Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Применение Фурье - спектроскопии для автоматизированного контроля качества пищевых сред 15
1.1 Теоретические основы метода 16
1.1.1 Спектральный метод 16
1.1.2 Структурозональный метод 16
1.2 Пространственное Фурье- преобразование 18
1.3 Структурная схема, основные элементы
и параметры Фурье-спектроскопа. 20
1.3.1 Структурная схема Фурье-спектроскопа 20
1.3.1.1 Источник света 21
1.3.1.2 Формирующая оптика 21
1.3.1.3 Транспарант 22
1.3.1.4 Преобразующая оптика 22
а) вариант 1 22
б) вариант 2 23
в) вариант 3 24
1.3.1.5 Фотоприемник 25
1.3.2 Оценка интенсивности пространственного спектра 27
1.3.3 Разрешающая способность 29
1.3.4 Шум оптической системы 30
1.4. Оптическая схема Фурье-спектроскопа 31
1.4.1 Выбор оптической схемы Фурье-спектроскопа 31
1.4.2 Оптическая схема для больших размеров транспаранта 34
1.4.3 Разрешающая способность Фурье-спектроскопа 36
1.5 Анализ параметров Фурье-спектроскопов 40
1.6 Оптимизация структуры Фурье-спектроскопа. 45
1.6.1 Измерения с использованием оптимальных фильтров 46
1.6.2 Измерения с использованием многоканального измерителя 50
1.6.3 Измерения в сканирующем Фурье-спектроскопе
с использованием отношения правдоподобия 52
1.6.4 Оптимизация на основе когерентного накопления оценок спектра пространственных частот 53
1.7 Выводы 56
ГЛАВА 2 Использование Фурье-спектроскопов при автоматизации технологических процессов пищевых производств 58
2.1 Варианты применения Фурье-спектроскопов . 58
2.2 Сканирующие Фурье-спектроскопы ...61
2.2.1 Фурье-спектроскоп со сканированием лазерного пучка по одной координате 61
2.2.2 Фурье-спектроскоп со сканированием лазерного пучка по двум координатам 68
2.3 Анализ и разработка дефлекторов для сканирующих Фурье-спектроскопов 71
2.3.1 Анализ существующих дефлекторов 71
2.3.2 Разработка дефлекторов для сканирующего Фурье-спектроскопа 83
2.3.2.1 Разработка дефлекторов на основе
гальванометров Ml013 83
2.3:2.2 Разработка дефлекторов на основе
гальванометров МЭД 87
2.4 Экспериментальная проверка сканирующего Фурье-спектроскопа 89
2.5 Выводы 96
ГЛАВА 3 Аппаратно-программный комплекс экспериментального Фурье-спектроскопа (установка «Структура») 98
3.1 Оптический тракт 98
3.2 Электронный тракт 108
3.2.1 . Анализ влияния шумов и помех 108
3.2.2 Электронные схемы установки 112
3.3 Проі-раммное обеспечение 120
3.4 Выводы 123
ГЛАВА 4 Автоматизация измерений, выполняемых на Фурье-спектроскопе 124
4.1 Алгоритмы проведения измерений 125
4.1.1 Алгоритм измерения спектра систематических погрешностей, вызванных аберрациями оптики 125
4.1.2 Алгоритм измерения спектров пищевых сред 127
4.1.3 Алгоритм сравнения с эталоном 129
4.1.4 Оценка погрешностей измерений 130
4.2 Автоматизация измерений и обработки данных 131
4.2.1 Исследования оптического тракта установки 131
4.2.1.1 Исследования оптического тракта установки без кюветы 131
4.2.1.2 Исследования оптического тракта установки с кюветой...„..136
4.2.2 Исследования пищевых сред 138
4.3 Выводы 154
Заключение 155
Литература 158
Приложения
- Теоретические основы метода
- Варианты применения Фурье-спектроскопов
- . Анализ влияния шумов и помех
- Алгоритм измерения спектра систематических погрешностей, вызванных аберрациями оптики
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
Одной из актуальных проблем народного хозяйства в настоящее время становится разработка автоматизированных методов контроля качества (ква-лиметрии) пищевых сред.
