专利名称：光谱流体分析器的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用可见光与近红外光波段的光谱技术对牛奶进行定量分析，尤其是用于在牛奶加工过程中在线地估算牛奶组成成分含量。
背景技术：
测量牛奶组分含量，并且实时了解掌握这些测量结果，对于乳牛厂进行有效生产管理而言非常重要。了解掌握近乎所有牛奶组分的含量对于畜牧管理的各个方面都非常重要。这些组分包括脂肪、总蛋白质、酪蛋白、乳糖、体细胞、血、孕酮、氨基酸、尿素以及核酸。例如，脂肪和蛋白质含量是确定畜牧者售卖其牛奶将应获得的价钱的主要因素，因为它们的指标高低关乎整个牛奶品质，是重要的经济价值考核指标。这些组分值变化可提醒畜牧者对乳�？赡芪寡坏�。因此，脂肪含量的变化可表明在饲料中草料-精料比失衡；总蛋白质含量低可能表明营养能量不足；体细胞数和血球计数可用作奶牛特定疾病的诊断依据；而乳糖含量波动可表明奶牛患上了乳腺炎，牛奶的乳糖含量通�：芪榷�。
在现有技术中实现在线牛奶分析的几种方法，目的是为了更加有效地进行牛奶生产和畜牧管理。使用近红外(NIR)光谱分析牛奶已经有将近15年历史了，而早期方法是使用实验室型NIR光谱仪对牛奶进行离线分析。许多这类仪器都可以从市场上购得，但是它们很昂贵，因而它们通常只见用于中心实验室，通常畜牧者每月一次地将待测奶样送到中心实验室去。
在R.Tsenkova等人的论文“Near Infra-Red Spectroscopy for Dairy ManagementMeasurement of Unhomogenized Milk Composition”(发表于Dairy Science杂志，第82卷，第2344-2351页，1999年)中，披露了一种在400nm-2500nm的NIR波段范围内对牛奶含量进行光谱分析的方法。其中提出了使用光纤探头和比较便宜的硅检测器来检测700nm-1100nm范围内的辐射光，从而使该方法让人从费用上承受得起，以便应在在挤奶期间在挤奶现场进行实时分析。但是，该论文中没有详细披露适合利用这种硅检测器实现这种分析的设备。
而且，尽管提出使用便宜的检测器，但没有提到可以和这些检测器一起使用的用以提供NIR光的光源。
该论文介绍了在1100nm-2400nm光谱范围内所得结果和在700nm-1100nm光谱范围内所得结果的分析与比较，针对700nm-1100nm光谱范围可以使用便宜的硅检测器。对这些光谱范围从始至终进行基本上连续的测量(每隔2nm)。尽管在该论文中没有具体指明，但光谱范围通�？梢杂纱蠖嗍齆IR光谱仪的内部黑体光源获取。在Tsenkova等人的论文中记述的方法主要应用了从整个吸收谱求取所要浓度值的统计方法。利用商用软件程序开发出确定脂肪、总蛋白质和乳糖含量的模型，并且利用偏最小二乘法(PLS)回归算法实现对该的模型的校正。
利用NIR光谱进行牛奶分析的方法还记述于Z.Schmilovitch等人的论文“Fresh raw milk composition analysis by NIR spectroscopy”(发表于Proceedingsof the International Symposium on the Prospects for Automatic Milking，Wageningen，Netherlands，EAAP Publication No.65，pp.193-198(1992))，以及Z.Schmilovitch等人的论文“Low Cost Near Infra-red Sensor for On-line MilkComposition Measurement”(发表于the Proceedings of the XIV Memorial CIGRWorld Congress，2000，Tsukuba，Japan)中，论文的部分作者是本发明的共同申请人。
在前面提及的Tsenkova等人的论文中的光谱测量是对所采集样品的离线测量，使用商用NIR光谱牛奶分析仪Milko-Scan，该设备由丹麦Hillerod的福斯电子公司(Foss Electric A/S)生产。这种仪器的价格是如此昂贵，以至于从经济可行角度考虑它们通常只安装在中心实验室内，而无法推广到各个养牛�。挥盟导纺滔殖×�。
因此对价格便宜且操作简单的设备及方法存在有很大需求，以用于在线定量分析牛奶，这些设备应当足够便宜以便将其推广应用，甚至推广应用到各个挤奶现场，使得能够在挤奶过程中实时获取数据，而又不需在有效管理乳畜群所需的测量精度上作出妥协。而且，该设备应当能够对典型地由挤奶器得到的奶流完成其分析过程。这种奶流具有高度脉动的特点，且通常是非常湍激的，而传统光学感测路径是由奶流通道一侧向另一侧测量通过该奶流的透射光，因此传统光学感测路径的应用受限。
