一种离散光谱食物烘焙度检测方法与流程

1.本发明涉及食品烘焙检测技术领域，尤其是涉及一种离散光谱食物烘焙度检测方法。


背景技术：

2.烘焙度是检测食物烘焙程度的一种参数，是由agtron公司独创的一种参数 ,经常用于食品烘焙度的检测，例如谷物类烘焙、面包烘焙、豆类烘焙等，其主要用于食品加工过程中对于烘焙度的检测。
3.目前该领域中存在两个问题，第1个是连续性光谱检测导致机器成本过高，这种机器主要是通过多光谱的手段（光栅光谱仪等连续光谱方法），采用连续性光谱进行检测，由于连续光谱的发生和检测伴随着高成本的传感器成本，这就导致了机器在检测过程中的硬件投入过大，造价成本过高，目前台式机就是采用多光谱连续式的光谱检测方法，主要是通过白光光栅分光，通过积分球来进行测量；第2个是便携式烘焙度检测仪，采用红外光谱的方式进行检测，单一的光谱容易造成在浅色检测的时候出现较大的误差，目前便携式的烘焙度检测设备都采用单一光源的红外光850nm波长进行检测。
4.由于使用多光谱检测能够很好的解决这个问题，因此本发明使用离散光谱，即使用多种颜色的光线进行检测。


