山茶油摻假大豆油中紅外檢測儀的研制

(南昌大學 信息工程學院，江西 南昌 330031)

中國是世界上最大的山茶油生產基地，目前山茶油原料全部取自天然野生山油茶樹，產量十分有限[1]。一些不法商販趁機以次充好、制假售假，讓消費者對山茶油產品安全產生了信任危機。為了保障消費者權益，以及開拓并穩固山茶油的國際市場，一方面需要工商部門加大市場管理力度；另一方面，亟需研制出快速、便捷的山茶油摻假檢測儀，方便公共衛生監督所、食品藥品監督局、學校企業食堂和工商管理部門進行現場山茶油摻假無損檢測。

近年來，隨著簡易型紅外光譜儀器的出現，紅外光譜技術在摻假檢測領域的應用越來越廣泛，紅外光譜技術在飼料[2]、谷物[3]、水果[4-5]、蔬菜[6]、雞蛋和豬肉[7-8]等固體的定量和定性檢測方面得到了廣泛應用。為了實現現場快速檢測，已有學者對便攜式近紅外分析儀器進行了研究，實現了牛奶、芝麻油、蜂蜜和豆漿等液體的摻假檢測應用。分析和總結文獻發現，王右軍等人[9]采用CCD短波近紅外光譜對牛奶中摻假物質檢測的可行性進行了研究分析。楊佳等人[10]應用傅里葉變換近紅外光譜(FTNIR)結合化學計量學分別建立了芝麻油的真偽鑒別與摻偽定量的快速分析方法。李水芳等人[11]采用CARS法和PLS-LDA模型，實現了蜂蜜中摻假葡萄糖的快速檢測。李東華等人[12]運用近紅外光譜技術，采用偏最小二乘法進行回歸分析，實現了對真偽豆漿的快速無損判別。目前，國內外學者采用紅外光技術對大豆油、花生油和菜籽油摻假檢測開展了較多研究，但對山茶油摻假檢測研究少之甚少。本文采用中紅外LED光源，基于MSP430F149研制了一種長波中紅外的便攜式山茶油摻假無損檢測儀，可實現對山茶油的快速無損檢測。

1 便攜式山茶油摻假無損檢測儀

1.1 檢測儀工作原理

油類有機物主要由O-H、C-H和C-O等分子基團構成，由于各類油具體的脂肪含量不一，其分子基團組成成分也就不一樣。當一束中紅外光穿過不同油樣時，樣本會選擇性吸收輻射光中某些頻率波段的光，不同的樣本吸收的光不同。根據這一特性，采用紅外光譜檢測技術，便可以實現對油樣的酸敗識別和摻偽分辨等。紅外光的吸光度表達式為

(1)

式中，A為吸光度；I0和I1分別為透過樣品前和透過樣品后的光強值。

山茶油摻入菜籽油、大豆油和玉米油等其他油后，油樣脂肪酸成分發生變化，其光譜透射率也會隨之變化。收集一定數量的摻假山茶油樣本，分別測定樣品在各紅外光譜作用下的吸光度A，利用化學計量方法建立校正模型。目前，常用的建模方法有多元線性回歸(Multi-Liner Regression，MLR)、主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)、偏最小二乘法(Partial Least Squares Method，PLS)和人工神經網絡(Artificial Neural Network，ANN)等。本文采用多元線性回歸算法和偏最小二乘法對油樣進行建模，找到一組最佳數據進行函數匹配，實現山茶油摻假的檢測。

1.2 檢測儀硬件設計

圖1和圖2分別為便攜式山茶油摻假無損檢測儀的系統結構圖和硬件框架圖。該檢測儀由MSP430嵌入式處理器、分光系統、光譜數據采集電路和LED驅動電路4個部分構成。檢測儀硬件部分主要包括光譜數據采集電路、LED驅動電路、LCD顯示、鋰電池組、SDRAM以及JIAG、USB2.0、RS232等接口。

圖1 檢測儀系統結構

圖2 檢測儀硬件框架圖

1.2.1 MSP430嵌入式控制系統

因此，本文研制的檢測儀選取724 cm-1、1160 cm-1、1456 cm-1、1748 cm-1和2925 cm-1波長的濾光片組合，進行樣品吸光率的檢測，然后從50個摻假油樣中分別剔除1、2、3、4、5個樣本作為預測集，剩余作為校正集。

1.2.2 分光系統

if(i==20)

