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CN101918830B - 用于分析流体的系统和方法 - Google Patents

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CN101918830B CN200880101466.3A CN200880101466A CN101918830B CN 101918830 B CN101918830 B CN 101918830B CN 200880101466 A CN200880101466 A CN 200880101466A CN 101918830 B CN101918830 B CN 101918830B
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Abstract

一种用于测量流动流体的谱值的光谱测定传感器。所述光谱测定传感器包括：用于朝向流动流体的样本发射第一光通量的光源；用于测量所述流动流体对第一光通量的反射的第一强度和经由所述流动流体接收的第二光通量的第二强度的光探测器；以及被配置为根据所述第一和第二强度的至少其中之一生成至少一个谱值的控制单元。

Description

用于分析流体的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于流体分析的装置、系统和方法，并且更具体地但非排他地涉及用于流动流体的分光光度分析的装置和方法。
背景技术
诸如奶之类的液体的各种分光光度测量技术是已知的。具体而言，分光光度测量技术是以传输通过液体并由包括光电二极管条的探测器探测的光的测量为基础的。尤其可以将这样的技术用于估计奶的质量。
为了估计奶的质量，要获取并检验关于奶的各种成分的信息。尤其对于牧群管理的不同方面来说，这样的信息是有用的。所述的各种成分可以包括脂肪、总蛋白质、酪蛋白、乳糖、体细胞、血液、黄体酮、氨基酸尿素和核酸。可以将所述信息用作总的奶质量的经济指标。例如，可以使用脂肪和蛋白质含量确定奶农对于每加仑奶而获得的价格。可以使用所述信息分析牲畜的饮食。例如，脂肪含量的变化可以表明饲料中的粗精比(forage-to-concentrate ratio)失衡，低总蛋白水平可以表明饮食能量不足，可以将体细胞数和血细胞数用作奶牛的具体临床状态的诊断指标，乳糖含量的波动可以表明存在乳腺炎等。
已知几种执行奶分析的方法。例如，知道采用近红外(近IR)分光镜检查分析奶差不多已经有15年的时间了。在R.Tsenkova等人发表的文章″Near Infra-Red Spectroscopy for Dairy Management：Measurementof Unhomogenized Milk Composition″，Journal of Dairy Science，Vol.82，pp.2344-2351，1999中，提出了一种在从400nm到2500nm的近IR范围中对奶含量进行利用光谱的分析的方法，在此引入该文以供参考。
在Z.Schmilovitch等人发表的文章″Fresh Raw Milk CompositionAnalysis by Near IR Spectroscopy″，Proceedings of the InternationalSymposium on the Prospects for Automatic Milking，Wageningen，Netherlands，EAAP Publication No.65，pp.193-198(1992)和Z.Schmilovitch等人发表的文章″Low Cost Near Infra-red Sensor forOn-line Milk Composition Measurement″，Proceedings of the XIVMemorial CIGR World Congress，2000，Tsukuba，Japan中给出了其他对采用近IR光谱学进行奶分析的方法的说明，在此引入这些文章以供参考。
还已知很多种已知的采用近红外(近IR)光谱学执行奶分析的仪器和系统。例如，2006年5月4日公布的美国专利公开文本2006/0092422公开了用于分析非清澈介质的装置。所述装置采用至少一个光脉冲照射所述介质，从受到光照的介质获取光谱和时间上的透射图像，对所述图像及其衍生产物进行处理，从而获取有关非清澈介质的信息。所述公开文本涉及对诸如奶的扩散和吸收介质的分析。
在国际专利公开文本WO/2003/040704中公开了另一个奶分析的例子，其公开了一种采用一系列发光二极管(LED)的近IR光谱学流体分析系统，其中，每一个发光二极管具有预选的中心波长作为照射源，在此引入所述文献以供参考。所述波长具有重叠的光谱宽度，从而使所述测量覆盖宽的光谱。所述LED依次照射流体样本。接下来，针对每一LED的波长范围测量通过所述样本的透射吸光率以及来自所述样本的反射率或散射。采用光探测器执行所述测量。采用多项式的形式表示流体的成分的浓度，其中，所述多项式是所测量的透射、反射强度或者这二者以及实验系数的函数，其中，所述实验系数是通过对由很多具有已知的组分浓度的测试样本获得的测量强度的现有统计分析而提取的。
