技术领域
[0001] 本
发明涉及一种检测装置及方法，尤其涉及一种手持式食品安全检测装置方法；属于食品检验检疫应用领域。
背景技术
[0002] 人们的日常生活离不开各种各样的食品，其
质量和安全性的好坏直接影响着人们的健康，同时对社会的稳定和经济持续发展起着重要的作用；但是，在现实的社会中，经常存在一些不法商贩和“黑心”经营者，将一些食品以次充好甚至非法添加各种有害物质，从而达到美化食品外表和
味道而谋取暴利；虽然政府和各级检验检疫部
门对食品质量安全十分重视也加大了打击
力度，但是由于市场庞大、销售点众多，检验人员有限以及检验设备的数量和性能受限，使得对市场上各种食品质量进行全面检测的难度很大；目前对食品质量进行检测主要的技术有分光光度法、
原子荧光光谱法、电化学法、原子吸收光谱法、液相气相色谱法等；对于分光光度法，长时间使用产生的光路偏移和被测物品内部组分散射光干扰，使得该技术检测准确度相对不高；对于原子荧光光谱法，虽然具有灵敏度高、线性范围宽等优点，但是仍存在荧光淬灭效应、散射光的干扰等问题，同时，此方法用于复杂基体的样品测定比较困难；对于电化学法，
电极选择性不高，易发生副反应，从而降低
电流效率，同时电极易形成
吸附层和
氧化膜，污损电极使
电压升高；对于原子吸收光谱法，不能多元素同时分析，对于测定难熔元素，其灵敏度不高，对于一些共振线处于
真空紫外区域的元素，如磷、硫等还不能测定；对于液相气相色谱法，样品预处理操作复杂，且一次检验从
抽取样品到出具数据，一般要一天甚至数天，检验成本也十分昂贵；另外，上述这些检测设备体积通常都非常庞大，一般都很难做到在线和现场实时检测。
发明内容
[0003] 本发明为了弥补
现有技术的不足，提供一种手持式食品安全检测装置，该装置结构简单、体积小，能够快速准确地实现产品的检测；本发明的另一目的在于提供利用该手持式食品安全检测装置进行食品安全检测的方法，该方法通过触摸平台界面进行设定相关参数，系统具有自动计算及数据转换功能，操作简单，检测精确度高，能够快速准确地检测出产品是否安全；
[0004] 为实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：
[0005] 一种手持式食品安全检测装置，其特征在于：包括激发探测一体化
探头、
信号处理单元、控制单元及显示单元，
[0006] 所述激发探测一体化探头分别与控制单元、
信号处理单元连接，接收控制单元的激
光驱动信号，透射至待测食品后产生机械
超声波，并将该
超声波转换成电压信号输送给信号处理单元；所述信号处理单元还与控制单元连接，用于将接收的电压信号进行放大、合并处理，并将合并后的信号转换成
数字信号，然后将该信号输送给控制单元进行存储；
[0007] 所述显示单元与控制单元连接，负责对控制单元进行界面操作，及将待测食品的光声信号进行实时显示；
[0008] 进一步改进，所述激发探测一体化探头包括激光
二极管、
准直透镜、聚焦透镜及多环超声探测器；所述
激光二极管、
准直透镜、聚焦透镜及多环超声探测器由内到外沿
光源传播方向依次设置；
[0009] 进一步改进，所述激光二极管、准直透镜、聚焦透镜及多环超声探测器为同轴一体化结构；
[0010] 进一步改进，所述多环超声探测器由多个同心环结构的超声探测器组成；
[0011] 进一步改进，所述信号处理单元包括信号放大
电路、
电子开关、
相位调整电路及A/D转换电路；所述信号放大电路分别与激发探测一体化探头、控制单元、电子开关连接，接收激发探测一体化探头输出的电压信号，并在控制单元的触发下将该信号进行初次放大后输送给电子开关；所述电子开关还与相位调整电路连接，电子开关接收经信号放大电路初次放大的电压信号后进行权重分配调整，并将该调整后的信号输送给相位调整电路；所述相位调整电路还与A/D转换电路连接，相位调整电路接收经电子开关调整后电压信号，并将该信号进行相位调整后合并成一路电压信号，输送给A/D转换电路；所述A/D转换电路还与控制单元连接，对合并后的电压信号进行A/D转换，产生数字信号，并输送给控制单元进行存储；
