn)而獲取糖 組分濃度數(shù)據(jù)。該方法免除了計算聲速的步驟，減少了系統(tǒng)的運算量。6、在訓(xùn)練經(jīng)驗曲面時，采用多次測量取平均值的方法可減少超聲信號收發(fā)時刻的 判決誤差f,提高了測量精度。7、該方法和裝置實現(xiàn)容易，能應(yīng)用于大部分果汁飲料的糖組分檢測，具有良好的 經(jīng)濟效益。


圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明裝置的電路原理框圖。圖3是“管道時延一葡萄糖濃度一蔗糖濃度”經(jīng)驗曲面。圖4是本發(fā)明裝置工作原理圖。圖5是實施方式中測量方法的流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限 于此。
實施例如圖1所示，本發(fā)明裝置的具體結(jié)構(gòu)如下包括封閉的用保溫材料加工而成的螺 旋管道腔體1，分別位于螺旋管道首尾兩端的超聲發(fā)射換能器2和超聲接收換能器3 (中心 頻率可在20kHz - 500kHz范圍內(nèi)選取)，設(shè)置在腔體1外部的電路盒5，電路盒和所述兩個 換能器之間通過電纜4相連，電路盒外置顯示設(shè)備6和控制面板7。螺旋管道腔體1采用保 溫材料制成，能有效減少溫度變化對測量的影響；管道內(nèi)壁涂有能將信號反射的反射系數(shù) 較大(0. 8^0. 9)的物質(zhì)，使接收換能器可接收足夠強的反射信號，以作出準(zhǔn)確的計算。如圖2所示，所述電路盒包含主控單元、存儲器、發(fā)射電路、接收電路和脈沖檢測 判決電路。其中，主控單元還與電路盒外部的顯示設(shè)備6和操作面板7連接。主控單元 接收操作面板的信號，然后發(fā)送指令至發(fā)射電路，發(fā)射電路產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)載波信號調(diào)制 后，由超聲發(fā)射換能器把信號發(fā)射出去；同時，主控單元記錄下發(fā)射時刻；超聲接收換能器 采集從螺旋管道中反射回來的超聲脈沖信號，信號經(jīng)接收電路濾波后送至脈沖檢測判決電 路中；脈沖檢測判決電路對信號進(jìn)行檢測并判決接收時刻；主控單元根據(jù)超聲信號的收發(fā) 時刻計算信號的管道時延，并將其與存儲器中的“管道時延一葡萄糖濃度一蔗糖濃度”經(jīng)驗 曲面數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析，進(jìn)而得到果汁糖組分濃度的檢測結(jié)果；檢測結(jié)果數(shù)據(jù)通過顯示 設(shè)備6顯示。如圖3所示，存儲器中存放著訓(xùn)練好的“管道時延一葡萄糖濃度一蔗糖濃度”經(jīng)驗 曲面數(shù)據(jù)。本實施例中采用以下的訓(xùn)練步驟
步驟1、分別準(zhǔn)備濃度為5 %、10 %、15 %、20 %、25 %、30 %的葡萄糖溶液和蔗糖溶液，
兩兩等量混合形成36種糖組分比例不同的糖溶液并調(diào)節(jié)至20 'C。步驟2、將糖溶液注滿螺旋管道樣本腔，通過操作面板控制裝置開始測量。步驟3、主控單元發(fā)送指令至發(fā)射電路，發(fā)射電路產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)載波信號調(diào)制 后，由發(fā)射換能器把信號發(fā)射出去；同時，主控單元記錄下發(fā)射時刻。步驟4、超聲接收換能器接收經(jīng)螺旋管道反射的超聲脈沖信號，信號經(jīng)接收電路濾 波，然后由脈沖檢測判決電路對信號進(jìn)行檢測并判決接收時刻。步驟5、主控單元根據(jù)發(fā)射時刻和接收時刻計算超聲信號在待測果汁中的管道時 延，并通過重復(fù)3遍取平均值的方法獲取更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。步驟6、獲得36種樣本糖溶液的管道時延數(shù)據(jù)后，在“管道時延” 一“葡萄糖濃 度”一“蔗糖濃度”坐標(biāo)空間中將這些數(shù)據(jù)擬合成“管道時延一葡萄糖濃度一蔗糖濃度”經(jīng) 驗曲面，并存進(jìn)系統(tǒng)存儲器中。如圖4所示，本發(fā)明裝置的工作原理是超聲波在糖溶液中的傳播速度和糖濃度 有著一一對應(yīng)的關(guān)系，在傳播路徑不變的條件下，傳播時間和聲速也是一一對應(yīng)的，因此可 建立傳播時間和糖組分濃度的一一對應(yīng)關(guān)系。然而在短距離的超聲測量中，信號接收時刻 的判決誤差往往對檢測結(jié)果造成較大的影響。本發(fā)明通過直接測量超聲信號的傳播時間來 計算果汁糖組分濃度，免除了超聲信號傳播速度的計算，減少了系統(tǒng)運算量；同時通過采用螺旋管道作為樣本腔，加長了信號傳播路徑，有效地減少了判決誤差的影響，提高了檢測精 度。