尽管这样的系统和装置允许对诸如奶的流体进行分析，但是仍然需要一种相对低廉的解决方案，其能够提供新的先进的用于测量例如奶的一部分的各种成分的存在的能力。
发明内容
根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一种用于测量流动流体的样本的谱值的光谱测定传感器。所述光谱测定传感器包括：被配置为朝向样本发射第一光通量的第一光源；被配置为测量样本对第一光通量的反射的第一强度和通过该样本透射的第二光通量的第二强度的第一光探测器；以及被配置为根据所述第一和第二强度的至少其中之一生成至少一个谱值的控制单元。
任选地，将所述第一光源配置为发射以紫外线线波长为中心的紫外线光通量。
任选地，所述第一和第二强度的至少其中之一指示样本中体细胞的浓度。
任选地，所述光谱测定传感器还包括光校准单元，其被配置为接收所述第一光通量的部分，并调整所述第一光源，从而在预定义的强度上发射光。
更加任选地，所述光校准单元包括用于接收所述第一光通量发射的光的部分的反馈探测器。
更加任选地，光导将第一光通量发射的光的部分引导至反馈探测器。
更加任选地，所述光导从大约所述第一光通量的中心引出所述部分。
任选地，所述光谱测定传感器还包括会聚透镜，其被配置为将所述反射和所述第二光通量会聚到所述光探测器上。
任选地，所述样本包括奶。
任选地，将所述至少一个谱值用于样本的化学计量分析。
任选地，将所述控制单元配置为将所述至少一个谱值传输至中央单元。
任选地，将样本容纳(house)在采样室内。
更加任选地，所述采样室具有第一和第二透明部分，所述第一和第二透明部分，使所述第一和第二光通量分别朝向所述第一和第二透明部分发射。
任选地，所述至少一个谱值指示流动流体的样本中体细胞的浓度。
任选地，根据前述任选实施例中的任何一个所述的光谱测定传感器还包括热稳定单元，其被配置为使所述第一光源保持在预定义的温度范围内，从而使所述光通量稳定在预定义的强度上。
更加任选地，热稳定单元包括加热装置，采用所述加热装置执行所述保持。
更加任选地，所述加热装置为加热电阻器。
任选地，根据前述任选实施例中的任何一个所述的光谱测定传感器还包括第一光源，所述第一光源包括用于发射多个第一光通量的一组发光二极管(LED)，将所述第一光探测器配置为测量所述样本对所述多个第一光通量的反射以及经由所述样本接收的多个第二光通量的至少其中之一的多个强度。
更加任选地，将所述控制单元配置为根据所述多个强度生成至少一个谱值。
更加任选地，每一个所述LED生成以不同于其他LED的波长为中心的波长带内的光。
任选地，根据前述任选实施例中的任何一个所述的光谱测定传感器还包括第一光探测器，其被配置为由校准流体对第一光通量的反射和第二光通量的部分的至少其中之一测量校准强度。
更加任选地，将所述控制单元配置为根据所述第一和第二强度的所述至少其中之一与校准强度之间的偏差生成所述至少一个谱值。
任选地，根据前述任选实施例中的任何一个所述的光谱测定传感器是装置的部件，所述装置还包括第二光谱测定传感器，其具有：被配置为朝向样本发射第二光通量的第二光源；以及被配置为测量样本对第二光通量的反射的第三强度和穿过该样本透射的第一光通量的第四强度的第二光探测器，其中，将所述控制单元配置为根据所述第三和第四强度的至少其中之一生成至少一个谱值。
根据本发明的一些实施例的另一方面，提供了一种用于从流动流体的样本获取光谱测定信息的装置，所述装置包括：被配置为朝向样本发射具有预定义的强度的第一光通量的光源；被配置为由样本对第一光通量的反射和经由该样本接收的第二光通量的部分的至少其中之一获取光谱测定量度(measurement)的光探测器；以及被配置为使光源保持在预定义的温度，从而使第一光通量的强度稳定在预定义的强度上的热稳定单元。
根据本发明的一些实施例的另一方面，提供了一种用于估计奶的样本中的体细胞的数量的系统。所述系统包括：被配置为朝向样本发射以紫外线(UV)波长为中心的光通量的光源；被配置为根据样本对光通量的反射和经由该样本接收的光通量的部分的至少其中之一生成量度的光探测器；以及用于根据所述量度估计体细胞的数量的控制单元。
任选地，所述系统还包括被配置为容纳样本的采样室。
任选地，所述奶是流动的奶。
任选地，所述中心UV波长处于365纳米和400nm纳米之间。
根据本发明的一些实施例的另一方面，提供了一种用于估计奶的样本中的体细胞的数量的方法。所述方法包括：a)朝向样本发射以紫外线(UV)波长为中心的光通量；b)测量样本对光通量的反射和经由该样本接收的光通量的部分的至少其中之一；以及c)根据所述测量估计体细胞的数量。
