專利名稱：基于近紅外光譜技術(shù)的油菜籽品質(zhì)無損檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)無損檢測裝置，特指基于近紅外光譜技術(shù)的油菜 籽品質(zhì)快速無損檢測裝置。
背景技術(shù)：
農(nóng)產(chǎn)品是人們的生活必需品，我國人口眾多，是農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)和消費大國，農(nóng)產(chǎn)品的 安全和品質(zhì)對我國社會的和諧穩(wěn)定有著至關(guān)重要的意義。但是，目前我國農(nóng)村的農(nóng)產(chǎn)品生 產(chǎn)和銷售過程，仍以鄉(xiāng)鎮(zhèn)收購點和農(nóng)產(chǎn)品加工企業(yè)各自收購為主，其特點是收購點多、分 散范圍大、收購時間短和收購數(shù)量大。原料的定價比較隨意，往往是收購方根據(jù)粗略的水分 估計和外觀、手感決定價格，缺乏公平性、合理性和公正性。因此，有必要對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)進行 量化，為農(nóng)產(chǎn)品分級定價提供技術(shù)保障。當前，農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測仍然沿用人工感官評定方法和常規(guī)理化分析方法。常規(guī)理 化分析具有較高的準確度和可靠性，但是，其屬于破壞性檢測，檢測時間長，不適合農(nóng)產(chǎn)品 品質(zhì)的快速檢測。而人工檢測通常是由訓(xùn)練有素、經(jīng)驗豐富的專家經(jīng)過感官評定來完成，檢 測結(jié)果主觀性強、一致性差。尤其對于保存期短、易變質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品而言，這些方法都難以滿 足正常的生產(chǎn)和流通需求。近紅外光譜(Near-Infrared Ray Spectroscopy，NIRS)分析技術(shù)無需對樣品進行 化學處理，能直接測定完整樣品，并可在1 2分鐘的極短時間內(nèi)對樣品中的多種成分同時 進行定量分析，具有成本低，速度快，精度高，無污染，便于實時、在線分析和控制等優(yōu)點。應(yīng) 用近紅外光譜分析技術(shù)進行快速無損傷檢測已有較多的研究應(yīng)用，如檢測蜜桔中的糖度， 水果的％、花椒中的揮發(fā)油等。同時，也有一些企業(yè)和研究機構(gòu)著手近紅外光譜分析儀的研 制和生產(chǎn)工作，各種近紅外光譜儀器相繼問世。然而，這些國產(chǎn)的近紅外光譜儀器都是采用 連續(xù)光譜的光源(鹵鎢燈)，通過各種分光裝置將連續(xù)光譜分光后(即前分光)與待測物料 發(fā)生相互作用或?qū)⑴c待測物料相互作用后的復(fù)合光再分光(即后分光)，多存在光路構(gòu)成、 控制電路等系統(tǒng)復(fù)雜，儀器的調(diào)試過程繁瑣，造價高等缺陷，難以在面廣量大的基層農(nóng)產(chǎn)品 收購、加工和流通環(huán)節(jié)得到推廣。由于不同物料的不同品質(zhì)成分對光譜中不同波段的光敏感程度不同，對于專用檢 測儀器來說，連續(xù)的光譜并不是必要的。現(xiàn)階段應(yīng)用離散光源的檢測裝置多需要加裝濾光 片，濾光片的種類和加裝方式就限制了儀器的系列化和儀器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。積分球的主要功 能是光收集器，被收集的光可以用作漫反射光源或被測源，它在測量各種光源(如激光， LED和鹵鎢燈)的輻射量和顏色測量及熒光光譜學方面已經(jīng)取得了廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用積分 球?qū)ξ锪线M行檢測時，多采用樣品室置于積分球外的檢測方式，樣品的均勻性對檢測結(jié)果 的影響極大，且對入射光與物料的作用面積和入射光強度的要求較高。
