CN115128016A - 一种小型化白酒检测仪及白酒年份测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化白酒检测仪及白酒年份测定方法，属于光谱检测设备技术领域。所述白酒检测仪包括：光源、分束镜、激发单色仪、恒温样品室、光纤、发射单色仪、荧光接收器，通过光源强度监控校正模块，实现对光致发光谱强度的实时校正，避免光源强度的波动对三维荧光光谱带来的影响；并且对检测仪中多个单元的工作进行中央控制，不仅可以减少人工操作，实现智能化采集白酒的三维荧光光谱，且能够保证采集光谱的可靠性，保证年份预测的准确度。本发明不仅降低了仪器制备成本，且测量时间短，可以降低白酒因贮存过程中的理化反应导致的测定结果误差，具有很高的年份预测准确率。

Description

一种小型化白酒检测仪及白酒年份测定方法

技术领域

本发明涉及一种小型化白酒检测仪及白酒年份测定方法，属于光谱检测设备技术领域。

背景技术

白酒是中国传统蒸馏酒的统称，在我国已有数千年的发展历史。白酒的主要成分是水和乙醇，此外还有数百种有机物质，这些有机物质共同影响着白酒的风味和香型，但总量仅占白酒总体积的1～3％。白酒年份酒指的是若干种经过贮存三年及以上的白酒基酒，不加入任何呈色香味物质的条件下，混合而成的中高端白酒。根据中国酒业协会发布的白酒年份酒团体标准(T/CBJ 2101-2019)，白酒年份酒的年份标注为所用主体基酒的加权平均酒龄。但白酒年份酒发展时间相对较短，市场上存在年份标注混乱、以低年份基酒冒充高年份基酒的现象。

目前对白酒年份的鉴别通过气相色谱、稳定同位素质谱法、三维荧光光谱法、拉曼光谱法等。但这些方法所需仪器昂贵、需要专业人员操作，不利于推广使用，限制了食品检测领域的发展。

这些方法中的光谱法具有检测灵敏度高、选择性好、样品预处理简单的特点，且光谱法中的三维荧光光谱法可应用于多组分的混合物同时测量分析，适用于白酒的分析，但传统商用仪器测量三维荧光光谱时间较长。因此基于三维荧光光谱法建立的白酒检测方法很难应对白酒在贮存过程中，发生理化反应导致的光谱变化的问题。使用光谱法进行白酒年份酒的检测，需降低检测仪器的制造成本和光谱测量时间。本专利基于荧光光谱技术，通过建立白酒专用检测仪器和建立白酒年份酒的年份测定方法，有助于规范白酒品质、促进行业发展。

发明内容

为了解决目前使用光谱法进行白酒年份酒的检测存在的仪器成本高、测量时间长导致测定误差大的问题，本发明提供了一种小型化白酒检测仪及白酒年份测定方法，所述技术方案如下：

本发明的第一个目的在于提供一种白酒检测仪，包括：光源、分束镜、激发单色仪、恒温样品室、光纤、发射单色仪、荧光接收器和光源强度监控校准模块；

所述分束镜将所述光源射出的光线分为两束，其中一束作为激发光束进入所述激发单色仪，另一束作为参考光束进入所述光源强度监控校准模块；

所述激发光束经过所述激发单色仪，以单色光出射并进入所述恒温样品室中，激励白酒样品光致发光，所述光致发光通过所述光纤进入所述发射单色仪，再经过光栅分光后射出，被所述荧光接收器接收，所述荧光接收器输出白酒样品的荧光光谱；

所述光源强度监控校准模块根据所述参考光束，对所述白酒样品的荧光光谱进行光源校正，以排除光源强度的干扰，校正后白酒样品的荧光光谱为：

F'_λ＝F_λ/V

其中，F_λ为所述荧光接收器输出的白酒样品的荧光光谱，V为所述参考光束转化而成的电压信号。

可选的，所述光源强度监控校准模块包括：光电探测器、模数转换器和计算机；

所述参考光束由所述光电探测器接收，并经过所述模数转换器转化为电压信号V，所述计算机上设有检测仪控制软件，分别与所述模数转换器和所述荧光接收器连接，以接收所述电压信号V和白酒样品的三维荧光光谱，并进行计算校正；

