本發(fā)明屬于檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及了一種封閉容器的酒精濃度測(cè)量裝置及測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

酒精廣泛用于化工、冶金、造紙、印刷、釀酒、食品、制糖工業(yè)及環(huán)保行業(yè)。酒精濃度是白酒及工業(yè)酒精生成品質(zhì)的主要指標(biāo)之一。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定。必須將白酒樣品進(jìn)行蒸餾、定容、再用比重瓶法或酒精計(jì)法測(cè)定其酒精濃度，上述各類方法費(fèi)時(shí)，流程繁瑣。采用裝置分析方法，如使用氣相色譜法分析白酒中乙醇含量時(shí)，不但操作過(guò)程復(fù)雜，而且裝置價(jià)格昂貴使得白酒生產(chǎn)過(guò)程中的酒精濃度快速檢測(cè)難以實(shí)現(xiàn)。拉曼散射光譜技術(shù)具有近紅外光譜技術(shù)的成本低、操作簡(jiǎn)便、快速的優(yōu)點(diǎn)，并且不必對(duì)檢測(cè)樣品進(jìn)行預(yù)處理，克服近紅外技術(shù)受水的干擾缺點(diǎn)，所以拉曼散射快速檢測(cè)裝置是研究水溶液的理想工具。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)有的技術(shù)檢索發(fā)現(xiàn)，方法主要分為四類：

1)基于酒精比重測(cè)量?jī)x方法。譬如專利文獻(xiàn)中國(guó)專利cn105372152記載使用玻璃比重計(jì)、用于測(cè)量該玻璃比重計(jì)在待測(cè)液體中上下浮動(dòng)距離的光柵尺傳感器、及與該光柵尺傳感器連接的測(cè)量與控制系統(tǒng)來(lái)完成酒精比重計(jì)算。該技術(shù)涉及的檢測(cè)系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜；該裝置沒(méi)有識(shí)別酒精能力，需要人工指定；該測(cè)量方法是有損檢測(cè)方式會(huì)接觸待測(cè)樣品；當(dāng)檢測(cè)對(duì)象在封閉玻璃容器中，該裝置測(cè)量技術(shù)無(wú)法使用。

2)基于太赫茲異向介質(zhì)諧振效應(yīng)檢測(cè)方法。譬如專利文獻(xiàn)中國(guó)專利cn102830069a記載用聚酰亞胺襯底上下表面布置兩層金屬諧振環(huán)陣列構(gòu)建太赫茲異向介質(zhì)，將異向介質(zhì)一側(cè)金屬諧振環(huán)陣列上放置待測(cè)酒精溶液，再使用太赫茲大型裝置完成酒精檢測(cè)。該技術(shù)涉及的檢測(cè)系統(tǒng)成本高不適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用推廣或者在線應(yīng)用；該測(cè)量方法是有損檢測(cè)方式會(huì)接觸待測(cè)樣品；當(dāng)檢測(cè)對(duì)象在封閉玻璃容器中，該裝置測(cè)量技術(shù)無(wú)法使用。

3)基于激光光程差方法。譬如專利文獻(xiàn)中國(guó)專利cn103630513a記載了一種帶有u形卡座的激光光程差測(cè)量裝置，首先產(chǎn)生鋸形波激光，然后通過(guò)光纖傳輸?shù)剿鰷y(cè)量部的卡座活動(dòng)端部，鋸形波激光經(jīng)過(guò)所述聚焦鏡反射后有所述光纖返回，并對(duì)返回的鋸形波激光進(jìn)行處理，通過(guò)處理光程差數(shù)字信號(hào)來(lái)計(jì)算獲得酒精濃度。該技術(shù)涉及的裝置需要額外固定和測(cè)試酒瓶的瓶徑，裝置需要完整的反射光路；當(dāng)容器體積過(guò)大該裝置使用困難，當(dāng)存儲(chǔ)容器結(jié)構(gòu)不支持完整反射光路的應(yīng)用場(chǎng)合，該裝置無(wú)法使用；該裝置沒(méi)有識(shí)別酒精能力，需要人工指定。