技术实现要素：

5.本发明为克服上述情况不足，提供了一种能解决上述问题的技术方案。
6.一种离散光谱食物烘焙度检测方法，包括如下步骤：步骤s1、将待测的样品放置在全黑的环境中进行多通道的照射和采集，内置有发光源，发光源通过光路通道照射到样品上，由于各个光路通道的光谱波长各不相同，形成离散光谱，利用光电传感器采集各个光路通道照射在样品上反射的光信号；步骤s2、光电传感器检测光强后通过放大器输出电压信号，电压信号通过adc转换成数字信号存储在寄存器中；步骤s3、光电传感器分别在不同的温度下采集不同光谱波长的光线信号，测量在不同温度下对同一样品的数值误差进行温度补偿，将其数值补偿到某一固定温度中，通过多元最小二乘法拟合温度、电压或由adc转换的ad数值、烘焙度数值之间的关系，实现不同环境温度下对同一样品测量的准确性。
7.进一步的，步骤s3中满足以下公式：
8.上述公式是在不同环境温度下，光电传感器检测不同样品得到不同的电压信号或
ad信号，所组成的计算矩阵；其中：v代表光电传感器检测的数值，该数值优选为电压值，也可以是数字信号的ad数值；t代表实时环境温度；a-f代表多元拟合公式当中的系数；ag代表烘焙程度的一种单位表示。
9.进一步的，在各个光路通道中安装发光源，光路通道设置有两个以上，各个发光源采用单一颜色，各个发光源发出从紫外到红外的光线，发光源的光谱波长在250nm-1500nm之间，各个光路通道之间通过分时方式进行采集。
10.进一步的，光路通道设置有三个，安装在光路通道内发光源的光谱波长分别为520nm、650nm、850nm的三种，分时采集时首先利用520nm的单色光照射到样品上，通过光电传感器进行采集，得到稳定信号数据后存入到寄存器中，然后关闭该光路通道的发光源，再分别利用650nm的单色光和850nm的单色光进行采集，每次采集数据时仅打开单一光路通道内的发光源。
11.进一步的，在全黑的环境中安装全光谱白光led作为发光源，全光谱白光led中含有连续多个光谱波长的白色led，在发光源上安装窄带滤光片将不同颜色的光线分开并照射到各个光路通道中，光电传感器采集到稳定的数据后存入寄存器中。
12.进一步的，光路通道内安装有调光系统，调光系统采用pwm调光系统、放大电路之中的任意一种。
13.进一步的，电压或由adc转换的ad数值信号与标准化agtron数值相互拟合。
14.进一步的，光电传感器、寄存器和各个光路通道中的发光源上电性连接安装有mcu主控器，mcu主控器分别控制光电传感器、寄存器和发光源进行工作。
15.进一步的，光电传感器优先选用光电二极管，光电传感器还可选用光电三极管、cmos、ccd之中的任意一种。
16.进一步的，步骤s1中，光路通道内安装有滤光片，发光源通过滤光片进行光谱波长控制。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：可采用离散的多种颜色，例如，采用两种颜色或者三种或者多种颜色的发光源进行检测，兼具多光谱的精度和稳定性，同时还能够降低成本，提高便携性，能够更好的提高烘焙度检测的效果。
18.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是本发明的烘焙度检测原理示意图；图2是本发明使用5种波长进行检测时的示意图；图3是本发明所满足的公式示意图。
实施方式
21.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
22.通常在此处附图中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。
23.基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
25.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
26.如图1-3所示，本发明的一种离散光谱食物烘焙度检测方法，包括如下步骤：步骤s1、将待测的样品放置在全黑的环境中进行多通道的照射和采集，内置有发光源，发光源通过光路通道照射到样品上，由于各个光路通道的光谱波长各不相同，形成离散光谱，利用光电传感器采集各个光路通道照射在样品上反射的光信号；步骤s2、光电传感器检测光强后通过放大器输出电压信号，电压信号通过adc转换成数字信号存储在寄存器中；步骤s3、光电传感器分别在不同的温度下采集不同光谱波长的光线信号，测量在不同温度下对同一样品的数值误差进行温度补偿，将其数值补偿到某一固定温度中，通过多元最小二乘法拟合温度、电压或由adc转换的ad数值、烘焙度数值之间的关系，实现不同环境温度下对同一样品测量的准确性。
27.进一步的，步骤s3中满足以下公式：
28.上述公式是在不同环境温度下，光电传感器检测不同样品得到不同的电压信号或ad信号，所组成的计算矩阵；其中：v代表光电传感器检测的数值，该数值优选为电压值，也可以是数字信号的ad数值；t代表实时环境温度；a-f代表多元拟合公式当中的系数；ag代表烘焙程度的一种单位表示。
29.进一步的，在各个光路通道中安装发光源，光路通道设置有两个以上，各个发光源
采用单一颜色，各个发光源发出从紫外到红外的光线，发光源的光谱波长在250nm-1500nm之间，各个光路通道之间通过分时方式进行采集。
