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牛奶质量超声检测基础理论及实验研究

孙选  
【摘要】: 超声波检测技术作为一种绿色检测技术已经在生命医学、疾病诊断、石油化工、食品、环境监测、材料分析等领域得到成功应用,取得举世瞩目的成就。在液体成分分析领域也有许多成功应用案例。超声波检测技术在牛奶质量检测中也具有突出优势和良好发展前景,但是至今还未很好地满足牛奶质量检测的生产实际的需要,主要原因在于对“牛奶声学”研究的不足,包括超声波与牛奶的相互作用机制以及超声波在牛奶中传输的研究。本文采取理论分析与实验研究相结合的方法,就牛奶质量超声检测的作用机理和测量影响因素展开深入研究。建立了符合超声波与牛奶实际作用过程的声学模型,解决了牛奶质量超声检测的理论难题。研究了温度变化对牛奶测量的影响机理,分析了现有解决温度影响方法的特点,提出了“温度动态测量法”,并针对基于这种测量方法的建模方法进行了系统研究,解决了牛奶质量超声检测的应用瓶颈。具体内容包括: 1)从超声波在理想液体中传输满足的三个基本方程出发,推导出超声波在牛奶这种多元液体中传播的声速模型;在综合Stokes经典吸收理论和Kirchhoff理论的基础上,结合牛奶的特性,给出牛奶对超声波吸收衰减模型;在经典散射模型的基础上,推导出适合牛奶这一具体对象的散射衰减模型,从理论上理清了超声波在牛奶中的传输特性和超声波与牛奶相互作用机理。通过实验对牛奶脂肪、蛋白质的超声特性进行了研究,验证了声速模型、衰减模型的正确性。 2)系统分析了牛奶超声测量的关键影响因素——温度问题。研究了温度变化对牛奶超声测量的影响机理,通过实验确定了温度对超声测量影响程度,得出温度变化0.1℃对牛奶声速和衰减系数的影响相当于牛奶中脂肪质量百分比浓度改变0.1%或蛋白质浓度改变0.15%的影响,所以要想使脂肪和蛋白质的测量绝对误差小于0.1%和0.15%,温度的控制或检测精度高于0.1℃的结论。为了减小温度对超声测量的影响,提出了“温度动态测量法”。 3)将化学计量学方法引入到牛奶成分测量的建模方法中,通过系统分析优选偏最小二乘线性回归算法作为建立超声参量、温度与牛奶成分浓度之间关联模型的算法。为了提高模型预测精度和减小温度的影响,提出三种建立温度校正模型方法,经过实验对比研究得出了最佳建模方法,即采用声速和衰减系数联合建模的35℃+40℃的局部温度校正模型方法,用该方法建模预测精度最高,能够满足工业实际测量的要求。


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