Важность этой задачи обусловлена ухудшающимся экологическим состоянием окружающей среды и появлением на продовольственном рынке страны большого количества фальсифицированных пищевых продуктов.
Практически все стандарты по сертификации качества продукции различных отраслей пищевых производств включают мероприятия по оценке органолептических свойств пищевых сред, которые гораздо больше, чем физико-химические свойства и пищевая ценность, влияют на выбор потребителей [Шидловская, 2000].
Как известно, органолептическими свойствами пищевых продуктов являются их внешний вид, текстура, цвет, вкус и запах, которые оцениваются опытными экспертами. Однако осуществить исчерпывающую, оперативную оценку органолептических свойств пищевых продуктов в условиях массового производства могут единицы экспертов. Кроме того, такая оценка является субъективной. Создать же необходимое количество датчиков органолептических свойств пищевых сред, какое имеется у органов осязания и обоняния человека, в настоящее время практически невозможно.
В связи с изложенным очевидна необходимость разработки и применения автоматизированных инструментальных методов, способных давать количественную оценку качества пищевых сред и продуктов, которые могли бы функционировать в реальном масштабе времени.
Многие инструментальные методы и средства получения данных о свойствах пищевых сред могут быть автоматизированы путем компьютерной обработки информации.
На автоматизации сбора данных основана идея компьютерной кваии-метрии, которая заключается в разработке специальных или использовании известных инструментальных средств для оперативного контроля физико-химических, оптических, реологических и биологических характеристик пищевых сред в составе компьютеризованных экспертных систем с целью объединения получаемых инструментальных данных с органолептическими характеристиками этих сред, даваемых опытными экспертами [Краснов, Тыр-син, 2002].
Качество продуктов напрямую зависит от состава пищевых сред, степени их очистки от посторонних примесей и соответствия готового продукта эталону.
Очевидно, что разработка методов и аппаратуры для автоматизации контроля состава пищевых сред, состава готового продукта и степени очистки продуктов от примесей, является чрезвычайно важной и своевременной задачей.
Теоретические основы метода
Как отмечалось во введении, одной из актуальных проблем народного хозяйства является совершенствование методов контроля качества пищевых сред, а также разработка необходимой для этого аппаратуры.
При автоматизации пищевого производства в состав такой аппаратуры должны входить системы автоматизированного контроля содержания микропримесей в пищевых средах и/или соответствия пищевых сред эталону. Как правило, очистка и контроль пищевых сред должны осуществляться в условиях непрерывного технологического процесса.
Оценка размеров микропримесей и их количества в жидких пищевых средах, определение эффективности очистки и соответствие продукции эталону могут быть произведены путем анализа пространственного спектра этих сред методом лазерной Фурье-спектроскопии. В этом методе пространственное преобразование Фурье осуществляется в оптической системе с использованием когерентного светового пучка, генерируемого лазером. Дальнейший анализ выделенных частот пространственного спектра может быть выполнен с помощью ЭВМ, управляющей технологическим процессом.
Операция двумерного Фурье-преобразования осуществляется в оптической системе за время, равное времени распространения света в этой системе, то есть практически мгновенно. Таким образом, предлагаемый метод контроля характеризуется чрезвычайно высокой скоростью получения результата и по быстродействию может удовлетворить требованиям любого технологического процесса.
Метод позволяет определять наличие как непрозрачных, так и прозрачных микровключений в контролируемой среде, при условии, что прозрачные микровклточения имеют иной показатель преломления, чем окружающая среда.
