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1、第十章 無損檢測,,10.1 無損檢測技術及其特點 10.2 計算機圖像處理的檢測技術 10.2.1 計算機圖像處理技術 10.2.2 計算機圖像處理技術在食品檢測中的應用 10.3 食品物性的力學、聲學、電學、光學檢測技術 10.3.1食品的力學檢測技術及其在食品檢測中的應用 10.3.2食品的聲學檢測技術及其在食品檢測中的應用 10.3.3食品的電學檢測技術及其在食品檢測中的應用 10.3.4食品的光學檢測技術及其在食品檢測中的應用 10.4 傳感器檢測技術 10.4.1電子鼻、電子舌檢測技術 10.4.2 生物傳感器檢測技術,10.3.3食品的電學檢測技術及其在食品檢測中的應用,第一節(jié)

2、介電特性檢測原理 1）介電參數： 介電常數：綜合反應介質極化行為的一個宏觀物理量 介質損耗：可反映材料內部缺陷等特性,2）農產品的介電特性 農產品生物分子中的束縛電荷（只能在分子線度范圍內運動的電荷），對外加電場的響應特性 食品的組織、成分、結構、狀態(tài)等和它們的電特性都有著密切的關系，食品與農產品的成分、狀態(tài)或品質的檢測是研究其電特性的主要目的之一。食品與農產品電特性的變化主要表現在電流密度、磁導率、絕對介電常數(電容率)、電導率等方面。,介電常數測量方法： 當給農業(yè)物料層施加靜電場時，其內部的無機物分子極化形成正負離子。正離子負離子在靜電場的作用下向陰陽兩極移動形成反電勢，是測量的電流值隨

3、時間按指數規(guī)律減小，即隨時間增加電阻率增加，此時出現電容效應，因為利用靜電場測量不易實現物料介電參數的快速測量,直流介電常數的測量 電橋法測量低頻介電常數 諧振電路法測定介電常數 傳輸線法 微波測量,生物組織的阻抗特性一般用Hayden 模型描述,第二節(jié) 介電特性在水果品質檢測中的應用1）基本概念：,復阻抗(復導納)：水果的物理常數，與水果的個體尺寸相關 復介電常數：水果內部物質特性的反應，與水果的個體尺寸無關,2）水果的新鮮度介電特性間的關系,水果的細胞組成：,隨著水果新鮮度的降低，細胞膜的電阻增加，電容減小 表現在切片組織的電特性上，使由細胞組成的果肉組織等效阻抗增大，相對介電常數及損耗因

4、數減小 當水果果實從樹上采摘下來后，光合作用減弱甚至停止，由呼吸作用生成的二氧化碳量增加，此時果實組織細胞間的弱酸性環(huán)境使細胞電阻增大,,電阻比較大的薄細胞膜,具有離子導電性的小電阻的細胞液,水果的新鮮度介電特性間的關系：,水果新鮮度的檢測,測試系統(tǒng)及儀器,對象：金帥蘋果 第一組：冰箱取出，室溫存放10-12h 第二組：室溫2025，空氣相對濕度8890%，放置6天 第三組：室溫2025，空氣相對濕度8890%，放置21天 測試三組蘋果的電特性,研究結果表明，相對介電常數和介電損耗因數隨著金帥蘋果新鮮度的降低而減小，其中，相對介電常數在儲藏6天的蘋果中減小的幅度較小，而損耗因數減小的幅度較大,

5、水果損傷程度的檢測：,研究表明，正常組織與死亡組織的阻抗有明顯差別，正常組織具有阻抗，死亡組織的阻抗為零。正常組織在低頻下具有高阻抗，高頻下有低阻抗，即正常組織的阻抗是隨著頻率而變化的，而死亡組織的阻抗不隨頻率而變化。 正常組織在高頻的情況下阻抗接近于零，這與死亡組織的的電容為零相似。因此低頻阻抗和高頻阻抗之比便代表了生物組織的損傷程度，它可用等效并聯電阻與電容測得,谷物中的水分子 結合水：以化學吸附與谷物組織相結合的水，是在谷粒成長過程中自然形成的膠狀結合水，不參加導電，但是電特性分析仍保持強極型分子的介電特性。 游離水：可通過毛細管的呼吸作用進入谷粒內部，靠分子間作用力吸附的這部分水 影響

