CN1789992A - 电磁波共振腔无损检测鸡蛋新鲜度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种电磁波技术在无损检测禽蛋质量上的应用。本发明所述方法所使用的装置包括金属共振腔、重量传感器、传送带和计算机，该方法包括以下步骤：(一)、事先对不同重量和不同新鲜度的鸡蛋进入共振腔内的频偏Δf与电磁波信号的衰减进行测量，列表存入计算机，完成定标校准过程；(二)、让需检测的鸡蛋依次进入共振腔，在取样时刻计算机读取鸡蛋引起的瞬时频偏Δf、电磁波信号的衰减和重量，经查表等处理后即可显示该时刻传送带上该鸡蛋的新鲜度。本发明灵敏度高，测量准确。本发明可适用于所有禽蛋新鲜度的检测。

Description

电磁波共振腔无损检测鸡蛋新鲜度的方法

技术领域

本发明涉及到一种电磁波技术在无损检测禽蛋质量上的应用。

背景技术

目前，在贸易网中大都使用感官和物理方法对鸡蛋品质进行鉴别和分级，只要鸡蛋不是劣质蛋，均可投放到市场上。对少数农村养鸡户来说，可用这种方法粗略地对鸡蛋进行鉴别和分级；但对大批量生产来说，用这些方法劳动强度大，分级精度低，而且检测结果缺乏客观性。

最近，又报道了几种无损检测鸡蛋品质的方法。声学冲击法：其原理是根据敲击鸡蛋所产生的声脉冲振动，做频谱分析来检测鸡蛋的裂纹，好壳蛋检测准确率为85％，这种方法的缺点是只能检测蛋壳的好坏。光学法：其原理是利用光的透射、折射和反射现象与鸡蛋的内部品质建立一种关系，通过数学模型建立其检测鸡蛋品质的方法。其新鲜度分级准确率可达95％以上。这种方法的缺点是成本高，且测量结果受蛋壳颜色和内部组成成分的影响。动力学法：其原理是利用对鸡蛋的冲击或振动特征与鸡蛋的品质建立起两者之间的相关性。例如，Coucke研究了以无破坏性冲击鸡蛋的振动频率来设定蛋壳特性，描述了在最低响应频率时的三维振动模型，并分析了蛋壳指标与动态硬度值之间的相关性，这种方法的缺点是难以实现鸡蛋新鲜度的无损检测。电学法：其原理是利用鸡蛋电导率的差异，建立相关的模型来检测鸡蛋的品质。例如，刘熙等人对不同新鲜度的鸡蛋进行了PH值、TVBN和电导率的检测，结果表明随着鸡蛋新鲜度的降低，鸡蛋的电导率呈下降趋势。这种方法的缺点是难实现快速无损检测。微波传输反射法：其原理是利用微波的透射和反射现象与鸡蛋的内部品质建立数学模型来检测鸡蛋的新鲜度。例如，Volgyi报道了在14.2GHz微波辐射下鸡蛋的反射实验，结果表明反射信号随时间的变化规律为-1dB/30天。这种方法的缺点是灵敏度低。

同一发明人的专利号为02125071.5的中国专利公开了一种“超高频谐振腔连续测量松散物料流量的方法”，系涉及一种谐振装置，特别是一种超高频谐振装置用于对松散物料(介质)的流量进行连续测量的方法，但该方法仅研究了松散物料流经谐振腔的频偏Δf信息，不能由此计算出物料的水分含量。

同一发明人的申请号为200410040027.X的中国专利公开了“一种物质成分和含量的检测方法”，系涉及一种电磁波谱技术在识别物质成分和含量上的应用。该方法的核心是考虑了物质的弛豫特性，能识别物质的成分和含量。但该方法复杂，对鸡蛋而言不能通过升温获得其电磁波谱特性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种快速、易调整、免维护、重复性好和准确的检测鸡蛋新鲜度的方法，即用电磁波共振腔无损检测鸡蛋新鲜度的方法。

由电磁场理论可知，对于图1所示的中间填充了物质的圆柱形E₀₁₀模金属共振腔，其场分量为：

H_θ＝[AJ₁(βr)+BY₁(βr)]e^jωt

$E_z=-j\sqrt{\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\ϵ}}}[A{J}_0\left(\mathrm{\βr}\right)+B{Y}_0\left(\mathrm{\βr}\right)]e^{\mathrm{j\ωt}}$