發(fā)明內(nèi)容鑒于現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展情況，本實用新型的目的就是要提供一種針對農(nóng)產(chǎn)品(油菜籽)品質(zhì)的近紅外光譜分析檢測裝置。裝置的特點是將樣品室插入到積分球內(nèi)部，充分利 用積分球的結(jié)構(gòu)特點，將入射光源、樣品室和檢測器集成在一個積分球外殼上，采用對個單 光源代替連續(xù)光源，省去分光系統(tǒng)，從而使儀器結(jié)構(gòu)更加緊湊和小型化。檢測分建模和快速 檢測兩個階段，建模階段是一個一次性關(guān)聯(lián)和局部調(diào)整的過程，而快速檢測則是儀器的應(yīng) 用過程。在建模階段，檢測器將接收到的光譜信號傳入微處理器中，微處理器通過USB接口 與上位機相連，導(dǎo)出測得的數(shù)據(jù)到上位機的模型建立軟件中，建立相關(guān)農(nóng)產(chǎn)品(油菜籽)的 含水率、脂肪含量等品質(zhì)指標與對應(yīng)的光譜信號之間的關(guān)聯(lián)模型，上位機建模之后，將獲得 的模型參數(shù)下傳到微處理器的相應(yīng)存儲區(qū)，為實現(xiàn)快速檢測做準備。在快速檢測階段，檢測 器將接收到的光譜信號傳入微處理器中，微處理器調(diào)用相應(yīng)品質(zhì)的模型參數(shù)進行計算，得 到被檢測農(nóng)產(chǎn)品(油菜籽)的含水率、脂肪含量等品質(zhì)指標，以實現(xiàn)相關(guān)農(nóng)產(chǎn)品(油菜籽) 品質(zhì)的無損檢測，同時通過結(jié)果顯示裝置顯示品質(zhì)指標值。本實用新型的油菜籽品質(zhì)的近紅外光譜快速檢測的裝置，包括光譜信號采集裝 置、微處理器和結(jié)果顯示裝置；其中光譜信號采集裝置，用于對積分球內(nèi)的待測油菜籽進行光譜掃描，采集待測農(nóng)產(chǎn) 品漫反射近紅外光譜信號并傳輸?shù)轿⑻幚砥髦?；微處理器，通過外圍電路為各個光源提供驅(qū)動電流，控制積分球上多個單色光源 的輪流點亮順序和時間，同時將接收到的經(jīng)過外部電路調(diào)理的漫反射光譜信號儲存在存 儲區(qū)，存儲并引用調(diào)入的模型參數(shù)，對光譜數(shù)據(jù)進行分析，計算出被檢測農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)指標 值，通過USB接口完成與上位機之間的數(shù)據(jù)通信等；結(jié)果顯示裝置，用于將微處理器計算出來的品質(zhì)指標值顯示出來。上述所說的光譜信號采集裝置，由光源系統(tǒng)、積分球外殼、樣品室和檢測器組成。 其特征在于取消了分光系統(tǒng)，光源系統(tǒng)由全波長光源變?yōu)槎鄠€單色光源，多個單色光源由 一系列能發(fā)出特定波長的光學器件構(gòu)成，從而有序發(fā)出不同波長的光，通過積分球壁反射 均勻照射在樣品上，檢測器獲得不同波長的吸光度，得到樣品的吸收光譜。其中所述光源系統(tǒng)，針對不同的品質(zhì)指標，選用不同的單波長半導(dǎo)體近紅外光源， 用于將光照射在一定量的待測農(nóng)產(chǎn)品表面。為實現(xiàn)對多種組分的測量，對多個單波長半導(dǎo) 體光源采取輪流點亮的方式，根據(jù)不同的品質(zhì)檢測需要和專用及通用儀器的要求，選用不 同的光源組合方式、光源個數(shù)和輪流點亮順序，點亮持續(xù)時間和間隔時間根據(jù)測量要求可 以調(diào)整。所述積分球，用于集成光源、樣品室和檢測器，根據(jù)光源的發(fā)光功率和待測樣品的 相應(yīng)指標含量的不同，選用不同規(guī)格的積分球。積分球內(nèi)壁涂有對近紅外光高反射率的金 屬涂層。積分球內(nèi)表面使得漫反射光均勻一致，積分球結(jié)構(gòu)便于集成多個入射光源和單個 檢測器。所述樣品室，采用低羥基石英玻璃制作，由積分球外插入到積分球內(nèi)部，實現(xiàn)樣品 的體吸收，根據(jù)樣品的結(jié)構(gòu)特點對應(yīng)于不同直徑的樣品室規(guī)格和測量模型參數(shù)。所述的檢測器是半導(dǎo)體檢測器，用于接收均布于積分球內(nèi)壁的農(nóng)產(chǎn)品漫透射光譜 信號，并把這些攜帶有樣品信息的近紅外光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù) 字信號輸入微處理器。檢測器不間斷地進行掃描，并將不同光源的掃描結(jié)果分別存儲。所述的模型，即為近紅外光譜信號值與農(nóng)產(chǎn)品(油菜籽)品質(zhì)指標的校正模型。先