如圖4所示，位于螺旋管道樣本腔頂端的超聲發(fā)射換能器發(fā)出超聲脈沖信號，信號經(jīng)螺 旋管道多次反射后由超聲接收換能器接收，然后對信號進(jìn)行濾波處理并根據(jù)有效信號電平 閾值判決接收時刻。最后根據(jù)發(fā)射時刻和接收時刻計算果汁的管道時延，并和存儲器中的 經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，從而獲取糖組分濃度數(shù)據(jù)。由于本發(fā)明采用了螺旋管道作為樣本 腔，加長了信號傳播路徑，信號在管道中的實際傳播時間Γ遠(yuǎn)大于信號接收時刻的判決誤 差e ,因此有效地減少了判決誤差對檢測結(jié)果的影響。如圖2和圖5所示，本實施例采用以下步驟檢測果汁糖組分濃度 步驟1、調(diào)整待測果汁溫度至20 4C并注滿螺旋管道樣本腔。步驟2、對操作面板進(jìn)行操作，主控單元傳送指令至發(fā)射電路，發(fā)射電路產(chǎn)生脈沖 信號，經(jīng)載波信號調(diào)制后，由超聲發(fā)射換能器把脈沖信號發(fā)射出去，同時記錄下發(fā)射時刻。步驟3、超聲脈沖信號在螺旋管道中經(jīng)多次反射后由超聲接收換能器接收，脈沖信 號經(jīng)接收電路濾波后被送至脈沖檢測判決電路，脈沖判決電路根據(jù)信號波形及預(yù)置的有效 信號電平閾值檢測脈沖信號的到達(dá)時刻。步驟4、主控單元根據(jù)超聲脈沖信號的發(fā)射時刻和接收時刻計算出信號在待測果 汁中的管道時延。步驟5、將管道時延的測量值與存儲器中的經(jīng)驗曲面數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和分析，在經(jīng)驗 曲面上查找與該次管道時延對應(yīng)的點，并獲取相應(yīng)的葡萄糖濃度和蔗糖濃度數(shù)據(jù)。如果在 存儲器中找不到與檢測結(jié)果相近的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，則提示更新數(shù)據(jù)庫，并且把該次測量的數(shù)據(jù) 作為訓(xùn)練樣本，重新擬合“管道時延一葡萄糖濃度一蔗糖濃度”曲面。步驟6、將步驟5所述的檢測數(shù)據(jù)傳送至顯示設(shè)備進(jìn)行顯示。本發(fā)明通過測量超聲波在螺旋管道樣本腔中的傳播時間來計算果汁中葡萄糖和 蔗糖濃度。本發(fā)明的理論依據(jù)為聲速與溶液濃度存在一一對應(yīng)的關(guān)系，而在傳播路徑不變 的條件下，聲速和傳播時間也是一一對應(yīng)的，因此可以建立傳播時間和溶液濃度的一一對 應(yīng)關(guān)系。本發(fā)明的特點在于使用螺旋管道作為樣本腔，通過加長超聲信號傳播路徑來減小 信號接收時刻的判決誤差對測量結(jié)果的影響；運用比較測定的方法，將超聲信號在螺旋管 道中的傳播時延與預(yù)先訓(xùn)練出的“管道時延一葡萄糖濃度一蔗糖濃度”曲面數(shù)據(jù)進(jìn)行對比 和分析，進(jìn)而得到果汁糖組分的濃度，既減少了系統(tǒng)的計算量，又能有效提高檢測精度。上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的 限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
基于管道時延的果汁糖組分濃度測量系統(tǒng)，其特征在于包括螺旋管道樣本腔、電路盒、超聲發(fā)射換能器、超聲接收換能器和顯示設(shè)備；超聲發(fā)射換能器和超聲接收換能器分別位于螺旋管道樣本腔的兩端，電路盒位于螺旋管道樣本腔的外部，電路盒外置顯示設(shè)備；電路盒包含主控單元、存儲器、發(fā)射電路、接收電路和脈沖檢測判決電路，所述主控單元分別與存儲器、發(fā)射電路、脈沖檢測判決電路和顯示設(shè)備相連接，超聲發(fā)射換能器與電路盒中的發(fā)射電路連接，超聲接收換能器與電路盒中的接收電路連接，接收電路與脈沖檢測判決電路連接；所述主控單元控制與其連接的各個電路模塊的工作，并計算超聲信號在螺旋管道樣本腔中的傳播時間，調(diào)用存儲器中的經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比分析并把果汁糖組分濃度的檢測結(jié)果傳送至顯示設(shè)備；所述存儲器中存放著通過訓(xùn)練得到的“管道時延－葡萄糖濃度－蔗糖濃度”經(jīng)驗曲面數(shù)據(jù)庫，供檢測果汁糖組分濃度時進(jìn)行對比分析；所述發(fā)射電路接收主控單元的指令從而產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)載波信號調(diào)制后，由超聲發(fā)射換能器把脈沖信號發(fā)射出去；接收電路對超聲接收換能器收到的脈沖信號進(jìn)行濾波，并送往脈沖檢測判決電路；所述脈沖檢測判決電路采用閾值判決的方法檢測接收電路傳送來的有效脈沖信號，并根據(jù)電平閾值對信號的到達(dá)時刻進(jìn)行判決；所述顯示設(shè)備用于顯示設(shè)備操作導(dǎo)向和測試結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于管道時延的果汁糖組分濃度測量系統(tǒng)，其特征在于所述 螺旋管道樣本腔采用保溫材料制成，管道內(nèi)壁涂有能將信號反射的反射系數(shù)為0. 