張浩++陳明惠++田甜++項(xiàng)華中++鄭剛

摘要： 折射率是食用油品質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。為測(cè)量食用油折射率，基于泰曼格林干涉儀，在室溫20 ℃、光源波長(zhǎng)632.8 nm條件下，通過面陣CCD相機(jī)拍照獲取食用油的干涉條紋圖像，并利用圖像處理技術(shù)，快速測(cè)量出不同食用油樣品干涉條紋的移動(dòng)量，進(jìn)而求得其折射率。對(duì)幾種常見的食用油進(jìn)行了測(cè)量，得到花生油、玉米油、大豆油、菜籽油、橄欖油以及葵花和玉米油1∶1混合后的折射率分別為1.470 9、1.473 5、1.472 9、1.471 8、1.469 4、1.473 8。結(jié)果表明，利用該方法能夠?qū)κ秤糜驼凵渎蔬M(jìn)行快速測(cè)定，同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度高，能為食用油品質(zhì)及地溝油的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)提供一種簡(jiǎn)便有效的手段。

關(guān)鍵詞：

光干涉測(cè)量； 折射率； 食用油； 快速測(cè)定

中圖分類號(hào)： TB 96文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2017.01.001

Rapid analysis of edibleoil refractive index using optical interferometry

ZHANG Hao， CHEN Minghui， TIAN Tian， XIANG Huazhong， ZHENG Gang

（School of Medical Instrument and Food Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：

Refractive index，an important indicator of edible oil quality，has been measured by using TymanGreen interferometer at room temperature of 20 ℃ under the condition of light wavelength 632.8 nm.The interference fringe image of thin oil was obtained by using CCD camera.With the assistance of image processing technology，the movement of interference fringes could be quickly measured，and then the refractive index of different kinds of edible oil could be calculated.This method provides a convenient and effective way for testing edible oil quality.

Keywords： optical interference measurement； refractive index； edible oil； rapid determination

引言

在鑒別食用油品質(zhì)及地溝油時(shí)，主要采用光學(xué)、電化學(xué)分析、分子生物學(xué)等技術(shù)分析方法[12]。光學(xué)方法中使用較多的有太赫茲波段光譜[3]、紅外光譜[4]和熒光光譜[5]分析等。這些光譜分析方法主要是通過對(duì)比觀察正常油品與劣質(zhì)油品的吸收光譜或發(fā)射光譜之間的差別來進(jìn)行油品的品質(zhì)鑒別。但實(shí)際的地溝油或摻假油品成分比較多且復(fù)雜，精煉的地溝油或分子結(jié)構(gòu)近似的油品與正常油品之間的差異很難被區(qū)分出來[6]。雖然現(xiàn)有的光譜分析方法對(duì)單個(gè)種類的油品有一定的定量定性的鑒別能力，但對(duì)其他種類的油品不具有普適性。

表征食用油品質(zhì)的指標(biāo)有很多，折射率是其中的一個(gè)重要指標(biāo)[7]。一般情況下，油品的混合濃度、油品是否摻假可以通過其折射率之間的差別來進(jìn)行有效的甄別[8]。不同種類的食用油折射率有所差別，同一種油不同產(chǎn)品之間由于含水量和雜質(zhì)的不同，其折射率也有很大的差別。摻假的油類或地溝油與同種類正常油品的成分有明顯的不同[910]，有時(shí)在色澤上也有很大的變化[11]，其折射率更會(huì)有所不同。通常，油品折射率的測(cè)量利用了阿貝折射儀臨界角、分光計(jì)最小偏向角等方法[12]：阿貝折射儀通過全反射臨界角的測(cè)定來測(cè)量液體折射率，從而定量分析溶液成分，檢驗(yàn)物質(zhì)的純度，但阿貝折射儀的測(cè)量范圍受棱鏡折射率的影響，會(huì)受到很大的限制，且操作清洗過程復(fù)雜；利用分光計(jì)最小偏向角法需將待測(cè)液加工成三棱鏡狀，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)。這些方法對(duì)操作人員的技術(shù)水平有一定的要求，很難實(shí)現(xiàn)便捷、快速、自動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。

為解決儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、檢測(cè)操作步驟繁瑣等問題，本文提出了一種通過快速測(cè)量折射率來甄別食用油品質(zhì)的方法：在雙光束干涉中，折射率的改變會(huì)引起干涉條紋的移動(dòng)或條紋寬度的改變，反映在CCD圖像上的是干涉條紋像素位置的改變。由于實(shí)驗(yàn)中很難確定干涉條紋圖像零級(jí)條紋的位置，故可以用圖像整體的重心移動(dòng)量代替其中心條紋移動(dòng)量。基于泰曼格林干涉儀來進(jìn)行光路設(shè)計(jì)，測(cè)量了目前市場(chǎng)上常見的幾種食用油，利用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，可快速得到不同樣品的折射率。

1測(cè)量原理

1.1測(cè)量裝置及方法

泰曼格林干涉儀是光學(xué)實(shí)驗(yàn)中常見的一種光學(xué)儀器，其原理簡(jiǎn)單，便于操作，且測(cè)量精度很高[1314]。圖1為實(shí)驗(yàn)采用的基于泰曼格林干涉儀的雙光束干涉光路。

S為氦氖激光光源，L為準(zhǔn)直透鏡，G1為光學(xué)玻璃，其中G1入射面鍍有半透半反薄膜，M1和M2為全反射平面鏡。C為樣品池，是由兩個(gè)半“凹”形光學(xué)玻璃拼成，其中凹槽的深度為20 μm，拼接后可得一個(gè)40 μm槽深的樣品池。D為干涉條紋檢測(cè)采集裝置。本實(shí)驗(yàn)中除樣品池C之外所有實(shí)驗(yàn)裝置固定，實(shí)驗(yàn)前將M1和M2位置進(jìn)行預(yù)調(diào)，同時(shí)樣品池中不添加任何油樣品，得到一組平行的空氣干涉條紋，調(diào)節(jié)圖像采集裝置，使干涉條紋保持水平，得到清晰的干涉條紋圖像。