[0012] 进一步改进，所述控制单元包括
嵌入式系统、激发二极管驱动电路及同步
触发电路；所述嵌入式系统分别与激发二极管驱动电路、同步触发电路、显示单元及信号处理单元连接，嵌入式系统分别针对激发二极管驱动电路、同步触发电路、显示单元及信号处理单元设定相应的
软件程序，控制激发二极管驱动电路对激发二极管发光进行驱动、控制同步触发电路对信号处理单元中的电压进行放大及A/D转换触发、控制显示单元将声
光信号数据进行实时显示、
控制信号处理单元进行A/D转换及将数据传输至控制单元进行存储；
[0013] 进一步改进，所述嵌入式系统包括
微处理器、
存储器、由通用
接口及I/O接口组成的接口电路、由嵌入式
操作系统软件及
应用软件组成的软件；其中所述微处理器负责控制数据、信号处理、信号显示；所述存储器负责数据的写入与读取；所述接口电路负责信号连接；所述软件负责检测系统操作的软件任务输入、调整及管理；
[0014] 进一步改进，所述通用接口包括A/D接口及D/A接口；所述I/O接口包括USB接口、RS232串行
通信接口、以太网接口、存储卡接口、音频接口、视频输出接口、SPI串行
外围设备接 口；
[0015] 进一步改进，所述检测装置为手持式检测装置；
[0016] 本发明还涉及利用上述装置进行检测的方法，具体步骤如下：
[0017] 第一步、将装置接入电源，启动控制单元中的嵌入式系统，让嵌入式系统中的嵌入式操作
系统软件进行“自检”启动，待嵌入式操作系统启动后，通过触摸显示单元开启嵌入式系统中的应用软件；
[0018] 第二步、应用软件开启后，在软件图形界面上对“
采样模式”、“数据长度”及“触发模式”进行初始化操作；
[0019] 第三步、在第二步中的初始化完成后，触摸显示单元上嵌入式系统中的应用软件控制界面“开启”按键，使嵌入式系统的微处理器通过I/O接口电路中的D/A接口向激光二极管驱动电路发出激光驱动指令；
[0020] 第四步、激光二极管驱动电路接收指令后，向激发探测一体化探头中的激光二极管发出驱动激光发射信号，使激光二极管在激光二极管驱动电路的触发下发射激光信号；
[0021] 第五步、将激发探测一体化探头至于待测食品中，激光二极管发出的激光信号经过准直透镜、聚焦透镜后，汇聚成较小直径的光斑照射至待测食品内，食品组分吸收入射激光
能量后，由于能量沉积和释放而发生体积膨胀和收缩现象，进而产生向四周扩散的超声
机械波，透射到多环超声探测器上；多环超声探测器接收这些超声机械波，并将这些超声机械波转换成与超声强度对等的电压信号，将该电压信号输送给信号处理单元；
[0022] 第六步、信号处理单元接收电压信号后，经过信号处理单元中的信号放大电路放大后再通过电子开关和相位调整电路将电压信号进行权重和相位调整，产生合并后的一路电压
模拟信号；此时，通过触摸显示单元，将应用软件界面上的“采集模式”中的设置化设置为“连续采集”模式，由嵌入式系统的微处理器经过总线通过接口电路向信号处理单元中的A/D转换电路发出指令，通知A/D转换电路对放大、合成后的信号，按照初始化设置的“采样
频率”、“触发模式”进行模拟信号到数字信号的转换，产生相应的数字信号；然后由嵌入式系统的微处理器经总线通过接口电路向存储器发出“写数据”指令，将转换后的数字信号按照初始化设置的“存储路径”和“文件类型”进行存储，保存在存储器中；
[0023] 第七步、控制单元中的应用软件将采集到的待测食品中产生的光声信号输送给显示单元，使光生波信号按照初始化的“数据长度”实时显示在显示单元上；