30.进一步的，光路通道设置有三个，安装在光路通道内发光源的光谱波长分别为520nm、650nm、850nm的三种，分时采集时首先利用520nm的单色光照射到样品上，通过光电传感器进行采集，得到稳定信号数据后存入到寄存器中，然后关闭该光路通道的发光源，再分别利用650nm的单色光和850nm的单色光进行采集，每次采集数据时仅打开单一光路通道内的发光源。
31.进一步的，在全黑的环境中安装全光谱白光led作为发光源，全光谱白光led中含有连续多个光谱波长的白色led，在发光源上安装窄带滤光片将不同颜色的光线分开并照射到各个光路通道中，光电传感器采集到稳定的数据后存入寄存器中。
32.进一步的，光路通道内安装有调光系统，调光系统采用pwm调光系统、放大电路之中的任意一种。
33.进一步的，电压或由adc转换的ad数值信号与标准化agtron数值相互拟合，实现测量到样品的信号与真实的烘焙度数值之间的关系。
34.进一步的，光电传感器、寄存器和各个光路通道中的发光源上电性连接安装有mcu主控器，mcu主控器分别控制光电传感器、寄存器和发光源进行工作。
35.进一步的，光电传感器优先选用光电二极管，光电传感器还可选用光电三极管、cmos、ccd之中的任意一种。
36.进一步的，步骤s1中，光路通道内安装有滤光片，发光源通过滤光片进行光谱波长控制。
37.本发明可采用离散的多种颜色，例如，采用两种颜色或者三种或者多种颜色的发光源进行检测，兼具多光谱的精度和稳定性，同时还能够降低成本，提高便携性；能够更好的提高烘焙度检测的效果；本发明采取以下两种技术方案，第一、使用多于一种从紫外到红外的光线(250nm-1500nm)的led或者其余发光源进行单一颜色的照射，然后通过分时方式进行采集，使用光电传感器(光电二极管、光电三极管、cmos、ccd等)进行采集，第二种方式通过全光谱的白光源进行照射，使用光电传感器矩阵和覆盖在光电传感器前置的窄带滤光片实现固定波长的光线通过，实现测量，由于光电传感器、发光源、窄带滤光片的成本较低，并且设计能够达到设计的要求，因此，可以相应的推出便携式低成本的传感器。
38.由于光电传感器对光线非常敏感，那么在黑暗环境下测量的过程中，难免的会由于器件安装和测量操作的问题，导致环境光线影响正常测量的过程，因此，本发明还需要一种基于上述方法消除环境光的方案，环境光消除的实际是通过测量过程前后的测量相减以实现环境光的消除作用。
39.环境光消除主要分为三个阶段，第一个阶段，是在测量之前驱动光电传感器进行环境光的测量，此时没有发光源照射，得到测量结果，记录为l1；第二阶段，驱动发光源和光电传感器分别进行多通道的测量和采集，此处以单通道为例子，当然可以使用多通道进行测量，记录为l2；第三阶段，再次使用第一阶段的方法进行测量，得到了l3；最后通过比较l1和l3的差值，就可以得出是否存在环境光干扰，有环境光干扰时，使用l2减去上述差值即可。
实施例
40.使用三种波长的发光源进行光反射，发光源可以选择单色性较好的led，比如850nm
±
10nm的波长范围(也可以使用较宽的波长范围，可以通过添加滤光片进行控制)，选择三种颜色波长的光线，例如选择520nm、650m、850nm 的三种单色光，对于待测样品在黑的环境内部进行照射和采集；具体是使用520nm单色光首先照射到目标样品上，光电传感器同时进行采集，得到稳定信号后再进行此通道的采集，将采集的信号存入寄存器，然后关闭此光路通道的发光源，开启650nm的通道进行照时，采集操作依旧是根据上述的方式进行，直到所有通道的信号采集完毕，由于光电传感器可以通时检测光强，通过放大器输出电压信号，将电压信号通过adc转换成数字信号存储在寄存器当中。
实施例
41.使用全光谐白光led作为发光源，全光谐白光是一种含有连续多个波长的白色led ，各种波长均有发射，类似于大阳光线的照时，但是多光谱的照射如何将各个光谱分开是一个难题，因此本发明通过窄带滤光片将不同颜色光线分开，可以直接通过白光照射样品，然后反射的光线可以通过带有窄带滤光片的多个(3个以上)光电传感器进行接收，接收的光信号通过跨组放大器能够转变成电压信号，通过adc转换成数字量信号储存在存器当中。
42.众所周知，相同的光谐波长对于相同检测物体的反射率都是不同的，因此会造成检测信号过小或者过大的状况出现；因此，针对上述两种实施例，本发明采用调光系统将采集信号调整到最佳的状态，使用pwm实现对发光源的调光，再通过光电传感器后置的放大电路实现最佳的光路采集，假设adc接收的信号范围是0-3.3v，但是此时所采集到的光电信号是10mv-300mv ，结论显然过小，此时可以通过调节放大电路，保证每路的放大倍数是适当的，但是往往发光源和光电传感器的一致性并不是很好，因此，本发明通过调光系统微调发光源的光线将放大倍数控制在合理的范围之内。
43.现有的agtron有一套烘焙度的标准，是一系列的agtron数值，本发明通过检测不同波长下的不同agtron数值的样品得出不同的电压数值，然后通过不同波长和不同电压的与现有的agtron数值进行拟合。
44.此外，温度对于光电传感器的测量具有很大的影响，因此在测量的过程中需要根据不同的温度测量不同的数值进行温度补偿，将数值补偿在某一个温度下，例如将该温度补偿在室温下；具体操作方式就是测量不同温度下，不同波长对于同一烘焙度的样品进行测量的结果，通过最小二乘法拟合温度与电压之间的关系，然后二次拟合电压跟波长之间的关系即可；当然还可以使用其他温度补偿的算法，依旧可以利用在本发明中。
实施例