在这一部分和本说明书其它部分提及的所有公开文献中披露的内容，以及所有在上述公开文献中引证的文献所披露的内容，在此都通过引用完整地被包含在本说明书中。
发明简介本发明意在提供一种新颖的流体分析系统，其使用近红外光谱技术测定流体各组分的百分比含量。该分析系统特别是应用于牛奶分析。依照本发明的各个优选实施例的NIR测量技术，在许多方面不同于先前用于牛奶定量分析的技术。
依照本发明的第一个优选实施例，用于光谱吸收测量的入射光束的光源由一系列发光二极管构成，每一发光二极管都有其预先选定的中心波长。优选选择这些波长使得这一系列发光二极管具有交叠的光谱宽度，因此覆盖了完成测量所需的整个光谱。由于在这些光谱区域中发光二极管的典型光谱宽度的量级达到了40-60nm半宽度，依照本发明的一个优选实施例，一系列10个发光二极管覆盖就所需的450nm-950nm的可见光与近红外光谱波段的光谱测量范围。发光二极管依照顺序照射流体样品，而借助于光检测器对穿过该样品的透射吸收进行测量。依照本发明的另一优选实施例，除了透射吸收测量之外，也测量样品对各个发光二极管波段光的反射或散射。
发光二极管，例如在Tsenkova等人论文中所述的光电二极管，是价格便宜的光源，容易获取且应用方便。依照本发明的这个优选实施例，使用一系列发光二极管作为光源，因此实现了先前提到的在制造用于在线牛奶分析、价格便宜且使用方便的NIR吸收光谱仪时使用价格便宜的光检测器的设想。
依照本发明的另一优选实施例，本发明还提供了一种方法，利用覆盖了可见光与近红外光波段的多个发光二极管，照射样品腔以对诸如牛奶之类的流体混合物实现NIR光谱照射。发光二极管顺次照射流体样品，而对各个发光二极管的入射光进行透射吸收测量。另外优选地，以相对入射辐射光一定角度来测量散射光辐射或反射光辐射。依照一个优选实施例，在与入射辐射光成直角角度位置上进行测量。依照本发明的第二优选实施例，通过将检测器设置在与入射光束基本相同处来检测背向反射光辐射或背向散射光辐射。这就使得人们可以方便地安置光源和检测器。
在传统的吸收光谱仪中，通过众所周知的比尔-朗伯定律将吸收与流体组分含量关联起来，比尔-朗伯定律假定在光强吸收和含量之间存在指数关系。依照本发明的优选实施例，这些流体组分含量可表达为表达式形式，优选地为多项式表达式，该表达式是关于所测得的透射强度和/或反射光强或吸收光强以及经验系数的函数，经验系数优选地通过对所测光强执行偏最小二乘法(PLS)或脊最小二乘法(RLS)回归算法而析�。绫玖煊蛩哪茄渲兴夤馇渴峭ü源罅烤哂幸阎榉趾康氖匝牟饬慷袢〉�。但是，依照本发明的再一优选实施例，所用的回归方法与先前所用技术有两方面不同(i)对高达三阶的光强多项式进行，其中二阶光强项起因于二阶谐波测量而三阶光强项起因于三阶次谐波测量；和(ii)多项式包含有同时起因于透射吸收光谱测量和反射光谱的项。
尽管在本发明的这个优选实施例中，提出使用PLS或RLS回归技术来析取三阶多项式的系数，应当理解PLS或RLS技术只是将这样一个多项式代入吸收数据的几种统计技术中的一种，且本发明并不局限于使用PLS或RLS回归技术来进行统计分析。而且，尽管在再所述实施例中使用的是三阶的光强多项式，但应当理解可以使用任意高阶的多项式，且本发明并不局限于使用三阶的光强多项式。
因此将由各个样品得到的经验系数连同相关样品的组分含量一起存储到计算系统存储器中形成数据库。
当测量未知牛奶样品时，在使用该系统的过程中，优选地通过另一个利用这个数据库的统计分析方法来析取样品组分含量，例如已知的在多成分化学反应动态分析中使用的化学计量分析方法。
使用一种依照本发明另一优选实施例构造和操作使用的新颖的取样室，对牛奶进行光谱测量。取样室具有凹窝，其优选地靠近牛奶流动主管道，且设置位于通常向下的方向上，因此其填满了不断变更着的流动牛奶样品。这使对脉动牛奶流体的光透射测量得以能够实现，不会因脉动和湍急而显著影响测量精度。光束测量路径横贯这个凹窝的中心区域，光源在其一侧而透射测量检测器在其另一侧。为了测量散射，设置另一检测器，优选地设置在关于该光束路径的直角角度上，以便检测在取样室中牛奶的90度散射光束。为了测量背向散射，设置另一检测器，优选地设置在与发光二极管光源大致相同的位置上。