圖3 分光系統示意圖

1.2.3 光譜數據采集電路

劉劍文在接受記者采訪時表示，此次個稅改革之所以引起如此大的反響，主要是在草案制定過程中，一直處于保密狀態，對于起征點如何設定，專項扣除的項目如何選擇都沒有一個較為明確的解釋，引發了大家的疑惑。“個稅關乎著每個人，應該在前期充分征求民意，凝聚共識，這樣才有利于法律的遵從。”

光譜數據采集系統通過OPT101采集中紅外透過油樣后光強度的微弱信號，經AD620儀用放大器進行信號放大后發送至處理器進行數據處理和存儲等。光譜數據采集電路如圖4所示。

一般孕產婦及其家人并不懂醫學上的專有名詞,所以,護理人員在進行溝通時,要盡量減少專有名詞的使用,掌握溝通的技巧和方法,除了語言外,還可以運用肢體語言等。同時,護理人員在與孕產婦進行溝通時,也要注意語速、語調等,孕產婦處于情緒比較容易波動的時期,護理人員就更要照顧孕產婦的情緒,注意溝通方式和技巧。而且,不同的孕婦產的文化層次等方面不同,理解能力也有差距,因此,護理人員在與孕產婦溝通時,要采用不同的方式,降低她們對分娩的恐懼。運用通俗易懂的語言將護理的內容告知孕產婦及家屬,使他們對分娩有正確且清醒的認識。

該系統采用雙OPT101光電傳感器進行信號采集，其中一片正面采集信號，一片反面采集信號。反置OPT101主要用來對抗溫濕度引起的零點漂移等干擾，增強系統共模抑制比方面的能力，盡量減少外部因素對系統造成的誤差。由于OPT101光電傳感器采集到的信號在mv級別，嵌入式系統無法直接獲取其信息，因此需要對信號進行功率放大。本系統采用低功耗、高精度的AD620儀用放大器進行信號增益放大，通過調節RP2可調電阻器阻值，可以實現1～1000間的增益放大。

圖4 光譜數據采集電路

1.3 檢測儀軟件設計

山茶油摻假無損檢測儀有上位機和下位機兩種軟件，二者均可實現山茶油的摻假檢測、儀器參數和存儲數據信息的查看等。光譜信號采集軟件工作流程如圖5所示。

圖5 光譜信號采集軟件工作流程圖

檢測儀開機初始化后先自行判定是否通過USB連接上電腦，若正常連接，則將控制權交給上位機；反之，則交給下位機。系統自檢及故障診斷是通過儀器內部電路多處電壓值檢測，以判斷儀器各部件是否工作正常，自檢部分有光學系統、光譜信號采集、LED驅動電路和信號調理電路等。對于不正常的電路或部件，檢測儀會主動進行提示，方便檢測人員快速找出并解決問題。系統自檢及故障診斷通過后便開始正常工作，此時儀器進行光譜采集，并根據吸光度和檢測儀內置的預測模型，計算出檢測結果。最后，將檢測結果和采集到的圖譜發送到上位機軟件或LCD人機界面進行顯示。

TEMP=temp/4095;

#pragma vector=ADC_VECTOR

_interrupt void ADC12ISR(void)

temp=((ulong)(TEMP)*250);

基于改進AHP和物元可拓法的水生態文明建設評價……………………………………虞未江，賈 超，袁 涵，等（1.1）

static uint i=0,sum=0;

while((ADC12CTL0&0x01)==1);

Flag = 1;

TEMP = ADC12MEM0;

發芽指數可以衡量種子的發芽數，反映種子的發芽速度，還可以用來檢測種子的活力。不同濃度的海水對厚萼凌霄種子發芽指數的影響數據見圖3。

The stability simulation and evaluation about massive karst cavern of Zhushabao tunnel on

{ ulong temp;

光譜信號采集及光強度檢測代碼如下：

式中，Pi為土壤重金屬i的單因子指數；Ci為土壤重金屬i的實測濃度；Coi為土壤重金屬i的污染風險評估參比值，采用GB 15618（生態環境部等，2018）中規定的土壤污染風險篩選值。

sum+=TEMP;

i++;

儀器光路由中紅外LED光源、窄帶濾光片、菲尼爾透鏡和光電檢測器組成，便攜式山茶油摻假無損檢測儀分光系統示意如圖3所示。MIR-LED光源發出的光透過窄帶濾光盤后形成波長單一的中紅外光，然后經過菲尼爾透鏡匯聚到待檢測油樣，二者作用后，透射光被OPT101光電傳感器收集，通過信號調理電路后導入處理器，處理器將數據信息進行處理后即得到待測樣本分析結果。

Data_do(sum/20);