上式中，A、B和 $\mathrm{\β}=\sqrt{\mathrm{\ϵ\μ}}\·\mathrm{\ω}$ 分别是腔内a、b、c区的相应值。利用边界条件可得：

A_aJ₀(β_aa)+B_aY₀(β_aa)＝0

A_aJ₁(β_ab)+B_aY₁(β_ab)-A_bJ₁(β_bb)-B_bY₁(β_bb)＝0

$\frac{A_a}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_a}}{J}_0\left({\mathrm{\β}}_{a}b\right)+\frac{B_a}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_a}}{Y}_0\left({\mathrm{\β}}_{a}b\right)-\frac{A_b}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_b}}{J}_0\left({\mathrm{\β}}_{b}b\right)-\frac{B_b}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_b}}{Y}_0\left({\mathrm{\β}}_{b}b\right)=0$

A_bJ₁(β_bc)+B_bY₁(β_bc)-A_cJ₁(β_cc)＝0

$\frac{A_b}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_b}}{J}_0\left({\mathrm{\β}}_{b}c\right)+\frac{B_b}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_b}}{Y}_0\left({\mathrm{\β}}_{b}c\right)-\frac{A_c}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_c}}{J}_0\left({\mathrm{\β}}_{c}c\right)=0$

上式中， ${\mathrm{\β}}_a=\mathrm{\ω}\sqrt{{\mathrm{\μ}}_a{\mathrm{\ϵ}}_a},{\mathrm{\β}}_b=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_b}{{\mathrm{\ϵ}}_a}}{\mathrm{\β}}_a,{\mathrm{\β}}_c=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_c}{{\mathrm{\ϵ}}_a}}{\mathrm{\β}}_a$

定义M₁＝J₀(β_bb)Y₁(β_bc)-J₁(β_bc)Y₀(β_bb)

    M₂＝J₁(β_bb)Y₁(β_bc)-J₁(β_bc)Y₁(β_bb)

    M₃＝J₀(β_bb)Y₀(β_bc)-J₀(β_bc)Y₀(β_bb)

    M₄＝J₁(β_bb)Y₀(β_bc)-J₀(β_bc)Y₁(β_bb)

$M=\frac{Y_1\left({\mathrm{\β}}_{a}b\right)/J_1\left({\mathrm{\β}}_{a}b\right)-Y_0\left({\mathrm{\β}}_{a}a\right)/J_0\left({\mathrm{\β}}_{a}a\right)}{Y_0\left({\mathrm{\β}}_{a}b\right)/J_0\left({\mathrm{\β}}_{a}b\right)-Y_0\left({\mathrm{\β}}_{a}b\right)/J_0\left({\mathrm{\β}}_{a}a\right)}$

$=1+\frac{1}{F}\·\frac{a}{b}\·\frac{J_0\left({\mathrm{\β}}_{a}a\right)}{J_1\left({\mathrm{\β}}_{a}a\right)}$

$F=[Y_0\left({\mathrm{\β}}_{a}a\right)J_0\left({\mathrm{\β}}_{a}b\right)-Y_0\left({\mathrm{\β}}_{a}b\right)J_0\left({\mathrm{\β}}_{a}a\right)]\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{\β}}_{a}a}{2}$

利用上述方程简化后得：

$\frac{{\mathrm{\ϵ}}_c}{{\mathrm{\ϵ}}_a}=\frac{\frac{b^2}{c^2}[1+\frac{{\left({\mathrm{\β}}_{a}b\right)}^2}{8}][M-M_b(1-\frac{{\left({\mathrm{\β}}_{a}b\right)}^2}{8})]}{1+\frac{{\left({\mathrm{\β}}_{a}b\right)}^2}{8}[M-M_b]}$