依照本发明的再一个优选实施例，本发明提供一种用于测定流体中至少一种组分浓度的系统。该流体包括两种或更多种具有不同光吸收特性的组分，并且该系统包括其中含有流体的样品腔；多个光束光源，其中一个或多个光源受激时发射出具有基本连续波长的光束，两个或多个光源具有不同的发射光谱波段，该光源的配置使得光源光束入射到样品腔中流体上。该系统还包括第一检测器，用以测量穿过流体的透射光束光强；第二检测器，用以测量流体散射光束光强；控制系统，其对至少两个光束光源进行逐次开启，以便分别利用这两个或多个光源的光束波长来扫描该流体；以及计算系统，其可用以由流体透射光束或流体散射光束的强度来确定流体中一个或多个组分的含量。光源优选发光二极管。第二检测器优选设置使得其测量自流体背向散射或背向反射的光束强度。
依照本发明的另一优选实施例，在上述系统中所述计算系统通过将穿过流体透射光束强度和流体散射光束强度代入用光强表示的一种组分含量的多项表达式来确定含量。该多项表达式优选为透射光强与散射光强的至少二阶表达式。而且，透射光强与散射光强优选地借助于经验系数而与组分含量相关，经验系数由自多个已知组分含量的流体样品所获取的透射光强和散射光强的统计分析确定。这种统计分析优选采用偏最小二乘法回归方法或脊最小二乘法回归方法。此外，经验系数优选地存储于数据库中，而含量是借助于对数据库进行操作的统计分析方法而由透射光强和散射光强求取的。
任意上述提及的系统都可优选用于分析牛奶，而系统优选地是在挤奶过程中在线确定牛奶组分。
依照本发明的再另一个优选实施例，本发明还提供一种测定流体中至少一种组分浓度的方法，该流体包含至少两种具有不同光吸收特性的组分，所述方法包括步骤如下(a)由基本上具有连续发射波长的光源发出的入射光束照射流体；(b)测量入射光束透射穿过流体的透射光强以及为流体所散射的散射光强；以及(c)将光强度与以光强度表达的关于组分浓度的多项表达式相关联，该多项表达式为透射光强和散射光强的至少二阶表达式。
依照本发明的再另一个优选实施例，在上述测量方法中，可以利用多个光源重复执行步骤(a)和(b)，每个光源都具有其自己的连续波长范围。多项表达式可优选为透射光强和散射光强的三阶表达式。而且，散射光强可以是反射光强。另外，透射光强和散射光强可优选借助于经验系数而与组分含量相关，所述经验系数是通过对自多个具有已知组分含量的流体样品所获取的透射光强和散射光强的统计分析而确定的。这种统计分析可优选采用偏最小二乘法回归方法，或者脊最小二乘法回归方法。
在上述方法中，经验系数可优选地存储于数据库中，而含量是借助于对数据库进行操作的统计分析方法而由透射光强和散射光强求取的。
在上述方法中，被照射的流体优选地是牛奶。
依照本发明的再另一个优选实施例，本发明提供了一种用于对流动流体样品执行光学测量的取样室，其包括流动管道，用于供流体通过；凹窝，与流动管道流体连通，并且导向通常向下方向因此流动管道中流体样品能够进入该凹窝；以及光透射路径，光透射路径在这样的位置上穿过该凹窝，从而使得光透射路径越出到流动管道所限定界限之外。
在上述取样室中，光透射路径优选包括光源光束输入的入口端，以及将光束导向检测器的出口端。入口端和出口端的这种优选设置，以便光束沿直线横贯样品腔，从而对样品进行透射光学测量。可替换且优选地，可以在与光束方向成一定角度处设置另一出口端，用以实现对样品的光散射测量。而且，出口端可设置在与入口端基本上共位置点处，从而实现对样品的背向散射光测量。
依照本发明的再另一个优选实施例，凹窝的设置使得样品在流动管道中流体的流动作用下不断更换。凹窝的这种构造成形和设置，使光学测量通常不会受到流动管道中湍急扰流或脉动的影响。
在上述取样室中，光学测量优选用于测定流体组分的相对含量。
而且，流动管道优选为牛奶管道。另外，依照本发明的另一个实施例，光透射路径包括光纤缆或塑料光导。
附图简要说明通过下面结合附图的详细说明，本发明将得以更加充分的理解。其中
图1是依照本发明优选实施例构造和使用的牛奶光谱分析仪的光学测量系统示意图2是图1所示测量系统中莲蓬辐照部件的放大图；图3A和3B是依照本发明另一优选实施例的取样室的示意图，该取样室用以对流动流体样品实现光学测量。图3A是取样室的侧视图，而图3B是截面图；图4是说明对约140个牛奶样品分析结果的坐标图，这些牛奶样品来自挤奶期间的不同奶牛，利用依照本发明优选方法构造和使用的牛奶分析仪分析蛋白质含量；和图5是说明对约140个牛奶样品体细胞数(SCC)分析结果的坐标图，所述分析利用了依照本发明优选实施例构造和使用的牛奶分析仪。
优选实施例的详细说明现在参看图1，图1是依照本发明一个优选实施例的牛奶光谱分析仪1及其光学测量系统的示意图。牛奶流动通过流动管道或流体管10，典型地从挤奶场所12流向收集点14。应能理解，有利的做法是将本发明牛奶分析仪设置在牛奶流经路径上的任意其它位置点上。取样室16设置位于牛奶流动管道10中，而将流动牛奶样品收集在样品腔18中。下面将结合附图3A和3B，对样品腔18的结构与工作情形进行更加详细的说明。