4取不同水分和脂肪的油菜籽樣品若干份(100份左右)，一部分作為校正集(50 80份)， 另一部分作為預(yù)測集(20份左右)，其余部分作為待測樣品，采用國標法測定所有樣品的含 水量和脂肪含量作為實測值；再用本實用新型的近紅外檢測儀采集校正集樣品、預(yù)測集樣 品以及待測樣品的漫反射光譜信息，用校正集的光譜數(shù)據(jù)與其含水量和脂肪含量實測值間 的關(guān)系建立校正模型；將預(yù)測集的光譜數(shù)據(jù)帶入到校正模型中進行預(yù)測，獲取預(yù)測集的樣 品含水量和脂肪含量的預(yù)測結(jié)果并分析與其實測值的差異，選取預(yù)測精度達到要求的校正 模型；最后將模型參數(shù)導(dǎo)入到微處理器中。所述的微處理器中裝有近紅外農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測程序和對應(yīng)于不同樣品的模型參 數(shù)與品質(zhì)指標計算程序，主要控制多光源的輪流點亮，采集光譜數(shù)據(jù)并計算出農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì) 指標值。基于上述裝置的油菜籽品質(zhì)的近紅外光譜快速檢測方法是，先取不同水分和脂肪 的油菜籽樣品若干份(100份左右)，一部分作為校正集(50 80份)，另一部分作為預(yù)測集 (20份左右)，其余部分作為待測樣品，采用國標法測定所有樣品的含水量和脂肪含量作為 實測值；再用實用新型的近紅外檢測儀采集校正集樣品、預(yù)測集樣品以及待測樣品的漫反 射光譜信息，用校正集的光譜數(shù)據(jù)與其含水量和脂肪含量實測值間的關(guān)系建立校正模型； 將預(yù)測集的光譜數(shù)據(jù)帶入到校正模型中進行預(yù)測，獲取預(yù)測集的樣品含水量和脂肪含量的 預(yù)測結(jié)果并分析與其實測值的差異，選取預(yù)測精度達到要求的校正模型；最后將模型參數(shù) 導(dǎo)入到微處理器中，同時將待測樣品的光譜信息調(diào)入選取的校正模型中，對待測樣品含水 量進行計算，所獲得的含水量預(yù)測值即為待測樣品含水量的測定結(jié)果。工作時，首先接通電源，設(shè)置光譜儀，選擇要測量的樣品所對應(yīng)的檢測模型。開始 進行信號檢測，把檢測器得到的光譜信號值存入存儲區(qū)，同時代入模型，計算得到待測樣品 (油菜籽)的每個品質(zhì)指標，顯示在界面上。樣本的測試操作如下1.首先打開電源，對裝置各附件的參數(shù)進行設(shè)置。如設(shè)置光源強度、光譜儀的波長 點光源組合模式和輪流點亮時間間隔等。2.測定農(nóng)產(chǎn)品時，將待測油菜籽置入樣品室中，裝滿樣品室，啟動光源和檢測器。 光源發(fā)出的光照射到待測農(nóng)產(chǎn)品表面，并在其內(nèi)部形成漫反射，漫反射出來的光在積分球 壁被檢測器接收后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并存入微處理器中，選取已經(jīng)建立的模型對光譜信號 進行計算，將計算得到的該農(nóng)產(chǎn)品的某項品質(zhì)指標值通過顯示裝置顯示出來。3.將測試后的樣品取出，清掃樣品室，做下一次測試準備。本實用新型的有益效果是本實用新型為農(nóng)產(chǎn)品(油菜籽)收購現(xiàn)場的品質(zhì)評定 和合理定價提供了技術(shù)保障，與目前的理化分析方法及人工方法對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)評定和定價 方法相比，客觀性、重復(fù)性更強。本實用新型完成一次檢測耗時不超過1分鐘，在初級農(nóng)產(chǎn) 品的現(xiàn)場品質(zhì)檢測中能方便的應(yīng)用。本實用新型將基于近紅外的光學檢測手段應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的無損檢測過程中， 具有檢測精度高、結(jié)果一致性好和自動化程度強等優(yōu)點，既為初級農(nóng)產(chǎn)品的收購過程提供 了監(jiān)測依據(jù)，又進一步為以品質(zhì)為依據(jù)的農(nóng)產(chǎn)品標準化分級創(chuàng)造了條件。
圖1 本實用新型的技術(shù)方案示意圖；圖2 本實用新型近紅外光譜技術(shù)的油菜籽品質(zhì)快速無損檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1.球形外殼；2.樣品室；3.入射光源(組)；4.檢測器；5.控制面板與顯示 屏；6. USB通信接口 ；7.微處理器及外圍電路；圖3 本實用新型中使用的積分球式光譜信號采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
