基于射频分析技术的食用油脂品质快速检测系统 【技术领域】
本发明属于食用油脂品质检测技术领域，特别涉及一种基于射频分析技术的快速准确检测食用油脂品质的系统。
背景技术
鉴于对食用油脂安全因素的担忧和其潜在的市场前途，许多国家都在这一研究领域进行了深入的探索。其中，美国和德国的公司将研究成果转化为实际产品。这些产品主要是基于介电变化技术，存在着精度低，使用范围受限等一系列问题。近些年来，非接触式的介电波谱法在食品质量特别是在湿度的测定上引起了人们的关注。有研究证明物质的介电属性和应用的射频频率、温度、湿度、物质成分、材料结构都有一定的相关性。这一方法具备高精度，高敏感度，测试范围广等多种优点，为开发更新型的油脂传感器提供了可能。各方面的研究结果表明，通过测量不同频率下的油脂介电常数，可以用来评估经过深度烹饪后的油脂的质量。研究结果证明在深度烹饪过程中，不同射频频率下的介电常数差值的变化是一个非常显著的质量控制指标，可以利用它来研究油脂的内部变化。因此，各种新技术的发展和新的信号链设计芯片的面世，为新型检测仪器的发展提供了可能。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术精度低、速度慢等缺点，提供了一种基于射频分析技术的食用油脂品质快速检测系统。
本发明采用如下技术方案：
一种基于射频分析技术的食用油脂品质快速检测系统，包括：
文氏电桥的振荡器电路，该文氏电桥的振荡器电路将文氏电桥中的负反馈环路中的两个电容由交叉指型(Interdigital)传感器头替代。该交叉指型的传感头是一种准电容类的结构，通过电路板的微带线路产生，这种结构可以在特定的频率下，和一定的空间中产生巨大的边界电容，可获得最大的边界电容/面积比值，而该比值是传感器有效工作的关键；
锁相环电路，与所述文氏电桥的振荡器电路的输出相连接，通过该锁相环电路进行解调，锁相环电路自身的频率调节电阻为灵敏度条件电阻；
模数转换器，与所述锁相环电路的输出相连接，用于将所述锁相环电路输出的模拟量转换成数字量；
控制系系统，与所述模数转换器的输出相连接，用于采集所述模数转换器输出的数字信号，并进行计算，将计算结果与所述控制系统内置的数据库进行比较，并将比较结果显示。
进一步地，在所述锁相环电路与模数转换器之间还设有仪器放大电路。
进一步地，所述锁相环电路与与所述仪器放大电路之间设有一阶低通滤波器。
本发明的优点为：
1.使用先进的，有效的测试理论，建立基于射频技术的测试传感系统，有效降低噪音干扰，极大的提高了测量的精度和敏感度。
2.通过调整电路自身的属性电阻达到误差修正，多工作量程设定，偏置电压调整的目的，降低结构复杂度，无需添加专用的功能模块。
3.使用通用集成电路芯片，制造成本低廉，相对同一精度地测量仪器，成本大幅下降。
4.通过气相色谱仪的实际测试，建立基于各种变化过程的软件模型，从而具备多层次的应用。
5.有效的组织数据，通过公式与图表相结合的方式，明显加大测试速度，从而进行实时数据判断，数据显示。
以下结合附图及实施例进一步说明本发明。
【附图说明】
图1为本发明基于射频分析技术的食用油脂品质快速检测系统原理框图；
图2为本发明基于射频分析技术的食用油脂品质快速检测系统实例电路示意图；
图3为本发明实施例中的文氏电桥灵敏度分布图；
图4为本发明中文氏电桥的振荡器电路中的交叉指型模式的传感器头示意图。
图5为有限元模拟分析图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实例对本发明做进一步的描述：
如图1所示，一种基于射频分析技术的食用油脂品质快速检测系统，包括：
文氏电桥的振荡器电路，该文氏电桥的振荡器电路将文氏电桥中的负反馈环路中的两个电容由交叉指型传感器头替代，从而将传感器集成到文氏电桥中，实现电桥对传感器变化的测试过程进行监视。同时通过适当调整电桥负反馈电路中的电阻值来改变射频的频率，完成对传感器工作频率的调节。该交叉指型传感器的机构如图4所示，传感器工作的关键是微带线路的宽度和间距，该交叉指型传感器具体实施的宽度和间距都为0.02mm。图5是在该技术指标下进行的有限元模拟分析，如图5可知，在传感器表面可以获得远超出常规的电容值，可以有效提高传感器的性能。
