【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于液体酒精浓度测量，涉及非接触式测量领域，具体提供一种基于机器学习的非接触式液体酒精浓度测量装置和方法。
技术介绍
1、酒精，也称乙醇，是人们生活中常见的一种化学物质。它可以通过发酵和蒸馏等方法从含糖的物质中提取出来，常用于饮品、溶剂和消毒剂等领域。不同领域所需要的酒精浓度也不同，因此，酒精浓度的测量成为一个重要的问题。有别于传统的酒精浓度测量方式，非接触式液体酒精浓度测量的方式因其非入侵性和方便性、准确度高等优点正在被广泛研究和发展。下面是经过检索，得到的一些主流酒精浓度测量技术：
2、(1)红外光谱技术：红外光谱技术利用物质在红外光波段的吸收特性来分析样品的成分。酒精在特定波段的红外光中有明显的吸收特征，因此可以通过红外光谱仪器来测量酒精浓度。该技术需要专门的红外光谱仪器来检测酒精浓度，造价高昂且不方便携带。
3、(2)气体传感器技术：气体传感器可以检测气体组分的变化，包括酒精浓度。一些气体传感器基于化学反应或物理性质的变化来检测酒精，例如电化学传感器、半导体传感器和光学传感器等。该技术中，酒精浓度的测量结果可能受到其他气体的干扰，如二氧化碳、甲醛等；传感器的灵敏度可能会受到环境条件和湿度等因素的影响。
4、(3)挥发性物质检测技术：此类技术利用酒精或挥发性成分释放到空气中的特性进行检测。例如，可以使用挥发性物质传感器或气味传感器等来检测酒精的存在和浓度。该技术中，测量结果可能受到环境条件、风速等因素的影响；受到其他挥发性物质的干扰。
5、(4)生物传感器技术：生物
6、以上方法存在不方便携带、响应时间长、依赖价格高昂的大型专业装置等问题，故需要新的检测装置和方法。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种基于机器学习的非接触式液体酒精浓度测量装置，实现非接触、可便携、高精度地测量液体酒精浓度。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
3、一种非接触式液体酒精浓度测量装置，其特征在于，包括led光源模块(1)、比色皿(2)、密闭外壳(3)、光电探测器模块(4)、iv转换模块(5)、adc电压采集模块(6)、稳压模块(7)、电源模块(8)、恒流源驱动模块(9)、嵌入式系统电路板模块(10)、触摸显示屏模块(11)、温湿度传感器模块(12)。
4、电源模块(8)经过稳压模块(7)对led光源模块(1)以及嵌入式系统电路板模块(10)供电。led光源模块(1)发出的红外光被比色皿(2)中的待测酒精溶液吸收后，透射出的光信号被光电探测器模块(4)接收并转换为电流信号，再通过iv转换模块(5)将电流信号转换为电压信号，最后利用adc电压采集模块(6)采集此电压信号并将其传入嵌入式系统电路板模块(10)。同时，温湿度传感器模块(12)将测量环境的温度和湿度并传入嵌入式系统电路板模块(10)。嵌入式系统电路板模块(10)将温度、湿度和待测酒精溶液对应的电压值输入至非线性酒精浓度回归模型，由非线性酒精浓度回归模型计算出酒精浓度测量值。在触摸显示屏模块(11)中点触测量酒精浓度即可显示出酒精浓度测量值。
5、电源模块(8)连接稳压模块(7)，稳压模块(7)连接恒流源驱动模块(9)，恒流源驱动模块(9)连接led光源模块(1)并为其提供50ma恒定电流。
6、密闭外壳(3)是由槽和盖子两部分组成的方形黑色外壳，用来安装比色皿(2)，在密闭外壳(3)的长度方向两端各有一个圆孔，用于安装led光源模块(1)和光电探测器模块(4)，并用热熔胶将其固定。
7、非线性酒精浓度回归模型是基于高精度酒精浓度测量仪器标定经过大量实验测量得到的，具体是在不同温湿度条件下，将浓度为0％到100％的液体酒精，以0.5％的步长进行测量，得到不同浓度酒精对应的电压值，并将温度、湿度和电压值作为预测酒精浓度的特征列表，将酒精浓度值作为标签，构成样本数据集；基于样本数据集，采用机器学习基于决策树的分布式梯度提升(lightgbm)算法，训练得到非线性酒精浓度回归模型。
8、触摸屏中显示的用户界面是基于python中的tkinter库设计的，该界面有两个测量按键，一个是温湿度测量，一个是酒精浓度测量。两个按键都绑定了相应的测量函数，点击按键就会触发相应的测量函数，进而显示出温度或酒精浓度的数值。
9、一种非接触式酒精浓度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
10、步骤1.利用高精度酒精浓度测量仪器配制预设浓度的酒精溶液；
11、步骤2.采用温湿度传感器对测量环境数据进行采集，得到测量环境的温湿度数据；同时使用本专利技术装置得到该酒精溶液对应的电压值；
12、步骤3.将温度、湿度和电压值作为该酒精的酒精浓度特征列表；
13、步骤4.将酒精浓度特征列表与对应的酒精浓度构成训练样本，重复步骤1～4得到预设数量的训练样本，构成训练样本集；基于训练样本集，采用机器学习基于决策树的分布式梯度提升(lightgbm)算法，构建非线性酒精浓度回归模型；
14、步骤5.对真实待测的酒精溶液进行电压值以及相应环境温湿度的采集，构成酒精浓度特征列表并输入至非线性酒精浓度回归模型，由非线性酒精浓度回归模型输出酒精浓度预测值。
15、进一步地，步骤1中，所述的高精度酒精浓度测量仪器为高精度液体密度测试仪液体密度计，测量范围0～100％，测量精度±0.01％。
16、进一步地，步骤2中，要选取电压稳定后的数值。
