解決方案
光纖光譜儀在水果檢測(cè)和分選領(lǐng)域的應(yīng)用
概 要
作為水果生產(chǎn)大國(guó)，提高水果的品質(zhì)既能滿(mǎn)足人民日益提高的生活水平的要求，也可進(jìn)一步提升國(guó)產(chǎn)水果在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。在水果生長(zhǎng)成熟階段，光照、施肥、溫度等客觀因素均會(huì)影響水果的品質(zhì)，故準(zhǔn)確檢測(cè)水果的生長(zhǎng)情況以及采摘后對(duì)水果的質(zhì)量分選至關(guān)重要。水果無(wú)損檢測(cè)技術(shù)（NDT）是在不破壞檢測(cè)物料的情況下，根據(jù)物料內(nèi)部變化引起的光、聲、熱、電、磁等物理特性的變化檢測(cè)并判斷物料的質(zhì)量。與傳統(tǒng)化學(xué)檢測(cè)相比，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有不會(huì)破壞被檢對(duì)象，并且可以對(duì)全部果實(shí)進(jìn)行檢測(cè)，避免抽檢不完全性，測(cè)試速度快的優(yōu)勢(shì)。
圖1 某水果分選現(xiàn)場(chǎng)
光譜檢測(cè)技術(shù)是一種非接觸、非破壞性的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，水果內(nèi)部不同成分和特性對(duì)不同波長(zhǎng)的光的反射率、透射率和吸光度表現(xiàn)不同，所以可以通過(guò)光譜儀檢測(cè)水果對(duì)照明光源的反射光譜或者透射光譜進(jìn)而分析判斷水果的可溶性固形物、色澤、糖分、酸度等特性。目前該方法已經(jīng)廣泛被用于檢測(cè)臍橙、蘋(píng)果、桃子、芒果、杏子、獼猴桃、西瓜等水果，此外因?yàn)槠浞奖憧旖莸膬?yōu)勢(shì)，也廣泛應(yīng)用于其他農(nóng)產(chǎn)品如雞蛋、谷物、飼料、紫薯等的分選檢測(cè)。本文以荷蘭Avantes公司的微型光纖光譜儀AvaSpec-HS2048XL-EVO和AvaSpec-ULS2048XL-EVO為例，介紹微型光譜儀在水果檢測(cè)和水果分選方面的應(yīng)用。
Avantes光譜儀模塊化，且體積小巧，方便便攜、手持式測(cè)試使用或集成到檢測(cè)生產(chǎn)線(xiàn)中。AvaSpec-HS2048XL-EVO和AvaSpec-ULS2048XL-EVO都采用高靈敏度背照式CCD探測(cè)器，該探測(cè)器在近紅外波段響應(yīng)性能極好，同時(shí)可見(jiàn)紫外部分也有很高的效率，測(cè)試精度高。儀器信噪比性能極好，可有效去除噪聲的影響。搭配USB3的電路板，最小積分時(shí)間可達(dá)到微秒量級(jí)，實(shí)現(xiàn)高速測(cè)試，提高工作效率。包含多種編程語(yǔ)言的DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)可以集成到不同系統(tǒng)軟件中。
1. 儀器原理
荷蘭Avantes公司的AvaSpec-ULS2048XL-EVO光纖光譜儀，采用對(duì)稱(chēng)式光路設(shè)計(jì)，焦距75 mm，包括光纖接頭（標(biāo)準(zhǔn)SMA接口）、準(zhǔn)直鏡、衍射光柵、聚焦鏡和大尺寸高靈敏度背照式線(xiàn)陣CCD探測(cè)器，波長(zhǎng)范圍200-1100 nm，提供USB3.0接口、高速網(wǎng)口和I/O外觸發(fā)同步接口。與AvaSpec-ULS2048XL-EVO相比，AvaSpec-HS2048XL-EVO光學(xué)平臺(tái)采用37.5 mm焦距，數(shù)值孔徑可達(dá)0.22，具有更高的靈敏度，測(cè)試精度更高。
圖2 AvaSpec-ULS2048XL-EVO光譜儀的光學(xué)平臺(tái)
2． 水果品質(zhì)檢測(cè)方法
2.1 水果品質(zhì)檢測(cè)光路
目前用于水果無(wú)損檢測(cè)的主要光譜檢測(cè)方法有反射光譜法、漫反射光譜法、透射光譜法，其光路分別如下圖所示。在這些光路中，光源可采用單個(gè)或多個(gè)50 W鹵素?zé)艚M合的方式，既可以提高光照功率，也可以提高光照均勻度。光譜儀可以采用Avantes生產(chǎn)的光纖光譜儀，其體積小，方便集成到系統(tǒng)中，波長(zhǎng)范圍最多可以覆蓋200-2500 nm，最短積分時(shí)間可以達(dá)到2 μs，滿(mǎn)足對(duì)全部物料快速、高效的測(cè)試需求。光纖可采用Avantes 800 μm或者1000 μm的大芯徑，提高光通量，金屬鎧甲包層可保護(hù)光纖避免損傷。此外，Avantes也可提供多種附件選擇，滿(mǎn)足不同的應(yīng)用場(chǎng)景。
在水果生長(zhǎng)階段，利用Avantes光譜儀的小巧性能將光譜儀、光源、光纖集成到系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)便攜手持測(cè)試方式，避免采摘破壞水果，同時(shí)根據(jù)測(cè)試結(jié)果合理安排施肥、灌溉、培育、采光等條件。通過(guò)檢測(cè)成熟度，確定采摘時(shí)間并設(shè)定理想的果實(shí)存儲(chǔ)環(huán)境。在水果采摘后，也可將Avantes光譜儀集成到生產(chǎn)線(xiàn)中，通過(guò)光譜儀檢測(cè)水果可溶性物質(zhì)、糖度、甜度、挫傷、腐爛等特性對(duì)水果進(jìn)行自動(dòng)篩選及質(zhì)量評(píng)級(jí)，使生產(chǎn)者能夠保證高質(zhì)量的同時(shí)向消費(fèi)者提供同一的質(zhì)量。Avantes快速精準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)可大大提高產(chǎn)線(xiàn)的工作效率。