在样品腔18附近设置的发光二极管(LED)阵列20优选地由许多发光二极管光源21构成，每个发光二极管光源21都发射出在测量所用波段内的波长不同的光。依照一个优选实施例，这些发光二极管21的波长从450nm到950nm，覆盖了可见光和近红外光光谱区域。依照这个优选实施例，通过光纤22将各个发光二极管21的光输出传输到莲蓬座23，在莲蓬座23处将所有的光纤22都捆扎到一块儿形成一个结构紧密的光源，能够发射出所点亮的任何一个发光二极管或任何一个发光二极管21所对应波长的光。在莲蓬座23中心，设置有背向散射检测器24。
现在参看图2，图2是图1中莲蓬辐照部件的示意图，放大显示出了更为清楚的细节。发射发光二极管辐照光的光纤22的端部25，彼此尽可能地挤缩聚集，因此将这些具有不同波长的光源尽可能密集地集成为单个光源。在这个光纤束的中心设置的是用于检测背向散射光的检测器24。在工作期间，顺次启动各个发光二极管21，因此顺次测量具有分立波长点的光谱。
依照本发明的另一个优选实施例，在与入射光束成一定角度的位置上设置另一个检测器29(如图1所示)，因此优选地可以对在背散反射之外方向上的散射进行检测。
现在参看图1，莲蓬座光源23发出的光由入射端口(未示出)进入而后通过样品腔18而后穿出出射端口31从而被检测，优选地通过设置在出射端口31附近的硅光检测器27进行检测。将对应光强度的检测信号28输入到信号放大与处理系统30。为了提供最优化的检测灵敏度，可任选地采用相敏检测系统，而对发光二极管进行调制。优选地将该检测系统输出强度输送到计算与控制系统32，在此依照本发明另一优选实施例对所获取光谱进行分析。如果使用频率调制的话，计算与控制系统32将控制信息35传送给发光二极管光源21，以提供调制频率，并且还通过控制线36将该调制频率输送到信号放大与处理系统30的相敏检测器。计算与控制系统32还控制发光二极管光源21的开关次序和定时，用以扫描待检测的整个光谱范围。
依照一个优选的扫描程序，使各发光二极管21都开启若干毫秒，从而实现在其波长处的吸收测量和/或散射测量。为了更加快速实现该测量，对检测器27的透射吸收信号和检测器24的背向散射信号进行同时测量。如果使用直角位置检测器29，则其信号也与检测器24和27的信号同时进行测定。利用用以开发并检测本发明性能的研究装置对所有10个发光二极管21进行一次完整扫描约需用时250毫秒。使用高速微处理器运行依照本发明构造的专用信号处理软件，可减少扫描时间，优选地该软件可与商用的牛奶分析仪1(analyzer1)结合使用。
在挤奶期间牛奶流经样品室16的脉冲重复频率通常最多不会快于每两秒一个牛奶脉冲。由于这种重复频率通常显著慢于测量扫描频率，所以优选地可以对样品腔18中收集的各个牛奶样品都进行重复多次的吸收测量/散射测量，而后对各个样品求取平均值，从而减少了测量噪声水平而提高了浓度(concentrations)计算精度。
依照本发明的光产生与检测系统的再一个优选实施例，可以将光线缆替换为塑料光导，从而形成价格更便宜、结构更紧凑而且防水的装置。光导优选地具有类似于虹吸管的结构，在发光二极管端部直径为5mm，而到样品室处锥形变细至1mm。
为了克服物理尺寸上的限制，优选地将10个发光二极管21五个一组分为两组，每组五个，各个莲蓬座23都只有5个发光二极管21以及其自身中心检测器24，并且各个莲蓬座23相对设置在样品腔18的两侧。依照这个优选实施例，辐照与检测是由样品腔18两侧顺次进行的，每个莲蓬座23都有5个发光二极管21。每个莲蓬座的检测器24收集其自身发光二极管21的背向散射光以及相对一侧莲蓬座23之发光二极管21的透射光。依照这个优选实施例，如果采用的话，则检测器29的功能保持不变。
多组分流体诸如牛奶的光谱分析的主要问题，是由各个单独组分的独自的吸收与散射光谱相互交叠引起的。而且，依照本发明的辐照方法，其中发光二极管光源21的光谱宽度可能包括了许多这种单独吸收与散射的光谱线，为了对牛奶中各单独组分进行定量分析，就需要提供用以析取所呈现谱线的识别信息并测定其强度的方法。该方法需要能够对“隐藏”在对较宽带宽的LED光源21的光强度测量信号中的多条谱线实现析取。
依照本发明的优选实施例，用一个高阶多项表达式表达在样品腔18中的各种牛奶组分的浓度C关于针对各个LED测量得到的透射光强度和反射(散射)光强度的关系，各个光强度项都有经验系数。依照一个优选实施例，该多项式可表达为C％＝∑axtjItj+∑bxtjI2tj+∑cxtjI3tj+...+∑axrjIrj+∑bxrjI2rj+∑cxrjI3rj+...
