CN105758818B - 一种便携式猪肉胴体瘦肉率测定仪及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式猪肉胴体瘦肉率测定仪及其检测方法，采用近红外光谱分析技术，并通过穿刺猪头的方式来获得连续的反射信号，从而通过数据处理分析来区分出猪肉胴体的肥肉和瘦肉，并且通过计算得出肥肉和瘦肉的厚度，最后把肥肉和瘦肉的厚度代入总群体瘦肉率预测方程从而得到最终需要的猪肉胴体的瘦肉率。本发明可以准确地测量出猪肉的肥肉和瘦肉的比重，还能够根据猪品种的不同，快速的算出猪胴体的瘦肉率，且实施方便，简洁。

Description

一种便携式猪肉胴体瘦肉率测定仪及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种测定仪及其检测方法，特别是一种便携式猪肉胴体瘦肉率测定仪及其检测方法。

背景技术

猪肉背膘厚度及其瘦肉率在猪胴体分级系统中主要的权重指标。瘦肉率测定主要是通过测量猪胴体背部某几个点的脂肪厚度、肌肉厚度，然后代入整猪的瘦肉率预测模型，获得整头猪的瘦肉率。目前市场上研究或应用比较多的有超声波技术、计算机视觉分级技术、光电检测技术以及TOBEC(Total body electrical conductivity)技术等。其中超声波技术主要利用超声波进入动物体内后，利用动物体内的背膘、皮肤和其他组织的不同反射回波，计算得出背膘厚。目前市场上用来测量的一般只测出背膘厚度，并没有测出肌肉的厚度，且测量时，测量部分需要使用足够的液体如油或者水，探头与皮肤之间不能出现空气，且如果测量角度发生偏差也会导致误差。而计算机图形视觉技术主要通过图像数据分析，建立胴体和图像数据之间的关系，但其主要用于牛胴体分析，很少用于猪胴体，且其性价比不高，不适合中小企业采用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够测出猪肉背膘厚度和肌肉厚度并且成本较低的便携式猪肉胴体瘦肉率测定仪及其检测方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种便携式猪肉胴体瘦肉率测定仪，其特征在于：包含探针头，探针头固定在探针主体一端，探针主体固定在底座上，挡板垂直于探针头设置并且探针头滑动设置在挡板中间，探针支架套设在探针主体上并且能够沿着探针主体滑动，探针支架与挡板之间通过相对探针固定连接，同步带轮支架固定在底座一端，同步带轮转动设置在同步带轮支架上，同步带设置在同步带轮上并且同步带一端固定在探针支架一侧，同步带另一端设置在同步带卷绕盘上，同步带卷绕盘转动设置在编码器支架上并且设置有卷绕发条，编码器固定在编码器支架上，同步带卷绕盘一端设置有主动传动齿轮，编码器上设置有被动传动齿轮，主动传动齿轮和被动传动齿轮相互啮合，探针主体内设置有多路型光纤，探针主体端部侧面开有一个凹口，凹口内设置有石英玻璃，多路型光纤一端固定在石英玻璃上，多路型光纤另一端与LED光源连接，第一接收光纤一端与LED光源连接，第一接收光纤另一端与PIN1光电检测器连接，第二接收光纤一端与石英玻璃连接，第二接收光纤另一端与PIN2光电检测器连接，PIN1光电检测器和PIN2光电检测器与ARM处理器连接，电源模块用于给各部件供电。

进一步地，光纤探针头与探针主体通过螺纹连接在一起，方便更换磨损探针头。

进一步地，所述探针支架一侧设置有滑片，底座上沿探针主体长度方向设置有滑轨，滑片下侧滑动设置在滑轨上。

进一步地，所述编码器支架外侧设置有前箱体，前箱体下端固定在底座上，前箱体一侧设置有挡板，挡板下端开有供探针主体和相对探针通过的凹口。

进一步地，所述ARM处理器与上位机连接，上位机设置有显示器和数据库。

进一步地，所述LED光源波长范围为600nm～1000nm。

进一步地，所述编码器为增量式光电编码器。

一种权利要求1所述的便携式猪肉胴体瘦肉率测定仪的检测方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤一、接通电源，LED光源通电，预热10min；