具体实施例如图2所示，图2中文氏电桥的振荡器电路U1的放大元件选用LT1354，驱动电压为+5V。探测感应单元为电容C1和C2，由图所示，探测感应单元是文氏电桥的一部分。电容C1与C2在测试敏感度上是不对等的，根据实际的传感器头的测定，电容值为50-100pF。调节电阻R1与R2可以调节电桥的工作频率，以优化工作点。最佳工作点可通过具体实验获得。如结合图3所示的传感器敏感度分布图，可以看到不同的电阻R1与R2之间的传感器敏感度分布情况，由图判定电阻R1为50KΩ左右，R2为200KΩ左右，再经过实验微调，将电阻R1、R2分别标定在43KΩ和169KΩ，此时的工作频率为245KHz。
如果使文氏电桥可以稳定工作，则正反馈环路的放大增益应该为3。正反馈中的电器元件的具体值可通过Pspice计算机软件仿真获得，然后通过具体实验微调，以获得最佳的振荡稳定性。图2中有关的电气元件参数为：
R1 43KΩ
R2 169KΩ
R3 1KΩ
R4 1KΩ
R5 6KΩ
R6 2.4KΩ
二极管(Diode) D1N914
放大器(AMP) LT1354
Vdd 5V
锁相环电路，本发明中文氏电桥的振荡器电路的输出通过锁相环电路进行解调，锁相环电路自身的频率调节电阻在这里被改造为灵敏度条件电阻，可以有效设定传感器的敏感度和工作宽容度。同时利用锁相环自身具有的二阶低通滤波属性，合理的调节低通属性，过滤解调后输出的电压。
具体实施例如图2所示，图2中锁相环电路U2，该锁相环电路U2的锁相环路芯片选用德州仪器的74HC4046B，驱动电压为+5V。文氏电桥的信号通过引脚14进入，调制后的信号通过引脚13输出。测试电路的高精度将通过调节锁相环的工作点来实现，即调整电阻R11、电阻R12、电容C11。具体的值可通过实验确定。本实施例中，外加电路采用了一阶低通滤波器，由电阻R13和电容C12构成。该一阶低通滤波器与锁相环集成电路相结合，形成一个二阶低通滤波器，具体的电阻R13和电容C12的值可先由理论计算初步获取，再通过实际测试确定最终值。有关的电气元件参数为：
C11 10nF
C12 1200pF
R11 100KΩ
R12 33KΩ
R13 200KΩ
锁相环路芯片(PLLIC) 74HC4046B
Vdd 5V
仪器放大电路，锁相环输出信号已经为可用的电压信号，信噪比不低于5，但是还存在输出阻抗偏大，直流偏置严重，信号绝对值偏小等缺点，因此为了后期模数转换，一个后期的仪器放大电路可以同时消除这些缺点。并且通过调节参考电压可达到调节整个传感器偏置工作电压的目的，同时也到达降低输出阻抗，调整电路增益，提高输出抗干扰性。具体如图2所示，仪器放大电路U3的放大元件选用了AD627，驱动电压为+5V。这个电路中涉及两个变阻器R21和R22。变阻器R21的功能为调节直流偏置电压，变阻器R22的功能为调节电压增益。变阻器的具体值由特定的电路应用决定。
模数转换器，用于将经过仪器放大电路输出的模拟量转换成数字量传给控制系统。
控制系统，本实施例中采用嵌入式控制系统，该嵌入式控制系统的嵌入式微处理器选用了LM3S1138，这是一款基于ARM内核的32位处理系统。该微处理器内嵌4路10位的模数转换器，将输入的模拟信号采样转换为数字信号。在该实例中，信号的采集首先采用了硬件平均(64×)，之后由微处理器进行计算，并与嵌入式控制系统内置的数据库进行比较，并将比较得出的结果通过LCD等显示装置进行显示。
根据国际分析化学家协会(AOAC)的实验标准，本发明实施例中的测试方案是通过采用气相色谱仪，对油脂在不同的酸败过程中的多种物理属性，化学属性进行测定。不同的油脂变化过程主要通过采用不同的处理方法获得，比如温度因素、光因素以及氧气因素。变化后的油脂放到不同频率的射频场中(10K-10M Hz)，通过使用精准LCR测试仪，来获取相关的参数，例如介电常数，极化弛豫，介电损耗等。之后，将数据整合，并在理论层面上建立数学模型，并将相关的模型建立公式及图表集成到上述嵌入式控制系统中。将从硬件电路获取的数字量代入到模型中进行比较，进而将计算结果在显示装置上显示。本实施例中用来测定一个食用油脂传感器的在射频波段下的对微弱油脂质量改变的测定。该油脂的变化发生在25摄氏度，避光保存的环境中，即厚度为1mm的油脂膜在6个小时中的变化。