所述检测仪控制软件还分别与所述激发单色仪和所述发射单色仪连接，用于控制所述激发单色仪和发射单色仪中的光栅角度，以调整激发光和发射光的波长。

可选的，所述激发单色仪包括：准直球面镜、平面反射镜、分光光栅和聚焦球面镜；

所述激发光束经过所述准直球面镜和平面反射镜调整光束和传播方向后，射到所述分光光栅上进行分光，分光后再通过所述聚焦球面镜会聚后，以单色光从所述激发单色仪中出射。

可选的，所述恒温样品室包括：恒温样品池和位于所述恒温样品池底部的温控台；

所述恒温样品池中间的位置设有盛放比色皿的凹槽，并在光线传播高度上四周开孔；

所述温控台对所述恒温样品池进行加热并控制温度。

可选的，所述荧光接收器为CCD线性阵列探测器。

可选的，所述光源为氙灯光源。

可选的，所述光纤的数值孔径为0.13，纤芯直径为600μm。

本发明的第二个目的在于提供一种白酒年份酒的年份测定方法，采用上述的白酒检测仪得到白酒年份酒的三维荧光光谱，包括：

步骤1：将待测定的白酒年份酒样品放入恒温样品室中，开启光源，光源的出射光束经过分束镜分为参考光束和激发光束，所述参考光束依次进入光电探测器和模数转换器，所述激发光束经过激发单色仪后进入恒温样品室，激发样品光致发光，所述光致发光通过光纤进入发射单色仪，再经过光栅分光后射出，被所述荧光接收器接收；

步骤2：通过白酒检测仪的控制软件调整激发单色仪和发射单色仪中的光栅转角，从而调整激发波长和发射波长；

步骤3：控制软件接收所述荧光接收器输出的不同波长激发光下的白酒年份酒荧光光谱和所述模数转换器的输出的参考光束的电压信号，并根据所述电压信号对荧光光谱作光源强度校正，共同组成校正后的白酒年份酒三维荧光光谱；

步骤4：计算所述校正后的白酒年份酒三维荧光光谱与基酒三维荧光光谱的相似度；

步骤5：根据所述三维荧光光谱的相似度，利用年份测定函数，计算得出所述待测定的白酒年份酒的年份。

可选的，所述年份测定函数的建立过程包括：

计算年份已知的白酒年份酒与白酒基酒的三维荧光光谱相似度S，线性拟合所述三维荧光光谱相似度S与白酒年份酒的年份，得到所述年份测定函数。

可选的，所述三维荧光光谱相似度S为：

其中，Ω是积分区域，f₁(x,y)和f₂(x,y)分别为平滑后的白酒年份酒和白酒基酒的三维荧光光谱，计算公式为：

其中，三维荧光光谱中包含了大量了三元组数据，可以写成(x_i,y_i,z_i)，i＝1,2,3…N，Z_i是三维荧光光谱中三元组数据的荧光强度，N是三维荧光光谱中三元组数量，x是发射波长，y是激发波长，x_i是三维荧光光谱中三元组数据的发射波长，y_i是三维荧光光谱中三元组数据的激发波长。

本发明有益效果是：

本发明的白酒年份酒检测仪，设计了光源强度监控校正模块，通过双光路校正模式，实现对光致发光谱强度的实时校正，避免光源强度的波动对三维荧光光谱带来的影响；并且设计了检测仪控制软件，对检测仪中多个单元的工作进行中央控制，不仅可以减少人工操作，实现智能化采集白酒的三维荧光光谱，且能够保证采集光谱的可靠性，保证年份预测的准确度。

本发明的白酒年份酒检测仪和年份测定方法，所采用的部件造价低，不仅降低了仪器制备成本，且测量时间短，年份测定函数建立简单，可以降低白酒因贮存过程中的理化反应导致的测定结果误差。经过仿真证明，本发明测定白酒的年份具有很高的准确率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种白酒检测仪的光路示意图。