步骤二、通过猪胴体的标签，获得猪的品种，确定预测方程的a,b,c参数的值；

步骤三、将探针对着屠宰线上猪背部倒数3-4肋骨处偏离背中线6-7厘米处，推动探针刺入直至刺穿，编码器获得脉冲个数N，抽回探针；

步骤四、将数据传送至上位机分析处理，获得相应的厚度，肥肉厚度为h1，瘦肉厚度为h2，代入总群体瘦肉率预测方程:Y＝x+y*h1+z*h2。

进一步地，所述相应厚度获取方法为，当编码器开始工作的时候，单片机开始获取数据，在T时刻获取光电编码器的计数个数N,PIN1光电检测器的数据R1,PIN2光电检测器的数据R2,得到一组数据A＝[R1,R2,N]，以采样频率n，获取n组数据An＝[R1,R2,N]_n，获取每个点的反射度f_n＝R2/R1，建立新的数组，Bn＝[f,N]_n，计算平均反射度f_average:，去掉在空气中的数据：其中，fa之前以及fb之后的数据由于是在空气中采集的，故而舍去，由于猪肉体内肥瘦肉的连续性，因此，光纤探头刚进入时候，获得反射度fa必然大于f_average，我们需要依次比较，知道第m个f小于f_average，则此时表明，探针开始进入瘦肉区域，由此知道[f_a，f₂,f₃,..f_m]>f_average,则通过计算,m到a之间脉冲个数差值Nm-Na获得此部分的长度h1，同样的方法计算瘦肉的长度h2。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、能够区分及测量肥肉和瘦肉厚度；

2、成本低，可操作性强，准确率高；

3、可以准确地测量出猪肉的肥肉和瘦肉的比重，还能够根据猪品种的不同，快速的算出猪胴体的瘦肉率，且实施方便，简洁。

附图说明

图1是本发明的系统框架图。

图2是本发明的光纤传感器结构图。

图3是本发明的探针头的结构图。

图4是本发明的整体结构图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图所示，本发明的一种便携式猪肉胴体瘦肉率测定仪，包含探针头2，探针头2固定在探针主体22一端，探针主体22固定在底座44上，挡板23垂直于探针头2设置并且探针头2滑动设置在挡板23中间，探针支架36套设在探针主体22上并且能够沿着探针主体22滑动，探针支架36与挡板23之间通过相对探针24固定连接，同步带轮支架38固定在底座44一端，同步带轮37转动设置在同步带轮支架38上，同步带35设置在同步带轮37上并且同步带35一端固定在探针支架36一侧，同步带35另一端设置在同步带卷绕盘上，同步带卷绕盘转动设置在编码器支架3上并且设置有卷绕发条，编码器31固定在编码器支架3上，同步带卷绕盘一端设置有主动传动齿轮33，编码器31上设置有被动传动齿轮32，主动传动齿轮33和被动传动齿轮32相互啮合，探针主体22内设置有多路型光纤11，探针主体22端部侧面开有一个凹口，凹口内设置有石英玻璃21，多路型光纤11一端固定在石英玻璃21上，多路型光纤11另一端与LED光源1连接，第一接收光纤12一端与LED光源1连接，第一接收光纤12另一端与PIN1光电检测器13连接，第二接收光纤15一端与石英玻璃21连接，第二接收光纤15另一端与PIN2光电检测器14连接，PIN1光电检测器13和PIN2光电检测器14与ARM处理器连接，电源模块用于给各部件供电。

LED光源1设置有信号调制和信号放大装置。光纤探针头与探针主体通过螺纹连接在一起，方便更换磨损探针头。探针支架36一侧设置有滑片42，底座44上沿探针主体22长度方向设置有滑轨43，滑片42下侧滑动设置在滑轨43上。编码器支架3外侧设置有前箱体4，前箱体4下端固定在底座44上，前箱体4一侧设置有挡板41，挡板41下端开有供探针主体和相对探针通过的凹口。ARM处理器与上位机连接，上位机设置有显示器和数据库。LED光源波长范围为600nm～1000nm。编码器为增量式光电编码器。

一种便携式猪肉胴体瘦肉率测定仪的检测方法，包含以下步骤：

步骤一、接通电源，LED1光源通电，预热10min。

步骤二、通过猪胴体的标签，获得猪的品种，确定预测方程的各个参数x、y、z的值。

步骤三、将探针对着屠宰线上猪背部倒数3-4肋骨处偏离背中线6-7厘米处，推动探针刺入。此时，由于力的相互作用，挡板23在猪背部的力作用力下，向后移动，远离探针头2。同步带35在相对探针24的带动下，带动同步带轮37转动。然后带动传动齿轮33、32转动，编码器31获得脉冲个数N。

步骤四、在刺穿背部以后，抽回探针，此时在弹簧34的作用下，相对探针24回到初始位置，滑块42及滑轨42保证探针支架36平动及位置确定。

步骤五、在完成以上步骤后，将数据传送至PC上分析，处理，获得相应的厚度，当编码器开始工作的时候，单片机便开始获取数据，获取的数据包括，在T时刻获取光电编码器的计数个数N,PIN1光电检测器(13)的数据R1,PIN2光电检测器(14)的数据R2,得到一组数据A＝[R1,R2,N]。通过适当的采样频率，获取n组数据An＝[R1,R2,N]_n。获取每个点的反射度f_n＝R2/R1。建立新的数组，Bn＝[f,N]_n。计算平均反射度f_average:，去掉在空气中的数据：

