基于超声波技术的高性能牛乳成分快速测定仪

　　0　引言

　　牛乳作为一种富含蛋白质、脂肪、乳糖、多种维生素、矿物质等营养要素的食品,越来越受到世界各国的重视。但我国乳品工业比较落后,牛乳的质量检测是最薄弱环节之一[1]。文献[2]简要分析了牛奶的化学成分,给出了牛奶中非脂固形物、脂肪、蛋白质3种营养成分含量测定的数学模型及牛奶冰点、密度和掺水率的测定方法。该文详细介绍了一种采用超声波声速测定原理来测定牛奶中主要营养成分的便携式电子测量仪,阐述了仪器的测试原理、硬件组成、主要电路和软件设计及其实现方法。

　　1　超声检测原理及换能器

　　超声波是频率大于20 kHz的声波,通过机械振动在媒质中传播。近年来,超声波技术在食品工业中的应用也取得成功,并逐步展现出广阔的前景[1]。

　　1.1　牛奶主要成分的超声检测原理

　　在超声检测技术中,最常用的两个测量参数是超声波通过介质的声速及声波振幅的衰减。对牛奶成分的检测,是利用其在不同介质中的声速存在差异,即声速测定原理进行的[3]。最简单的超声波声速测定方法是发射-接收技术,即用换能器产生一个声波脉冲,利用另外的设备检测它以获得声速。也有将一个传感器既作为超声波发生器也作为接收器,借助一个计时器,在转换器发出声波时计时开始,根据声波传输时间与距离来得到声速,从而获得关于食品特性的数据[4]。图1是超声波声速检测技术的基本原理示意图[4, 5]。从信号发生器产生一个具有一定频率和振幅的脉冲电子波,在传至发送探头的同时,也送至时间计数器,记录开始时间T1。脉冲电子波在发送探头被转化成相同频率的超声机械波,通过样品压缩传递,被接收探头接收并再次转化成电信号,然后送至时间计数器记录停止时间T2。则△T=T2-T1即为超声波通过样品池的时间。因为样品池的有效准确长度d已预先利用已知声速的物质准确测知,所以声速即可求出。在两相的界面处,因声波传递会出现通过或反射两种可能性,所以在测量中往往只使用一个探头,既作为发送,也供接收之用。此时,测取的是声波到达某一选定界面后再反射折回探头的时间,即C=2d/△T。

　　1.2　超声波换能器

　　超声检测过程是信号的传输过程,检测超声换能器是实现产生和接收用于检测的超声信号的重要元器件,它是利用材料压电效应做成的压电换能器,通常称之为探头。超声检测换能器大都工作在暂态状态下,暂态换能特性是评价探头的一项重要指标。压电体内在电场不连续处将产生应力,形成扰动源。薄压电片在厚度方向加电场时,由于表面处电场不连续,形成表面换能并作双面辐射,如图2所示。图中RB,RT,RF分别为背衬、压电片和负载的声阻抗率,V(t)为δ脉冲激励电压。