以上方法存在步驟較復(fù)雜難以用于現(xiàn)場(chǎng)或者移動(dòng)無(wú)損快速檢測(cè)應(yīng)用或者依賴成本高的大型專業(yè)裝置等問(wèn)題，因此需要新方法的檢測(cè)裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服當(dāng)前酒精檢測(cè)方法較復(fù)雜不利于用于現(xiàn)場(chǎng)及移動(dòng)無(wú)損快速檢測(cè)應(yīng)用或者依賴成本高的大型專業(yè)裝置等問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種封閉容器的酒精濃度測(cè)量裝置及測(cè)量方法，能夠快速無(wú)損測(cè)量封閉容器內(nèi)的酒精濃度。

本發(fā)明體積小成本低，操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)無(wú)損快速，不必對(duì)檢測(cè)樣品進(jìn)行預(yù)處理，可以不拆開(kāi)封閉酒瓶及玻璃容器直接完成檢測(cè)測(cè)量，解決了傳統(tǒng)比重瓶法和酒精計(jì)法的操作繁瑣，避免使用價(jià)格貴的專用裝置檢測(cè)酒類酒精，而且應(yīng)用對(duì)象廣，具有較大的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明包括外殼和安裝在外殼內(nèi)的嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊、拉曼信號(hào)采集模塊、激光光源模塊、激光功率控制模塊、觸摸屏顯示控制模塊、鋰電池及電源管理模塊和探頭，探頭經(jīng)光纖分別與拉曼信號(hào)采集模塊和激光光源模塊，激光光源模塊經(jīng)激光功率控制模塊和嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊，拉曼信號(hào)采集模塊連接到嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊，鋰電池及電源管理模塊連接到嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊進(jìn)行供電，嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊連接觸摸屏顯示控制模塊進(jìn)行顯示輸出；探頭安裝在外殼的側(cè)壁上，探頭針對(duì)盛有酒精溶液樣品的封閉容器進(jìn)行激光激發(fā)和接收。

所述嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊經(jīng)激光功率控制模塊控制激光光源模塊向探頭發(fā)出激光，激光經(jīng)封閉容器內(nèi)的酒精溶液散射后，再被探頭接收，散射光接收信號(hào)被拉曼信號(hào)采集模塊提取獲得拉曼光譜數(shù)據(jù)后發(fā)送到嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊，嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊分辨出光譜特征峰數(shù)值并計(jì)算獲得酒精濃度。

嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊將酒精濃度結(jié)果發(fā)送到觸摸屏顯示控制模塊進(jìn)行顯示輸出。

所述的鋰電池及電源管理模塊實(shí)現(xiàn)裝置所有模塊供電。

所述的拉曼信號(hào)采集模塊接收到散射光接收信號(hào)后，濾波處理除去瑞利散射信號(hào)，獲得拉曼信號(hào)并轉(zhuǎn)換為拉曼光譜數(shù)據(jù)，通過(guò)usb接口發(fā)送到嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊。

所述的封閉容器采用透明材質(zhì)，例如玻璃。

所述的封閉容器可采用酒瓶。本發(fā)明能夠針對(duì)盛有純酒精溶液的樣品進(jìn)行檢測(cè)。

所述的嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊通過(guò)usb2.0host接口連接拉曼信號(hào)采集模塊來(lái)獲得拉曼光譜數(shù)據(jù)，嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊通過(guò)spi接口連接激光功率控制模塊調(diào)節(jié)激光光源模塊發(fā)出的激光功率大小，嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊通過(guò)sdio連接有tf卡進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。

所述的激光功率控制模塊通過(guò)spi接口接收嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊控制命令，以0w～5w變化范圍調(diào)節(jié)增加或者降低激光功率。

所述的嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊實(shí)現(xiàn)激光光源模塊功率控制、拉曼光譜數(shù)據(jù)采集接收、酒精特征峰檢測(cè)計(jì)算、觸摸屏界面控制、數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)的功能。

所述的嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊嵌入有l(wèi)inux系統(tǒng)編寫的軟件。

