一种基于可见光的液体变质监测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于可见光的液体变质监测方法及系统。该方法包括：通过振动传感器振动待测液体，使得液体表面在表面张力的作用下产生表面毛细波；使用光源组合发出多种不同颜色的可见光，照射在液体表面；接收经过液体表面毛细波反射的可见光；对于接收到的可见光的光强变化数据，分析反射光的频偏关系，得到液体表面毛细波的波长，进而利用表面毛细波波长计算得到液体表面张力；对于接收到的可见光，通过分析不同颜色的可见光下液体吸收的光强，得到液体的颜色，进而综合颜色和表面张力得到液体类型以及液体中微生物含量情况。利用本发明专利技术能够实现更高精度且低成本的液体变质监测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于可见光的液体变质监测方法及系统
本专利技术涉及液体质量监测
，更具体地，涉及一种基于可见光的液体变质监测方法及系统。
技术介绍
现在的人们注重食品安全，分析食品品质的需求越来越多，而在工业生产中，还没有一种方法可以实时监测液体是否发生变质(如酸奶酿制过程以及酒精发酵过程的变质监测)，因为目前检测设备大多数都是侵入式设备或者价格昂贵的设备，消费者通常只能够通过食品上标识的生产日期来判断液体是否发生变质，所以在实现检测到液体变质过程中微生物含量变化的基础上，做出便宜、准确度高的液体变质监测计具有重要意义，逐渐成为研究的热点话题。目前，工业上使用的液体变质检测分成几种，第一种是使用侵入式设备，如PH计，因为液体中发现的许多细菌会产生副产品乳酸，乳酸导致pH值下降，但是使用PH计需要定时打开液体容器来检测液体的PH值；第二种是使用ATP(三磷酸腺苷)生物发光法，ATP生物发光技术测量荧光素和荧光素酶之间的酶反应产生的光发射，用光度计测量反应过程中发出的光量与ATP的浓度成正比，因此也与样品中微生物的数量成正比，但是这种方法需要复杂的操作以及昂贵的设备；第三种是电子鼻技术，电子鼻是一种用于快速检测和识别气味混合物的分析设备，它模仿人类嗅觉的操作原理，然而电子鼻的精度取决于其他传感器的价格，通常成本较高。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于可见光的液体变质监测方法及系统，利用液体变质过程吸收光谱以及表面毛细波的特性，实现更高精度且低成本的液体质量监测方案。根据本专利技术的第一方面，提供一种基于可见光的液体变质监测方法。该方法包括：步骤S10，建立液体表面张力数据库，该表面张力数据库反映多种类型液体的微生物含量与液体表面张力及吸收光谱之间的对应关系；步骤S20，通过振动传感器振动待测液体，使得液体表面在表面张力的作用下产生表面毛细波；步骤S30，使用光源组合发出多种不同颜色的可见光，照射在液体表面；步骤S40，接收经过液体表面毛细波反射的可见光；步骤S50，对于接收到的可见光的光强变化数据，分析反射光的频偏关系，得到液体表面毛细波的波长，进而利用表面毛细波波长计算得到液体表面张力；步骤S60，对于接收到的可见光，通过分析不同颜色的可见光下液体吸收的光强，得到液体的颜色，进而综合颜色和表面张力得到液体类型以及液体中微生物含量情况。根据本专利技术的第二方面，提供一种基于可见光的液体变质监测系统。该系统包括：预处理模块：用于建立液体表面张力数据库，该表面张力数据库反映多种类型液体的微生物含量与液体表面张力及吸收光谱之间的对应关系；振动模块：用于通过振动传感器振动待测液体，使得液体表面在表面张力的作用下产生表面毛细波；发射光模块：使用光源组合发出多种不同颜色的可见光，照射在液体表面；接收光模块：用于接收经过表面毛细波反射的可见光；处理模块：用于对于接收到的可见光，通过分析不同颜色的可见光下液体吸收的光强，得到液体的颜色，进而综合颜色和表面张力得到液体类型以及液体中微生物含量情况。与现有技术相比，本专利技术的优点在于，创新的利用可见光完成了液体表面张力的测量以及液体颜色的测量，从而完成液体监测的目标，使用可见光去测量振动传感器引起的表面毛细波的波长以及液体吸收光谱，精度和灵敏度都比较高，且系统续航能力强通过以下参照附图对本专利技术的示例性实施例的详细描述，本专利技术的其它特征及其优点将会变得清楚。附图说明被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本专利技术的实施例，并且连同其说明一起用于解释本专利技术的原理。图1是根据本专利技术一个实施例的实验布置图；图2是根据本专利技术一个实施例的基于可见光的液体变质监测方法的流程示意图；图3是根据本专利技术一个实施例的基于可见光的液体变质监测系统的功能框架示意图。具体实施方式现在将参照附图来详细描述本专利技术的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本专利技术的范围。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本专利技术及其应用或使用的任何限制。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。简言之，本专利技术是基于可见光的低功耗液体变质监测方法，测量液体变质过程中表面毛细波波长变化从而求出表面张力，实现微生物含量的检测，是一种非常创新的液体质量监测方案，具有高准确度、高鲁棒性和高续航能力的优势。