[0024] 第八步、触摸应用软件界面中的“数据与处理”按键，在“数据与处理”界面中对数据平滑、求导、小波去噪、基线校正进行设置，使光声信号进行预处理；然后触摸应用软件界面中的“变量筛选”按键，在“变量筛选”界面中选择“区间偏最小二乘法”、“模拟
退火法”和“遗 传
算法”，进行相关变量的筛选；最后再触发“定量校正”按键，在“定量校正”界面中选择“多元阵回归”、“主成分回归”、“偏最小二乘回归”和“
人工神经网络法”，将筛选后的变量与对应获取的光声信号之间建立相应的数学校正模型，利用建立的模型对食品成分及浓度进行预测，从而实现对食品质量安全的快速检测；
[0025] 与现有技术相比，采用上述方案，本发明的有益效果是：(1)体积小巧、操作简便；本发明采用激
光激发和超声探测一体化结构，同时采用嵌入式系统开发装置设备，使得装置的体积大大减小，操作便捷；(2)检测功能更强；本发明从光源激发、超声探测到信号处理尤其是应用软件中化学计量和统计算法的开发应用，大大增强了装置的检测功能；(3)检测速度快、适用性更强；本发明采用手持式一体化设计，可以方便的应用于包括野外作业在内的各种检测场合，大大方便了检测的灵活性，且通过功能强大的DSP嵌入式技术，使得装置检测速度更快。
附图说明
[0026] 图1为本发明的结构示意图；
[0027] 图2(a)为本发明的多环超声探测器的俯视图；
[0028] 图2(b)为本发明的多环超声探测器的横截面图；
[0029] 图3为本发明嵌入式系统结构示意图；
[0030] 图4是本发明应用软件结构示意图；
[0031] 其中，1.激发探测一体化探头；2.信号处理单元；3.控制单元；4.显示单元；1-1.激光二极管；1-2.准直透镜；1-3.聚焦透镜；1-4.多环超声探测器；2-1.信号放大电路；2-2.电子开关；2-3.相位调整电路；2-4.A/D转换电路；3-1.嵌入式系统；3-2.激光二极管驱动电路；3-3.同步触发电路；4-1.LCD显示屏；3-1-1.微处理器；3-1-2.存储器；3-1-3.接口电路；3-1-4.软件；3-1-3-1.通用接口；3-1-3-2.I/O接口；3-1-4-1.嵌入式操作系统软件；3-1-4-
2.应用软件；
具体实施方式
[0032] 下面结合附图和
实施例对本发明进一步说明。
[0033] 如图1所示，一种手持式食品安全检测装置，包括由激光二极管1-1、准直透镜1-2、聚焦透镜1-3及多环超声探测器1-4组成的激发探测一体化探头1、由信号放大电路2-1、电子开关2-2、相位调整电路2-3及A/D转换电路2-4组成的信号处理单元2、由嵌入式系统3-1、激发二极管驱动电路3-2及同步触发电路3-3组成的控制单元3及显示单元4，
[0034] 所述激发探测一体化探头1分别与控制单元3、信号处理单元2连接，接收控制单元3的激光驱动信号，透射至待测食品后产生机械超声波，并将该超声波转换成电压信号输送给信号处理单元2；
[0035] 所述信号处理单元2还与控制单元3连接，用于将接收的电压信号进行放大、合并处理，并将合并后的信号转换成数字信号，然后将该信号输送给控制单元3进行存储；
[0036] 所述显示单元4与控制单元3连接，负责对控制单元3进行界面操作，及将待测食品的光声信号进行实时显示；
[0037] 优选的，在所述的激发探测一体化探头1中，所述激光二极管1-1、准直透镜1-2、聚焦透镜1-3及多环超声探测器1-4由内到外沿光源传播方向依次设置；
[0038] 优选的，所述激光二极管1-1、准直透镜1-2、聚焦透镜1-3及多环超声探测器1-4为同轴一体化结构；