Разработка объективных методов контроля качества пищевых продуктов является главной задачей квалиметрии. В условиях контрольной или сертификационной лаборатории для решения этой задачи может быть использован спектральный метод, который реализуется комплексом действий, рассмотренных в работах [Краснов А.Е., Красуля О.Н., и др. 2001;Дроханов, Краснов, 2001]:
Спектральный метод достаточно трудоемок в вычислительном отношении и требует для своей реализации обширную базу данных. Метод может быть использован в условиях контрольной лаборатории. При непрерывном технологическом процессе, когда необходимы оперативные управляющие решения, этот метод применить весьма сложно.
Напротив, структурозональный метод контроля, характеризующийся чрезвычайно высоким быстродействием, может быть использован в технологическом процессе непрерывного пищевого производства.
Структурозональный метод предусматривает оценку интенсивности гармонических составляющих полного спектра пространственных частот, полученного в результате Фурье-преобразования оптического излучения, пропущенного объектом исследования [Проханов А.Н., J994 г.].
Метод поясняется на Рис. 1.1, где показан спектр Sv, из которого вырезают узкие интервалы пространственных частот Avi, АУ2 .. Av„,.., Avm и измеряют на этих частотах уровень сигнала (энергию) Q(Av$. Значения Q(Avi) характеризуют степень присутствия спектральных составляющих Avit которые создают структурозональный образ объекта исследования.
Спектры пространственных частот объекта исследования могут быть получены с помощью когерентного лазерного излучения и оптического Фурье-преобразования. При этом может быть применена как классическая (традиционная) оптическая схема Фурье-спектроскопа, так и оптическая схема со сканированием лазерного пучка.
Различные варианты спектральных методов показаны на диаграмме Рис. 1.2, где приведена и лазерная Фурье-спектроскопия, которая включает две ветви: традиционную и сканирующую Фурье-спектроскопию.
Операция преобразования Фурье в когерентной оптике может выполнятся с помощью обычной сферической линзы. Если перед линзой установить светопропускающий объект - транспарант (фотопластинку с неким изображением, кювету с исследуемым веществом и т.д.) и освещать этот транспарант плоской монохроматической волной, то распределение интенсивности в дифракционной картине, образованной этим объектом, будет представлять собой спектральное распределение вариаций интенсивности света в зависимости от координат на объекте.
При этом интенсивность световых пятен в полученной дифракционной картине будет пропорциональна квадрату амплитудной составляющей пространственного спектра, а расстояние этих пятен от главной оптической оси системы будет пропорционально пространственной частоте спектральной составляющей. Ближе к оптической оси будут расположены более низкие пространственные частоты, дальше от оси - высокие пространственные частоты [Гудмен, 1970; Старк (ред.), 1988].
Варианты применения Фурье-спектроскопов
При исследованиях транспарантов в некоторых случаях требуется обеспечить максимальную вероятность измерения дискретных выбросов в спектре пространственных частот. Например, при нахождении в і-ом элементе транспаранта частицы примеси определенного размера, спектр пространственных частот приобретает форму импульса.
Таким образом, задача фактически сводится к обнаружению импульсного сигнала на фоне флуктуации, носящих характер аддитивных шумов. При этом не учитывается влияние мультипликативных помех, искажающих спектр пространственных частот.
Предполагая, что характеристика фотоприемника квадратичная и флук 54 туации спектра пространственных частот стационарны и подчиняются нормальному закону распределения, выражения для плотностей вероятности W,(Q и Wn(Q можно записать в следующем виде [Вентцелъ, 1962]: W}(Q=(l/q)exp[-{/q], Wn(Q= ехр(-С), (1.43) где С- оценка спектра пространственных частот, q - параметр, характеризующий отношение сигнал/шум.
В рассматриваемом случае наиболее эффективным является когерентное накопление оценок спектра пространственных частот. Для аддитивных составляющих шума величина отношения сигнал/шум, необходимая для обнаружения выброса спектра при когерентном накоплении уменьшается прямо пропорционально величине п , где п - число замеров.
Вариант построения оптической системы обработки, позволяющий осуществить когерентное накопления и интегрирование оценок спектра пространственных частот, приведен на Рис. 1.17.
