牛乳大分子含量检测实验装置的研制

丁国超，李维民，尚廷义，袭 杨，高云丽

（黑龙江八一农垦大学信息技术学院，黑龙江 大庆 163319）

0 引 言

随着人们对乳制品的需求不断增加，如何准确快速地检测出牛乳中成分含量得到了广泛地关注[1]。本文建立了牛乳中脂肪和蛋白质成分含量与光的散透比之间的关联模型，并根据牛乳成分快速检测及检测精度的要求，研制了牛乳成分含量检测装置，完成了牛乳成分检测装置的硬件电路设计。在实验装置的设计过程中，充分考虑了系统误差、环境因素和人为因素的对实验检测精度的影响，并采取措施减小了外界因素的干扰，提高了检测精度。

1 散透比理论的研究

众所周知，在均匀介质中，光只能沿着折射光线的方向传播，在这种情况下，光不可能朝各方向散射。光通过均匀介质时，介质中的偶极子发出的次波具有与入射光相同的频率，且偶极子之间有一定的相位关系，因而它们是相干光。在跟折射光线不同的方向上，它们互相抵消，因此均匀介质中光是不能发生散射的。为了能让光发生散射，则必须有能够破坏次波干涉的不均匀结构。鲜乳中脂肪和蛋白质等颗粒与其周围的介质之间存在着不均匀结构，故当光通过牛乳时，必然出现光的散射现象；因此，可利用光散射原理来测量牛乳成分含量。但是由于牛乳中存在两种散射大分子，所以很难准确地单独测出蛋白质含量。从理论上说，如果能找到一种快速溶解脂肪且不溶解蛋白质的物质，就容易测出蛋白质的含量，但实际中并没有这样的物质。本文采用一种快速蛋白质熔解液，可以分两步来测量牛乳中的蛋白质和脂肪的含量：首先用蛋白质快速溶解液把蛋白质溶解为小分子[2]，使牛乳稀溶液中只有脂肪是牛乳中不溶的大分子，测出脂肪；再测脂肪和蛋白质两相共存的牛乳稀溶液，通过理论模型便可求出蛋白质含量。

利用散透比理论[3]来表征测试的光学参量，可以消除因入射光的光功率漂移而引起的误差。

当一束激光射入牛奶稀溶液中时，牛乳对光的吸收不能假定为零，由能量守恒原理可知：

式中：Ⅰ0——入射光光强；

S0——入射光束横截面面积；

Ⅰsi——脂肪在其散射面ΔSi上的散射光光强；Ⅰsj——蛋白质在其散射面ΔSj上的散射光光强；Ⅰt2——出射光光强；Ⅰa——纯吸收光强。

令

式中：Ⅰs——垂直入射光线的散射光强；

SR——以光束通过的试样中心为球心，半径为R的一个假想球面，在此球面上Ⅰs处处相等，它是一个与牛乳脂肪和蛋白质散射特性有关的量[4-5]。于是：

其中：m2=SR/S0，它和只有脂肪时的均散系数m1不同。又知：

其中：k1和k2——纯吸收系数；

c——常数。

则：

由于是牛乳稀溶液，则ξ1和ξ2的值很小，那么，利用泰勒展公式对式（5）中右边两式进行泰勒展开，整理可得

其中：A1，A2，B1，B2，M，N 均为常数，同理脂肪的浓度与纯脂肪溶液的散透比的函数为

由式（6）可知，Y2=f（ζ1，ζ2）经过计算机转换可得ζ2=f（Y2，ζ1），散透比Y2可以直接测出，而脂肪的浓度ζ1可通过式（8）求出，然后可求出蛋白质的浓度ζ2。

2 实验装置的研制

2.1 硬件系统功能设计

根据牛乳成分检测系统功能需求，不仅需要牛乳进样出样控制功能、良好的激光光源、好的信号采集模块、良好的人机交互界面，还应该有打印参数功能，根据这些功能需求，进行总体方案的构思和设计，其硬件构架如图1所示。