[0039] 优选的，所述多环超声探测器1-4由多个同心环结构的超声探测器组成；超声探测器的环数大于或等于1(参见图2a、图2b)；进一步的，在本实施例中，多环超声探测器选用广州多普勒电子科技有限公司的多环超声探测器7.5M-8-20，该超声探测器的环数为8环，平均中心探测频率为6.33MHz，平均相对回波灵敏度为-45db，-6db相对带宽平均为78％；-20db回波脉冲带宽平均为470ns；从内至外的各环尺寸：其中第一环的内外径分别为6mm和
8.6138mm，第二环的内外径分别为8.9138mm和10.8468mm，第三环的内外径分别为
11.1468mm和12.7456mm，第四环的内外径分别为13.0456mm和14.4354mm，第五环的内外径分别为14.7354mm和15.979mm，第六环的内外径分别为16.279mm和17.4128mm，第七环的内外径分别为17.7128mm和18.76mm，第八环的内外径分别为19.06mm和20.037mm。
[0040] 如图3所示，在所述信号处理单元2中，所述信号放大电路2-1分别与激发探测一体化探头1、控制单元3、电子开关2-2连接，接收激发探测一体化探头1输出的电压信号，并在控制单元3的触发下将该信号进行初次放大后输送给电子开关2-2；所述电子开关2-2还与相位调整电路2-3连接，电子开关2-2接收经信号放大电路2-1初次放大的电压信号后进行权重分配调整，并将该调整后的信号输送给相位调整电路2-3；所述相位调整电路2-3还与A/D转换电路2-4连接，相位调整电路2-3接收经电子开关2-2调整后电压信号，并将该信号进行相位调整后合并成一路电压信号，输送给A/D转换电路2-4；所述A/D转换电路2-4还与控制单元3连接，对合并后的电压信号进行A/D转换，产生数字信号，并输送给控制单元3进行存储；
[0041] 由多环超声探测器1-4转换的电压信号由多路信号放大电路2-1在电压幅值上进行放大后，8路超声转换后的电压信号分别经过多路电子开关2-2和相位调整电路2-3合成一路信号后，再经A/D转换电路2-4进行采集；其工作原理如下：
[0042] 为了得到被测物体内p处的光声信号，对多环探测器的各个探头测得的信号Xi(t)依据该 探头到点p的距离做一个时间延迟τi，并依据探测器的
指向性乘上对应的幅值权重因子ki，然后对这些信号进行求和
叠加，即可得到p点的光声信号xp，如下式所示：
[0043] 其中，i表示第i个探测器；tp1＝rp1/v表示光声信号从p点到第一环探测器所用的时间，τi＝(rpi-rp1)/v，rp1和rpi分别为p点到第一环和第i环探测器中心的距离，v是声波在被测物体中的传播的平均速度；
[0044] 由上式可知，对于p点发出的光声信号，通过计算τi，并在电路上对每路信号设置相应的延时，经过延时补偿后，合成一路后的信号幅值最大，这样p点相当于探测器的焦点；
[0045] 信号放大电路2-1为8通道放大倍数可调的信号
放大器，输入和输出阻抗均为50Ω；模拟输入前段具有输入过压保护，超过0.7Vpp信号输入将被钳位。并且模拟输出带有20M低通抗
混叠滤波器，同时输入
输出信号均做了隔直处理；
[0046] A/D采集电路2-4为
数据采集模
块，优选的，采用研华科技有限公司生产的系列数据采集模块，其型号为：ADAM-4520I；
[0047] 如图4所示，在所述控制单元3中，所述嵌入式系统3-1分别与激发二极管驱动电路3-2、同步触发电路3-3、显示单元4及信号处理单元2连接，嵌入式系统3-1分别针对激发二极管驱动电路3-2、同步触发电路3-3、显示单元4及信号处理单元2设定相应软件3-1-4程序，控制激发二极管驱动电路3-2对激发二极管发光进行驱动、控制同步触发电路3-3对信号处理单元2中的电压信号进行放大及A/D转换触发、控制显示单元4将声光信号数据进行实时显示、控制信号处理单元2进行A/D转换及将数据传输至控制单元3进行存储；