6、谷物介電特性的主要因素是谷物中的游離水分。,第三節(jié) 介電特性在谷物品質檢測中的應用,利用谷物的電特性檢測含水率 a. 測量谷物含水率的電容方法分析,L是圓柱形容器的高度，D為外電級的內徑，d為內電極的外徑， 為真空中的介電系數， 為谷物相對介電系數 ，C為電容量,,缺點： 在含水率等同條件下，電容量的值與谷物品種有關 同一品種的谷物也會出現測量誤差 測量時，溫度和空氣中的相對濕度對測量只有直接的影響，溫度高，濕度大，使谷物膨脹變得松軟，會引起介電系數改變 由于谷物的相對介電系數受到諸多因素的影響，致使電容量的值與谷物的含水率不成線性關系,2.利用谷物介電特性的品質檢測和分級 品種和籽粒質量相

7、同的谷物，介電常數愈大，其活力越低，品質越差，而介電常數小的谷物則具有較高的活力和較好的品質，這為介電分選原理實現按谷物活力進行品質的分選提供了理論依據,1.利用生物電特性鑒別受精蛋,國內種蛋孵化場用的方法：人工光照法剔除無精蛋和死胚 蛋，在孵化的第5天進行光照，剔出無精蛋。 浪費蛋：新鮮蛋孵化72h后，就不適合加工成蛋制品，浪費大量食用蛋，消耗無用的能量，而且孵不出雛雞的蛋中的細菌又污染正常的孵化蛋。,雞蛋的生物電現象：,生物電現象是生命組織普遍存在的一種生理現象，凡有生命的細胞都會產生生物電流。雞蛋的生物電現象是這一生命單元在不同時期生命活動的表現。 研究表明，種蛋的生物電與其受精與否、

8、雞胚雌雄性別以及蛋品新鮮度之間存在較大的相關性，可以成為鑒別和剔除無精蛋、弱精蛋和死胚蛋的一種新的技術和方法。,雞蛋的各種內容物（胚胎、蛋黃、蛋白）之間的電位差產生一個電場，電場的變化可以在蛋殼外測得,它包括電極、雞蛋夾緊裝置、放大器、AD采集器、計算機和監(jiān)控示波器等。 電極從蛋殼外采集的電信號送入放大器后分成兩路：一路接示波器；一路接AD采集器。采樣后數據送入計算機，供處理分析用。,受精蛋與無精蛋的生物電信號的波形有較大的差異。通過100只樣本(60只種蛋和40只無精蛋)連續(xù)10d的跟蹤觀測，發(fā)現無精蛋的電信號的波幅很小，其時域信號大多近乎直線；受精蛋的生物電信號較為豐富，其時域信號波形如

9、圖317所示。,無精蛋的電信號的波幅很小，其時域信號大多近乎直線；受精蛋的生物電信號較為豐富，,利用紫外、可見、紅外等光線與物體的相互作用而產生的反射、散射和吸收等現象，用于食品品質檢驗是20世紀60年代開始的新方法。,光學特性可以反映食品與農產品物料的： 表面顏色、內部顏色、內部組成結構以及某種特定物質的含量，進而反映了食品與農產品物料的某些重要的品質指標，目前發(fā)達國家已把光學特性檢測和分選技術應用于食品與農產品的物料質量評定和質量管理的許多方面。,10.3.4食品的光學檢測技術及其在食品檢測中的應用,紫外分光法檢測技術 主要是在紫外光源照射下，導致熒光物質發(fā)光而進行目標檢測的,從破損的細

10、胞中漏出果皮表面 紫外光(激發(fā)光源) 精油 發(fā)出強熒光（波長560nm ） 220nm和365nm兩處波長 正常柑橘不釋放 利用正常部位與損傷部位的熒光發(fā)光強度的不同，通過計算機進行數據處理后即可以進行柑橘的分級。,柑橘損傷,2.可見分光法的檢測技術 選擇一個合適的光學特性和一個質量特征是建立光學質量指標的關鍵 通常選擇光指標的程序是研究產品光譜在不同波長的響應，選擇一個或者一系列與質量特性相關的波長，測量標準根據采用的變量形式分為以下五類： （1）單波長測量：在某一特殊波長物體的光特性被作為一個指標 （2）差分測量：測量兩個不同波長的光密度差 （3）比率測量：取兩種不同波長的光