根据本发明的一些实施例的另一方面，提供了一种用于从流动的奶获取光谱测定信息的方法。所述方法包括：a)采用加热装置使光源保持在预定义的温度；b)采用光源朝向流动的奶发射光通量，所述光源在预定义的温度具有预定义的强度；以及c)基于所述预定义的强度由样本对光通量的反射和经由流动的奶接收的光通量的部分的至少其中之一获取光谱测定量度。
除非另行定义，文中采用的所有技术和科学术语都具有与本发明所属领域的技术人员通常理解的相同的含义。文中提供的材料、方法和例子只是示范性的，并非旨在做出限制。
本发明的方法、装置和系统的实现涉及按照人工、自动或其组合的方式执行或完成某些选定的动作。而且，根据本发明的方法、装置和系统的优选实施例的实际仪器和设备，可以通过硬件、任何固件的任何操作系统上的软件或其组合实现某些选定的动作。例如，就硬件而言，可以将本发明的选定动作实现为芯片或电路。就软件而言，可以将本发明的选定步骤实现为采用任何适当的操作系统通过计算机执行的多个软件指令。在任何情况下，都可以将本发明的方法、装置和系统的选定动作描述为通过数据处理器执行，所述数据处理器例如是用于执行多个指令的计算平台。
附图说明
这里将参考附图仅通过举例的方式描述本发明。就对附图的详细的具体参考而言，应当强调的是，细节只是以举例的方式示出的，其目的仅在于对本发明的优选实施例进行说明性的讨论。从这方面来讲，仅满足了基本理解本发明的需要，而没有尝试更为详细地示出本发明的结构细节，结合附图给出的说明将使本领域技术人员明白如何将本发明的几种形式体现在实践当中。
在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的具有两个光学组件(optic set)的光谱奶分析仪的示意图；
图2是根据本发明的一个实施例的示范性光学组件的示意图，所述示范性光学组件安装在集成电路(IC)板上，并且包括光源和光探测单元；
图3是图2的示范性光学组件的示意图，其中，按照彼此分开的方式描述了所述示范性光学组件的一些部件；
图4是根据本发明的一些实施例的图2所描述的光学组件的截面图；以及
图5是根据本发明的一些实施例的用于估计流动的奶的样本中的体细胞的数量的方法的流程图。
具体实施方式
本发明的一些实施例涉及用于从诸如奶的流动流体的样本获取光谱测定数据的设备和方法。示范性实施例包括至少两个光源，所述光源被设计为对所述流动流体的样本进行照射。优选地，每一个光源包括一组诸如LED的源，每一个LED具有以不同波长为中心的带宽。对各个波长进行调整，从而实现对流动流体的样本中的不同组分的测量，如下文所述。所述示范性实施例还包括至少两个光探测器，其用于测量由流动流体的样本反射的且通过所述样本的光以及由所述流动流体的样本已反射和吸收的光的部分的反射和/或透射的强度。这样的测量提供了有关被探查的流体的一种或多种组分的信息。例如，如果被探查的流体是奶，那么所述信息可以表现流动流体的样本中的脂肪、总蛋白质、酪蛋白、乳糖、血液、黄体酮、氨基酸尿素和核酸的百分比。如下文进一步所述，还可以使用这样的信息估计奶中体细胞的数量，尤其是如果所述信息是基于来自探查的流体的样本的UV光通量的反射的话。将所述测量转发至控制单元，所述控制单元将根据所述测量生成一个或多个谱值。优选地，将所述谱值用于所述样本的化学计量分析，如下文进一步所述。
本发明的一些实施例涉及用于从流动流体的样本获取光谱测定信息的设备，所述设备结合了热稳定单元。在这些实施例中，所述设备包括光源和用于获取流动流体的样本的光谱测定测量的光探测器，任选如上所述。所述设备还包括用于使光源保持在预定义的温度上的热稳定单元。热稳定单元通过保持光源的温度使光通量的强度在预定义的强度上保持稳定。这样的稳定改善了根据光谱测定测量生成的谱值的鲁棒性。
本发明的一些实施例涉及用于由流动流体的样本获取光谱测定信息的设备，所述设备集成了源光校准单元。在这样的实施例中，所述设备包括任选如前述实施例所述的光源和光探测器以及源光校准单元，所述源光校准单元用于从发出光的样本校准设备运行期间由源发射的光，如下文所述。
本发明的一些实施例利用了用于估计流动的奶的样本中的体细胞的数量的方法。首先，任选以紫外线(UV)波长为中心的光通量照射样本。之后，测量通过样本透射的光的部分的强度和/或任选的由样本反射的部分的强度。在获取了一个或多个前述测量之后，基于所述测量估计体细胞的数量。这种方法允许在挤奶过程中估计样本中的体细胞的数量，从而允许操作人员甚至能够在流动的奶到达采集点之前就估计出奶的质量，如下文所述。
在详细说明本发明的至少一个实施例之前，应当理解，就其应用而言，本发明不限于下述说明中阐述的或者附图中示出的部件的构造和布置的细节。本发明还能够支持其他实施例，或者说，可以通过各种方式实践或实施本发明。此外，应当理解，文中采用的措辞和术语只是出于说明的目的，不应将其视为具有限制性。
现在将参考图1，图1是根据本发明的一个实施例的光谱奶分析仪1的示意图。光谱奶分析仪1包括任选为管2的流动管道2的一部分，其允许诸如奶的流体从挤奶站5通过其朝向采集点6流动。应当注意，所运送的奶可以是任何类型的奶，例如，奶牛奶、山羊奶、水牛奶、骆驼奶和绵羊奶。光谱奶分析仪1还包括被组装到了奶流动管道2内的采样室3。