8^0. 9較 大的物質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于管道時延的果汁糖組分濃度測量系統(tǒng)，其特征在于所述 經(jīng)載波信號調(diào)制后信號的頻率為20kHz - 500kHz。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于管道時延的果汁糖組分濃度測量系統(tǒng)，其特征在于所述 超聲發(fā)射換能器和超聲接收換能器的中心頻率為20kHz - 500kHz。
5.權(quán)利要求1所述基于管道時延的果汁糖組分濃度測量系統(tǒng)的測量方法，其特征在于 包括以下步驟步驟1、將待測果汁調(diào)節(jié)至一定溫度并注滿螺旋管道樣本腔；步驟2、主控單元發(fā)送指令至發(fā)射電路，發(fā)射電路產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)載波調(diào)制后，由超聲 發(fā)射換能器把信號發(fā)射出去；同時，主控單元記錄下發(fā)射時刻；步驟3、超聲接收換能器接收經(jīng)螺旋管道樣本腔反射的超聲脈沖信號，信號經(jīng)接收電路 濾波，然后由脈沖檢測判決電路對信號進(jìn)行檢測并判決接收時刻；步驟4、主控單元根據(jù)發(fā)射時刻和接收時刻計算超聲信號在待測果汁中的管道時延； 步驟5、將管道時延的測量值與存儲器中的“管道時延一葡萄糖濃度一蔗糖濃度”經(jīng)驗 曲面數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和分析，在經(jīng)驗曲面上查找與該次管道時延對應(yīng)的點并獲取相應(yīng)的葡萄 糖濃度和蔗糖濃度數(shù)據(jù)；步驟6、將果汁糖組分濃度檢測結(jié)果傳送至顯示設(shè)備進(jìn)行顯示。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量方法，其特征在于所述“管道時延一葡萄糖濃度一蔗糖 濃度”經(jīng)驗曲面數(shù)據(jù)是經(jīng)過對已知濃度的訓(xùn)練樣本進(jìn)行訓(xùn)練所得，在傳播路徑不變的條件下，傳播時間和聲速存在一一對應(yīng)的關(guān)系速度=傳播路程+傳播時間，而聲速和糖組分 濃度也是一一對應(yīng)，傳播時間和糖組分也存在一一對應(yīng)關(guān)系。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的測量方法，其特征在于通過所述訓(xùn)練樣本來擬合一個與理論 相符的“管道時延一葡萄糖濃度一蔗糖濃度”經(jīng)驗曲面，在訓(xùn)練經(jīng)驗數(shù)據(jù)時，分別準(zhǔn)備不同 濃度的葡萄糖溶液和蔗糖溶液，兩兩等量混合形成多種糖組分比例不同的溶液；采用多次 測量取平均值的方法獲取超聲信號在這些樣本溶液中的管道時延；將測量數(shù)據(jù)擬合成“管 道時延一葡萄糖濃度一蔗糖濃度”曲面并將數(shù)據(jù)存入存儲器中。
全文摘要
本發(fā)明公開基于管道時延的果汁糖組分濃度測量系統(tǒng)及方法，所述系統(tǒng)包括螺旋管道樣本腔、電路盒和分別位于螺旋管道樣本腔的兩端的超聲發(fā)射換能器與超聲接收換能器，電路盒位于螺旋管道樣本腔的外部，電路盒外置顯示設(shè)備；電路盒包含主控單元、存儲器、發(fā)射電路、接收電路和脈沖檢測判決電路，所述主控單元分別與存儲器、發(fā)射電路、脈沖檢測判決電路和顯示設(shè)備相連接，超聲發(fā)射換能器與電路盒中的發(fā)射電路連接，超聲接收換能器與電路盒中的接收電路連接，接收電路與脈沖檢測判決電路連接。所述方法通過測量超聲波在螺旋管道樣本腔中的傳播時間來計算果汁中組分濃度；本發(fā)明既可省去計算聲速的步驟，減少了系統(tǒng)的運算量，又能有效提高檢測精度。
文檔編號G01N29/024GK101936953SQ20101027021
公開日2011年1月5日 申請日期2010年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月2日
發(fā)明者廖明熙, 曹燕, 郭文杰, 韋崗 申請人:華南理工大學(xué)