食用油折射率的光干涉快速測量方法

張浩++陳明惠++田甜++項華中++鄭剛

摘要： 折射率是食用油品質(zhì)的一項重要指標(biāo)。為測量食用油折射率，基于泰曼格林干涉儀，在室溫20 ℃、光源波長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)，快速測量出不同食用油樣品干涉條紋的移動量，進(jìn)而求得其折射率。對幾種常見的食用油進(jìn)行了測量，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)行快速測定，同時實驗結(jié)果精度高，能為食用油品質(zhì)及地溝油的現(xiàn)場檢測提供一種簡便有效的手段。

關(guān)鍵詞：

光干涉測量； 折射率； 食用油； 快速測定

中圖分類號： 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，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單個種類的油品有一定的定量定性的鑒別能力，但對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]，有時在色澤上也有很大的變化[11]，其折射率更會有所不同。通常，油品折射率的測量利用了阿貝折射儀臨界角、分光計最小偏向角等方法[12]：阿貝折射儀通過全反射臨界角的測定來測量液體折射率，從而定量分析溶液成分，檢驗物質(zhì)的純度，但阿貝折射儀的測量范圍受棱鏡折射率的影響，會受到很大的限制，且操作清洗過程復(fù)雜；利用分光計最小偏向角法需將待測液加工成三棱鏡狀，測量時間長。這些方法對操作人員的技術(shù)水平有一定的要求，很難實現(xiàn)便捷、快速、自動的現(xiàn)場測量。

為解決儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、檢測操作步驟繁瑣等問題，本文提出了一種通過快速測量折射率來甄別食用油品質(zhì)的方法：在雙光束干涉中，折射率的改變會引起干涉條紋的移動或條紋寬度的改變，反映在CCD圖像上的是干涉條紋像素位置的改變。由于實驗中很難確定干涉條紋圖像零級條紋的位置，故可以用圖像整體的重心移動量代替其中心條紋移動量?；谔┞窳指缮鎯x來進(jìn)行光路設(shè)計，測量了目前市場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測量原理

1.1測量裝置及方法

泰曼格林干涉儀是光學(xué)實驗中常見的一種光學(xué)儀器，其原理簡單，便于操作，且測量精度很高[1314]。圖1為實驗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40 μm槽深的樣品池。D為干涉條紋檢測采集裝置。本實驗中除樣品池C之外所有實驗裝置固定，實驗前將M1和M2位置進(jìn)行預(yù)調(diào)，同時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。

實驗時只需將樣品池中注入需要檢測的油樣品即可，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

為實驗分析方便，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

元寶牌一級大豆油；金龍魚葵花籽油；多力特級初榨橄欖油；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。為便于實驗分析，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數(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，實測的葵花籽油條紋寬度和橄欖油條紋寬度之差約為27個像素，條紋寬度差別明顯，與其他油品之間也存在4個像素以上的差別。對混合油品，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，條紋寬度大對應(yīng)的油品折射率相對較小，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條紋移動量與折射率關(guān)系

折射率的改變會使圖像上的條紋整體向某個方向移動，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)及相對位移量ΔY，表中的實驗1、實驗2、實驗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，本實驗以葵花油為定標(biāo)測試物，并已知葵花油折射率為1.474 1（用其他方法測得）。根據(jù)式（3），實測的各油品的折射率如表2所示。因為圖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，以提高測量精度。

本文用面陣CCD相機(jī)拍照，條紋相對移動量的測量精度約為0.01個條紋寬度，對應(yīng)的折射率測量誤差小于± 0.0001。

3結(jié)論

對于同一種油品，例如油中含水量不同，其折射率會相應(yīng)改變，用干涉儀進(jìn)行檢測時表現(xiàn)為干涉條紋相對寬度的變化及條紋相對位置的移動。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。

本文檢測方法原理簡單，儀器操作簡便。實驗所用軟件能自動讀取條紋寬度和條紋移動量，為食用油品質(zhì)的檢測或地溝油的快速鑒別提供了一種簡便、實用的方法。

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（編輯：劉鐵英）