其中j＝1-10，表示10个在近红外和可见光谱段的离散光源；Itj＝由透射光检测器检测得到的光源j的光强度；Irj＝由反射光检测器检测得到的光源j的光强度；C％＝组分浓度C；而axtj，bxtj，cxtj......，axrj，bxrj，cxrj......，＝与检测组分浓度C光强度相关的经验系数。依照一个特别优选的实施例，使用一个三阶多项式，且系数只使用到cxtj和cxrj。
这些经验系数的值最初由实验确定，优选地通过使用统计分析方法确定，例如对大量基本数据执行PLS回归或RLS算法，大量基本数据即大量的具有不同变量组分的牛奶样品通过实验方法获取的吸收和反射数据。为了提供一个内容丰富的数据库，优选地由几百头不同奶牛获取奶样。数据由通过对十个发光二极管发射的光进行吸收和反射测量而获取的。独立对每个奶样的组分进行测定，优选地使用标准分光光度法，并且因此通过使用优选的统计分析方法来用这些已知组分浓度析取经验系数。
当知道了这些系数后将它们连同与之相关的样品浓度存储起来，用作计算系统存储器中的基准数据库以便实现对未知样品的测量。由未知奶样析取组分浓度优选地通过另一统计分析方法实现，例如象在多成分化学反应动力学分析中所使用的化学计量分析方法那样的统计分析方法，将测量得到的光强度和数据库中的内容进行比较。依照本发明的一个优选实施例，分析仪使用十个LED光源21，因此对每个未知牛奶样品测取20个测量信号，其中10个测量信号是针对每个LED光源21测取一个数据的透射测量值，而另10个测量信号是针对每个LED光源21测取一个数据的反射或背向散射测量值。这20个测量信号，各自都位于它们的已知波段上，且因此，优选地通过统计分析的化学计量类方法，与和牛奶组分相关的所存储光谱曲线的大量基本数据有关，并且通过分析来测定一组准确的奶样组分浓度。因此这种校准和分析方法允许采用便宜的具有非均匀广谱带宽的发光二极管21作为光源，而不是采用很离散的单色光源，例如激光器，其应用出现于一些光学流体分析仪的现有技术中。
对所有被测牛奶成分的浓度分析的结果，优选地通过输出单元34打印或显示并传递给畜牧管理系统以供分析。
现在参看图3A和3B，图3A和3B是取样室16的详细结构图，取样室16用于对流动流体样品执行光学测量，如图1所示，依照本发明的另一优选实施例构造并操作。图3A是取样室的侧视图。对该牛奶取样器的优选实施例，牛奶优选地从挤奶设备通过输入管或管道40直接进入取样室。凹窝样品腔44靠近流动主管道42，具有平滑过渡的轮廓46，优选地采用圆弧形。腔44沿着流动主管道42的侧壁48与流动主管道42流体连通。牛奶通过出口管道或管50流出取样室16。使用时，设置取样室16使得取样室44位于通常向下的方向上。因此，腔44中充满了流动牛奶样品。尤其是，每次脉动进入腔44内的新的牛奶总是将前旧样品清除出去，新牛奶替换旧牛奶因此样品连续改变而每一脉冲都得以分析，这与脉冲抵达的规律性无关。因此采样过程实质上是连续的。取样室16的这种特性对于畜牧者而言尤其重要，因为在单个奶牛挤奶过程中牛奶成分是改变的，而只有这样一种连续取样器才能够方便地实现对这种改变的实时跟踪。举例讲，如果检测发现牛奶品质下降达不到所要的标准要求，则畜牧者就可不收集这一段奶流。
牛奶取样器16主体的孔52通常设置在取样室44中心附近，且位于流动管道42的底壁48下方，光束穿过该孔52进入取样室44。依照该优选实施例，孔52填充有可透过光束的透光固体材料，因此避免牛奶流入孔52内。另选地且优选地，出于这种目的可以使用在孔52和取样室44交界处设置光导(未示出)的方式。在孔52的一侧是光源座54，在光源座54中或光源座54附接提供入射光束的LED辐照莲蓬座23。光束测量路径横贯凹窝腔44的中心区域56以及孔52。在远离光源21一侧设置检测器座58，其中安装如图1所示的透射测量检测器27。依照本发明的再一个优选实施例，除了透射测量之外，通过使用设置在尽可能接近光源位置上的检测器以获得背向散射测量。通过将检测器24安装在莲蓬座23中心处，如图1和2所示，可以实现背向散射测量，而莲蓬座23通过安装件62连接到取样室16。依照本发明的再一个优选实施例，可以通过背向散射之外的散射方式进行光学测量，并且为了实现该目的而设置有另一检测器座60，优选地设置在与光束路径垂直的位置上，以检测取样室44中牛奶的90度光散射。依照本发明的再另一个优选实施例，透射检测器58为另一个如前所述既包含多个光源又包含检测器在内的莲蓬座23所替代。
