基于光电技术的典型乳状液体成分含量测量方法研究

摘要

乳状液体通常指的是由两种或两种以上的液体或固状物所组成的乳白色混合物,比如天然浓缩胶乳就是一种乳状液体。天然浓缩胶乳是从含胶植物中提取并浓缩出来,由其制成的橡胶是与钢铁、石油和煤炭齐名的四大工业原料,而天然浓缩胶乳中干胶含量是决定其质量和价格的关键因素。牛奶也是一种典型的乳状液体,除含有大量水分外牛奶中还含有蛋白质、脂肪、碳水化合物等,其中脂肪含量与牛奶的质量密切相关。天然浓缩胶乳中干胶含量和牛奶中脂肪含量的测定对指导它们的生产、加工、使用等方面都具有重要意义。
　　 本文以天然浓缩胶乳和牛奶等乳状液体作为研究对象,提出并研究一种基于光电技术的乳状液体成分含量测量系统与方法。根据被测成分含量与样品的漫反射吸光度密切相关这一原理,测量多个样品的相对漫反射吸光度,并对测量数据进行线性回归分析以建立标准预测模型,通过标准模型来预测未知样品的浓度。本文研究了样品温度变化对相对漫发射吸光度的影响,并以五个不同样品温度下的测量数据建立多个标准回归方程,通过分析方程的检验参数及预测效果提出最佳样品测量温度及最佳标准方程,最终实现系统对天然浓缩胶乳中干胶含量及牛奶中脂肪含量的测量。
　　 本文主要研究内容如下:
　　 1.基于光电技术原理,设计了环状结构光电测量系统,即发光模块以感光模块为中心在其外围成圆形分布,用以实现乳状液体的主要成分测量。
　　 2.系统硬件设计。基于光电技术的小信号输出特性,设计基于微电流放大原理的前置放大电路和二级去温漂放大电路；根据不同浓度样品输出电压信号变化大小设计合理的A/D转换器,保证其采样精度满足系统要求；设计TEC快速样品调温硬件模块；设计微控制器模块,包括信号的读取、处理、显示以及外围设备的控制等。
　　 3.系统软件设计。TEC温控模块研究,包括模糊温控程序的实现以及PWM波程序设计；信号处理模块,包括采样数据的数字滤波,漫反射吸光度的计算,标准方程的计算,预测结果显示等。
　　 4.模型系统的建立。以25℃、30℃、35℃、40℃、45℃这五个样品温度的测量数据建立多个回归方程,并进行相互之间参数及预测效果的比较,提出最佳测量样品温度与最佳标准模型方程。

目录

文摘

英文文摘

图表清单

第一章 绪论

1.1 典型乳状液体成分含量测量的意义

1.2 研究现状

1.2.1 胶乳中干胶含量测量研究现状

1.2.2 牛奶中脂肪含量测量研究现状

1.2.3 常用测量方法的不足

1.3 光电测量技术在物质成分分析中的应用

1.4 本文的研究内容

1.5 本章小结

第二章 测量原理

2.1 光谱测量原理

2.1.1 分子与光谱

2.1.2 物质成分含量透射光谱测量原理

2.1.3 物质成分含量漫反射光谱测量原理

2.2 间接测量中的定标与预测

2.2.1 一元线性回归法

2.2.2 多元线性回归法

2.2.3 偏最小二乘法(PLS)

2.2.4 人工神经网络法

2.3 影响漫反射光谱测量的一些因素

2.3.1 定标样品数目与样品属性

2.3.2 仪器及环境因素

2.3.3 数学模型和测量波长的选择

2.3.4 测量器件的选择

2.4 本章小结

第三章 测量系统设计

3.1 测量系统的结构

3.2 数学建模方法

3.3 系统的硬件组成与设计

3.3.1 环状光电系统

3.3.2 基于TEC的样品恒温控制

3.3.3 前置放大模块设计

3.3.4 A/D转化模块设计

3.3.5 微控制器模块及显示模块的设计

3.4 参考信号设计

3.4.1 参考信号的感光模块设计

3.4.2 二级放大模块设计

3.5 信号处理流程

3.5.1 系统中数字滤波设计

3.5.2 系统中定标方程的计算

3.5.3 定标方程的建立

3.6 本章小结

第四章 基于TEC的样品温控系统设计

4.1 TEC的工作原理及优点

4.2 系统中TEC温控的基本设计

4.2.1 TEC和温度传感器的若干参数

4.2.2 TEC驱动器LMD18200的设计

4.2.3 PWM波设计

4.3 TEC模糊温控设计

4.3.1 模糊隶属函数及论域

4.3.2 模糊决策表

4.3.3 样品温度模糊控制的实现

4.4 模糊控制汇编程序设计

4.4.1 模糊控制设计总流程

4.4.2 模糊控制子程序设计

4.5 温控实验

4.6 本章小结

第五章 天然浓缩胶乳和牛奶成分测量实验及分析

5.1 系统所需环境参数和样品属性

5.2 不同温度下样品的输出特性

5.3 五个样品温度下的数学建模

5.4 实验结论

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

在学期间取得的研究成果及发表的学术论文