图2是本发明白酒检测仪的控制软件界面图。

图3是本发明光源强度监控校正前后的白酒光致发光谱图。

图4为某品牌白酒年份酒的测定函数曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一：

本实施例提供一种白酒检测仪，包括：光源、分束镜、激发单色仪、恒温样品室、光纤、发射单色仪、荧光接收器和光源强度监控校准模块；

所述分束镜将所述光源射出的光线分为两束，其中一束作为激发光束进入所述激发单色仪，另一束作为参考光束进入所述光源强度监控校准模块；

所述激发光束经过所述激发单色仪，以单色光出射并进入所述恒温样品室中，激励白酒样品光致发光，所述光致发光通过所述光纤进入所述发射单色仪，再经过光栅分光后射出，被所述荧光接收器接收，所述荧光接收器输出白酒样品的荧光光谱；

所述光源强度监控校准模块根据所述参考光束，对所述白酒样品的荧光光谱进行光源校正，以排除光源强度的干扰，校正后白酒样品的荧光光谱为：

F'_λ＝F_λ/V

其中，F_λ为所述荧光接收器输出的白酒样品的维荧光光谱，V为所述参考光束转化而成的电压信号。

实施例二：

本实施例提供一种白酒检测仪，包括：氙灯光源、分束镜、光电探测器、模数转换器、计算机、激发单色仪、恒温样品室、发射单色仪、CCD线阵探测器。

氙灯光源发出的光经过两个凸透镜转为较为均匀的近平行光进行空间传输，再经过聚焦透镜会聚后传输，通过分束镜将光源出射光分为传播方向相互垂直的两束光，分光比例为17:3或其他任意比例，视情况而定。较强的一束作为激发光，进入激发单色仪中，经过准直球面镜和平面反射镜调整光束和传播方向后，打到分光光栅上进行分光，分光后再通过聚焦球面镜会聚后，以单色光从激发单色仪中出射。较弱的一束，入射到光电探测器的感光面板上，再通过模数转换器转为电压值记录V。

从激发单色仪出射的单色光经过凸透镜会聚后，传播至恒温样品室，恒温样品室包括：恒温样品池和温控台。恒温样品池由铜制成，便于热传导，并在光线传播高度上四周开孔，用于盛放外观尺寸为12.5mm×12.5mm×45mm的石英比色皿。恒温样品池通过螺丝固定在温控台上，设置温控台的表面温度，等待一段时间后，样品池的温度波动控制在设置温度上下0.5℃范围内，光线通过恒温样品池后的开孔出射。

激发光经过恒温样品池后激发样品的荧光，在与激发光传播方向垂直的方向上，使用数值孔径为0.13，纤芯直径为600μm的光纤采集荧光后，传输进发射单色仪中，再经过光栅分光后射出，被CCD线阵探测器接收，记录为F(λ)。

在检测仪控制软件中对F(λ)校正处理，校正后的光谱为F'(λ)＝F(λ)/V。

光源强度监控校正的效果如图3所示，不同强度的光源强度下测量得到的白酒荧光光谱，经过校正后，强度偏差不超过1.5％。

根据光栅公式d(sinθ₁+sinθ₂)＝mλ可知，当光栅常数d与光栅衍射的条纹级次m已经确定的情况下，衍射光波长λ与入射角θ₁和衍射角θ₂之间存在对应关系。由于光线进入激发单色仪中传播，入射方向和出射方向已定，所以θ₁和θ₂之和为定值，通过如图2所示的控制软件调整光栅转角，即可输出不同波长的单色光。

通过检测仪的控制软件发送指令给激发单色仪，调整出射波长，使激发光以不同波长的单色光出射并激发样品的荧光，CCD阵列采集到不同波长激发光下白酒样品发出的荧光强度分布F(λ)，通过检测仪的控制软件进行强度校正处理，并共同组成校正后的白酒三维荧光光谱，并输出保存。