二、一種封閉容器的酒精濃度測(cè)量方法：

所述嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊經(jīng)激光功率控制模塊控制激光光源模塊向探頭發(fā)出激光，激光經(jīng)封閉容器內(nèi)的酒精溶液散射后，再被探頭接收，散射光接收信號(hào)被拉曼信號(hào)采集模塊提取獲得拉曼光譜數(shù)據(jù)后發(fā)送到嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊，嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊針對(duì)拉曼光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分辨出光譜特征峰數(shù)值并計(jì)算獲得酒精濃度。

所述嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊針對(duì)拉曼光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分辨出光譜特征峰數(shù)值并計(jì)算獲得酒精濃度，具體為：

首先利用以下公式(1)遍歷搜索拉曼光譜數(shù)據(jù)中的每個(gè)采樣信號(hào)，獲得所有候選特征峰：

其中，m—采樣信號(hào)的峰值強(qiáng)度；i—采樣信號(hào)的序號(hào)；

具體是比較第i-1、i和i+1個(gè)候選特征峰位的峰值強(qiáng)度的作為特征峰位，通過(guò)對(duì)所有候選峰位的遍歷完成酒精所有特征峰位。

然后取峰值強(qiáng)度最大的候選特征峰作為酒精拉曼顯著特征峰，然后代入以下公式(2)進(jìn)行計(jì)算：

y＝ax+b(2)

其中，y—酒精濃度，x—酒精拉曼顯著特征峰的峰值強(qiáng)度值，a和b分別表示第一、第二濃度系數(shù)。

所述的第一、第二濃度系數(shù)a和b是通過(guò)用已知酒精濃度的多個(gè)酒精溶液樣品通過(guò)所述測(cè)量方法獲得酒精拉曼顯著特征峰的峰值強(qiáng)度值后，結(jié)合樣品的已知酒精濃度進(jìn)行線性擬合獲得。

本發(fā)明具有的有益效果是：

本發(fā)明體積小成本低，操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)無(wú)損快速，不必對(duì)檢測(cè)樣品進(jìn)行預(yù)處理，可以不拆開(kāi)封閉酒瓶及玻璃容器直接完成檢測(cè)，這個(gè)檢測(cè)過(guò)程時(shí)間只需要5秒，解決了傳統(tǒng)比重瓶法和酒精計(jì)法的操作繁瑣，避免使用價(jià)格貴的專用裝置檢測(cè)酒類酒精，而且應(yīng)用對(duì)象廣，具有較大的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明裝置架構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明裝置的工作流程圖。

表1是本發(fā)明裝置的封閉瓶裝白酒中酒精的特征峰自動(dòng)計(jì)算結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1所示，本發(fā)明包括外殼和安裝在外殼內(nèi)的嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊2、拉曼信號(hào)采集模塊3、激光光源模塊6、激光功率控制模塊5、觸摸屏顯示控制模塊1、鋰電池及電源管理模塊7和探頭4，探頭4經(jīng)光纖分別與拉曼信號(hào)采集模塊3和激光光源模塊6，激光光源模塊6經(jīng)激光功率控制模塊5和嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊2，拉曼信號(hào)采集模塊3連接到嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊2，鋰電池及電源管理模塊7連接到嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊2進(jìn)行供電，嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊2連接觸摸屏顯示控制模塊1進(jìn)行顯示輸出；探頭4安裝在外殼的側(cè)壁上，探頭4針對(duì)盛有酒精溶液樣品的封閉容器進(jìn)行激光激發(fā)和接收。

嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊2經(jīng)激光功率控制模塊5控制激光光源模塊6向探頭4發(fā)出激光，激光經(jīng)封閉容器內(nèi)的酒精溶液散射后，再被探頭4接收，散射光接收信號(hào)被拉曼信號(hào)采集模塊3提取獲得拉曼光譜數(shù)據(jù)后發(fā)送到嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊2，嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊2分辨出光譜特征峰數(shù)值并計(jì)算獲得酒精濃度，并將酒精濃度結(jié)果發(fā)送到觸摸屏顯示控制模塊1進(jìn)行顯示輸出。

