牛乳大分子含量檢測實驗裝置的研制

丁國超，李維民，尚廷義，襲 楊，高云麗

（黑龍江八一農(nóng)墾大學信息技術學院，黑龍江 大慶 163319）

0 引 言

隨著人們對乳制品的需求不斷增加，如何準確快速地檢測出牛乳中成分含量得到了廣泛地關注[1]。本文建立了牛乳中脂肪和蛋白質成分含量與光的散透比之間的關聯(lián)模型，并根據(jù)牛乳成分快速檢測及檢測精度的要求，研制了牛乳成分含量檢測裝置，完成了牛乳成分檢測裝置的硬件電路設計。在實驗裝置的設計過程中，充分考慮了系統(tǒng)誤差、環(huán)境因素和人為因素的對實驗檢測精度的影響，并采取措施減小了外界因素的干擾，提高了檢測精度。

1 散透比理論的研究

眾所周知，在均勻介質中，光只能沿著折射光線的方向傳播，在這種情況下，光不可能朝各方向散射。光通過均勻介質時，介質中的偶極子發(fā)出的次波具有與入射光相同的頻率，且偶極子之間有一定的相位關系，因而它們是相干光。在跟折射光線不同的方向上，它們互相抵消，因此均勻介質中光是不能發(fā)生散射的。為了能讓光發(fā)生散射，則必須有能夠破壞次波干涉的不均勻結構。鮮乳中脂肪和蛋白質等顆粒與其周圍的介質之間存在著不均勻結構，故當光通過牛乳時，必然出現(xiàn)光的散射現(xiàn)象；因此，可利用光散射原理來測量牛乳成分含量。但是由于牛乳中存在兩種散射大分子，所以很難準確地單獨測出蛋白質含量。從理論上說，如果能找到一種快速溶解脂肪且不溶解蛋白質的物質，就容易測出蛋白質的含量，但實際中并沒有這樣的物質。本文采用一種快速蛋白質熔解液，可以分兩步來測量牛乳中的蛋白質和脂肪的含量：首先用蛋白質快速溶解液把蛋白質溶解為小分子[2]，使牛乳稀溶液中只有脂肪是牛乳中不溶的大分子，測出脂肪；再測脂肪和蛋白質兩相共存的牛乳稀溶液，通過理論模型便可求出蛋白質含量。

利用散透比理論[3]來表征測試的光學參量，可以消除因入射光的光功率漂移而引起的誤差。

當一束激光射入牛奶稀溶液中時，牛乳對光的吸收不能假定為零，由能量守恒原理可知：

式中：Ⅰ0——入射光光強；

S0——入射光束橫截面面積；

Ⅰsi——脂肪在其散射面ΔSi上的散射光光強；Ⅰsj——蛋白質在其散射面ΔSj上的散射光光強；Ⅰt2——出射光光強；Ⅰa——純吸收光強。

令

式中：Ⅰs——垂直入射光線的散射光強；

SR——以光束通過的試樣中心為球心，半徑為R的一個假想球面，在此球面上Ⅰs處處相等，它是一個與牛乳脂肪和蛋白質散射特性有關的量[4-5]。于是：

其中：m2=SR/S0，它和只有脂肪時的均散系數(shù)m1不同。又知：

其中：k1和k2——純吸收系數(shù)；

c——常數(shù)。

則：

由于是牛乳稀溶液，則ξ1和ξ2的值很小，那么，利用泰勒展公式對式（5）中右邊兩式進行泰勒展開，整理可得

其中：A1，A2，B1，B2，M，N 均為常數(shù)，同理脂肪的濃度與純脂肪溶液的散透比的函數(shù)為

由式（6）可知，Y2=f（ζ1，ζ2）經(jīng)過計算機轉換可得ζ2=f（Y2，ζ1），散透比Y2可以直接測出，而脂肪的濃度ζ1可通過式（8）求出，然后可求出蛋白質的濃度ζ2。

2 實驗裝置的研制

2.1 硬件系統(tǒng)功能設計

根據(jù)牛乳成分檢測系統(tǒng)功能需求，不僅需要牛乳進樣出樣控制功能、良好的激光光源、好的信號采集模塊、良好的人機交互界面，還應該有打印參數(shù)功能，根據(jù)這些功能需求，進行總體方案的構思和設計，其硬件構架如圖1所示。

圖1 牛乳成分含量檢測系統(tǒng)硬件結構框圖

2.2 檢測放大電路

該檢測電路以ICL7650為核心檢測芯片。在電路設計中，反饋電阻采用精密的電位器，這樣方便在實際調試中改變放大倍數(shù)；根據(jù)AD的參考電壓基準，并為了使輸出電壓穩(wěn)定，輸出端加了兩個鉗位二極管，采用兩路放大電路分別對散射的光強和透射的光強進行檢測[6]。檢測放大電路如圖2所示。