其中，fa之前以及fb之后的数据由于是在空气中采集的，故而舍去，由于猪肉体内肥瘦肉的连续性，因此，光纤探头刚进入时候，获得反射度fa必然大于f_average，我们需要依次比较，知道第m个f小于f_average，则此时表明，探针开始进入瘦肉区域，由此知道[f_a，f₂,f₃,..f_m]>f_average,则通过计算,m到a之间脉冲个数差值Nm-Na获得此部分的长度h1，同样的方法计算瘦肉的长度h2。

将肥肉厚度为h1，瘦肉厚度为h2，代入总群体瘦肉率预测方程:

Y＝x+y*h1+z*h2

其中x,y,z参数的值可根据以步骤二中从数据库获取的数据。获得结果后，显示在显示器上，并存入数据库。

步骤六、判断是否需要测量下一头猪，是，转至步骤二，否，转制步骤七。

步骤七、关闭电源，清洗设备，保存，以备下次使用。

本发明的原理：采用流行的近红外光谱分析技术，利用肥肉和瘦肉组织成分的不同，如脂肪、水分和蛋白质等含量，选择特定波长的光源，由于这不同成分对光的反射度不同，且其含量比值对反射度的影响也较大，因此可以通过某一段波长对猪肉的反射度差异，来判断肉质。

信号的调制：选取一种LED作为光源，采取恒流驱动的方式，保证光源功率P保持不变，由于光反射的信号非常微弱，为避免其他信号的干扰，需要对信号进行调制，调制信号选择采用大于10⁴Hz的频率，通过调制以后的信号由光纤导入到被测物体。

光纤结构的设计：设计了如附图3的双光路光纤结构，其中LED作为光源，光通过光纤，其中，光路12将光源未经反射调制的光传递到探测器PIN1,此时获得光强为R1，而传递到被探测物，反射的光经过光路15传递到PIN2探测器获得光强R2，此时获得吸收值f＝R2/R1。这样的设计保证了反射值f的准确性，因为即使采取了恒流驱动，光源也会发生微小的信号变化，这种动态的测量，保证了即使光源发射信号微变，也能获取正确的值。

光电信号获取：由于反射回的信号属于微弱信号，为了去除掉噪声，前面在光源部分采取了调制的措施，在接收信号时，先通过放大器就行信号放大，然后，通过带通滤波器滤掉无用信号，再通过相敏检波器还原被调制的信号，再进行低通滤波器，最后将获取的信号转变成电压信号，从而完成整个信号获取流程。

为了获取刺入的深度以及瘦肉率，需要对刺入深度进行测量，所选择的方法是，将刺入探头连在位移传感器上，使用光电编码器，通过将直线运动转变成回转运动的装置，将刺入的深度h转变成光电编码器的脉冲信号N,通过对光电编码器信号的获取，便可获得深度。

数据处理：当采集位移信号的时候，同时采集光强信号，选择合适的采样频率，获得n组数据，即An＝[R1,R2,N]_n，对数据进行处理，计算吸收度f_n＝R2/R1，得到B_n＝[f，N]_n。

由于肥肉和瘦肉的光的吸收度不同，但即使同样是肥肉，其吸收度还会有微小的区别，不同种类的猪，其反射度也不同，因此必须找一个动态阈值，来作为区分标准，通过计算平均的吸收度。由于探针刚进入猪肉体内时，此时，光纤探头还未进入，此时的发射率为0，同样，当探头完全刺穿猪胴体时，此时探头也暴露在空气中，反射度也为0，此时为了计算，通常把那些反射度为0的数据去掉。假设n＝a时，f由0变大，n＝b时，f开始重新变为0。则在计算平均反射度时，需要去掉这样无用值。

由于肥肉的反射度比瘦肉的反射度高，通过计算其所有反射度的平均值，而获得一个阈值，当f>f_avarage,则表示这部分为肥肉，反之则为瘦肉。这样每次测量一头猪的时候，便可以准确获取数值。由于猪肉体内肥瘦肉的连续性，因此，假设f_a，f₂,f₃,..f_m>f_average,则通过计算,m到a之间脉冲个数差值Nm-Na获得此部分的长度h1，同样的方法计算瘦肉的长度h2。最后通过一个瘦肉率预测方程，将h1和h2代入其中，