本實用新型對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的無損檢測具有通用性，但由于農(nóng)產(chǎn)品種類很多，因此 本實用新型只舉一個用于油菜籽水分檢測的實施實例，其他農(nóng)產(chǎn)品的檢測可參照該實施實 例的方法，具體針對所測的農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的某項指標，建立一個新的模型，就可以對該類農(nóng)產(chǎn) 品進行測試了。如圖2所示為本實用新型近紅外光譜技術(shù)的油菜籽品質(zhì)快速無損檢測裝置結(jié)構(gòu) 示意圖；用于實現(xiàn)近紅外光學檢測儀的建模和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的快速檢測。該系統(tǒng)包括積分球 式光譜信號采集系統(tǒng)、控制面板與顯示屏5、USB通信接口 6和微處理器與外圍電路7 ；其中 控制面板與顯示屏5位于積分球式光譜信號采集系統(tǒng)右側(cè)上部，微處理器與外圍電路7位 于儀器外殼的底板上，通過儀器外殼右側(cè)的USB通信接口 6實現(xiàn)與外部的通信。積分球式光譜信號采集系統(tǒng)采用圖3所示結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其中控制面板與顯示屏5 作為儀器的操作界面，用來完成對儀器的各種操作；USB通信接口 6用來實現(xiàn)微處理器7與 上位機之間的數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)通信包括從微處理器上將光譜信息上傳至上位機和從上位機 上將建立好的樣品檢測模型下載到微處理器中；微處理器與外圍電路7，通過外圍電路為 各個光源提供驅(qū)動電流，控制積分球上多個單光源的輪流點亮順序和時間，同時將接收到 的經(jīng)過外部電路調(diào)理的漫反射光譜信號儲存在存儲區(qū)，存儲并引用調(diào)入的模型參數(shù)，對光 譜數(shù)據(jù)進行分析，計算出被檢測農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)指標值，通過USB接口完成與上位機之間的 數(shù)據(jù)通信等。如圖3所示為本實用新型的積分球式光譜信號采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)包括球形 外殼1、樣品室2、入射光源(組)3和檢測器4 ；其中積分球包括具有球形外殼1的中空積分 球體，在過球形外殼1圍成球形空間的球心的平面上，以上述球心為圓心，在球形外殼1上 開有4個通孔，其中三個通孔作為入射光源(組)3的安裝口，以10度為間隔均勻分布，另 外一個通孔在與以上三個通孔的位置的中軸垂直的角度，用于安裝檢測器4。在過圓心，與 這個大圓面垂直的方向上，還有一個通孔，用來安裝樣品室2，樣品室插入到積分球內(nèi)部。本實用新型中優(yōu)選三個光源組3和檢測器4的通孔的開口面積均勻一致，當然， 本實用新型通孔的形狀和面積不局限于設(shè)置成一致的一種情形，可以根據(jù)需要作出適當修 改；樣品室2的開口直徑要大于樣品室2外徑；積分球外殼1的內(nèi)壁涂有對近紅外光具有高 反射率的金屬涂層，以保證其光學屬性；在球形外殼1的樣品室2開口外側(cè)裝有固定裝置， 便于樣品室2的放置和定位。使用上述積分球的光學測量系統(tǒng)，可以實現(xiàn)三個入射光源，單個檢測器的近紅外
光學測量。按照圖1所示的技術(shù)方案實施示意圖，實現(xiàn)基于上述裝置的近紅外光譜檢測儀器的建模和對油菜籽品質(zhì)的快速檢測。本實用新型油菜籽品質(zhì)的近紅外光譜快速檢測與建模裝置及農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)無損檢 測方法，結(jié)合附圖和實施例說明如下如圖1所示為本實用新型的技術(shù)方案實施示意圖，給出了利用本實用新型的檢測 裝置進行建模和快速檢測的實施過程。先取不同水分和脂肪的油菜籽樣品若干份(100份左右)，一部分作為校正集 (50 80份)，另一部分作為預(yù)測集(20份左右)，其余部分作為待測樣品，油菜籽含水量檢 測和含油量檢測的理化方法分別嚴格按照國標油菜籽GB11762-89執(zhí)行，測定所有樣品的 含水量和脂肪含量作為實測值；用基于近紅外光譜分析技術(shù)的檢測裝置對油菜籽進行光譜 掃描，把檢測器4得到的光譜信號值保存在微處理器中。然后通過USB通信接口 6將數(shù)據(jù) 導(dǎo)入到上位機中，采用多元線性回歸的方法篩選出特征信號，建立光譜信號值與油菜籽含 水量和含油量之間的關(guān)聯(lián)模型。將得到的模型參數(shù)通過USB通信接口 6寫入到光譜儀的微 處理器7中。接下來就可以對未知油菜籽進行快速測定。