拉曼信號(hào)采集模塊3接收到散射光接收信號(hào)后，濾波處理除去瑞利散射信號(hào)，獲得拉曼信號(hào)并轉(zhuǎn)換為拉曼光譜數(shù)據(jù)，通過(guò)usb接口發(fā)送到嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊2。

嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊實(shí)現(xiàn)激光光源模塊功率控制、拉曼光譜數(shù)據(jù)采集接收、酒精特征峰檢測(cè)計(jì)算、觸摸屏界面控制、數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)的功能。嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊2通過(guò)usb2.0host接口連接拉曼信號(hào)采集模塊3來(lái)獲得拉曼光譜數(shù)據(jù)，嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊2通過(guò)spi接口連接激光功率控制模塊5調(diào)節(jié)激光光源模塊6發(fā)出的激光功率大小，嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊2通過(guò)sdio連接有tf卡進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。

激光功率控制模塊通過(guò)spi接口接收嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊控制命令，以0w～5w變化范圍調(diào)節(jié)增加或者降低激光功率。

本發(fā)明的實(shí)施工作過(guò)程是：

具體實(shí)施的嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊2采用armcortex-a8，armcortex-a8預(yù)裝了linux嵌入式系統(tǒng)操作系統(tǒng)，armcortex-a8電路板卡模塊處理器頻率為1ghz，板載內(nèi)存是1gb。

嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊2經(jīng)激光功率控制模塊5控制激光光源模塊6向探頭4產(chǎn)生發(fā)出785nm激光，785nm激光打到封閉瓶裝二鍋頭白酒樣品上，經(jīng)封閉瓶裝二鍋頭白酒樣品內(nèi)的白酒溶液散射后，再被探頭4接收，散射光接收信號(hào)被拉曼信號(hào)采集模塊3提取獲得拉曼光譜數(shù)據(jù)后發(fā)送到嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊2，嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊2針對(duì)拉曼光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分辨出光譜特征峰數(shù)值并計(jì)算獲得酒精濃度。

嵌入式系統(tǒng)電路板卡模塊2針對(duì)拉曼光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用公式(1)遍歷搜索拉曼光譜數(shù)據(jù)中的每個(gè)采樣信號(hào)，獲得所有候選特征峰。探頭4是間隔采樣的，散射光接收信號(hào)和拉曼光譜數(shù)據(jù)均是由離散的采樣信號(hào)構(gòu)成。具體實(shí)施公式(1)中i總數(shù)為2048，并且存在i+2和i-2，因此i數(shù)值范圍是3～2045。

具體實(shí)施中，特征峰及其對(duì)應(yīng)強(qiáng)度結(jié)果如表1所示：

表1特征峰自動(dòng)計(jì)算結(jié)果

酒精所有特征峰位中第4個(gè)序號(hào)最顯著特征峰879.5cm^-1的強(qiáng)度值最大，作為酒精拉曼顯著特征峰，然后代入公式(2)進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算得到酒精濃度為55.8度，而實(shí)際的封閉瓶裝二鍋頭白酒樣品的白酒濃度為56度，檢測(cè)準(zhǔn)確性為99.6％，可見(jiàn)本發(fā)明準(zhǔn)確性很高。

由上述各個(gè)實(shí)施步驟及圖例可見(jiàn)，本發(fā)明體積小操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)無(wú)損快速，不必對(duì)檢測(cè)樣品進(jìn)行預(yù)處理，可以不拆開(kāi)封閉酒瓶及玻璃容器直接完成檢測(cè)，整個(gè)過(guò)程5秒鐘，解決了傳統(tǒng)比重瓶法和酒精計(jì)法的操作繁瑣，避免使用價(jià)格貴的專用裝置檢測(cè)酒類酒精，而且應(yīng)用對(duì)象廣，具有較大的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

上述具體實(shí)施方式用來(lái)解釋說(shuō)明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明做出的任何修改和等同替換、改進(jìn)、換用檢測(cè)對(duì)象等，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。