11、的特征之比 （4）復合測量： （5）全光譜測量：將一段波長的光譜值與物料質量特征相關，利用化學計量學的方法進行計算分析,可見分光法無損檢測原理,光波透過介質時，光速比在真空中小，光的強度也隨之下降。光強下降的原因為：介質材料吸收光能轉化為熱能和由于材料不均勻及微粒雜質引起的光散射因此只有一部分光穿過介質。物體吸收散射和透射部分的比例大小取決于被照物體的的表面狀況、內部成分、折射率以及入射光的波長等因素,光密度：,可見分光法的檢測技術的應用 （1）可見分光法在澀柿檢測中的應用 原理：當可溶性丹寧含量在0.5%以上時，人們就會感覺柿子發(fā)澀，而在0.5%以下是就會覺得甜，柿子脫澀是因可溶性單寧物質轉

12、化成不可溶性、俗稱褐斑的物質所致。這種褐斑物質是檢測甜柿的重要元素， 當可見光照射到柿子上時 存在褐斑物質---丹寧細胞吸收光線----柿子顏色呈暗紅色 丹寧細胞沒有褐變------使柿子顏色發(fā)紅發(fā)亮,a.色選機基本原理：利用物料的反射光量差異進行好壞識別，并利用電磁排料器去除異色?；螂s質 b.色選機的主要用途：排除雜質如石頭、沙子、玻璃、金屬等；去除對人體極具危害的黃斑、霉變、蟲蛀、等有害物質 c.色選機的結構和工作原理：,（2）可見分光法在大米色選檢測中的應用,光電色選機的工作原理（選擇花生仁、米粒等）： 貯料斗中的物料由振動喂料器送入通道成單行排列，依次落入光電檢測室，在光電探測器與

13、比色板之間通過。被選顆粒對光的反射率及比色板的反射率用光電探測器相比較，顏色的差異使光電探測器內部的電壓改變，并經放大。如果兩者的信號差別超過自動控制水平的預置值，即被存儲延時，隨即驅動氣閥，高速噴射氣流將物料吹送入旁路通道。而合格品流經光電檢測室時，檢測信號與標準信號差別微小，信號經處理判斷為正常，氣流噴嘴不動作，物料進入合格品通道。,色選機的核心光學檢測系統(tǒng)類型： 單色光檢測系統(tǒng),10,1,2,3,4,5,6,7,8,9,既可用作反射光檢測又可用于透射光檢測單色光信號被轉換成電信號，并與背景光電信號進行比較，其差值經整形放大處理，當差值大于設定值時，電控系統(tǒng)就驅動分選系統(tǒng)及時剔除異色疵品,

14、雙色光檢測系統(tǒng),三視雙色光檢測系統(tǒng),常用術語,,（3）可見分光法在蘋果水心病檢測中的應用 正常蘋果組織有2030%體積被空氣占據，而水心蘋果的大量空間充滿了液體，這些填充細胞間隙的液體改變了蘋果組織的光散射特性，光散射因為水心病而減少，使通過水果的光學路徑更長，有更多的能量透過，這就是對于相同入射光而言，含有水心的蘋果透射的能量更多，從而有小的光密度值,例1：下圖為某種檸檬不同成熟度的反射光譜。在波長678nm處，二者有明顯差異，可選一小段1-2進行檢測分選。,有時，只采用一段光譜還難以把物料中的合格品與疵品完全分開，可采用兩段或多段光譜對物料進行檢測分選。圖是三個等級的花生仁的反射光譜，采用

15、兩段的反射光譜就可以將它們分開。,（4）可見分光法在雞蛋品質檢測中的應用 原理：雞蛋外殼及內容物均有較好的透光性，但蛋殼、卵白、卵黃等是非均勻且透光性極為復雜的生物材料。當光照射到雞蛋表面上以后，一部分被外表面反射，一部分進入雞蛋遇到細胞結構，或產生散射、或被細胞物質吸收，其他部分則透過雞蛋而射出成為分析光。這樣在分析光上就負載了一些蛋殼和內容物的特征,3.近紅外分光法檢測原理 （1）簡介 近紅外（near infared NIR）光是指波長介于可見光區(qū)域中紅外光區(qū)之間的電磁波，波長范圍約為0.82.5m，波數范圍125004000cm-1. 原理：近紅外光譜的信息源是分子內部原子間振動的倍頻

16、與合頻，在近紅外分析中，具有實際意義的主要是以含H的基團（O-H,N-H,C-H等）為主的一些特征基團 近紅外光譜分析特點： 樣品一般不需預處理，適于快速分析 可以利用漫反射技術 多組分同時分析 屬于綠色分析技術,（2）近紅外光譜分析的難點及解決方案 近紅外光譜是復雜重疊的光譜，由于近紅外光譜測定的樣品經常是不經過提純等預處理的復雜樣品，在這些樣品終于待測成分一起同時存在高強度的復雜背景 解決：為了消除復雜背景的影響，需要取得這些背景的信息，通常是通過收集各種類型的樣品，從中選取代表性樣品來取得背景的信息。近紅外光譜分析建立的數學模型所用的校正樣品集應當有代表性，即應包含待測樣品的各種背景，由