实施例三：

本实施例提供一种白酒年份酒的年份测定方法，其特征在于，采用实施例二记载的白酒检测仪得到白酒年份酒的三维荧光光谱，包括以下步骤：

步骤1：将待测定的白酒年份酒样品放入恒温样品室中，开启光源，光源的出射光束经过分束镜分为参考光束和激发光束，所述参考光束依次进入光电探测器和模数转换器，所述激发光束经过激发单色仪后进入恒温样品室，激发样品光致发光，所述光致发光通过光纤进入发射单色仪，再经过光栅分光后射出，被CCD线阵探测器接收；

步骤2：通过白酒检测仪的控制软件调整激发单色仪和发射单色仪中的光栅转角，从而调整激发波长和发射波长；

步骤3：控制软件接收所述荧光接收器输出的不同波长激发光下的白酒年份酒荧光光谱和所述模数转换器的输出的参考光束的电压信号，并根据所述电压信号对荧光光谱作光源强度校正，共同组成校正后的白酒年份酒三维荧光光谱；

步骤4：计算所述校正后的白酒年份酒三维荧光光谱与基酒三维荧光光谱的相似度，计算公式为：

其中，f₁(x,y)和f₂(x,y)分别为平滑后的白酒年份酒和白酒基酒的三维荧光光谱，计算公式为：

其中，三维荧光光谱中包含了大量了三元组数据，可以写成(x_i,y_i,z_i)，i＝1,2,3…N，Z_i是三维荧光光谱中三元组数据的荧光强度，N是三维荧光光谱中三元组数量，x是发射波长，y是激发波长，x_i是三维荧光光谱中三元组数据的发射波长，y_i是三维荧光光谱中三元组数据的激发波长。

步骤5：根据所述三维荧光光谱的相似度，利用年份测定函数，计算得出所述待测定的白酒年份酒的年份。

所述年份测定函数的建立过程包括：

计算年份已知的白酒年份酒与白酒基酒的三维荧光光谱相似度S，线性拟合所述三维荧光光谱相似度S与白酒年份酒的年份，得到年份测定函数。

白酒年份酒的年份与几种白酒基酒的配制比例有关，其年份为几种白酒基酒的加权平均酒龄，计算公式为：

其中Y₁、Y₂、Y₃分别表示三种基酒的酒龄，

表示三种基酒的体积分数。

线性拟合白酒年份酒与基酒的相似度S与白酒年份酒的年份Y，可以得到该品牌白酒的年份测定函数。

某品牌白酒的年份测定函数如图4所示，通过线性拟合，相关系数高达0.99。通过实施例二记载的白酒检测仪测量该品牌未知年份酒样的三维荧光光谱，计算其与高年份基酒的光谱相似度S带入年份测定函数中，计算得到其年份Y，该品牌白酒的年份预测结果如表1所示：

表1某品牌白酒的年份预测结果

从表1中可以看出，本实施例的小型化白酒检测仪和利用该检测仪进行年份测定的方法的检测误差均在1年以内，大部分在0.5年之内，因此年份预测的准确率非常高，可有效地应用于年份酒的年份检测中。

本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种白酒检测仪，其特征在于，所述白酒检测仪包括：光源、分束镜、激发单色仪、恒温样品室、光纤、发射单色仪、荧光接收器和光源强度监控校准模块；

所述分束镜将所述光源射出的光线分为传播方向相互垂直的两束，其中一束作为激发光束进入所述激发单色仪，另一束作为参考光束进入所述光源强度监控校准模块；

所述激发光束经过所述激发单色仪，以单色光出射并进入所述恒温样品室中，激励白酒样品光致发光，所述光致发光通过所述光纤进入所述发射单色仪，再经过光栅分光后射出，被所述荧光接收器接收，所述荧光接收器输出白酒样品的荧光光谱；

