基于不同超聲信號(hào)變換的食品溶液濃度檢測(cè)研究.pdf

1、隨著食品工業(yè)的發(fā)展，除對(duì)食品生產(chǎn)過程中最常檢測(cè)的溫度、壓力、液位、流量等狀態(tài)參量進(jìn)行監(jiān)測(cè)外，對(duì)食品溶液濃度的監(jiān)測(cè)也逐步進(jìn)入到需日常監(jiān)控的參量。但目前仍缺乏有效的傳感和檢測(cè)手段對(duì)食品溶液濃度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。低密度超聲傳感檢測(cè)系統(tǒng)具有非破壞性、非侵入性以及快速等優(yōu)良特點(diǎn)，已在無損檢測(cè)和醫(yī)學(xué)成像上得到廣泛應(yīng)用，可以適應(yīng)食品快速監(jiān)測(cè)的要求。因此本文利用低密度脈沖超聲檢測(cè)技術(shù)開展了溶液濃度測(cè)定的研究。針對(duì)不同的應(yīng)用情況，結(jié)合不同的數(shù)字信號(hào)變換方法，

2、建立了測(cè)定給定溶液濃度的多元統(tǒng)計(jì)回歸模型，具體開展的研究工作和結(jié)果如下：
　　 (1)液體媒質(zhì)濃度檢測(cè)系統(tǒng)的組建。建立了包括超聲方波脈沖發(fā)生/接收儀CTS-8077PR，設(shè)置發(fā)射電壓-25V，脈沖寬度100 ns；中心頻率5 MHz的超聲探頭；16位A/D數(shù)據(jù)采集卡PCI-9846H/512，設(shè)置采樣率為40MS/s，外部TTL電平觸發(fā)；測(cè)試池的檢測(cè)系統(tǒng)。開發(fā)了數(shù)據(jù)采集及處理程序，系統(tǒng)硬件之間性能匹配，用戶界面友好。
　　

3、 (2)以NaCl-水二元溶液為研究對(duì)象，建立了基于不同信號(hào)變換方法結(jié)合偏最小二乘(PLS)、間段偏最小二乘(iPLS)、組合間段偏最小二乘(siPLS)和普通最小二乘(OMLR)的回歸模型，經(jīng)對(duì)比分析表明：采用聲速、溫度結(jié)合頻譜信息所建的siPLS回歸模型穩(wěn)定、預(yù)測(cè)精度高，性能優(yōu)于OMLR模型。最優(yōu)模型校正決定系數(shù)Rcal2達(dá)0.9999，驗(yàn)證決定系數(shù)Rval2達(dá)0.9988，交互驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)差RMSECV為0.0526g/100g，預(yù)

4、測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差RMSEP為0.0628 g/100g，明顯小于聲速模型的預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差0.1015g/100g，模型具有更高的預(yù)測(cè)精度。同時(shí)采用該方法檢測(cè)了恒溫條件下果膠-水二元混合溶液，模型RPD=14.2，顯著高于OMLR模型。表明采用信號(hào)頻譜信息結(jié)合PLS所建回歸模型具有更好的性能。
　　 (3)利用2℃和30℃下蔗糖-乙醇-水三元混合溶液的超聲脈沖回波信號(hào)，首先建立了濃度的聲速最小二乘回歸模型。蔗糖質(zhì)量濃度回歸模型校正決定系數(shù)Rc

5、al2可達(dá)0.9793，驗(yàn)證決定系數(shù)RVal2可達(dá)0.9475，預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差RMSEP為0.4544 g/100g，RPD為4.92；乙醇質(zhì)量濃度回歸模型決定系數(shù)Rcal2可達(dá)0.9876，驗(yàn)證決定系數(shù)RVal2可達(dá)0.9853，預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差RMSEP為0.1741 g/100g，RPD為8.29。其次利用回波信號(hào)的頻譜信息，通過偏最小二乘(PLS)回歸分析分別建立了蔗糖、乙醇質(zhì)量濃度的回歸模型。蔗糖質(zhì)量濃度回歸模型校正決定系數(shù)Rcal2可

6、達(dá)0.9852，驗(yàn)證決定系數(shù)RVal2可達(dá)0.9842，預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差RMSEP為0.4270 g/100g，RPD為5.25；乙醇質(zhì)量濃度回歸模型決定系數(shù)Rcal2可達(dá)0.9952，驗(yàn)證決定系數(shù)Rval2可達(dá)0.9946，預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差RMSEP為0.1549 g/100g，RPD為9.32。對(duì)比表明，采用脈沖回波頻譜信息所建蔗糖和乙醇濃度回歸模型優(yōu)于聲速模型。
　　 (4)利用超聲波在固液界面處因聲阻抗差異導(dǎo)致的多重反射回波，建立了

7、高濃度金屬管道、容器內(nèi)高衰減媒質(zhì)的聲阻抗及濃度檢測(cè)方法。檢測(cè)了甲醇、乙醇、蒸餾水和丙三醇4種媒質(zhì)的聲阻抗。與標(biāo)準(zhǔn)值相比，發(fā)現(xiàn)測(cè)量的誤差隨被測(cè)媒質(zhì)阻抗增加而迅速減小，純水、丙三醇媒質(zhì)聲阻抗的測(cè)量誤差小于0.2％；同時(shí)測(cè)量了蔗糖溶液的聲阻抗，結(jié)果表明溶液聲阻抗與濃度呈顯著線性關(guān)系，模型的預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差RMSEP為1.5 g/100g。系統(tǒng)對(duì)CaCl2溶液濃度的測(cè)量精度更高，各濃度的最大絕對(duì)測(cè)量誤差均小于2.7 g·L-1，說明系統(tǒng)測(cè)量精度高，可