17、這樣的標準樣品所建立的數學模型能夠校正背景對測定的影響。因此收集樣品資源是近紅外光譜分析的一個基礎,近紅外光譜的譜峰寬度比中紅外譜帶寬得多，物質在近紅外譜區(qū)的吸收峰分布范圍也較寬，因此復雜物同一近紅外譜區(qū)內常有不同分子多種基團的譜峰重疊在一起 解決：采用多元分析，在全譜區(qū)內或利用某些特定波長點的組合來提取需要的信息。這是因為對應某一個波長點雖然可能有多種組分的光譜重疊，難以區(qū)分不同組分，但任意兩種組分在許多波長點或者在近紅外全譜區(qū)內一般卻不可能完全相同，可以采用多波長點的特征來區(qū)分不同組分,近紅外光譜的變動性大：由于樣品未經預處理，因此樣品的狀態(tài)測定的方式以及測定的條件都會影響測定結果，特別是

18、在漫反射時。這種不穩(wěn)定性主要是測定條件統(tǒng)計性隨機波動造成的，可以稱為統(tǒng)計波動性 解決：在硬件方面：可以運用旋轉的樣品池、大面積移動式樣品池以及積分球等特殊的樣品池進行測量 在軟件方面：通過一些校正系統(tǒng)誤差的信息處理技術，如矢量歸一化法，多元散射校正以及導數光譜等，校正樣品光譜的失真，同時還需建立規(guī)范的測試過程以減少光譜的不穩(wěn)定,紅外光譜包含的信息強度低：有機物近紅外譜區(qū)各級倍頻與合頻的吸收強度大體上依次比基頻或上一級倍頻低一個數量級由于紅外光譜強度低，因此組分在近紅外光譜中的譜峰強度較弱，影響了近紅外測量的檢測限。 解決：在硬件方面：近紅外儀器應該具有較高的波長準確度和吸光度準確度

19、在軟件方面：近紅外分析必須依靠現代化學計量學的算法與計算機技術，利用標準樣品近紅外譜的全譜區(qū)信息，建立樣品光譜和待測量間的數學關系，進行運算，得出樣品的待測量,應用：,（1）近紅外分光法在水分檢測中的應用 水的特征吸收：1940,1450，1190,970,760 nm O-H的倍頻吸收帶：1450,970,760 nm O-H的合頻吸收帶：1940,1190 nm,（2）近紅外分光法在瓶裝腐乳成分檢測中的應用 常規(guī)分析： 可溶性蛋白質：凱氏定氮法 氨基酸態(tài)氮：甲醛滴定法 水分：烘干法 鹽分：硝酸銀滴定法 近紅外分光法應用： 積分球漫反射 光纖漫反射,,積分球的預測結果,光纖采集的預測,利用多

20、元逐步線性回歸法得到的瓶裝腐乳中各成分的近紅外特征吸收峰 水分：957,1145,1253,1369,1410,1617,1786nm,可溶性蛋白質：1179、1280、1652、1828nm,氨基酸態(tài)氮：1176、1278、1648 、1830nm,鹽分：992、1227、1443、1594、1716、1793、2174nm,腐乳塊中與湯料或腐乳塊之間成分含量的關系圖,（3）近紅外光譜法在水果內部品質檢測中的應用 水果的漫反射檢測原理,水果的近紅外分光法檢測技術 近紅外光譜分析在水果和蔬菜外觀如表面缺陷、色澤和內部成分如可溶性固形物，糖分、堅實度、酸度、干物質含量等方面具有快速無損檢測等特點 獲得水果近紅外光譜的三種技術： 規(guī)則的反射光譜技術 漫反射技術 透射光技術,優(yōu)點：光譜信息最易實現且反射率較高，能夠用于水果生產檢測分級 缺點：測量用的校正模型易受水果表面特性影響，水果類型不同時，需要調整,規(guī)則的反射光譜技術,特點：由于接受的光譜信息全部反應水果內部組織的特性,漫反射技術,特點：不受水果表面特性的影響，接受的光譜信息反應水果的內部信息,透射光技術,水果近紅外漫反射檢測流程,幾種水果的近紅外光譜,