所述光源强度监控校准模块根据所述参考光束，对所述白酒样品的荧光光谱进行光源校正，以排除光源强度的干扰，校正后白酒样品的荧光光谱为：

F'_λ＝F_λ/V

其中，F_λ为所述荧光接收器输出的白酒样品的荧光光谱，V为所述参考光束转化而成的电压信号。

2.根据权利要求1所述的白酒检测仪，其特征在于，所述光源强度监控校准模块包括：光电探测器、模数转换器和计算机；

所述参考光束由所述光电探测器接收，并经过所述模数转换器转化为电压信号V，所述计算机上设有检测仪控制软件，分别与所述模数转换器和所述荧光接收器连接，以接收所述电压信号V和白酒样品的荧光光谱，并进行计算校正；

所述检测仪控制软件还分别与所述激发单色仪和所述发射单色仪连接，用于控制所述激发单色仪和发射单色仪中的光栅角度，以调整激发光和发射光的波长。

3.根据权利要求1所述的白酒检测仪，其特征在于，所述激发单色仪包括：准直球面镜、平面反射镜、分光光栅和聚焦球面镜；

所述激发光束经过所述准直球面镜和平面反射镜调整光束和传播方向后，射到所述分光光栅上进行分光，分光后再通过所述聚焦球面镜会聚后，以单色光从所述激发单色仪中出射。

4.根据权利要求1所述的白酒检测仪，其特征在于，所述恒温样品室包括：恒温样品池和位于所述恒温样品池底部的温控台；

所述恒温样品池中间的位置设有盛放比色皿的凹槽，并在光线传播高度上四周开孔；

所述温控台对所述恒温样品池进行加热并控制温度。

5.根据权利要求1所述的白酒检测仪，其特征在于，所述荧光接收器为CCD线性阵列探测器。

6.根据权利要求1所述的白酒检测仪，其特征在于，所述光源为氙灯光源。

7.根据权利要求1所述的白酒检测仪，其特征在于，所述光纤的数值孔径为0.13，纤芯直径为600μm。

8.一种白酒年份酒的年份测定方法，其特征在于，采用权利要求2-7任一项所述的白酒检测仪得到白酒年份酒的三维荧光光谱，包括：

步骤1：将待测定的白酒年份酒样品放入恒温样品室中，开启光源，光源的出射光束经过分束镜分为参考光束和激发光束，所述参考光束依次进入光电探测器和模数转换器，所述激发光束经过激发单色仪后进入恒温样品室，激发样品光致发光，所述光致发光通过光纤进入发射单色仪，再经过光栅分光后射出，被所述荧光接收器接收；

步骤2：通过白酒检测仪的控制软件调整激发单色仪和发射单色仪中的光栅转角，从而调整激发波长和发射波长；

步骤3：控制软件接收所述荧光接收器输出的不同波长激发光下的白酒年份酒荧光光谱和所述模数转换器的输出的参考光束的电压信号，并根据所述电压信号对荧光光谱作光源强度校正，共同组成校正后的白酒年份酒三维荧光光谱；

步骤4：计算所述校正后的白酒年份酒三维荧光光谱与基酒三维荧光光谱的相似度；

步骤5：根据所述三维荧光光谱的相似度，利用年份测定函数，计算得出所述待测定的白酒年份酒的年份。

9.根据权利要求8所述的白酒年份酒的年份测定方法，其特征在于，所述年份测定函数的建立过程包括：

计算年份已知的白酒年份酒与白酒基酒的三维荧光光谱相似度S，线性拟合所述三维荧光光谱相似度S与白酒年份酒的年份，得到所述年份测定函数。

10.根据权利要求9所述的白酒年份酒的年份测定方法，其特征在于，所述三维荧光光谱相似度S为：

其中，Ω是积分区域，f₁(x,y)和f₂(x,y)分别为平滑后的白酒年份酒和白酒基酒的三维荧光光谱，计算公式为：

其中，三维荧光光谱中包含了大量了三元组数据，表示为(x_i,y_i,z_i)，i＝1,2,3…N，Z_i是三维荧光光谱中三元组数据的荧光强度，N是三维荧光光谱中三元组数量，x是发射波长，y是激发波长，x_i是三维荧光光谱中三元组数据的发射波长，y_i是三维荧光光谱中三元组数据的激发波长。

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