2.2水果品質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)處理
研究人員用AvaSpec光譜儀以及鹵鎢燈照明光源(AvaLight-HAL-S-Mini),光纖反射探頭對(duì)富士蘋(píng)果的近紅外光譜(600 - 1100 nm)進(jìn)行了研究，在測(cè)試到光譜數(shù)據(jù)后，研究人員開(kāi)發(fā)了一種關(guān)聯(lián)果實(shí)固含量、含水量和硬度特征的算法。從這些數(shù)據(jù)中，研究小組能夠分離出對(duì)預(yù)測(cè)內(nèi)部水果質(zhì)量有用的敏感波長(zhǎng)。為了減少數(shù)據(jù)集，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步討論了選擇適當(dāng)波長(zhǎng)的各種方法，而不是監(jiān)測(cè)整個(gè)近紅外光譜。這種選擇關(guān)鍵波長(zhǎng)以較少數(shù)據(jù)集的方法成為便攜式和內(nèi)聯(lián)傳感系統(tǒng)(如Avantes OEM合作伙伴目前正在開(kāi)發(fā)的系統(tǒng))開(kāi)發(fā)的重要組成部分。以下為部分測(cè)試數(shù)據(jù)集。
2.3 二次開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)
AvaSpec-DLL二次開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)可適用于Windows和Linux系統(tǒng)，有32位和64位兩種版本，可以幫助您輕松地編寫(xiě)軟件解決方案，適用于Avantes所有類(lèi)型光譜儀。該軟件主要包含以下功能：
通過(guò)USB接口和一個(gè)或者多個(gè)光譜儀建立通訊。這些函數(shù)可以打開(kāi)和關(guān)閉所連接的光譜儀。
從光譜儀的EEProm中設(shè)置/讀取硬件參數(shù)。
用于獲取數(shù)據(jù)的函數(shù)，將數(shù)據(jù)調(diào)入您編寫(xiě)的應(yīng)用程序
與其他設(shè)備通過(guò)TTL或模擬信號(hào)進(jìn)行通訊的函數(shù)
Avantes的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)包含Delphi、C++、Java、LabView、Matlab、vb2013、Vc#2013、Qtdemos、PyQt5、mfc2013多種編程語(yǔ)言，適合不同開(kāi)發(fā)者的使用需求。另外，Avantes還提供詳細(xì)的二次開(kāi)發(fā)說(shuō)明介紹，包括各函數(shù)的功能介紹，簡(jiǎn)單例程介紹等，幫助開(kāi)發(fā)者順利編寫(xiě)軟件。
3．結(jié)論
使用AvaSpec-HS2048XL-EVO和AvaSpec-ULS2048XL-EVO光譜儀進(jìn)行水果檢測(cè)和分選應(yīng)用，具有功能強(qiáng)大，性?xún)r(jià)比高、測(cè)量精度高、測(cè)量速度快、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，而且體積小巧，方便集成到系統(tǒng)中進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。
同時(shí)Avantes還能夠?yàn)槟峁└嗟倪x擇，如體積更?。埮拼笮。┑墓庾V儀CompactLine系列；近紅外波段（1000-2500 nm）光譜儀NIRLine系列，超快光譜儀（2000幅/秒）系列等。如您有更多需求，請(qǐng)您聯(lián)系我們的技術(shù)工程師，我們會(huì)為您提供完善的光譜學(xué)解決方案。
Avantes, OEM合作伙伴的未來(lái)農(nóng)業(yè)
在Avantes，我們致力于通過(guò)與創(chuàng)新者合作改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，利用光子學(xué)技術(shù)讓世界變得更美好。擁有將近30年生產(chǎn)高品質(zhì)光子學(xué)設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)，并與光子學(xué)領(lǐng)域的研究人員和專(zhuān)家有著密切的聯(lián)系，Avantes是您理想的OEM合作伙伴。請(qǐng)立即與我們聯(lián)系，以了解關(guān)于您的獨(dú)特應(yīng)用的演示或可行性測(cè)試的更多信息。
1. 卜曉樸, 李永玉*, 閆帥，基于可見(jiàn)-近紅外光譜的生鮮紫薯食味品質(zhì)快速無(wú)損檢測(cè)，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院