液态食品超声传播特性及品质超声检测技术的研究

论文摘要

低能量超声检测技术（Low-intensity Ultrasonic Measurements）是一种利用能量低于1W／cm2而频率高于100kHz的超声波获取被测媒质内部结构、物化特性等信息的测量技术。该技术已广泛应用于工业探伤和医学影像学等研究领域，由于其具有非破坏性、精确、设备廉价，能够对高浓度液体和非透明性材料进行检测的独特优势，不仅在工业检测上有其应用价值，而且在食品加工过程监控和食品质量控制上有着广阔的应用前景。本文以食品中常见的液态食品和配料为研究载体，探讨了超声特性与液态食品微观结构特性之间的关系，分析了液态食品品质超声定性分析技术和定量分析技术，同时将超声检测技术应用于复杂液态食品体系—牛乳的检测分析，为超声检测技术在食品工业中的应用奠定基础。主要研究结果如下： 1．研究了超声传播特性—声速与液态食品—醇溶液、糖溶液微观分子结构特性的关系，结果表明超声传播速度受醇、糖溶液的微观结构、立体化学特性和浓度的影响，这表明可应用超声研究手段对液态食品的微观特性进行研究： （1） 分子自由程、分子自由体积以及分子内部压力是液体的重要微观特性。用声速可以直接确定这些微观参数的数值，本研究发现单纯从热力学特性和分子体积特性推导的模型计算结果与醇溶液分子结构（分子量、羟基数目、烃链长度）有一定差别，而结合超声传播特性推导的模型与醇溶液分子结构更加一致。建立了声速和分子自由体积、内部压力间关系的模型（c=K0ρaVfbπic），同时利用回归分析确定了模型的参数，并将该模型应用于醇溶液的分析，与实际检测结果差别很小。 （2） 混合溶液偏摩尔体积（partial molar volume）、偏摩尔绝热压缩系数（partial Adiabatic compressibility）和水合数（solvation number）是反映混合溶液中各组分相互作用的参数。本研究推导了利用声速确定混合溶液偏摩尔体积和偏摩尔绝热压缩系数的方法，并利用超声检测确定了糖溶液的偏摩尔体积、偏摩尔绝热压缩系数及水合数。通过分析糖的立体化学结构与上述参数的关系，发现声速与糖溶液的立体化学结构以及和水相互作用的方式有关，表明声速可以用来研究混合溶液中溶质与溶剂的相互作用及立体化学结构。 2．研究了一种快速识别单一醇种类的方法。通过分析超声波在不同醇溶液（甲醇、乙醇、乙二醇、异丙醇、丙三醇、正丁醇）中传播的时域和频域信号，分别提取了对溶液进行定性研究的时域特征（声速、声衰减）和频域（谐频频率、谐频峰值及频域能量）；利用时域特征和频域特征建立了BP人工神经网络的识别模型，通过对不同模型的训练和识别比较，发现采用多