借助于如图3A和3B所示的牛奶取样器16，可以实现对脉动牛奶流体的光学透射测量，而不会因脉动或湍流扰动而显著影响到测量精度。而且，该测量可以在线实时进行，因此给畜牧者或挤奶数据收集系统提供了任何关于牛奶成分变化的即时信息。
依照本发明的再一个优选实施例，可将取样室16制造为由单一零件构成的系统，安装于潜在有问题的挤奶畜栏环境中(脏污、厩肥、水)，而将LED光源和检测器以及电子单元安装在远处并通过光纤或光导和电缆与取样室16相连。而且，由于光学和电子系统不需要在每次挤奶过程中一直执行分析，并且还有不执行分析的情形，例如，当每个畜栏的占用者改变时，就可以将在不同挤奶畜栏中的若干个样品室多路输送到一个中心光学与控制系统。因此，尽管分析仪16的制造费用与现有技术分析仪相比较便宜，但利用在挤奶时能对整个牧群提供在线牛奶分析的系统仍然有可能进一步降低畜牧者的花费。
取样室44的宽度64，指的是光束在取样室44中通过的光学路径长度。这个光学路径是用于确定样品光学测量精度和灵敏度的一个重要参数。这一点尤其和诸如牛奶之类的流体有关，由于牛奶因其乳状特性而透明度较低，所以牛奶即使在非常短的距离就可大幅度衰减任意入射光束。这种衰减效应还与所使用波段非常有关。吸收测量精度与光束横穿样品的距离成反比。例如，对于牛奶，使用近红外-可见光波段地直接吸收光谱法，若所用光学路径长度大于约2mm则就很难实现蛋白质含量的精确测定。因此，例如，在Tsenkova等人的文章中，指出在700-1100nm光谱区域内，尽管利用10mm光学路径长度可获取对脂肪测定的最佳精度，但是若用于测定蛋白质含量则这样一个长度的光学路径长度就不能满足实际应用的精度要求。在这些波长对蛋白质进行测定的最佳光学路径长度为1mm。尽管Tsenkova等人发现1100-2400nm波段通常比700-1100nm波段的效果要好，但是对于低价位仪器而言后一波段是优选的，因为能够得到针对后一波段的低价的光源和检测器。在约900nm以下波长对牛奶进行分析存在问题，由于牛奶在这一区域谱线平缓且缺少特征谱线，因此难以获得吸收测量信息，就象在现有技术方法中所见的那样。
测量条件要求的这种矛盾使得人们很难为现有技术的光谱测量牛奶分析仪(只在入射波长处进行测量)确定最佳的全面的测量条件。为了解决牛奶的高光学吸收的问题，一些现有技术的光谱测量牛奶分析方法只是使用了测量背向散射的方式。这一解决问题的方法也还是存在问题，实际上并不知道辐射贯穿的实际距离，而因此导致分析结果不准确。
通过使用依照本发明优选实施例实质上减少了这些问题，本发明优选实施例既测量透射吸收，又测量背向反射，实质上减少了对取样室宽度的依赖性。因此，与公知的电子噪声滤波技术相结合，试验证明可以使用5或10mm光学路径长度可对所有牛奶组分的测量都提供良好的精度。试验证明这些方法对于蛋白质测量尤其有利，因为为了提供准确的测量结果，利用现有技术吸收方法通常须采用不到2mm的窄腔。
现在参见图4，图4是说明利用依照本发明优选实施例构造和使用牛奶分析仪分析蛋白质含量而对约140个牛奶样品的分析结果的坐标图，这些牛奶样品来自挤奶期间的不同奶牛。在图4中，用标准的实验室分析仪器进行精确分析的奶样蛋白质浓度，以小的开圆标示。依照本发明优选实施例的牛奶分析仪测定的蛋白质浓度，以x符号标示。由图可见，利用本发明分析仪实时分析获得的结果，非常接近那些由标准实验室分析仪器测定的结果。测量的标准偏差约为0.04％。
现在参见图5，图5是说明利用依照本发明优选实施例构造和使用10-LED的牛奶分析仪分析体细胞数(SCC)的分析结果的坐标图，图中体细胞数(SCC)标示以千为单位。对SCC测量值进行精确测量，与图4所示的蛋白质含量分析相比较难，并且图5所示结果表明依照本发明优选实施例的装置能够提供具有良好精度的SCC测量值。SCC测量值的标准偏差约为23.6。