结合图1所示，计算表面张力的过程包括：利用振动传感器振动液体表面，液体表面在振动信号作用下产生与表面张力有关的表面毛细波；发射不同可见光波长的可见光到液体表面，然后接收经过表面毛细波反射后的光，从反射光的频率变化中计算发生偏移的频率区间得到频率偏移值，进而计算表面张力。在本文的描述中，将以发光二极管作为光源，以采用光电二极管接收表面毛细波反射的可见光为例进行说明。具体地，结合图2和图1所示，所提供的基于可见光的液体变质监测方法包括以下步骤。步骤S1，建立液体表面张力数据库，根据液体的类别以及变质情况对实验进行预处理。在一个实施例中，步骤S1包括以下子步骤：步骤S101，首先对多种类型的液体以及变质情况产生的不同微生物含量进行实验，收集在不同微生物含量情况下，通过专业的表面张力测量仪和吸收光谱仪，测得的对应的表面张力数值以及吸收光谱数据，建立微生物含量-(液体表面张力+吸收光谱)数据库；步骤S102，根据被测液体的类型选择吸收光谱中吸收峰值最高的几个波长的光源作为可见光的光源；步骤S103，计算不同振动频率下的振动频率效率比，再选择最大的振动频率效率比的振动频率作为振动传感器的特征频率。例如，步骤S103中使用计算振动频率效率比的方法，效率比是指不同振动频率下，振动信号功率与静止信号功率的比值，表示为：其中，R是振动效率比，S是振动信号功率，是滤波之后的信号，N是静止信号功率，包括环境光和光电二极管的特征光。步骤S104，根据光源的波长范围选择光电二极管的波长范围；步骤S105，检测光电二极管的光强检测上限，检测一般室内环境光光强大小和监测场景的环境光光强大小，挑选光电二极管；步骤S106，根据光电二极管接收到反射光的频率选择检测时间。步骤S2，通过振动传感器振动液体，使得液体表面产生波纹。在此步骤中，使用振动传感器振动液体，使得液体表面产生仅因表面张力引起的表面毛细本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于可见光的液体变质监测方法，包括以下步骤：/n步骤S10，建立液体表面张力数据库，该表面张力数据库反映多种类型液体的微生物含量与液体表面张力及吸收光谱之间的对应关系；/n步骤S20，通过振动传感器振动待测液体，使得液体表面在表面张力的作用下产生表面毛细波；/n步骤S30，使用光源组合发出多种不同颜色的可见光，照射在液体表面；/n步骤S40，接收经过液体表面毛细波反射的可见光；/n步骤S50，对于接收到的可见光的光强变化数据，分析反射光的频偏关系，得到液体表面毛细波的波长，进而利用表面毛细波波长计算得到液体表面张力；/n步骤S60，对于接收到的可见光，通过分析不同颜色的可见光下液体吸收的光强，得到液体的颜色，进而综合颜色和表面张力得到液体类型以及液体中微生物含量情况。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于可见光的液体变质监测方法，包括以下步骤：
步骤S10，建立液体表面张力数据库，该表面张力数据库反映多种类型液体的微生物含量与液体表面张力及吸收光谱之间的对应关系；
步骤S20，通过振动传感器振动待测液体，使得液体表面在表面张力的作用下产生表面毛细波；
步骤S30，使用光源组合发出多种不同颜色的可见光，照射在液体表面；
步骤S40，接收经过液体表面毛细波反射的可见光；
步骤S50，对于接收到的可见光的光强变化数据，分析反射光的频偏关系，得到液体表面毛细波的波长，进而利用表面毛细波波长计算得到液体表面张力；
步骤S60，对于接收到的可见光，通过分析不同颜色的可见光下液体吸收的光强，得到液体的颜色，进而综合颜色和表面张力得到液体类型以及液体中微生物含量情况。


2.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤S10包括以下子步骤：
对多种类型的液体以及变质情况产生的不同微生物含量进行实验，收集在不同微生物含量情况下，测得对应表面张力数值以及吸收光谱数据，建立微生物含量与液体表面张力、吸收光谱的数据库；
根据液体类型选择吸收光谱中吸收峰值最高的预定数量波长的光源作为可见光光源；
计算不同振动频率下的振动频率效率比，并选择最大的振动频率效率比的振动频率作为振动传感器的特征频率；
根据可见光光源的波长范围选择光电二极管的波长范围，用于接收液体表面毛细波反射的可见光；
检测光电二极管的光强检测上限，检测室内环境光光强大小和检测场景的环境光光强大小，挑选光电二极管；
根据光电二极管接收到反射光的频率选择检测时间。


3.根据权利要求2所述的方法，其中，根据以下公式计算振动频率效率比：



其中，R是振动效率比，S是振动信号功率，是滤波之后的信号，N是静止信号功率，包括环境光和光电二极管的特征光。


4.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤S30中，所述发光源是发光二极管，分别使用不同波长的发光二极管，经过透镜调整光路照射在液体表面，检测一段时间。


5.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王璐，黄勇志，董银英，卢润平，伍楷舜，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东;44