Итак, мы рассмотрели возможности оптимизации структуры и параметров системы оптической обработки с использованием Фурье-спектроскопа. Один из рассмотренных вариантов состоял в применении оптимальных фильтров, согласованных со спектром сигнала и помех. Целесообразность использования этого варианта сомнительна не только из-за сложности его реализации, но также из-за неоднородностей оптической системы.
Другой вариант заключался в оптимизации обработки сигналов на выходе транспаранта. В этом варианте необходим многоканальный измеритель, построенный по типу адаптивной самонастраивающейся системы. Реализация такого измерителя также связана со значительными практическими трудностями.
Третий вариант, в котором используется отношение правдоподобия, требует специального вычислителя и порогового устройства.
Четвертый вариант оптической системы обработки связан с усложнением оптической схемы устройства, поскольку требует организации когерентного накопления и интегрирования оценок спектра пространственных частот.
Очевидно, что ни один из этих вариантов из-за своей сложности не может быть использован в приборе, предназначенном для нужд пищевого производства.
По-видимому, наиболее просто можно реализовать следующий квазиоптимальный алгоритм учета шумов оптической системы:
1.Снять структурозональный портрет оптической системы Фурье-анализатора с пустой кюветой или с кюветой, заполненной дистиллированной водой.
2. Получить сруктурозональный портрет исследуемой пищевой среды.
3. Исключить из сруктурозонального портрета пищевой среды структуро-зональный портрет оптической системы.
Этот алгоритм, рассмотренный подробно в главе 4, реализован при обработке результатов исследований пищевых сред.
В случае сравнения исследуемой пищевой среды с эталоном, алгоритм измерения становится максимально простым, так как структурозональные портреты контролируемой и эталонной сред снимаются в одинаковых условиях. Этот алгоритм также рассмотрен в главе 4.
Рассмотрены теоретические основы возможности применения Фурье-спектроскопии для получения спектрозональных портретов исследуемых сред, которые могут быть использованы для автоматизации контроля степени очистки жидких пищевых сред от нежелательных микропримесей (как непрозрачных для света, так и прозрачных), а также для определения соответствия пищевой среды эталону.
2 Показано, что этот метод контроля характеризуется чрезвычайно высокой скоростью получения результата, что позволяет использовать его в условиях непрерывных технологических процессов.
3 Для уменьшения габаритов оптической схемы предложен сканирующий Фурье-спектроскоп, который позволяет сократить длину оптического тракта примерно в 5 раз и использовать в оптическом тракте простую и недорогую оптику.
4 Получены аналитические выражения для определения разрешающей способности Фурье-спектроскопа, рассчитаны пространственные частоты и размеры микрочастиц, которые могут быть обнаружены спектрометром в зависимости от фокусных расстояний анализирующего объектива и радиусов анализирующих масок. Результаты расчетов сведены в таблицы и представлены в виде графиков.
5 Сделано заключение о целесообразности применения в Фурье-спектроскопе в качестве светочувствительных элементов ШС-матриц, что позволит уменьшить фокусное расстояние анализирующего объектива и сократить габариты оптической схемы, а также даст возможность гибко реализовать различные алгоритмы обработки получаемых данных.
Поскольку ПЗС-матрицы работают с накоплением заряда, их применение позволит значительно снизить влияние случайных погрешностей на точность измеренных величин, снимаемых с выхода спектроскопа.
. Анализ влияния шумов и помех
Для экспериментальной проверки Фурье-спектроскопа, предназначенного для оценки количества и размеров частиц микропримесей в жидких, прозрачных для света пищевых средах, а также для получения структурозо-нальных портретов пищевых сред, автором был разработан и изготовлен аппаратно-программный комплекс - установка «Структура» Щроханов и др., 1993, 1994, 1995, 1997], внешний вид которой представлен на Рис.3.1. На Рис.3.1 показаны: 1. Оптический квантовый генератор ЛГН-303. 2. Оптико-механический модулятор. 3. Оптический коллиматор с фокусирующим объективом. 4. Пространственный фильтр. 5. Коллимирующий объектив. 6. Преобразующий объектив. 7. Турель с кольцевыми масками (узел сменных масок). 8. БлокФЭУ. 9. Контрольный осциллограф. 10.Оптический стол.