2.3 乳樣進出設計

牛乳的進出樣設計是采用蠕動泵來控制的，通過控制電機的正轉和反轉控制牛乳的進樣和出樣。直流電機具有優(yōu)越的調速性能，采用直流電機，具有調速方便（可無級調速）、調速范圍寬、低速性能好（啟動轉矩大，啟動電流小）、運行平穩(wěn)、噪音低、效率高等特點，驅動方面采用內部集成有達林頓管組成的H型的功率變換橋電路的恒壓恒流橋式驅動芯片。

3 系統(tǒng)軟件總體結構設計

圖2 光電檢測電路設計

表1 任務劃分與優(yōu)先級

根據(jù)系統(tǒng)任務的重要性不同對軟件設計劃分不同的優(yōu)先級，即根據(jù)牛乳檢測系統(tǒng)的功能需求和特點將應用程序劃分為7個不同的任務，任務的劃分和優(yōu)先級見表1，任務優(yōu)先級號越低，優(yōu)先級越高。

把系統(tǒng)中不同任務劃分成不同的模塊來分別進行模塊化的程序設計，這樣既明確了任務目標，同時簡化設計，也便于后期的調試。根據(jù)功能與實現(xiàn)控制目標不同，設計完成的各模塊既相互獨立又相互依賴，本系統(tǒng)采用嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II來完成軟件設計。由于驅動程序封裝在μC/OS-II操作系統(tǒng)下，上層應用程序開發(fā)、維護和軟件升級都很方便，這樣在一個成熟的以μC/OS-II為主的軟件平臺上，很容易開發(fā)擴展各種實用的控制應用程序[7-8]。

4 實驗數(shù)據(jù)及分析

下面通過實驗測試對所有設計進行驗證。

首先選擇27個來自不同奶源的乳樣，每一樣品均分成兩份。一份送國家乳品質量檢測中心測出它們的蛋白質含量，另一份用本文的測試系統(tǒng)來測定含量，然后進行對比。27個乳樣的測試結果測試結果如表2和3所示。

表2 蛋白質的標準值與測量值比較

表3 脂肪的標準值與測量值比較

圖3 測量誤差分析

針對本裝置測得的脂肪及蛋白質測量值偏差與標準脂肪及蛋白質含量值進行分析，27個樣本的誤差分析如圖3所示。可以看出，絕大部分樣本的測量誤差在2%以內，部分測量誤差介于2%～4%范圍。總體來看，準確率均在96%以上，符合工業(yè)在線蛋白質及脂肪含量檢測技術要求。還可以看出，27個樣本中的誤差圍繞標準值呈隨機分布狀態(tài)，證明了本實驗裝置設計的合理性與科學性。綜合可以看出，利用散透比測量牛乳中的脂肪和蛋白質的方法是可行的。

5 結束語

本文中的牛乳大分子含量檢測試驗裝置的研制主要基于散透比理論研究，建立了散透比與牛乳中大分子成分含量的模型、檢測電路的設計、乳品進出的設計。由于利用蠕動泵實現(xiàn)牛乳樣本自動輸入與輸出，使得檢測裝置更加精確，而恰當?shù)剡x擇硬件使得整個裝置的可靠性高。實驗證明，牛乳大分子含量檢測試驗裝置能快速準確地檢測出牛乳大分子含量。

[1]Grant R.如何提高牛乳的蛋白質和脂肪含量[J].周鼎年譯.中國奶牛，2002（1）：55-56.

[2]Yoshiyama H J.A light-scattering technique for single particle sizing[J].Aerosol Sci，1999，30（1）：357-358.

[3]侯志靈，姬廣舉.激光快速測定牛乳蛋白質質量分數(shù)[J].哈爾濱理工大學學報，2003（4）：119-122.

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[5]Hiroaki Kurihara.Determination of particle-size distribution by a laser scattering method[J].Pedologist，1999，43（2）：73-81.

[6]楊小容，陳建政.串口AD嵌入式Linux驅動實現(xiàn)[J].中國測試，2010，36（2）：84-87.

[7]李巖.基于S3C44B0嵌入式μCLinux系統(tǒng)原理及應用[M].北京：清華大學出版社，2005：197-228.

[8]宋亮，苗瓊.嵌入式實時操作系統(tǒng)μc/os-Ⅱ串口通信的設計與實現(xiàn)[J].電子設計工程，2011，19（5）：42-46.