打開電源開關(guān)，通過控制面板與顯示 屏5選擇光源模式為品質(zhì)檢測；用待測油菜籽將樣品室2裝滿，加蓋，開始檢測；按照事先 設(shè)定的程序，開始輪流點亮入射光源(組)3中被選中的光源組合，光源發(fā)出的光照射到待 測油菜籽上，形成漫反射，漫反射出來的光被檢測器4接收；檢測器4將攜帶樣品信息的近 紅外光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺偻ㄟ^A/D轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號輸入微處理器7中；微處理器7接受 此光譜信號值并把光譜信號值代入模型計算，在控制面板與顯示屏5上即可顯示該油菜籽 的含水量值和含油量值，至此油菜籽品質(zhì)測試結(jié)束。上述近紅外檢測方法可以實現(xiàn)儀器的建模，模型建立后，實現(xiàn)品質(zhì)指標的快速檢 測和顯示。最后，還需要注意的是，以上列舉的僅僅是本實用新型的一個實施例。顯然，本實 用新型不限于以上實施例，還可以有許多變形，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本實用新型公 開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認為是本實用新型的保護范圍。
權(quán)利要求基于近紅外光譜技術(shù)的油菜籽品質(zhì)無損檢測裝置，該裝置包括積分球式光譜信號采集系統(tǒng)、控制面板與顯示屏(5)、USB通信接口(6)和微處理器與外圍電路(7)，其中位于積分球式光譜信號采集系統(tǒng)右側(cè)上部的控制面板與顯示屏(5)作為儀器的操作界面；儀器外殼右側(cè)的USB通信接口(6)用來實現(xiàn)微處理器(7)與上位機之間的數(shù)據(jù)通信，微處理器與外圍電路(7)位于儀器外殼的底板上，通過外圍電路為各個光源提供驅(qū)動電流，控制積分球上多個單色光源的輪流點亮順序和時間，同時將接收到的經(jīng)過外部電路調(diào)理的漫反射光譜信號儲存在存儲區(qū)，存儲并引用調(diào)入的模型參數(shù)，對光譜數(shù)據(jù)進行分析，計算出被檢測農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)指標值，通過USB接口(6)完成與上位機之間的數(shù)據(jù)通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求1基于近紅外光譜技術(shù)的油菜籽品質(zhì)無損檢測裝置，其特征在于所述 的積分球式光譜信號采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括球形外殼(1)、樣品室(2)、入射光源組(3)和 檢測器(4)；其中積分球包括具有球形外殼(1)的中空積分球體，在過球形外殼(1)圍成球 形空間的球心的平面上，以上述球心為圓心，在球形外殼(1)上開有4個通孔，其中三個通 孔作為入射光源組(3)的安裝口，以10度為間隔均勻分布，另外一個通孔在與以上三個通 孔的位置的中軸垂直的角度，用于安裝檢測器(4)；在過圓心，并與這個大圓面垂直的方向 上，還有一個通孔，用來安裝樣品室(2)，樣品室(2)插入到積分球內(nèi)部。
專利摘要本實用新型公開了油菜籽品質(zhì)的近紅外光譜檢測裝置，該裝置將樣品室插入到積分球內(nèi)部，充分利用積分球的結(jié)構(gòu)特點，將入射光源、樣品室和檢測器集成在一個積分球外殼上，包括光譜信號采集裝置、微處理器和結(jié)果顯示裝置；通過建立油菜籽的含水率、脂肪含量等品質(zhì)指標與對應(yīng)的光譜信號之間的關(guān)聯(lián)模型，在快速檢測階段，檢測器將接收到的光譜信號傳入微處理器中，微處理器調(diào)用相應(yīng)品質(zhì)的模型參數(shù)進行計算，得到被檢測油菜籽的含水率、脂肪含量等品質(zhì)指標，以實現(xiàn)油菜籽品質(zhì)的無損檢測。本實用新型具有檢測精度高、結(jié)果一致性好和自動化程度強等優(yōu)點，既為初級農(nóng)產(chǎn)品的收購過程提供了監(jiān)測依據(jù)，又進一步為以品質(zhì)為依據(jù)的農(nóng)產(chǎn)品標準化分級創(chuàng)造了條件。
文檔編號G01N21/35GK201724900SQ20102023774
公開日2011年1月26日 申請日期2010年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月24日
發(fā)明者宋云亮, 林偉健, 詹敦平, 陸道禮, 陳斌 申請人:江蘇大學