$Q_1=Q_0\frac{[\frac{a^2}{c^2{F}_b^2}+\frac{b^2}{c^2}(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_b}{{\mathrm{\ϵ}}_a}-1)][1-2{\mathrm{\β}}_c(b-c)\frac{J_1\left({\mathrm{\β}}_{c}c\right)}{J_0\left({\mathrm{\β}}_{c}c\right)}]+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_c-{\mathrm{\ϵ}}_b}{{\mathrm{\ϵ}}_a}}{\frac{a}{a+l}\sqrt{\frac{f_0}{f_1}}[\frac{a(a+l)}{l^2{F}_b^2}+\frac{b^2}{c^2}\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_b-1}{{\mathrm{\ϵ}}_a}\right)][1-2{\mathrm{\β}}_b(b-c)\frac{J_1\left({\mathrm{\β}}_{c}c\right)}{J_0\left({\mathrm{\β}}_{c}c\right)}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_c-{\mathrm{\ϵ}}_b}{{\mathrm{\ϵ}}_a}]}$

$+2Q_0^2\frac{b-c}{c}\frac{{\mathrm{\ϵ}}_b}{{\mathrm{\ϵ}}_a}\mathrm{tg}{\mathrm{\δ}}_b$

由上式可见，仅需测量出样品进入共振腔前后的频偏Δf＝f₁-f₀和电磁波信号的衰减，即可反演出样品的介电常数ε_c。

分析鸡蛋的介电特性可知，鸡蛋的主要成份为蛋白质、脂肪和水。鸡蛋的新鲜度与其水分含量、蛋白质和脂肪品质有关。由于水的介电常数远大于蛋白质和脂肪的介电常数，鸡蛋内水含量对电磁波的影响极大。因此，本发明介绍的电磁波共振腔无损检测鸡蛋新鲜度的方法具有重复性好、易调整、免维护、能快速和准确地检测鸡蛋的新鲜度。

实验结果：

在图2所示的实验条件和25℃的室内环境下，用昆明金汇通无线与微波技术研究所开发的电磁波波谱仪测量结果见图3所示。电磁波信号的衰减与鸡蛋储存时间的关系见图4，电磁波信号的频率与鸡蛋储存时间的关系见图5。以上实验结果与理论分析一致。

另一方面，不同新鲜度鸡蛋引起的金属共振腔的频偏Δf和电磁波信号的衰减不仅与鸡蛋的重量有关，还与温度有关。因此，必须对测量系统进行恒温，恒温后才能用于测量鸡蛋的新鲜度。为此，再增加实时连续测量鸡蛋重量的电子秤和恒温装置后即可连续测量鸡蛋的新鲜度。校准定标过程如下：将不同重量、相同新鲜度的鸡蛋送入共振腔，同时测量共振腔的瞬时频偏Δf和电磁波信号的衰减，列表存入计算机；将相同重量、不同新鲜度的鸡蛋送入共振腔，同时测量共振腔的共振频偏Δf和电磁波信号的衰减，列表存入计算机，完成定标校准过程。正常使用时，在取样时刻计算机从USB接口读取鸡蛋进入圆柱形金属共振腔后产生的瞬时频偏Δf、电磁波信号的衰减和重量，经查表等处理后即可显示该时刻共振腔内鸡蛋的新鲜度。

本发明所述的电磁波共振腔无损检测鸡蛋新鲜度的方法所使用的装置包括金属共振腔、重量传感器、传送带和计算机，所述的金属共振腔为被电磁波激励的、恒温的金属共振腔，所述的传送带通过金属共振腔，重量传感器的一端与传送带连接，另一端与计算机连接，重量传感器用于称量进入金属共振腔的一个鸡蛋的重量，该方法包括以下步骤：

(一)、事先对不同重量和不同新鲜度的鸡蛋进入共振腔内的频偏Δf与电磁波信号的衰减进行测量列表存入计算机，完成定标校准过程；

(二)、让需检测的鸡蛋依次进入共振腔，在取样时刻计算机读取鸡蛋引起的瞬时频偏Δf、电磁波信号的衰减和重量，经查表等处理后即可显示该时刻传送带上该鸡蛋的新鲜度。

本发明是提供一个电磁波与鸡蛋的强相互作用区，即金属共振腔，采用分布参数谐振腔会使检测精度更高。所述的金属共振腔可以是开放式的，也可以是封闭式的，其形状可为多种形状，如：圆柱形、方形、平面形等；当金属共振腔为封闭时，腔壁上应有开口，让传送带从中穿过；当共振腔为开放时，传送带应靠近共振腔，其距离应小于激励的共振腔的电磁波的一个波长；所述的传送带不吸收电磁波。一般说来，被检物品单个进入共振腔，检测较为简单。