實(shí)驗(yàn)時(shí)只需將樣品池中注入需要檢測(cè)的油樣品即可，每次更換樣品前將樣品池清洗干凈，并且將樣品池放置于光路同一位置，待樣品穩(wěn)定后拍攝照片，獲取干涉圖像，然后將獲得的圖像用MATLAB軟件進(jìn)行處理。樣品池清洗和油品注入的過程可用注射器完成。

2結(jié)果與分析

2.1干涉條紋圖像分析

為實(shí)驗(yàn)分析方便，可選用某種油作為標(biāo)準(zhǔn)樣品油。目前各種食用油品牌為：魯花5S壓榨一級(jí)花生油；

圖2葵花籽油干涉條紋

Fig.2Interference fringe of the sunflower oil

元寶牌一級(jí)大豆油；金龍魚葵花籽油；多力特級(jí)初榨橄欖油；多力玉米油；多力濃香型菜籽油。本文選擇葵花籽油作為標(biāo)準(zhǔn)，其他種類的油品處理方式與葵花籽油相同?？ㄗ延透缮鎴D如圖2所示，截取圖像大小為1 600×1 600個(gè)像素，其他各種油品的干涉圖像如圖3所示，圖3（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）、（g）分別是葵花油、玉米油、花生油、大豆油、菜籽油、橄欖油以及葵花玉米油1∶1混合后的干涉條紋。為便于實(shí)驗(yàn)分析，截取干涉條紋的中心固定大小矩形區(qū)域。

獲取干涉圖像的有效區(qū)域后，根據(jù)式（2）求得圖像重心。為計(jì)算方便，可取彩色圖像中的任意一幅單色圖像。圖4所示為葵花籽油干涉圖像的單色圖，圖像中的“+”位置為葵花籽油干涉圖像計(jì)算所得的重心位置，坐標(biāo)為（800.087 6，848.570 2），同樣也可求得后續(xù)被測(cè)油品干涉條紋圖像的重心。由于調(diào)整干涉條紋呈水平狀，y方向的坐標(biāo)差異即為條紋重心移動(dòng)量。

2.2干涉條紋寬度分析

通過分析不同油樣品條紋寬度，可以初步判定它們之間折射率的大小關(guān)系。根據(jù)式（1）可得到：葵花

油、玉米油、大豆油、菜籽油、花生油，橄欖油的干涉條紋寬度用像素?cái)?shù)表示分別為：103.697 4、108.334 7、126.221 9、113.482 2、117.025 3、130.025 3。

以1 600萬像素相機(jī)為例，實(shí)測(cè)的葵花籽油條紋寬度和橄欖油條紋寬度之差約為27個(gè)像素，條紋寬度差別明顯，與其他油品之間也存在4個(gè)像素以上的差別。對(duì)混合油品，其條紋寬度也能得到較好的區(qū)分。

根據(jù)等厚干涉原理可知，條紋寬度大對(duì)應(yīng)的油品折射率相對(duì)較小，因此可以得出上述6種油品的折射率從大到小的排列應(yīng)為：葵花油、玉米油、大豆油、菜籽油，花生油和橄欖油。上述分析表明，僅從干涉條紋的寬度也能區(qū)分油品之間的不同。

2.3條紋移動(dòng)量與折射率關(guān)系

折射率的改變會(huì)使圖像上的條紋整體向某個(gè)方向移動(dòng)，反映在圖像中就是灰度值的變化，其圖像重心也隨之發(fā)生改變。表1列出了各油品的以像素表示的重心坐標(biāo)及相對(duì)位移量ΔY，表中的實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)2、實(shí)驗(yàn)3分別代表3組不同大小尺寸圖像的重心位置，然后取算術(shù)平均值。不失一般性，本實(shí)驗(yàn)以葵花油為定標(biāo)測(cè)試物，并已知葵花油折射率為1.474 1（用其他方法測(cè)得）。根據(jù)式（3），實(shí)測(cè)的各油品的折射率如表2所示。因?yàn)閳D像的重心受圖像邊界灰度值影響，因此在保證圖像的干涉條紋清晰可用的條件下，多提取幾組圖像來求均值，以提高測(cè)量精度。

本文用面陣CCD相機(jī)拍照，條紋相對(duì)移動(dòng)量的測(cè)量精度約為0.01個(gè)條紋寬度，對(duì)應(yīng)的折射率測(cè)量誤差小于± 0.0001。

3結(jié)論

對(duì)于同一種油品，例如油中含水量不同，其折射率會(huì)相應(yīng)改變，用干涉儀進(jìn)行檢測(cè)時(shí)表現(xiàn)為干涉條紋相對(duì)寬度的變化及條紋相對(duì)位置的移動(dòng)。因此，以已知的合格產(chǎn)品作為標(biāo)準(zhǔn)，就可以快速知道某種食用油是否有摻假、不達(dá)標(biāo)的情況。

本文檢測(cè)方法原理簡(jiǎn)單，儀器操作簡(jiǎn)便。實(shí)驗(yàn)所用軟件能自動(dòng)讀取條紋寬度和條紋移動(dòng)量，為食用油品質(zhì)的檢測(cè)或地溝油的快速鑒別提供了一種簡(jiǎn)便、實(shí)用的方法。

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（編輯：劉鐵英）