Здесь показаны: оптический квантовый генератор (ОКГ) с блоком питания (Бп ОКГ); оптико-механический модулятор (ОММ); оптическая система Фурье-анализатора (ОС), в состав которой входят: поляризатор; коллиматор; 100 фокусирующий объектив; пространственный фильтр; анализатор; коллимирующий объектив; преобразующий объектив, узел сменных масок (УСМ); блок ФЭУ с операционным усилителем (ОУ) (не показан) и высоковольтным и низковольтными блоками питания (В/В Бп ФЭУ, + Н/В Бп ОУ и -Н/В Бп ОУ); блок обработки сигнала (БОС); аналого-цифровой преобразователь (АЦП); программное обеспечение для ввода информации (ПО Ввода); персональный компьютер IBM PC AT (ЭВМ) с монитором и принтером.
Рассмотрим эту схему: Световой пучок F, генерируемый стабилизированным лазером (ОКГ), проходит через поляризатор (П), оптико-механический модулятор (ОММ) и попадает в коллиматор, состоящий из объективов Оік и 02к- Далее по ходу светового пучка установлены фокусирующий объектив О], пространственный фильтр (ПФ), анализатор (А), коллимирующий объектив 02, кювета К и преобразующий объектив 03. В фокальной плоскости объектива Оэ установлен узел сменных масок (УСМ), за которым расположен ФЭУ.
Перейдем к описанию работы элементов установки.
В установке использован непрерывный He-Ne лазер типа ЛГН-303, который излучает световой поток с длиной волны А = 0,63 мкм и выходной мощностью 1 мВт (Рис.3.4). Диаметр пучка на выходе лазера составляет 0,8 мм. Лазер характеризуется высокой стабильностью выходного излучения за счет управления геометрическими параметрами резонатора, однако световой пучок на его выходе не поляризован. "sifrtPilt
Для регулировки интенсивности света в установке применена скрещенная пара поляризатор (П) - анализатор (А), в которых использованы пленочные поляризационные фильтры. Анализатор может вращаться в плоскости, нормальной к оптической оси, что позволяет изменять интенсивность света с целью предотвращения насыщения тока ФЭУ. За поляризатором установлен оптико-механический модулятор (ОММ), который выполнен в виде диска с прорезями (Рис.3.5), который приводится 102 во вращение маломощным синхронным электродвигателем (3000 об/мин). Коллиматор рассчитан таким образом, что диаметр пучка на его выходе в 5 раз больше диаметра пучка на входе, а угловая расходимость пучка соответственно во столько же раз меньше.
Такой прием позволяет получить в заднем фокусе фокусирующего объектива Oi световое пятно (кружок Эри) с диаметром в 5 раз меньшим, чем при непосредственной фокусировке выходящего из лазера светового пучка.
В качестве объектива О] использован объектив «Индустар-23У» с фокусным расстоянием 100 мм, обладающий высокой разрешающей способностью (60 опт.лин./мм в центре поля). В фокусе объектива О і установлен пространственный фильтр (ПФ) -диафрагма небольшого диаметра ( 0,3 мм), которая «чистит» световой пучок. За диафрагмой укреплен анализатор (Рис.3.8). Поворотом анализатора, как отмечалось выше, можно регулировать интенсивность светового пучка. За анализатором (А) установлены объективы 02 и Оз, которые конструктивно объединены в один узел (Рис.3.9). Между этими объективами расположена кювета (К) с исследуемой средой.
Алгоритм измерения спектра систематических погрешностей, вызванных аберрациями оптики
При разработке электронного тракта установки «Структура» особое внимание было обращено на максимально возможное уменьшение электронных шумов и помех с целью получения достоверных результатов измерений.
