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快速检测牛奶成分的近红外光谱测量方法及系统研究

王丽杰  
【摘要】: 牛奶是人们生活中最常消费的食品之一,它含有蛋白质、脂肪、乳糖及维生素等多种人体需要的营养元素,能满足人体多方面的营养需要,因此,牛奶主要成分含量的测量就显得尤为重要。近年来,随着现代分析仪器科学的发展,快速有效地测定牛奶等乳品成分含量愈发引起各国乳品行业的关注。 随着光学仪器设计、制造水平的提高以及计算机技术的发展和化学计量学方法研究的深入,近红外光谱分析技术在过程分析和工业控制领域快速崛起。它具备高效、快速、成本低和绿色环保等特点,并且能同时测量物质的多种组分,在化学工业监测、医学临床诊断、农产品质量检测及食品质量检测等方面有着广泛的应用前景。 利用近红外光谱分析方法测量牛奶主要成分可以克服传统方法的诸多弊端,易于实现自动化,因此在乳品检测领域具有重要意义。本论文在探讨基于声光可调谐滤光器(AOTF)的牛奶成分近红外光谱测量方法的基础上,侧重研究如何从相互重叠的光谱中提取样品成分浓度变化的微弱信息。即通过采用化学计量学的各种手段,包括光谱数据预处理、多变量建模等方法,来消除物理因素导致的干扰,建立稳健的数学模型,并针对测量系统系统设计、实验设计、误差传递模型的建立等方面进行了研究。论文的主要研究工作包括以下几个方面: 1.论述了近红外光谱的产生及其光谱特征,探讨了近红外光谱定量分析原理及方法。论述了AOTF的分光原理,分析了非同向声光相互作用下的光波矢量和晶体光轴的关系,根据平行切线动量匹配条件,推导了声波和光波相互作用公式,为AOTF声光参数的确定提供了依据。 2.研究了采用基于AOTF的近红外光谱分析方法在光谱区域1 000nm~1 700nm范围内测量牛奶中蛋白质、脂肪及乳糖等主要成分含量的基本方法。完成了基于AOTF的牛奶成分近红外漫反射光谱测量系统的模块化设计及相关的硬件和软件设计,并针对测量系统稳定性进行了测试,设计后的测量系统光谱重复性变异系数(Cv)低于0.1%。 3.对近红外光谱分析中光谱数据预处理方法进行了研究。重点研究了


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