基于ARM的超声乳品成份检测仪的设计

　　0　引言

　　目前,我国市场上销售的几种超声乳成份检测仪大多采用MCU(如51系列单片机)为核心器件,外加分散的模拟和数字器件搭成电路板。这种采用传统搭积木方式生产的检测电路的集成度较低,抗干扰能力普遍较弱,已不适合高可靠性、高频率的超声检测系统设计。另外,这类以微处理器为核心的检测仪器由于受到微处理器中断响应时间的制约,测量结果存在较大的误差,这种设备远远不能满足精密检测的需要。

　　随着嵌入式系统(ARM)技术的成熟与广泛应用,提出的超声乳品成份检测仪,采用超声检测技术,可对待检测乳样品进行无损地在线检测。

　　1　超声检测原理

　　低能超声检测技术(Low-intensity Ultrasonic Measurement)是一种利用能量低于1W/cm2而频率高于100 kHz的超声波获取被检材料的内部结构、物化特性等信息的测量技术。该技术通过检测超声波在媒质中传播时声波与媒质的相互作用的类型和程度来获取媒质非声学特征信息。乳品为典型的油水分散体系,脂肪小颗粒分散在含有胶质蛋白、可溶性蛋白、盐和乳糖的水相中,其品质受到诸如动物个体差异、地域、人为参假等诸多因素影响。现阶段,我国对乳品质量的物理特性的超声检测是乳品工业用来确定产品质量的重要手段,但是乳品组份的多样性及所要满足的检测精度对超声检测技术提出了更高要求。

　　对乳品的检测项目是脂肪小液滴含量的检测、非脂乳固体

　　(SNF)含量的检测和总固形物(TS=脂肪+非脂乳固体)含量的检测。乳品成份多样性导致检测模型的确立比较困难,因为混合后的物质声速并非纯物质成份声速的简单叠加,与各成份浓

　　度及其相互作用都有密切关系。检测在不同温度下,低能超声波通过浓度较高的液态乳液(如鲜牛奶等)的渡越时间,结合理论和经验公式来实现超声波速度和组成成份的公式关系。

　　穿过特定组织成份的超声波的速度跟组织成份的物理特性的关联性,可以表述为

　　式中:c为超声波速度;ρ为液体密度;κ为液体的绝热压缩率。

　　式(1)适用于可近似被认为液体的材料,即衰减系数远小于体积系数(ω/C),对于液态高浓度乳品(鲜牛奶)满足该式。

　　多相物质测定最简单的方式最早是Wood提出,而Urick用一个方程详细阐述,并以他的名字命名这个方程。这个方程重申了伍德方程(Malcolm and Mason,1998),其相关性如下:

　　式中:v为声速;κ=∑Φ_iκ_i,Φ_i为混合物第i个组分的容积率;ρ=∑Φ_iρ_i.