为了分析乳糖、脂肪和尿素含量而对约150个牛奶样品所做的三组测量值，具有相同程度的精确度，这三组测量值的标准平方差R2分别为R2＝0.970，R2＝0.992，R2＝0.991。
因此，从上述结果可见，依照本发明优选实施例的装置，使用价格便宜的光源和检测器，能够在挤奶期间提供针对牛奶流动样品的分析，分析精度与实验室牛奶分析仪器相比相差不多。
对于本领域普通技术人员而言，显而易见的是，本发明不局限于前面具体描述说明的内容。本发明的范围包括各种上述技术特征以及它们的变形和改变的组合和从属组合，这些是本领域普通技术人员通过阅读上述说明书能够得出的且不属于现有技术。
权利要求
1.一种用于对流动流体样品进行光学测量的取样室，其包括流动管道，流体经由流动管道进、出所述取样室；凹窝，其与所述流动管道流体接触，并且设置位于通常向下的方向上，使所述流动管道中的流体样品能够进、出所述凹窝，以便不断更换所述凹窝中含有的样品；和光透射光源，其用于沿着设置在所述流动管道界限之外的光透射路径，投射光束进入所述凹窝。
2.依照权利要求1所述的取样室，其中所述光透射路径包括投射光束的入口端，由光束光源投射光束给所述凹窝以穿过所述凹窝中含有的流体样品，以及至少一个出口端，用于将光束由所述凹窝导向至少一个出口检测器。
3.依照权利要求1所述的取样室，其中所述光透射路径包括至少一个光纤和塑料光导。
4.依照权利要求2所述的取样室，其中设置所述进口端及出口端使得光束沿直线横贯所述凹窝，以便所述出口检测器测量穿过所述凹窝中含有的流体样品的透射光。
5.依照权利要求2所述的取样室，其中所述出口端设置在与入射光束方向成一预设角度的方向上，以便所述出口检测器测量穿过所述凹窝中含有的流体样品的散射光。
6.依照权利要求2所述的取样室，其中所述出口端设置位置基本上与所述入口端位置重合，因此所述取样室测量来自所述凹窝中含有的流体的背向散射光。
7.依照权利要求1所述的取样室，其中如此形成并设置所述凹窝，使得流体样品在所述流动管道中流体的流动作用下不断更换。
8.依照权利要求1所述的取样室，其中如此形成所述凹窝，使得光学测量通常不受在所述流动管道中流体流动湍扰的影响。
9.依照权利要求1所述的取样室，其中如此形成所述凹窝，使得光学测量通常不受在所述流动管道中流体脉动流动的影响。
10.依照权利要求1所述的取样室，其中所述流动管道是牛奶管道。
11.依照权利要求1所述的取样室，其中应用光学测量以测定流体的至少一种组分的相对浓度。
12.一种用于测定流体中至少一种组分的浓度的系统，该流体包括至少两种具有不同光学特性的组分，所述系统包括取样室，其用于实现对流动流体样品的光学测量，所述取样室包括流动管道，流体经由流动管道进、出所述取样室；凹窝，其与所述流动管道流体接触，并且设置于通常向下的方向上，以使所述流动管道中的流体样品能够进、出所述凹窝，以便不断更换所述凹窝中含有的样品；和光透射路径，用于投射光束进入所述凹窝，所述光透射路径设置在所述流动管道界限之外；多个光束光源，其中至少一个光束光源在开启后能发射出具有基本连续波长的光束，至少两个所述光源具有不同的发射谱段，所述光源如此设置，使得所述光源的光束入射到所述凹窝中含有的流体样品中；至少一个检测器，从由下列选项构成的组中选出第一检测器，如此设置其位置以便其能够测量透射穿过流体样品的所述光束的强度；和至少一个第二检测器，如此设置其位置以便其能够测量经流体样品散射的所述光束的强度；控制系统，其对至少两个光束光源进行逐次开启，以便分别利用由所述两个光束光源发出的所述光束的波长分别来扫描该流体；和计算系统，其可用以由至少一个流体透射光束和流体样品散射光束的强度来确定流体中至少一个组分的浓度。
13.依照权利要求12的系统，其中所述光源是发光二极管。
14.依照权利要求12的系统，其中至少一个所述发光二极管发射的谱带半宽度小于40nm。
15.依照权利要求13的系统，其中至少一个所述发光二极管发射的谱带半宽度小于60nm。
16.依照权利要求12的系统，其中所述多个光束光源至少是五个光源。
17.依照权利要求12的系统，其中所述多个光束光源至少是十个光源。