采样室3包括被设计为含有流动的奶的样本的采样腔4。两个相对的每一个包含光源21、121的光学组件20、120相邻采样腔4设置。每一个光源21、121任选包括一组光源，例如，一组分立的LED。在本发明的一些实施例中，采用了八个LED，但是也可以采用其他数量的光源，例如，所述光源可以是有机LED(OLED)、激光二极管或荧光灯。每一个光学组件20、120还包括光探测单元27、127，所述光探测单元任选包括两个或更多诸如混合UV光传感器的光探测器的集合，所述光探测器类似于近IR阵列探测器。优选地，采用Si P-I-N探测器阵列。与近IR探测器相比，SiPIN探测器在非常高的偏压下工作。任选地，所述光探测单元27包括两个具有HamamatsuTM的序列号S5106的探测器，在此引入所述探测器的规格说明书以供参考。
探测单元27、127被定位和取向，以接收从光源的照射穿过样本的光。将光学组件20、120连接至控制单元301。控制单元接收探测单元的输出，并任选控制光源21、121，如下文进一步所述。任选地，光谱奶分析仪1包括诸如显示器和一些按钮的人机接口(MMI)302。任选地，MMI允许光谱奶分析仪1的用户接收有关光谱奶分析仪1的当前工作模式和功能的指示。任选地，MMI包括显示屏。
在本发明的实施例中，光源21、121的LED的至少一些，而且通常光源21、121的每个LED都发射处于测量所采用的预定义的波段内的不同波长上的光，如下文所述。根据一个示范性实施例，光源21、121的LED的波长介于360nm和970nm之间，以便覆盖光谱的UV到近IR区域。在本发明的实施例中，将光谱奶分析仪1设计为采用处于UV范围内的光，优选处于360nm和400nm之间的光照射样本以便测量奶样本中的体细胞的数量，并且采用近IR范围内的光照射样本以便检测奶样本内的蛋白质的浓度，如下文所述。
如下文的进一步说明所述，光谱奶分析仪1被设计为在挤奶过程期间在采样腔4内执行对流体的分光光度分析。采用光谱奶分析仪1对从挤奶站5流到流动管道2内的奶进行光谱测定分析，之后，奶将流到采集点6。
任选地，采样腔4的每一个侧面都具有形成于其中的透明端口7、17。优选地，将所述透明端口7、17置于公共轴上。在本发明的实施例中，所述透明端口由任选涂有抗反射层的聚砜(PSU)构成。优选地，所述PSU是实际上完全透明的(水色透明的(water-clear))PSU。透明端口7、17允许来自每一个光学组件20、120的光照射采样腔4内的流体。将来自光源21(121)的照射的一部分反射回照射光学组件20(120)的光探测单元27(127)，并将一部分透射至相对的照射光学组件120(20)的相对的探测单元127(27)。因而，在本发明的实施例中，将某个光学组件，例如27的光探测单元设计为截取从相对的光学组件120的光源121发射的光和相邻的光源21的反射。在这一实施例中，采用同一光探测单元以输出是基于从采样腔4中的流体反射的光的测量和基于经由采样腔4中的流体而穿过的光的测量。
如上所述，采用光探测单元27、127以输出基于从流体反射的光的测量。这样的测量可能受到从置于相应的光学组件20、120前面的透明端口的表面反射的光的影响。为了降低或消除这样的表面反射的影响，优选地使透明端口7、17相对于探测单元的平面成锐角。任选地，将透明端口7以相对于光谱奶分析仪1的外壳成锐角的方式放置，从而允许探测单元27，127在不存在来自透明端口7、17的表面反射的情况下接收来自被探查的流体的反射。
任选地，光谱奶分析仪1还包括散射探测单元122，其被设计成接收从被探查的流体散射的光。在光通量与流体的组分相互作用时，改变光通量的方向、频率或偏振。散射探测单元122可以通过测量散射光而产生指示流体中的某些组分的浓度的测量。例如，在样本中的细小脂肪微滴上，奶中的光几乎全部被散射。
所述分光光度分析尤其是基于采样腔4中的部分的样本对光源21、121的LED发射的光通量的反射率(reflectance)的测量，其中，可以将所述的光通量称为反射光通量。照射光学组件20、121的光探测单元27、127测量这样的前述反射率。例如，可以利用近红外范围内的光，采用基于前述反射率的谱值确定奶中的脂肪含量，参见Schmilovich，Z.等人的Near Infrared Spectroscopy of Milk in its Heterogeneous State，Comp.Elec.Agric.29：195-207，在此将其引入以供参考。