Y＝x+y*h1+z*h2

其中，不同的猪种类，其参数x,y,z各不相同，其参数的确定由已知的研究中确定，可以在测量之前，确定猪只得品种，计算时，从数据库中调入相应的参数。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种便携式猪肉胴体瘦肉率测定仪，其特征在于：包含探针头，探针头固定在探针主体一端，探针主体固定在底座上，挡板垂直于探针头设置并且探针头滑动设置在挡板中间，探针支架套设在探针主体上并且能够沿着探针主体滑动，探针支架与挡板之间通过相对探针固定连接，同步带轮支架固定在底座一端，同步带轮转动设置在同步带轮支架上，同步带设置在同步带轮上并且同步带一端固定在探针支架一侧，同步带另一端设置在同步带卷绕盘上，同步带卷绕盘转动设置在编码器支架上并且设置有卷绕发条，编码器固定在编码器支架上，同步带卷绕盘一端设置有主动传动齿轮，编码器上设置有被动传动齿轮，主动传动齿轮和被动传动齿轮相互啮合，探针主体内设置有多路型光纤，探针主体端部侧面开有一个凹口，凹口内设置有石英玻璃，多路型光纤一端固定在石英玻璃上，多路型光纤另一端与LED光源连接，第一接收光纤一端与LED光源连接，第一接收光纤另一端与PIN1光电检测器连接，第二接收光纤一端与石英玻璃连接，第二接收光纤另一端与PIN2光电检测器连接，PIN1光电检测器和PIN2光电检测器与ARM处理器连接，电源模块用于给各部件供电。

2.按照权利要求1所述的一种便携式猪肉胴体瘦肉率测定仪，其特征在于：探针头与探针主体通过螺纹连接在一起，方便更换磨损探针头。

3.按照权利要求1所述的一种便携式猪肉胴体瘦肉率测定仪，其特征在于：所述探针支架一侧设置有滑片，底座上沿探针主体长度方向设置有滑轨，滑片下侧滑动设置在滑轨上。

4.按照权利要求1所述的一种便携式猪肉胴体瘦肉率测定仪，其特征在于：所述编码器支架外侧设置有前箱体，前箱体下端固定在底座上，前箱体一侧设置有挡板，挡板下端开有供探针主体和相对探针通过的凹口。

5.按照权利要求1所述的一种便携式猪肉胴体瘦肉率测定仪，其特征在于：所述ARM处理器与上位机连接，上位机设置有显示器和数据库，数据库中存有不同猪种的瘦肉率相关参数。

6.按照权利要求1所述的一种便携式猪肉胴体瘦肉率测定仪，其特征在于：所述LED光源波长范围为600nm～1000nm之间的某一段波长。

7.按照权利要求1所述的一种便携式猪肉胴体瘦肉率测定仪，其特征在于：所述编码器为增量式光电编码器。

8.一种权利要求1所述的便携式猪肉胴体瘦肉率测定仪的检测方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤一、接通电源，LED光源通电，预热10min；

步骤二、通过猪胴体的标签，获得猪的品种，从数据库获取预测方程的x,y,z参数的值；

步骤三、将探针对着屠宰线上猪背部倒数3-4肋骨处偏离背中线6-7厘米处，推动探针刺入直至刺穿，编码器获得脉冲个数N，抽回探针；

步骤四、将数据传送至上位机分析处理，获得相应的厚度，肥肉厚度为h1，瘦肉厚度为h2，代入总群体瘦肉率预测方程:Y＝x+y*h1+z*h2。

9.按照权利要求8所述的便携式猪肉胴体瘦肉率测定仪的检测方法，其特征在于：所述相应的厚度获取方法为，当编码器开始工作的时候，单片机开始获取数据，在T时刻获取光电编码器的计数个数N,PIN1光电检测器的数据R1,PIN2光电检测器的数据R2,得到一组数据A＝[R1,R2,N]，以采样频率n，获取n组数据An＝[R1,R2,N]_n，获取每个点的反射度f_n＝R2/R1，建立新的数组，Bn＝[f,N]_n，计算平均反射度f_average，去掉在空气中的数据：其中，fa之前以及fb之后的数据由于是在空气中采集的，故而舍去，由于猪肉体内肥瘦肉的连续性，因此，光纤探头刚进入时候，获得反射度fa必然大于f_average，我们需要依次比较，直到第m个f小于f_average，则此时表明，探针开始进入瘦肉区域，由此知道[f_a，f₂,f₃,…, f_m]>f_average,则通过计算,m到a之间脉冲个数差值Nm-Na获得此部分的肥肉厚度h1，同样的方法计算瘦肉的瘦肉厚度h2。