18.依照权利要求12的系统，其中所述至少一个第二检测器如此设置，使得其能够测量为流体样品所反射的光束的强度。
19.依照权利要求12的系统，其中所述计算系统用以通过将所述透射穿过流体样品的光束强度和所述被流体样品散射的光束强度与关于光束强度的浓度表达式相关联，来确定流体中至少一个组分的浓度。
20.依照权利要求19的系统，其中表达式是关于透射光强和散射光强的至少为二阶的多项表达式。
21.依照权利要求19的系统，其中借助于经验系数将透射光强和散射光强与所述组分的浓度相关联，且其中所述经验系数是通过对由大量具有已知所述组分浓度的流体样品所得到的透射光强和散射光强进行统计分析而确定的。
22.权利要求20所述的系统，其中该统计分析方法是偏最小二乘法回归方法。
23.权利要求21所述的系统，其中该统计分析方法是脊最小二乘法(Ridge LeastSquares)回归方法。
24.权利要求21所述的系统，其中把所述经验数据存储在数据库中，并且通过基于所述数据库执行统计分析的方法而由透射光强和散射光强求取浓度。
25.权利要求12所述的系统，其中所述管道是牛奶管道。
26.权利要求25所述的系统，其中所述系统在挤奶过程中在线测定牛奶组分。
27.一种测定流体中至少一种组分浓度的方法，该流体包含至少两种具有不同光学特性的组分，所述方法包括步骤如下(a)由基本上具有连续发射波长的光源发出的至少一个入射光束照射流体；(b)测量至少一个入射光束的透射光强和散射光强；以及(c)将光强度与以光强度表达的所述组分浓度的多项表达式相关联，该多项表达式为透射光强和散射光强的至少二阶表达式。
28.权利要求27所述的方法，其中多项表达式是透射光强和散射光强的三阶表达式。
29.权利要求27所述的方法，其中散射光强是背向散射光强。
30.权利要求27所述的方法，其中具有连续波长的所述光源是至少一个发光二极管。
31.权利要求30所述的方法，其中所述至少一个发光二极管的半谱宽小于40nm。
32.权利要求30所述的方法，其中所述至少一个发光二极管的半谱宽小于60nm。
33.权利要求27所述的方法，其中借助于经验系数将透射光强和散射光强与所述组分的浓度相关联，且其中经验系数是通过对由大量具有已知所述组分浓度的流体样品所得到的透射光强和散射光强进行统计分析而确定的。
34.权利要求33所述的方法，其中该统计分析方法是偏最小二乘法回归方法。
35.权利要求33所述的方法，其中该统计分析方法是脊最小二乘法回归方法。
36.权利要求27所述的方法，还包括利用多个光源重复执行步骤(a)和(b)，每个光源都有其自己的连续波长范围。
37.权利要求36所述的方法，其中至少一个所述多个光源是发光二极管。
38.权利要求36所述的方法，其中把所述经验数据存储在数据库中，并且通过基于所述数据库执行统计分析方法而由透射光强和散射光强求取浓度。
39.权利要求27所述的方法，其中照射流体是指照射牛奶。
全文摘要
一种近红外光谱流体分析系统(1)使用一系列发光二极管(21)作为辐照光源，每一发光二极管都有其自己的预先选定的中心波长。这些波长具有交叠的光谱宽度，因此覆盖了一个很宽的光谱测量区段。发光二极管(21)依照顺序照射流体样品，而对各个发光二极管的谱段都测量穿过样品的透射吸收和样品的反射或散射。测量是由光检测器(24、27、29)完成的。流体组分的浓度可表示为一个多项式，该多项式是关于所测得的透射光强和/或反射光强以及经验系数的函数，经验系数是通过预先对从大量具有已知组分浓度的测试样品获取的测量光强的统计分析而求取的。还记述了一种新颖的样品室(16)，能够对流体流动样品进行光吸收测量。
文档编号G01NGK1613007SQ02826886
公开日2005年5月4日 申请日期2002年11月7日 优先权日2001年11月8日
发明者泽夫·施米洛维奇, 基尔·卡茨, 埃夫林·马尔茨, I·卡泽尔 马丁, 莫兰·萨里格, 伊安·哈拉切米, 阿哈龙·霍夫曼, 海因·埃格齐, 艾山·乌内尔 申请人:S.A.E.埃菲金计算机化乳业管理系统, 以色列农业部农业研究所
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