所述分光光度分析还基于穿过采样腔4中的流体透射的并由相对的光学组件120(20)的光探测器127(27)测量的光通量的强度。可以采用基于透射测量的谱值来指示被探查的流体的一种或多种组分对不同波长的发射光的吸收以及任选的散射。可以将这样的谱值用于某些组分的定量分析。例如，采用通过诸如多重线性回归(MLR)、主分量回归(PCR)和部分最小平方(PLS)回归的化学计量技术生成的校准方程来基于未匀化的奶的NIR谱预测奶中的组分，例如，参考V.Pravdova et al.，Calibration of SCC in milk based on NIR spectroscopy，Anal.Chim.Acta，450，131-141(2001)，在此将其引入以供参考。
任选地，相对于光谱奶分析仪1已在其校准期间测量的校准强度计算基于这样的前述测量的谱值。优选地采用校准流体计算校准强度。优选地在将光谱奶分析仪1放置在牛舍里之前对光谱奶分析仪1校准。如上所述，在本发明的一个实施例中，所述流体为诸如牛奶的奶。在这一实施例中，在校准期间，流体任选地为具有一个百分比的脂肪的经过超高温处理(UHT)的奶。
对来自挤奶站5的奶是分批接收的，这一点是公知的。通过光谱奶分析仪1对每一个批进行探查，如下文进一步所述。将如图1所示优选地具有半圆形状的采样腔4设计为允许流体从挤奶站5连续流动至采集点6。在图1、图3A和图3B以及国际专利公开文本No.WO/2003/040704中的相关说明中提供了对采样室3、采样腔4以及流体从挤奶站5经由采样室3向采集点6的连续流动的详细描述，在此将国际专利公开文本No.WO/2003/040704中的相关说明引入以供参考。
在使用中，用来自经由管道2从挤奶站5接收的新的部分的新的样本基本上替代当前处于采样腔4中的流体样本。因而，在被探查的部分之间存在间隔，从而对每一个部分单独分析。采样腔4允许从所接收到的部分得到的样本中的空气溶解。优选地，采样腔4包括用于识别采样腔4中是否存在样本以及识别新的样本的螺线管(未示出)。
现在参考图2，图2是根据本发明的一个优选实施例的示范性光学组件20的示意图。如上所述，任选地安装在集成电路(IC)板上的光学组件20包括具有一组LED的光源21和光探测单元27。图2还示出了两个任选的并行的反馈探测器201、包围光源21和光探测单元27的保护性外壳58以及置于光源21的LED和光探测单元27的前面的透明板57。任选地，将透明板57设计为起着导光的作用，并使从光源21的LED发射的光的一部分导向反馈探测器201之一或二者，如下文进一步所述。
任选地，将会聚透镜55置于光探测单元27的前面，其对从相对的源接收的光或者从液体反射的光加以会聚，使之通过置于光学组件20的前面的所述透明板。
现在，再来参考图3，图3是图2所示的示范性光学组件20的部分分解示意图。如图3所示，将光源21的LED置于载体60上，载体60沿环形与所述LED啮合。光源21的LED中的每一个与朝向环的中心的斜面啮合。通过这样的方式，由光源21的LED中的每一个发射的光通量将直接照射采样腔的近透明端口，如下文所述。
如图3所示的光源21的LED的配置减小了这样的一组LED所需的空间，并且允许两个光学组件按照彼此相对的方式放置，如图2和图3所示。使这样的光学组件按照位于彼此的对面的方式放置减小了允许这样的一大组LED照射采样腔4中的流体所需的空间。要想了解更多的细节，请参考图4和相关文本。
现在，再次参考图1。任选地，按照顺次的方式激活某个光学组件20或120的光源21、121的LED。优选地在不同的照射周期内一个接一个地激活光源21、121的LED。例如，在每一个照射周期期间，光源21、121之一中的LED当中的一个朝向相应的透明板7、17发射具有不同的波长的光通量，如上所述。如上所述，光源21、121的LED采用以波长处于360nm和970nm之间为中心的光通量照射采样腔3中的流体。光源21、121的LED包括诸如铝砷化稼(AlGaAs)LED、铝磷化稼(AlGaP)LED、磷化铝镓铟(AlGaInP)LED、磷砷化镓(GaAsP)LED、磷化镓(GaP)LED、氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)、碳化硅(SiC)LED、硅(Si)LED、蓝宝石(Al2O3)LED、硒化锌LED、金刚石(C)LED、氮化铝(AlN)LED和氮化铝镓(AlGaN)LED之类的LED。
在本发明的一个实施例中，采用光谱奶分析仪1测量流体中的体细胞的存在，其中，所述流体任选地为奶。在这样的实施例中，通过测量以UV波长为中心的反射或透射光通量的强度而检测体细胞的存在，其中，所述UV波长优选地处于365nm和400nm之间。将基于所检测到的强度的谱值代入到化学计量分析的数学模型中，并采用化学计量分析的输出选择代表奶的样本中体细胞的估计数量的值。任选地，所述数学模型定义如下：
体细胞数(SCC)＝K1Si1+K2Si2+...+KnSin
其中，n表示照射周期的数量，Kn表示代表根据所述n个照射周期执行的MLR过程的模型系数，Sin表示通过相应的照射周期测量的谱值。
任选地，将体细胞的存在划分为若干存在水平，每一个水平表示不同的体细胞限额。