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1.一种非接触式液体酒精浓度测量装置，其特征在于，包括LED光源模块(1)、比色皿(2)、密闭外壳(3)、光电探测器模块(4)、IV转换模块(5)、ADC电压采集模块(6)、稳压模块(7)、电源模块(8)、恒流源驱动模块(9)、嵌入式系统电路板模块(10)、触摸显示屏模块(11)、温湿度传感器模块(12)。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式液体酒精浓度测量装置，包含其特征在于：电源模块(8)经过稳压模块(7)对LED光源模块(1)以及嵌入式系统电路板模块(10)供电。LED光源模块(1)发出的波长为1200nm-1500nm的红外光被比色皿(2)中的待测酒精溶液吸收后，透射出的光信号将被光电探测器模块(4)接收并转换为电流信号，再通过IV转换模块(5)将电流信号转换为电压信号，最后利用ADC电压采集模块(6)采集此电压信号并将其传入嵌入式系统电路板模块(10)。同时，温湿度传感器模块(12)将测量环境的温度和湿度并传入嵌入式系统电路板模块(10)。嵌入式系统电路板模块(10)将温度、湿度和待测酒精溶液对应的电压值输入至非线性酒精浓度回归模型，由非线性酒精浓度回归模
3.根据权利要求1所述的一种非接触式酒精浓度测量装置，包含其特征在于：电源模块(8)连接稳压模块(7)，稳压模块(7)连接恒流源驱动模块(9)，恒流源驱动模块(9)连接LED光源模块(1)并为其提供50mA恒定电流。
4.根据权利要求1所述的一种非接触式液体酒精浓度测量装置，包含其特征在于：密闭外壳(3)是由槽和盖子两部分组成的方形黑色外壳，用来安装比色皿(2)，在密闭外壳(3)的长度方向两端各有一个圆孔，用于安装LED光源模块(1)和光电探测器模块(4)，并用热熔胶将其固定。
5.根据权利要求1所述的一种非接触式液体酒精浓度测量装置，包含其特征在于：非线性酒精浓度回归模型是基于高精度酒精浓度测量仪器标定并经过大量实验测量得到的，具体是在不同温湿度条件下，将浓度为0％到100％的液体酒精，以0.5％的步长进行测量，通过上述权利要求的装置得到不同浓度酒精对应的电压值，并将温度、湿度和电压值作为预测酒精浓度的特征列表，将酒精浓度值作为标签，构成样本数据集；基于样本数据集，采用机器学习基于决策树的分布式梯度提升(LightGBM)算法，训练得到非线性酒精浓度回归模型。
6.根据权利要求1所述的一种非接触式液体酒精浓度测量装置，包含其特征在于：触摸屏显示屏模块(11)中显示的用户界面是基于Python中的Tkinter库设计的，该界面有两个测量按键，一个温湿度测量，一个是酒精浓度测量。点击按键就会触发相应的测量功能，进而在数据显示框显示出温湿度以及酒精浓度的数值。
7.根据权利要求1所述的一种非接触式液体酒精浓度测量装置，其特征在于，包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的一种非接触式液体酒精浓度测量装置，其特征在于，步骤1中，所述的高精度酒精浓度测量仪器为高精度液体密度测试仪液体密度计，测量范围0～100％，测量精度±0.01％。
9.根据权利要求7所述的一种非接触式液体酒精浓度测量装置，其特征在于，步骤2中，要选取电压稳定后的数值。
...【技术特征摘要】
1.一种非接触式液体酒精浓度测量装置，其特征在于，包括led光源模块(1)、比色皿(2)、密闭外壳(3)、光电探测器模块(4)、iv转换模块(5)、adc电压采集模块(6)、稳压模块(7)、电源模块(8)、恒流源驱动模块(9)、嵌入式系统电路板模块(10)、触摸显示屏模块(11)、温湿度传感器模块(12)。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式液体酒精浓度测量装置，包含其特征在于：电源模块(8)经过稳压模块(7)对led光源模块(1)以及嵌入式系统电路板模块(10)供电。led光源模块(1)发出的波长为1200nm-1500nm的红外光被比色皿(2)中的待测酒精溶液吸收后，透射出的光信号将被光电探测器模块(4)接收并转换为电流信号，再通过iv转换模块(5)将电流信号转换为电压信号，最后利用adc电压采集模块(6)采集此电压信号并将其传入嵌入式系统电路板模块(10)。同时，温湿度传感器模块(12)将测量环境的温度和湿度并传入嵌入式系统电路板模块(10)。嵌入式系统电路板模块(10)将温度、湿度和待测酒精溶液对应的电压值输入至非线性酒精浓度回归模型，由非线性酒精浓度回归模型计算出酒精浓度测量值。在触摸显示屏模块(11)中点击触测量酒精浓度按键即可显示出酒精浓度测量值。
3.根据权利要求1所述的一种非接触式酒精浓度测量装置，包含其特征在于：电源模块(8)连接稳压模块(7)，稳压模块(7)连接恒流源驱动模块(9)，恒流源驱动模块(9)连接led光源模块(1)并为其提供50ma恒定电流。
4.根据权利要求1所述的一种非接触式液体酒精浓度测量装置，包含其特征在于：密闭外壳...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨立峰，顾少杰，吴帆，刘一萱，程俊玮，张沅熙，夏桢干，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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