{ i=0;

data_do(temp_value);

sum=0;}

delay_ms(10);}

2 建立定量分析模型

在南昌大學分析測試中心采用美國熱電尼高力公司生產的智能型傅里葉變換紅外光譜儀Nicolet 5700獲取了50個摻假山茶油樣本的一階導數光譜，所測摻假山茶油是將大豆油摻入純山茶油中，摻假濃度從2%～100%，濃度分辨率為2。為了方便數據展示，本文只在圖中顯示10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%的光譜數據信息。各摻假濃度一階導數光譜如圖6所示。摻假山茶油一階導數光譜的數據矩陣如表1所示。

表1 摻假濃度一階導數光譜數據矩陣

山茶油中主要含有角鯊烯、茶多酚、山茶皂甙、山茶甙、鋅和不飽和脂肪酸等成分，其中不飽和脂肪酸含量高達85%～97%；而大豆油中主要包含棕櫚酸7%～10%，硬脂酸2%～5%，花生酸1%～3%，油酸22%～30%，亞油酸50%～60%，亞麻油酸5%～9%，二者分子基團組成成分相差較大。從圖6光譜曲線和表1數據也可以看出，樣品在中紅外長波段724 cm-1、1160 cm-1、1456 cm-1、1748 cm-1和2925 cm-1附近吸收明顯，各摻假濃度區分度高，這些一階導數光譜為山茶油的摻假分析提供了相當豐富的信息資源。

1.4 統計學方法 所有數據經雙人核對后錄入Excel表格，采用SPSS 16.0統計軟件進行分析，計量資料用描述，組間均數比較采用t檢驗，以P<0.05為差異有統計學意義。

圖6 各摻假濃度一階導數光譜

MSP430嵌入式控制系統是檢測儀最關鍵的部分，其實現儀器的LED顯示、信號調理、光譜數據采集、優化處理以及信息的存儲。為了符合儀器設計和檢測要求，選用TI公司的MSP430F149低功耗處理器，該芯片是具有16位總線的帶Flash的單片機，其程序存儲器為60 KB，數據 RAM 為2 KB，外設和內存統一編址；它還具有統一的中斷管理和豐富的片上外圍模塊，以及強大的時鐘系統，可以進入5種省電模式，能夠大幅節省電池損耗。另外，該芯片為LQFP封裝，體積小，可以使儀器結構緊湊、集成度高、重量輕、攜帶便捷。

將濾光片組合下采集到的樣品吸光度作為模型原始參數，利用Matlab仿真平臺在樣本庫范圍內，運用多元線性回歸算法和偏最小二乘法建立模型，得出的模型可以作為山茶油摻假大豆油濃度紅外光譜定量模型，表達式為

信息爆炸的時代，消費者不僅僅追求產品的獲得，更希望獲得知識的滿足與行業相關的前沿資訊以知識類短視頻輸出，進而引導購物，非常適合時尚科技類領域。人們越來越看重有價值的知識，但是對于專業知識的鴻溝無法跨越企業因該簡單易懂好理解的表達用戶所需要獲取的知識。

通訊模塊電路中S1為撥碼開關,當碼位為00時為固定周期傳輸,即每隔2 min采集一次數據并傳輸。當碼位選擇01時為變周期數據傳輸。微控制器檢測當前周期環境數據后,與上一周期數據進行對比,如果差值小于設定閥值,則當前周期不發送數據。如果超過設定閥值,則將變化的參數發送到路由節點。上位機如果未收到本周期某一節點數據,則默認當前周期該節點環境參數未有大的改變,使用上一周期檢測值為本周期環境參數值,減少數據傳輸過程中的能耗。檢測器器變周期數據傳輸機制工作流程圖如圖5所示。

y=-4.92-12.456A1-125.362A2+160.476A3+

基于配變負載歷史數據，對采樣數據進行分類預測模型的選擇，通過比較分類模型的優劣選出最優模型。分類器模型的選擇過程以及分類器的準確率如下圖所示。

73.764A4-119.895A5

(2)

式中，y為山茶油實測濃度；A1，A2，A3，A4，A5分別為724 cm-1、1160 cm-1、1456 cm-1、1748 cm-1和2925 cm-1波長下檢測到的吸光度值。

