基于太赫兹光谱的芝麻油品质分类识别研究

发布时间：2020-08-18 14:56

【摘要】：芝麻油是一种营养丰富且十分美味的食品调味材料,芝麻油的品质检测问题一个十分重要的问题。由于传统上的检测方法需要一定的检测时间,过程较复杂。因此,针对这些不足,本文探索一种快速的、方便的检测方法,即以太赫兹时域光谱系统为基础,结合统计分析的方法来对芝麻油进行检测。太赫兹检测具有快速、无损、操作简单等优点,因此将其用于芝麻油品质的研究能够快速的得到检测结果。本文主要的研究内容如下:首先,本文通过对十种不同的芝麻油采取太赫兹时域光谱系统进行探测,并对光谱进行分析,计算吸收系数和折射率,通过主成分分析对数据进行预处理然后通过支持向量机来建立模型,对不同的芝麻油进行分类识别。并根据芝麻油在太赫兹光谱下的特性,通过不同的参数寻优算法来对支持向量机模型进行优化。采用均方误差作为衡量模型预测性能的评判标准。根据预测结果得出本文构建的支持向量机模型具有很好的分类识别效果,而且和其他的方法作比较,得出此模型具有更精确的识别效果的结论。其次,本文还通过向同一种芝麻油中掺入70%的其他种类芝麻油,检测其时域谱的变化,并通过时域中的变化计算出的吸收谱来分析掺伪芝麻油和纯芝麻油在太赫兹光谱系统中呈现的特征。根据这些特征来对掺伪芝麻油和纯芝麻油的品质分析做进一步的研究,判断芝麻油是否掺入了别的油,进行二分类研究,并通过TP、TN、FP、FN等评价指标来对模型的分类能力进行评判,得到最佳的模型为主成分分析和支持向量机相结合的模型。最后,本文通过对芝麻油中掺入比例为10%、20%、30%、40%、50%的大豆油来进行混合制得样品,再通过太赫兹时域光谱进行探测,研究当芝麻油中掺入不同比例的大豆油时,其品质变化在太赫兹时域光谱下所展现的不同,并通过偏最小二乘算法构建模型对这些差异进行分析,发现掺入大豆油的比例和吸收系数之间成一定相关性,并基于此构建出芝麻油掺伪的偏最小二乘定量研究模型。经过偏最小二乘模型对掺伪芝麻油进行定量分析,结果表现出很好的拟合效果。
【学位授予单位】：河南工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TS225.11;TP181
【图文】：

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2 太赫兹光谱技术.1 太赫兹技术简介.1.1 太赫兹辐射及其特性太赫兹(Tera Hertz,THz)波在一般情况下通常指的是电磁波谱频率大于微波并且小红外线的电磁波辐射。也曾经被称作远红外波或者亚毫米波。它在电磁波谱上的频率 1012Hz 左右，但通常所说的太赫兹波的频率范围为 0.1~10THz。尽管在很早以前人就已经接触到太赫兹波段，但是由于检测方法和辐射源在技术以及原理上的难点，人对于这一波段的研究长期停滞不前，更加无法像微波或者红外线那样对其进行利用。被人们称为太赫兹间隙[38]。

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目前太赫兹辐射的产生方式分为宽带脉冲技术和窄带连续波技术两种，其中窄续波技术主要有非线性光学混频、自由电子激光器、热辐射源泉等；宽带脉冲技术包括光电导天线、光整流、等离子体振荡等技术。目前的研究中宽带脉冲技术应用多，主要是由于其原理相对简单，而且也容易实现生产。其中光电导天线法又是目用的最多的太赫兹辐射发射源[56]。光电导天线法是通过使用高速光电导材质制成的辐射天线来产生瞬时电流Auston[43]在上个世纪九十年代提出。一般常用砷化镓、磷化铟等晶体作为光电导材光电导天线法产生太赫兹辐宽带宽、高能量的太赫兹辐射，其基本理论是光电导材由太赫兹辐射源产生的超快脉冲激光的冲击下，光电导材料的能隙宽度要远远小于激光的光子能量，这时会有数量较多的电子空穴对在光导电材料上产生，并且在外置电场的作用下，产生加速度，进而形成瞬变光电流，太赫兹脉冲则会在这种作用射而出。偏置电场会给载流子带来超快的速度，类似于一个瞬时电流源，因此产生外辐射的太赫兹脉冲，主要原理如图所示[57]。

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指由于差频效应的原因，二阶非线性性质材料会与光场发生相互作用，场，并且该电场的强度和光强成正比的关系。其原理可通过以下的方程线性过程：(0) =( )( , ,0) ( ) ( ) （光脉冲为：( ) = ( ) cos ( ) （辐射电场：∝( )(Ω,Ω + , ) (Ω + ) ( ) （方程中，P 代表电极化强度，( )表示二阶非线性极化率，是基频，傅立叶变换对。 ( )和 (Ω + )代表的是泵浦光的强度，表示的是度。光整流效应如下图所示。

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