每一批奶的样本填充采样腔4，并由光学组件120、20的所有LED依次对所述样本照射。优选地，光源21、121二者的LED中的每一个发射处于不同波长范围内的光。在本发明的一个实施例中，均具有不同波长范围的16个LED(光学组件120、20中的每一个中有8个)按照16级照射周期依次照射采样腔4内的流体。在每个照射周期期间，测量诸如从流体反射的光通量和穿过流体的光通量二者的强度和频率的测量值。通过这种方式，为控制单元301提供了32个测量值，如下文所述。在本发明的具体实施例中，为光源21、121的LED馈送80mA的负载电流，并且将所述LED设计为按照每个70毫秒的快速通电周期工作。
在每个照射周期内，使从光学组件120、20的光探测单元127、27的信号获取与发射光的波长谐调。光探测单元27、127中的每一个分析所接收到的光通量，并生成对应于所检测到的光通量的强度的强度信号。优选地，在采用模数(AD)IC处理之前对所述强度信号数字化。
优选地对来自光探测单元27、127的强度信号进行放大和处理，所述操作任选地由共用处理单元完成。优选地将所述强度信号转发至控制单元301，在控制单元301中，获得并分析透射和/或反射的光的谱。控制单元301优选地在每一个LED的每一个照射周期内计算每一个光探测单元27、127的谱值。任选地，所述谱值是基于响应于某个反射光通量或某个透过光通量而生成的强度信号和流体未受照射，光源21、121不活动时生成的强度信号之间的差异。优选地，如果一个或多个谱值处于某个品质因数之上或之下，那么认定所述采样不合格，优选地不再评价其他的谱值。这样的实施例尤其允许对受到空气污染的样本进行不合格认定。优选地，如上所述，对于每一个部分，在16个照射周期内生成32个强度信号，并基于其计算32个谱值。任选地，对发射的光的强度校准，如下文进一步所述。
优选地将光谱奶分析仪1的谱值转发至中央计算单元。中央计算单元分析谱值并输出报告、状态通知或警告。优选地将所有谱值用作数学模型中的参数，例如，所述数学模型可以是多项表达式或者统计学方法在化学分析方面的任何其他应用。数学模型的输出反映了流体中的预定义的组分的浓度。任选地，控制单元301执行谱值的分析。任选地，控制单元301在其生成报告之前对数学模型校准。任选地，采用部分最小平方(PLS)回归技术执行模型的校准。所述校准允许采用廉价的LED的非均匀的宽光谱范围。
任选地，图1所示的前述MMI显示了分析的结果。任选地，如果一个或多个谱值处于预定义的异常范围内，光谱奶分析仪1发生了故障，或者与中央计算单元的连接断开了，那么MMI显示警告。
如上所述，受到分析的流体任选地为奶。优选地采用谱值评估奶的各种成分的浓度。这些组分包括脂肪、总蛋白质、酪蛋白、乳糖、体细胞、血液、黄体酮、氨基酸脲和核酸。如上所述，这样的信息对于评估奶的质量和毒性作用很重要。
优选地将谱值与预定义的默认谱值进行比较，例如，所述预定义的默认谱值是通过采用FOSSTM的MilkoScanTM FT2在实验室条件下对类似的奶进行分析获得的。在这样的实施例中，将奶牛奶的谱值与奶牛奶的预定义的默认谱值进行比较，将山羊奶的谱值与山羊奶的预定义的默认谱值进行比较。
所述默认谱值优选地是尤其根据谱值的估计精度确定的范围。
任选地，控制单元301控制光源21、121的LED的切换顺序和激活时序，从而扫描所要测量的整个光谱范围。前述照射周期优选地在挤奶过程中一个接一个地顺序发生。
如上所述，根据一个优选的扫描程序，开启光源21、121的每一个LED达几毫秒，优选地达70毫秒，并在该波长上执行吸收和散射测量。前述光探测单元27、127优选地同时地测量接收到的光。
在国际专利公开文本No.WO/2003/040704中描述了可以通过前述光探测单元27、127执行的光分析的详细说明，在此将其引入以供参考。
如上所述，通过光谱奶分析仪1对采样室内的流体进行光谱分析。光谱分析是基于采样腔4内的从流体反射的或者穿过其的光的强度，这一点是公知的。关于基于这样一种假设的值测量所述强度，即，已经采用具有预定义强度的光通量照射了采样腔4内的流体，其中所述预定义强度可以被理解为强度范围。
因而，为了确保正确地测量经分析的反射和透射，从光源21的LED发射的光应当具有预定义的强度。但是，因为光源21的LED可被激活并起作用很长一段时间，所以必须时常对其进行校准，以便确保发射的光的实际强度处于预定义的强度。所述校准可以是自动自校准。
光谱奶分析仪优选地包括LED校准单元(未示出)。如图3所示，每一个光学组件包括一个或多个反馈探测器201，优选地将所述反馈探测器201连接至LED校准单元，并将其设计为截取光源21的LED生成的直接光通量的一部分。优选地采用所截取的部分监测LED发射的光的强度。
现在参考图4，图4是根据本发明的一个实施例的图2中所描述的光学组件21的截面图。将附着至光学组件20的反馈探测器201设计为接收从光源21的LED发射的光通量202的一部分，同时将光通量202的另一部分引向透明板7。任选地，光导57导出从LED向反馈探测器201发射的光通量202的一部分，如204所示。所导出的部分优选地取自光通量202的中心。通过这样的方式，所述部分反映了照射样本205的光通量202的实际强度。