[0048] 进一步的，所述嵌入式系统3-1包括微处理器3-1-1、存储器3-1-2、由通用接口3-1-3-1及I/O接口3-1-3-2组成的接口电路3-1-3、由嵌入式操作系统软件3-1-4-1及应用软件3-1-4-2组成软件3-1-4；其中所述微处理器3-1-1负责控制数据、信号处理、信号显示；所述存储器3-1-2负责数据的写入与读取；所述接口电路3-1-3负责信号连接；所述软件3-1-4负责检测系统操作软件3-1-4任务输入、调整及管理；
[0049] 进一步的，所述通用接口3-1-3-1包括A/D接口及D/A接口；所述I/O接口3-1-3-2包括USB接口、RS232串行通信接口、以太网接口、存储卡接口、音频接口、视频输出接口、SPI串行外围设备接口；
[0050] 优选地，本实施例中，所述嵌入式操作系统软件(3-1-4-1)负责嵌入式系统的任务管理、内存管理、设备管理、文件管理等，并且操作系统为应用软件(3-1-4-2)提供丰富的编程接口； 优选地，本实施例中，所述嵌入式系统3-1采用三星S3C2410ARM9处理系统，其型号为：LTV350；其中，微处理器3-1-1的型号为：S3C2410x，工作频率达203MHz；存储器3-1-2由FLASH ROM和SDRAM组成，其中，FLASH ROM为64MBNandFlash,采用各种容量8位的NANDFLASH；NOR FLASH(SST39VF1601)提供2MBNorFlash；而SDRAM为Samsung K4S561632H-Tc75，片数2片，每片容量为64M；接口电路3-1-3由通用接口3-1-3-1和I/O接口3-1-3-2构成，其中两个I/O口连接两个LED，方便用户调试自己的程序；LCD接口:支持各种TFT LCD
触摸屏接口，可接四线
电阻式触摸屏；串口：两个RS232串口；一路TTL电平接口；GPRS/GSM接口:SIMCOM公司GSM/GPRS模块；USBDevice接口：一个DEVICE接口(USB1.1协议)；SPI接口；IIC总线接口；ADC
模数转换接口:四路十位AD；两个USBHOST:一个USBHostA型接口(USB1.1协议)，一个USBHostB型接口(USB1.1协议)；SD/MMC接口:支持SD卡、同时兼容MMC卡；JTAG接口：标准ARM20针JTAG&&Wiggle&&ICE接口；IIS：采用UDA1341TSIIS接口(立体声输出，MIC输入)；外部中断接口：八路外部中断输入；
[0051] 优选地，本实施例中，所述软件3-1-4中嵌入式操作系统3-1-4-1为具有开放源代码的WINCE、uC/OS II或嵌入式Linux；应用软件3-1-4-1采用型号为uCGUI或QT的软件；
[0052] 优选地，本实施例中，所述激光二极管驱动电路3-2采用微处理器3-1-1通过接口电路3-1-3控制D/A转换电路产生一个宽度、频率均可精确调节的梯形电压波来驱动大功率模块，输出稳定的电流脉冲；
[0053] 进一步的，所述检测装置为手持式检测装置；
[0054] 进一步的，所述的显示单元设为LCD显示屏4-1；优选地，LCD显示屏4-1采用带触摸屏的LCD显示屏，具体的为电阻式触摸屏，由嵌入式系统3-1的触摸屏接口实现嵌入式操作系统、应用软件和嵌入式系统
硬件和外围硬件之间的通讯；
[0055] 本发明还涉及利用上述装置进行检测的方法，具体步骤如下：
[0056] 第一步、将装置接入电源，启动控制单元3中的嵌入式系统3-1，让嵌入式系统3-1中的嵌入式操作系统软件3-1-4-1进行“自检”启动，待嵌入式操作系统启动后，通过触摸显示单元4开启嵌入式系统3-1中的应用软件3-1-4-2；