图1 牛乳成分含量检测系统硬件结构框图

2.2 检测放大电路

该检测电路以ICL7650为核心检测芯片。在电路设计中，反馈电阻采用精密的电位器，这样方便在实际调试中改变放大倍数；根据AD的参考电压基准，并为了使输出电压稳定，输出端加了两个钳位二极管，采用两路放大电路分别对散射的光强和透射的光强进行检测[6]。检测放大电路如图2所示。

2.3 乳样进出设计

牛乳的进出样设计是采用蠕动泵来控制的，通过控制电机的正转和反转控制牛乳的进样和出样。直流电机具有优越的调速性能，采用直流电机，具有调速方便（可无级调速）、调速范围宽、低速性能好（启动转矩大，启动电流小）、运行平稳、噪音低、效率高等特点，驱动方面采用内部集成有达林顿管组成的H型的功率变换桥电路的恒压恒流桥式驱动芯片。

3 系统软件总体结构设计

图2 光电检测电路设计

表1 任务划分与优先级

根据系统任务的重要性不同对软件设计划分不同的优先级，即根据牛乳检测系统的功能需求和特点将应用程序划分为7个不同的任务，任务的划分和优先级见表1，任务优先级号越低，优先级越高。

把系统中不同任务划分成不同的模块来分别进行模块化的程序设计，这样既明确了任务目标，同时简化设计，也便于后期的调试。根据功能与实现控制目标不同，设计完成的各模块既相互独立又相互依赖，本系统采用嵌入式操作系统μC/OS-II来完成软件设计。由于驱动程序封装在μC/OS-II操作系统下，上层应用程序开发、维护和软件升级都很方便，这样在一个成熟的以μC/OS-II为主的软件平台上，很容易开发扩展各种实用的控制应用程序[7-8]。

4 实验数据及分析

下面通过实验测试对所有设计进行验证。

首先选择27个来自不同奶源的乳样，每一样品均分成两份。一份送国家乳品质量检测中心测出它们的蛋白质含量，另一份用本文的测试系统来测定含量，然后进行对比。27个乳样的测试结果测试结果如表2和3所示。

表2 蛋白质的标准值与测量值比较

表3 脂肪的标准值与测量值比较

图3 测量误差分析

针对本装置测得的脂肪及蛋白质测量值偏差与标准脂肪及蛋白质含量值进行分析，27个样本的误差分析如图3所示。可以看出，绝大部分样本的测量误差在2%以内，部分测量误差介于2%～4%范围。总体来看，准确率均在96%以上，符合工业在线蛋白质及脂肪含量检测技术要求。还可以看出，27个样本中的误差围绕标准值呈随机分布状态，证明了本实验装置设计的合理性与科学性。综合可以看出，利用散透比测量牛乳中的脂肪和蛋白质的方法是可行的。

5 结束语

本文中的牛乳大分子含量检测试验装置的研制主要基于散透比理论研究，建立了散透比与牛乳中大分子成分含量的模型、检测电路的设计、乳品进出的设计。由于利用蠕动泵实现牛乳样本自动输入与输出，使得检测装置更加精确，而恰当地选择硬件使得整个装置的可靠性高。实验证明，牛乳大分子含量检测试验装置能快速准确地检测出牛乳大分子含量。

[1]Grant R.如何提高牛乳的蛋白质和脂肪含量[J].周鼎年译.中国奶牛，2002（1）：55-56.

[2]Yoshiyama H J.A light-scattering technique for single particle sizing[J].Aerosol Sci，1999，30（1）：357-358.

[3]侯志灵，姬广举.激光快速测定牛乳蛋白质质量分数[J].哈尔滨理工大学学报，2003（4）：119-122.

[4]韩永辉.牛奶成分近红外测量的光学基理论与实验研究[D].天津：天津大学，2005：3-5.

[5]Hiroaki Kurihara.Determination of particle-size distribution by a laser scattering method[J].Pedologist，1999，43（2）：73-81.

[6]杨小容，陈建政.串口AD嵌入式Linux驱动实现[J].中国测试，2010，36（2）：84-87.

[7]李岩.基于S3C44B0嵌入式μCLinux系统原理及应用[M].北京：清华大学出版社，2005：197-228.

[8]宋亮，苗琼.嵌入式实时操作系统μc/os-Ⅱ串口通信的设计与实现[J].电子设计工程，2011，19（5）：42-46.