3 應用結果與分析

3.1 檢測儀性能測試

為了驗證便攜式山茶油摻假無損檢測儀的性能指標，特地對其主要性能進行了一系列測試，獲得光譜波長范圍、波長準確性、測量溫度、環境溫度和漂移等性能指標。

檢測儀主要性能指標如下。

① 波長范圍：400～4000 cm-1；

② 波長準確度：±0.5 cm-1；

③ 測量溫度：10.0～100.0 ℃；

④ 環境溫度：操作環境5～35 ℃，保存環境0～50 ℃；

⑤ 光源：MIR-LED；

例1 大理大學數學與計算機學院評選優秀班集體的主要參考屬性有黨員人數、大學英語四六級考試過級率、計算機等級考試過級率、文明宿舍得分、科研立項獲獎和各類文體活動獲獎等，部分年級和班級參評數據見表1。其中，2015jil、2015tx、2015tj、2015sx分別表示2015級計科1班、2015級通信班、2015級統計班、2015級數學班。

⑥ 漂移：±0.003 Abs/3 min；

1.2.2 樣品的制備與測定。參考行業標準方法《YC/T 380—2010 煙草及煙草制品鉻、鎳、砷、硒、鎘、鉛的測定 電感耦合等離子體質譜儀法》[12]進行分析測試。準確稱取0.2 g(精確至0.000 1 g)煙草樣品放置于微波消解罐中，依次加入5 mL 65%硝酸和2 mL 35%雙氧水，旋緊密封后進行微波消解。消解程序如表1所示。冷卻至室溫后，將消解罐內的試樣溶液用超純水沖洗2次，所得洗液一起合并于50 mL容量瓶中，超純水定容至50 mL，混合搖勻。用同樣的方法制備試劑空白溶液。

⑦ 儀器重量：<5.5 kg；

⑧ 外型尺寸：240 mm×170 mm×80 mm；

⑨ 檢測精度：±5%(摻假度高于5%時)。

數據顯示該檢測儀是一款自動化程度很高的山茶油摻假專用檢測設備，其光譜波長范圍、波長準確性、測量溫度、環境溫度和漂移性等性能優良，儀器水平比較高。另外，該儀器采用雙OPT101光電傳感器檢測，可以消除背景干擾，提高檢測精度，能滿足各種復雜環境檢測需求。

3.2 實驗結果分析

為了驗證該檢測儀的實際應用能力和檢測準確率，以山茶油摻入大豆油為例，進行了實際應用分析。采用所研檢測儀對5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%和100%的摻假濃度值油樣進行了測量，測量中每個油樣測得5個紅外光譜波長下的吸光度值，然后運用紅外光譜定量模型進行計算，得出摻假樣本實測值。圖7顯示了摻假樣本真實值與實測值的關系。摻假樣本真實值與實測值數據對比如表2所示。

梁怡教授和韓強教授都任職于北京聯合大學海外中國學研究中心，長期致力于國外中國學研究成果的追蹤和評析。梁怡教授的相關研究成果包括：《國外馬克思主義中國化研究評析》(2012)、《海外中國學研究中的理論和方法》(2013)、《國外中國特色社會主義研究情況評析》(2014)等，韓強教授的相關研究成果有《海外中共黨建研究的幾個問題》(2013)、《國內學者如何認識海外開展的中國共產黨研究述評》(2016)等。關于中國共產黨和中國特色社會主義的研究，是新漢學的重要內容，因此追蹤與評介新漢學中的相關研究成果，也成為國內政治學界對新漢學進行梳理評介最主要的切入口。

從圖7和表2可知，用研制的無損檢測儀實測值與摻假樣本真實值相當，兩者之間相對誤差不超過 5%，表明模型性能較好。該儀器檢測準確率高、誤差小、性能可靠、具有很強的實際應用能力。由于建模樣本數比較少，實測值還存在一定誤差，但仍可以滿足山茶油摻大豆油的檢測。

圖7 摻假樣本真實值與實測值的關系

真實值(y)實測值(y′)相對偏差/%真實值(y)實測值(y′)相對偏差/%55.2384.765556.0261.871010.0410.416060.2450.411515.7214.816564.5000.772020.4852.427069.3930.872524.7321.077576.6352.183028.7864.058079.8430.203536.2143.478583.5401.724040.3540.899091.0361.154546.7843.969596.2961.365049.7770.4510098.7401.26

4 結束語

本文采用中紅外LED光源，基于MSP430F149研制的便攜式山茶油摻假無損檢測儀，具有結構緊湊、體積小、重量輕、攜帶方便、檢測周期短和環境適應性強等特點，可實現對山茶油摻假的快速無損檢測，較好地滿足現場品質分析需求，已成功應用于山茶油摻入大豆油的檢測，實際應用效果良好。此外，該檢測儀增加了USB接口，方便數據的上傳和下載，且儀器擴展性強，可擴展用于快速檢測山茶油中是否含有棕櫚油、棉籽油、菜籽油、礦物油、桐油和大麻油等廉價油。