测量光通量202的截取部分的强度，并将其转发至LED校准单元。LED校准单元执行强度分析，并验证光通量202的部分的强度处于预定义的强度，其中，所述预定义的强度优选地是在光学组件20的初始校准期间定义的。优选地每预定义的周期执行强度分析，所述周期优选地为2分钟。任选地在光探测单元27不活动时执行所述校准。LED校准单元优选地生成被发送至控制单元的校正信号，所述控制单元尤其控制光源21的LED的强度。所述控制单元根据所述校正信号调整光源21的LED的强度，从而确保采用根据预定义的强度调谐的光通量202照射被探查的流体。在校准过程期间，电流的功率优选地保持不变。
在本发明的一个优选的实施例中，光谱奶分析仪的光学组件20、120包括任选的热稳定单元207(未示出)。将优选地制造于光学组件的IC上的热稳定单元207设计为使LED的工作温度保持在固定的工作温度范围内。
影响光源21的LED的性能的因素之一是工作温度。在LED的发光元件的工作过程中生成的热没有彻底散除，因此将逐渐升高整个LED的温度。这样的发热将影响所发射的光通量的强度的稳定性。通常，温度越高，所发射的光通量的强度就越低。优选地被设计为安装在牛舍等当中的光谱奶分析仪可能必须在处于5℃到40℃之间的工作温度下有效地运行。为了确保从光源21的LED发射的光在这样的温度范围内保持恒定，将热稳定单元207设计成使光源21的LED的温度稳定在预定义的范围内。由于一般的牛舍内的估计工作温度处于5℃和40℃之间，由光谱奶分析仪的电子部件引起的估计的热增量处于10℃和12℃之间，因而将热稳定单元207设计成使光源21的LED的温度稳定在50℃左右。热稳定单元207优选地包括温度传感器、控制单元和一组加热电阻器。每一个热稳定单元207优选地包括一组14个并联的加热电阻器、14个传感器和比例积分(PI)控制器。PI控制器通过计算进而向加热电阻器组输出校正信号而输出对温度计测量的温度和优选地为50℃左右的预定义的温度范围之间的偏差的校正。每一个加热电阻器的电阻优选地为大约1.5KΩ。每一个加热电阻器优选地接收24V的电流。在光谱奶分析仪1工作时以及在其空闲时热稳定单元207优选地使温度保持在预定义的范围内。这样的温度可以有助于防止水和湿气进入到光谱奶分析仪1内。相对高的温度降低了光谱奶分析仪1内的湿度，从而提高了透明板和会聚透镜的清晰度。这样的提高增强了强度测量的准确度。
现在参考图5，图5是根据本发明的实施例的用于估计流动的奶的样本中的体细胞的数量的方法的流程图。如上所述，本发明公开了一种光谱奶分析仪，其被设计为测量流动的奶的样本对以不同的波长为中心的光通量的反射率。所述光谱奶分析仪还被设计为测量穿过流动的奶的样本的光通量部分的强度，如上所述。可以采用这样的能力估计流动的奶中的体细胞的数量。首先，如401中所示，向样本发射以紫外线(UV)波长为中心的光通量。之后，如402所示，测量经由样本接收的光通量部分的强度或者优选地测量光通量的反射的强度。现在，在获取了一个或多个前述测量之后，相应地估计体细胞的数量，如403所示。如上所述，其尤其允许甚至在流动的奶达到采集点之前估计流动的奶中的体细胞的数量。所计的体细胞的数量对于估计被探查的奶的质量和适销性很重要。还可以根据前述测量估计被探查的流体中的诸如蛋白质和尿素的其他组分的存在。
预计在本专利的有效期内，将开发出很多种相关的装置和系统，文中的术语，尤其是加热电阻器、控制单元、LED和IC这些术语的范围旨在包括所有此类新的先验技术。
应当认识到，可以在单个实施例中以结合起来的方式提供为了清晰起见在若干独立实施例的语境下描述的本发明的某些特征。反之，也可以单独或者按照任何适当的子组合提供为了简便起见在单个实施例的语境下描述的本发明的各种特征。
尽管已经结合本发明的具体实施例描述了本发明，但是显然很多备选方案、修改和变型对于本领域技术人员而言是显而易见的。相应地，旨在使本发明涵盖所有的此类落在权利要求的精神和宽广范围内的备选方案、修改和变型。将本说明书中提及的所有公开文本、专利和专利申请全文引入到本说明书内以供参考，这句话的含义就像分别明确指出将每一个独立的公开文本、专利或专利申请引入到本文以供参考一样。此外，不应将本申请中对任何参考文献的引用或标识解释为允许可将这样的参考文献用作本发明的现有技术。

Claims (25)

1.一种用于测量流动的奶的样本的谱值的光谱测定传感器，所述光谱测定传感器包括：
用于包含流动的奶的样本的采样室；
用于向所述采样室中的所述样本发射第一光通量的光源；
用于测量所述样本对所述第一光通量的反射的第一强度并且用于测量穿过所述样本透射的第二光通量的第二强度的光探测器；
用于接收所述第一光通量的部分，并调整所述光源，从而在预定义的强度上发射光的光校准单元；
用于根据所述第一和第二强度的至少其中之一产生至少一个谱值和执行所述至少一个谱值的分析的控制单元。