[0057] 第二步、应用软件3-1-4-2开启后，在软件3-1-4图形界面上对“采样模式”、“数据长度”及“触发模式”进行初始化操作；
[0058] 第三步、在第二步中的初始化完成后，触摸显示单元4上嵌入式系统3-1中的应用软件3-1-4-2控制界面“开启”按键，使嵌入式系统3-1的微处理器3-1-1通过I/O接口3-1-3-2电路中的D/A接口向激光二极管1-1驱动电路发出激光驱动指令；
[0059] 第四步、激光二极管1-1驱动电路接收指令后，向激发探测一体化探头1中的激光二极管1-1发出驱动激光发射信号，使激光二极管1-1在激光二极管1-1驱动电路的触发下发射激光信号；
[0060] 第五步、将激发探测一体化探头1至于待测食品中，激光二极管1-1发出的激光信号经过准直透镜1-2、聚焦透镜1-3后，汇聚成较小直径的光斑照射至待测食品内，食品组分吸收入射激光能量后，由于能量沉积和释放而发生体积膨胀和收缩现象，进而产生向四周扩散的超声机械波，透射到多环超声探测器1-4上；多环超声探测器1-4接收这些超声机械波，并将这些超声机械波转换成与超声强度对等的电压信号，将该电压信号输送给信号处理单元2；
[0061] 第六步、信号处理单元2接收电压信号后，经过信号处理单元2中的信号放大电路2-1放大后再通过电子开关2-2和相位调整电路2-3将电压信号进行权重和相位调整，产生合并后的一路电压模拟信号；此时，通过触摸显示单元4，将应用软件3-1-4-2界面上的“采集模式”中的设置化设置为“连续采集”模式，由嵌入式系统3-1的微处理器3-1-1经过总线通过接口电路3-1-3向信号处理单元2中的A/D转换电路2-4发出指令，通知A/D转换电路2-4对放大、合成后信号，按照初始化设置的“
采样频率”、“触发模式”进行模拟信号到数字信号的转换，产生相应的数字信号；然后由嵌入式系统3-1的微处理器3-1-1经总线通过接口电路3-1-3向存储器3-1-2发出“写数据”指令，将转换后的数字信号按照初始化设置的“存储路径”和“文件类型”进行存储，保存在存储器3-1-2中；
[0062] 第七步、控制单元3中的应用软件3-1-4-2将采集到的待测食品中产生的光声信号输送给显示单元4，使光生波信号按照初始化的“数据长度”实时显示在显示单元4上；
[0063] 第八步、触摸应用软件3-1-4-2界面中的“数据与处理”按键，在“数据与处理”界面中对数据平滑、求导、小波去噪、基线校正进行设置，使光声信号进行预处理；然后触摸应用软件3-1-4-2界面中的“变量筛选”按键，在“变量筛选”界面中选择“区间偏最小二乘法”、“模拟退火法”和“
遗传算法”，进行相关变量的筛选；最后再触发“定量校正”按键，在“定量校正”界面中选择“多元阵回归”、“主成分回归”、“偏最小二乘回归”和“人工神经网络法”，将筛选后的变量与对应获取的光声信号之间建立相应的数学校正模型，利用建立的模型对食品成分及浓度进行预测，从而实现对食品质量安全的快速检测；
[0064] 与现有技术相比，采用上述方案，本发明的有益效果是：(1)体积小巧、操作简便；本发明采用激光激发和超声探测一体化结构，同时采用嵌入式系统开发装置设备，使得装置的体积大大减小，操作便捷；(2)检测功能更强；本发明从光源激发、超声探测到信号处理尤其是应用软件中化学计量和统计算法的开发应用，大大增强了装置的检测功能；(3)检测速度快、适用性更强；本发明采用手持式一体化设计，可以方便的应用于包括野外作业在内的各种检 测场合，大大方便了检测的灵活性，且通过功能强大的DSP嵌入式技术，使得装置检测速度更快；
[0065] 本发明不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。