Известно, что во всех измерительных системах точность определяется уровнем шумов, которые свойственны либо самому измерительному прибору, либо возникают в процессе измерений. Очевидно, что точность измерений будет повышаться по мере увеличения отношения уровня сигнала к уровню шума.
Шумы могут быть подразделены на три большие группы.
К первой группе относятся шумы, обусловленные конструкцией измерительного прибора. Устранение таких шумов связано с большими техническими трудностями и во многих случаях невозможно. В установке «Структура» к такого рода шумам относятся шумы, обусловленные аберрациями компонент оптического тракта.
Ко второй группе относятся источники шумов, которые вызываются физическими явлениями, происходящими в ФЭУ и в соединенных с ним элементах электронных схем [Грановский, 1936; Якушенкое, 1971; Гартман и др., 1961; Хоровиц и др., 1984; Чечикидр., 1954].
К третьей группе шумов следует отнести шумы, создаваемые излучением лазера. Перейдем к рассмотрению шумов, обусловленных физическими процессами в элементах электронных схем. а) Дробовый шум. Как известно, электрический ток является потоком дискретных частиц. 109 Величина тока определяется числом этих частиц, которое флюктуирует во времени, что приводит к появлению дробового шума. Величина этих флюктуации (дисперсия): определяется из: статистических соображений; и выражается формулой Шоттки: &)2=2е/0Д/, где; е- заряд электрона, 1о — среднее значение тока, Af— полоса рабочих частот. На нагрузочном сопротивлении ФЭУ (RH) ЭТОТ флюктуирующий; ток, создаст напряжение, дисперсия которого равна: б) Тепловой шум (шум Джонсона). Причиной возникновения этого шума является тепловое движение электронов в проводниках. В результате на зажимах проводника возникает флюк-туационная Э.Д.С., дисперсия которой в полосе частот определяется формулой Найквиста: (йт)2 = 4кТЯиА/, (3.2) где Т - абсолютная температура, к- постоянная Больцмана. в) Токовый шум (І/f - шум). Природа этого шума недостаточно исследована. У реальных резисторов возникают флюктуации сопротивления, порождающие дополнительное напряжение шума, пропорциональное протекающему через резистор току, которое скл адывается с постоянно присутствующим напряжением теплового шума. Предполагается, что составляющими І/f- шума являются генерацион-но-рекомбинационный шум, модуляционный шум и контактный шум. На практике для дисперсии токового шума принимают выражение: Ч Ф , (3.3) по где AT - численная постоянная, значение которой определяется опытным путем для каждого типа приемника. г) Шум мерцания.
Шум мерцания обусловлен случайными изменениями эмиссии фотокатода ФЭУ. Установлено, что этот вид шума зависит от материала и свойств фоточувствительного слоя. Шум мерцания имеет заметную величину только при низких частотах модуляции, а с повышением частоты он падает. В связи с этим не рекомендуется работа в области частот, меньших 50 Гц.
Рассмотрение выражений (4.1, 4.2, 4.3) приводит к выводу о необходимости снижения полосы рабочих частоте/ электрического тракта установки. Именно с этой целью в состав установки «Структура» включен оптико-механический модулятор, который осуществляет 100% амплитудную модуляцию светового пучка на частоте 200 Гц. Выбранная частота позволяет также исключить проблемы, связанные с шумом мерцания фотокатода ФЭУ.
Как будет показано далее, в состав электроники установки включен узкополосный фильтр, настроенный на частоту 200 Гц , что позволяет снизить полосу пропускаемых частот до нескольких Гц.
Итоговое выражение для оценки отношения сигнал/шум (0 для ФЭУ дается следующим выражением \Гартманн В., Бернгард Ф., 1961}: ml = , Ш =-. , (3.4) где т — коэффициент модуляции светового потока, /0- фототок фотокатода, If — термоэлектронный ток фотокатода, Af— полоса частот всей измерительной системы, а2 - коэффициент увеличения уровня шумов из-за статистического характера вторичной электронной эмиссии в ФЭУ {а2 1.33).