2.根据权利要求1所述的光谱测定传感器，其中，所述分析是化学计量分析。
3.根据权利要求1所述的光谱测定传感器，其中，所述第一光通量是以紫外线波长为中心的紫外线光通量。
4.根据权利要求1所述的光谱测定传感器，其中，所述第一和第二强度的至少其中之一表示所述样本中的体细胞的浓度。
5.根据权利要求1所述的光谱测定传感器，其中，所述光校准单元包括用于接收所述第一光通量发射的光的所述部分的反馈探测器。
6.根据权利要求5所述的光谱测定传感器，其中，通过光导将所述第一光通量发射的光的所述部分引导至所述反馈探测器。
7.根据权利要求6所述的光谱测定传感器，其中，所述光导从大约所述第一光通量的中心引出所述部分。
8.根据权利要求1所述的光谱测定传感器，还包括会聚透镜，其用于将所述反射和所述第二光通量会聚到所述光探测器上。
9.根据权利要求1所述的光谱测定传感器，其中，所述采样室被连接组装到奶流动管道中。
10.根据权利要求1所述的光谱测定传感器，其中，将所述控制单元配置为将所述至少一个谱值传输至中央单元。
11.根据权利要求1所述的光谱测定传感器，其中，所述采样室具有第一和第二透明部分，所述第一和第二透明部分，使所述第一和第二光通量分别朝向所述第一和第二透明部分发射。
12.根据权利要求1所述的光谱测定传感器，其中，所述至少一个谱值指示流动的奶的样本中体细胞的浓度。
13.根据权利要求1所述的光谱测定传感器，还包括热稳定单元，其用于使所述光源保持在预定义的温度范围中，从而使所述光通量稳定在所预定义的强度上。
14.根据权利要求13所述的光谱测定传感器，其中，所述热稳定单元包括加热装置，采用所述加热装置执行所述保持。
15.根据权利要求14所述的光谱测定传感器，其中，所述加热装置为加热电阻器。
16.根据权利要求1-15中的任何一项所述的光谱测定传感器，其中，所述光源包括用于发射多个第一光通量的一组发光二极管(LED)，将所述光探测器配置为测量所述样本对所述多个第一光通量的反射以及经由所述样本接收的多个第二光通量的至少其中之一的多个强度。
17.根据权利要求16所述的光谱测定传感器，其中，所述控制单元根据所述多个强度生成所述至少一个谱值。
18.根据权利要求16所述的光谱测定传感器，其中，每一个所述LED生成以不同于其他LED的波长为中心的波长带上的光。
19.根据权利要求1所述的光谱测定传感器，其中，将所述光探测器配置为测量校准流体对所述第一光通量的反射和所述第二光通量的部分的至少其中之一的校准强度。
20.根据权利要求19所述的光谱测定传感器，其中，所述控制单元根据所述第一和第二强度的所述至少其中之一与校准强度之间的偏差生成所述至少一个谱值。
21.一种用于由流动的奶的样本生成一个或多个谱值的装置，其包括根据权利要求1所述的光谱测定传感器，所述装置还包括额外的光谱测定传感器，所述额外的光谱测定传感器包括：
额外的光源，其用于朝向所述样本发射所述第二光通量；以及
额外的光探测器，其用于测量所述样本对所述第二光通量的反射的第三强度和穿过所述样本透射的所述第一光通量的第四强度；
其中所述控制单元用于根据所述第三和第四强度的至少其中之一产生至少一个额外的谱值并且执行所述至少一个额外的谱值的所述分析。
22.一种用于测量至少一个光通量的强度的装置，包括：
光源，其用于朝向流动的奶的样本发射具有预定义的强度的第一光通量；
光探测器，其用于测量所述样本对所述第一光通量的反射和经由所述样本接收的第二光通量的部分的至少其中之一的强度；
光校准单元，其用于接收所述第一光通量的部分，并调整所述光源，从而在预定义的强度上发射光；以及
热稳定单元，其用于使所述光源保持在预定义的温度，从而使所述第一光通量的所述强度稳定在所述预定义的强度上。
23.一种用于估计奶的样本中的体细胞的数量的系统，所述系统包括：
光源，其用于朝向流动的奶的样本发射以紫外线(UV)波长为中心的光通量；
光探测器，其用于测量所述样本对所述光通量的反射和经由所述样本接收的所述光通量的部分的至少其中之一的强度；
光校准单元，其用于接收所述第一光通量的部分，并调整所述光源，从而在预定义的强度上发射光；以及
控制单元，其用于根据所述测量估计体细胞的数量。
24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述中心UV波长处于365纳米和400nm纳米之间。
25.一种用于从流动的奶获取光谱测定信息的方法，所述方法包括：
a)采用加热装置使光源保持预定义的温度；
b)采用所述光源朝向流动的奶发射光通量，所述光源在所述预定义的温度具有预定义的强度；
c)根据所述光通量的部分校准并调节所述光源；
d)基于所述预定义的强度，由样本对所述光通量的反射和经由所述流动的奶接收的所述光通量的部分的至少其中之一获取至少一个谱值；以及
e)根据所述至少一个谱值执行所述样本的化学计量分析。
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