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牛奶质量光学检测的作用机理及影响因素研究

【摘要】: 光学检测技术在牛奶质量检测中具有发展前景,但是近红外光谱技术作为一种理想的手段至今还未应用到生产实践中,主要原因在于对“牛奶光学”研究的不足。本文围绕牛奶质量光学检测的作用机理和测量影响因素展开研究,系统的剖析了现有近红外方法用于牛奶质量检测精度不高的原因,理清了近红外光谱分析技术中几个关键环节的弊端;建立了符合光与牛奶实际作用过程的光学模型,解决了牛奶质量光学检测的理论难题;研究了温度变化和均质操作对牛奶测量的影响,提出了相应的方法,解决了光学检测技术在牛奶质量检测中的应用瓶颈。 从检测原理和过程两方面入手,对现有近红外方法在牛奶质量检测中的应用进行了机理性的剖析,指出了其合理性和弊端。依据现有方法在整个近红外波段对牛奶中脂肪和蛋白质含量的测量进行了系统的应用研究,针对牛奶对光的散射作用引起的误差,提出了改进的多元信号校正(EMSC)方法减小散射的影响,并对方法的应用进行了验证。结果表明,EMSC方法的应用提高了测量精度。在上述基础上,对现有方法进行了系统的机理性剖析,指出物理基础不足和光学机理不明确是影响近红外光谱检测牛奶成分无法取得突破性进展的本质原因。 建立了符合光与牛奶实际作用过程的辐射传输模型。从牛奶质量检测的实际应用条件进行分析,提出了采用光纤测量系统对牛奶质量进行检测的应用背景,从而建立了光在牛奶中的二级散射辐射传输模型。基于建立的模型,详细讨论了牛奶本身特性变化对光传输的影响,揭示了光信号与牛奶本身信息之间的关系,得出了牛奶所含粒子的尺寸分布对光在牛奶中的传输影响很大、而牛奶所含成分的体积分数和折射率对光传输的影响则要小得多的结论。最后通过实验对建立的模型进行了验证。 系统研究了光学检测技术在牛奶质量检测的实际应用中涉及到的两个关键影响因素——温度和均质问题。研究了温度变化对牛奶光学测量的影响,揭示了温度变化影响光学方法检测牛奶质量的机制,同时提出了建立全局温度校正模型的方法来补偿温度的影响,并对补偿效果进行了验证。系统的分析了均质操作对牛奶微观状态的影响,评价了非均质牛奶的测量精度,指出测量精度低主要与非均质牛奶的样品状态随成分含量的差异较大有关,针对这一问题,提出了基于成分含量建立分段子模型的方法,提高了非均质牛奶的测量精度。

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