根据上面的方法，本专业的普通技术人员就可以实施本发明技术，实现发明目的。

本发明的优点：

与光学法比较，本发明测量稳定性好、易调整、免维护，并且测量结果不受蛋壳颜色的影响；与电学法相比，本发明易于快速实现鸡蛋的新鲜度检测；与微波传输反射法比较，本发明灵敏度高，测量准确。本发明可适用于所有禽蛋新鲜度的检测。

附图说明

图1为圆柱形金属共振腔及其坐标系。

图2为内设置传送带的圆柱形金属共振腔。

图3为在图2所示实验条件下测量的不同新鲜度鸡蛋的电磁波波谱图。

图4为鸡蛋储存时间与电磁波信号衰减的关系图。

图5为鸡蛋储存时间与电磁波共振腔频偏Δf的关系图。

图6为实施例中的装置结构示意图。

图7为实施例中的电路方框图。

图中：1-待检测鸡蛋，2-传送带，3-金属共振腔，4-电磁波耦合器装置，5-孔，6-发射系统，7-接口，8-接收系统，9-计算机，10-重量传感器。

具体实施方式

实施例：如图6、图7所示。

本实施例采用圆柱形金属共振腔3，其高度为20mm，直径为300mm，材质为黄铜，传送带2材质为聚四氟乙烯，金属共振腔3的腔壁上有60×60mm的中心方孔5，传送带2穿过其中心方孔5，直径3mm、长为10mm的电磁波耦合器装置4用于耦合发生电磁波，电磁波由扫频电路产生，通过耦合装置馈送到共振腔；6为电磁波发射系统，由扫频电路组成，用于产生电磁波；7为接口电路，分别用于将计算机与发射系统连接、将接收系统与计算机连接和称重装置与计算机连接；8为接收系统，由检波放大电路和DSP组成；9为计算机；称重系统10为电子秤；中空心箭头表示传送带运动方向。

待检测的鸡蛋1排列在传送带2上，依次通过圆柱形金属共振腔3，从计算机USB口读出鸡蛋进入共振器时的频偏Δf和电磁波信号的衰减。

该实施例中，电磁波共振电路含有电磁波共振腔、扫频电路、检波器、放大器和DSP。

以上实例仅对发明做进一步的说明，而本发明的范围不受所举实施例的局限。

Claims (5)

1、一种电磁波共振腔无损检测鸡蛋新鲜度的方法，其特征在于所使用的装置包括金属共振腔、重量传感器、传送带和计算机，所述的金属共振腔为被电磁波激励的、恒温的金属共振腔，所述的传送带通过金属共振腔，所述的重量传感器的一端与传送带连接，另一端与计算机连接，重量传感器用于称量进入金属共振腔的一个鸡蛋的重量，该方法包括以下步骤：

(一)、事先对不同重量和不同新鲜度的鸡蛋进入共振腔内的频偏Δf与电磁波信号的衰减进行测量，列表存入计算机，完成定标校准过程；

(二)、让需检测的鸡蛋依次进入共振腔，在取样时刻计算机读取鸡蛋引起的瞬时频偏Δf、电磁波信号的衰减和重量，经查表等处理后即可显示该时刻传送带上该鸡蛋的新鲜度。

2、如权利要求1所述的电磁波共振腔无损检测鸡蛋新鲜度的方法，其特征在于所述的金属共振腔是分布参数谐振腔。

3、如权利要求1或2所述的电磁波共振腔无损检测鸡蛋新鲜度的方法，其特征在于所述的金属共振腔是开放式的，所述的传送带靠近共振腔，其距离小于激励的共振腔的电磁波的一个波长。

4、如权利要求1或2所述的电磁波共振腔无损检测鸡蛋新鲜度的方法，其特征在于所述的金属共振腔是封闭式的，其腔壁上有开口，所述的传送带从中穿过。

5、如权利要求1所述的电磁波共振腔无损检测鸡蛋新鲜度的方法，其特征在于所述的传送带不吸收电磁波。

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