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超声媒质特性检测技术及其在食品检测中的应用
• 1.3 液态食品品质超声检测技术研究的意义
• 1.4 液态食品品质超声检测技术的研究进展和现状
• 1.4.1 液体超声特性与分子内部结构关系的研究进展和现状
• 1.4.1.1 单组分液体
• 1.4.1.2 多组分混合溶液
• 1.4.2 超声液态食品品质特性快速检测技术的应用研究进展
• 1.4.2.1 超声对液态食品品质的定性分析
• 1.4.2.2 超声对液态食品品质的定量分析
• 1.4.3 液态食品超声快速检测技术的现状
• 1.4.3.1 超声检测技术的现状
• 1.4.3.2 数据分析技术的研究现状和发展趋势
• 1.5 本文的研究内容和研究目标
• 1.6 创新点
• 1.7 本章小结
• 第二章 液态食品超声特性的检测技术和方法
• 2.1 引言
• 2.2 超声传播特性及检测方法
• 2.2.1 材料的超声特性
• 2.2.1.1 声速
• 2.2.1.2 声衰减
• 2.2.1.3 声阻抗
• 2.2.2 材料超声传播特性的检测方法
• 2.3 液态食品超声特性检测系统
• 2.3.1 系统的组成
• 2.3.2 液态食品超声特性的确定
• 2.3.3 液体食品超声频域特性的确定
• 2.3.4 系统标定方法及检测精度校验
• 2.3.4.1 系统标定方法
• 2.3.4.2 检测精度
• 2.3.5 温度对超声检测的影响
• 2.4 提高精度的一些措施
• 2.5 本章小结
• 第三章 液态食品超声特性与微观结构特性的研究
• 3.1 引言
• 3.2 醇溶液超声特性与分子内部结构关系的研究
• 3.2.1 醇溶液的结构特性
• 3.2.1.1 醇溶液的分子结构
• 3.2.1.2 内部结构参数
• 3.2.2 实验研究
• 3.2.2.1 材料与方法
• 3.2.2.2 实验结果
• 3.2.2.3 结果分析
• 3.3 糖溶液声特性与结构关系的研究
• 3.3.1 实验材料与方法
• 3.3.2 实验结果与分析
• 3.3.2.1 声速与糖种类的关系
• 3.3.2.2 糖分子在水中的立体化学结构与声速的关系
• 3.4 本章小结
• 第四章 液体食品品质超声定性分析技术的研究——基于特征向量和神经网络的醇溶液类型识别研究
• 4.1 引言
• 4.2 信号特征量的提取
• 4.2.1 时域信号特征向量的提取
• 4.2.1.1 信号预处理
• 4.2.1.2 时域信号特征值的提取
• 4.2.1.3 醇溶液时域特征向量与溶液特性关系研究
• 4.2.2 信号的频域分析
• 4.2.2.1 功率谱估计方法
• 4.2.2.2 频域特征参量的选择
• 4.2.2.3 醇溶液浓度与频域能量的关系
• 4.2.2.4 醇溶液类型与功率谱的关系
• 4.3 醇溶液的神经元网络模式识别
• 4.3.1 人工神经网络概述
• 4.3.2 基于BP网络的醇溶液定性识别模型与算法
• 4.3.2.1 BP网络的原理
• 4.3.2.2 基于时域特征的醇溶液BP神经网络识别
• 4.3.2.3 基于频域特征的醇溶液BP神经网络识别
• 4.4 本章小结
• 第五章 液态食品品质超声定量分析技术的研究——混合糖溶液浓度超声检测的研究
• 5.1 引言
• 5.2 检测机理
• 5.3 材料与方法
• 5.3.1 实验材料
• 5.3.2 试验指标及检测方法
• 5.3.3 实验结果与分析
• 5.3.3.1 纯糖溶液浓度与声速关系
• 5.3.3.2 糖混合液浓度与声速关系模型的建立
• 5.4 利用声速对糖溶液浓度定量检测的研究
• 5.4.1 对混合溶液中总糖的检测研究
• 5.4.2 对混合溶液中糖组分的检测
• 5.4.3 对果汁、饮料中总糖含量的检测
• 5.4.4 对果汁、饮料中不同糖成分的含量检测
• 5.4.4.1 超声分析方法与化学滴定方法对果汁、饮料糖含量分析的比较
• 5.4.4.2 超声分析方法与高效液相色谱检测方法对果汁、饮料糖组分检测的比较
• 5.5 本章小结
• 第六章 超声液态食品品质检测技术的应用研究——超声乳成分分析仪的研制
• 6.1 引言
• 6.2 检测原理
• 6.2.1 预测模型的建立
• 6.2.2 反演模型的参数估计
• 6.2.3 实验结果与分析
• 6.2.3.1 材料与方法
• 6.3.2.2 实验结果
• 6.3 超声乳成分分析仪的开发
• 6.3.1 硬件系统开发
• 6.3.1.1 超声参量的检测
• 6.3.1.2 具体电路设计
• 6.3.2 软件系统设计
• 6.4 超声乳成分分析仪的功能和特点
• 6.5 乳成分分析仪的应用研究
• 6.5.1 性能检测与比较
• 6.5.1.1 检验方法
• 6.5.1.2 实际测定结果
• 6.5.2 超声分析仪对牛奶搀假的检测
• 6.6 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 未来展望
• 附录Ⅰ 主要参数一览表
• 附录Ⅱ
• 参考文献（Reference）
• 作者攻读博士学位期间发表与本论文相关的学术论文
• 致谢