45.首先通过pwm调光系统或者其他调光方法驱动若干路的发光源，进而产生不同光谱波长的光线，使用5路光线进行检测，这5路使用不同的离散波长来对样品进行照射；pwm调光主要是调节光线的强度，避免光电传感器饱和或者读取不到微弱信号的情况，然后分时驱动五路的发光源对样品进行照射，同时光电传感器对于不同波长光线照射的样品进行接收；光电传感器通过afe前端转成数字量信号或者跨阻放大器对于信号进行放大，并且通过adc转换成数字量信号由mcu等主控器进行接收。
46.为了能够准确的测定agtron数值，本发明可在不同温度下进行温度补偿测定，具体操作如下：假设该装置的工作温度是0-60℃，就在本发明中设置t1-t7 七个温度，并且使用恒温恒湿箱子作为全黑的测量环境，在七个温度下分别使用不同波长(此处使用五个波长)对于不同的agtron数值的标定板或者标定物进行测量，本实施例中使用色卡，色卡由于其颜色稳定且可追踪，因此选择色卡进行测量，然后不同的色卡通过actron标准机器测得一定的数值，这n种不同波段测到的电压值和温度放入矩阵中计算得出一组参数，该参数即可作为整个公式的参数并且写入到mcu中用作计算。
47.本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：
1.一种离散光谱食物烘焙度检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤s1、将待测的样品放置在全黑的环境中进行多通道的照射和采集，内置有发光源，发光源通过光路通道照射到样品上，由于各个光路通道的光谱波长各不相同，形成离散光谱，利用光电传感器采集各个光路通道照射在样品上反射的光信号；步骤s2、光电传感器检测光强后通过放大器输出电压信号，电压信号通过adc转换成数字信号存储在寄存器中；步骤s3、光电传感器分别在不同的温度下采集不同光谱波长的光线信号，测量在不同温度下对同一样品的数值误差进行温度补偿，将其数值补偿到某一固定温度中，通过多元最小二乘法拟合温度、电压或由adc转换的ad数值、烘焙度数值之间的关系，实现不同环境温度下对同一样品测量的准确性。2.根据权利要求1所述的一种离散光谱食物烘焙度检测方法，其特征在于，步骤s3中满足以下公式：上述公式是在不同环境温度下，光电传感器检测不同样品得到不同的电压信号或ad信号，所组成的计算矩阵；其中：v代表光电传感器检测的数值，该数值优选为电压值，也可以是数字信号的ad数值；t代表实时环境温度；a-f代表多元拟合公式当中的系数；ag代表烘焙程度的一种单位表示。3.根据权利要求1所述的一种离散光谱食物烘焙度检测方法，其特征在于，在各个光路通道中安装发光源，光路通道设置有两个以上，各个发光源采用单一颜色，各个发光源发出从紫外到红外的光线，发光源的光谱波长在250nm-1500nm之间，各个光路通道之间通过分时方式进行采集。4.根据权利要求3所述的一种离散光谱食物烘焙度检测方法，其特征在于，光路通道设置有三个，安装在光路通道内发光源的光谱波长分别为520nm、650nm、850nm的三种，分时采集时首先利用520nm的单色光照射到样品上，通过光电传感器进行采集，得到稳定信号数据后存入到寄存器中，然后关闭该光路通道的发光源，再分别利用650nm的单色光和850nm的单色光进行采集，每次采集数据时仅打开单一光路通道内的发光源。5.根据权利要求1所述的一种离散光谱食物烘焙度检测方法，其特征在于，在全黑的环境中安装全光谱白光led作为发光源，全光谱白光led中含有连续多个光谱波长的白色led，在发光源上安装窄带滤光片将不同颜色的光线分开并照射到各个光路通道中，光电传感器采集到稳定的数据后存入寄存器中。6.根据权利要求1所述的一种离散光谱食物烘焙度检测方法，其特征在于，光路通道内安装有调光系统，调光系统采用pwm调光系统、放大电路之中的任意一种。7.根据权利要求1所述的一种离散光谱食物烘焙度检测方法，其特征在于，电压或由adc转换的ad数值信号与标准化agtron数值相互拟合。8.根据权利要求1所述的一种离散光谱食物烘焙度检测方法，其特征在于，光电传感
器、寄存器和各个光路通道中的发光源上电性连接安装有mcu主控器，mcu主控器分别控制光电传感器、寄存器和发光源进行工作。9.根据权利要求1所述的一种离散光谱食物烘焙度检测方法，其特征在于，光电传感器优先选用光电二极管，光电传感器还可选用光电三极管、cmos、ccd之中的任意一种。10.根据权利要求1所述的一种离散光谱食物烘焙度检测方法，其特征在于，步骤s1中，光路通道内安装有滤光片，发光源通过滤光片进行光谱波长控制。

技术总结
本发明公开了一种离散光谱食物烘焙度检测方法，包括步骤S1、将待测的样品放置在全黑的环境中进行多通道的照射和采集，发光源通过光路通道照射到样品上，由于各个光路通道的光谱波长各不相同，形成离散光谱，利用光电传感器采集各个光路通道照射在样品上反射的光信号；步骤S2、光电传感器检测光强后通过放大器输出电压信号；步骤S3、光电传感器分别在不同的温度下采集不同光谱波长的光线信号，测量在不同温度下对同一样品的数值误差进行温度补偿，通过多元最小二乘法拟合温度、电压或由ADC转换的AD数值、烘焙度数值之间的关系；本发明兼具多光谱的精度和稳定性，同时还能够降低成本，提高便携性，能够更好的提高烘焙度检测的效果。效果。效果。


技术研发人员：高丽玲 黄南通
受保护的技术使用者：东莞市终点线精密机电有限公司
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/8/4