【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于光譜測量應用，具體涉及一種基于近紅外光譜分析的糧食品質檢測裝置及其檢測方法。
技術介紹
1、糧食儲運加工過程中的品質檢測至關重要，主要涉及提高產品質量、延長保質期和提升經濟效益。水分、蛋白質、脂肪等品質參數各具重要作用。水分適宜時能保持新鮮，過高易導致霉變，過低則影響口感。蛋白質是主要營養成分，過高可能使面團韌性過大，增加消化系統負擔，過低則降低營養價值。脂肪是主要能量來源，過高可能導致高熱量，過低則影響食品風味。
2、目前，糧食品質檢測的標準方法中，水分檢測一般采用烘干稱重法，測量對取樣精度要求高，耗時比較長。蛋白質檢測通常使用凱氏定氮法，適用廣泛但過程繁瑣。目前的脂肪檢測方法包括索氏提取法和氣相色譜法，但操作復雜，需要高度專業化的技術人員。
3、近紅外光譜方法(nirs)的基本測量原理基于光子與物質分子間的相互作用，尤其是光子能級躍遷。當紅外光照射到樣品時，特定波長的光子會被分子中的化學鍵吸收，導致分子振動、轉動等能級躍遷。不同的化學鍵(如c-h、o-h、n-h等)在特定波長下具有獨特的吸收特征，因此，通過分析吸收光譜，可以識別和定量樣品中的成分。
4、在糧食品質檢測中，水分、蛋白質、脂肪等參數的特征吸收峰都在特定波段內。水分的o-h伸縮振動通常在1440-1470nm附近，蛋白質的n-h和c＝o振動則在約1660-1750nm，脂肪的特征吸收峰一般在約700-1100nm。通過建立與這些特征吸收峰相關的定量模型，紅外光譜法能夠實現快速、無損的糧食多參數品質檢測。因此，理論上
5、當前紅外光譜法測量裝置存在若干問題，包括測量參數單一、設備結構復雜、操作要求高，以及數據建模過程繁瑣，信號運算復雜，同時紅外光譜易受環境因素影響，導致測量結果不穩定。因此，本裝置旨在提供一種結構簡單、測量方便、穩定性高且支持多參數測量的紅外光譜糧食品質檢測裝置和方法。
技術實現思路
1、針對現有技術中存在的缺陷，為提高近紅外光譜分析的糧食品質檢測裝置的穩定性及測量精度，本專利技術提供了一種基于近紅外光譜分析的糧食品質檢測裝置及其檢測方法；采用多元散射矯正算法(msc)進行預處理、主成分分析(pca)提取特征波長、偏最小二乘算法(pls)建立反演模型，結合設計的可移動光譜采集設備和信號處理電路，對近紅外光譜數據進行實時分析，從而準確測量被測樣品的水分、蛋白質和脂肪。該裝置能夠在短時間內提供高精度的測量結果，適用于糧食收購和加工場所的連續監測，提高了糧食質量控制的效率。
2、本專利技術通過如下技術方案實現：
3、一種基于近紅外光譜分析的糧食品質檢測裝置，包括操作窗1、樣品盒2、托架3、導軌4、電機5、光纖探頭6、固定架7、光源單元8、光譜檢測單元9、控制單元10、上位機單元11、外殼12、被測樣品13；其中，操作窗1是外殼12上部的固定開口，位于外殼12的頂部一側，測量中通過操作窗1進行樣品盒2的取放；樣品盒2用于容納樣品，置于托架3上；托架3固定在導軌4的滑動平臺上，導軌4固定在容器外殼內壁的一側，起移動和支撐的作用；電機5位于導軌4的一側，用于驅動導軌4，實現托架3的水平方向移動；光纖探頭6固定在測量區域，位于樣品盒下方，用于發出光譜信號同時對反射光譜進行采集；固定架7的一端固定在外壁，另一端固定夾持光纖探頭6和收發光纖線；光源單元8的一端與控制單元10連接，另一端與發射光纖線連接，由控制單元10控制光源單元8發送光譜信號至光纖探頭6；光譜檢測單元9的一端與控制單元10連接，另一端與接收光纖線連接，光譜檢測單元9接收光纖探頭采集的近紅外光反射信號，并進行光電轉換處理后，生成相應的光譜數據回傳至控制單元10；所述控制單元10與電機5及上位機單元11相連接，用于接收上位機指令、控制光源單元8及光譜檢測單元9的光譜發射和接收、控制電機5的轉動；所述上位機單元11讀取光譜數據，進行運算處理，得到測量結果。
4、進一步地，所述樣品盒2的材料為高純度熔融石英，具備高透光度；
5、所述托架3的主體材料為金屬；大小尺寸和樣品盒外徑匹配，底座水平，保證測量過程光譜采集的穩定性，中間開孔透光，不影響測量光線通過。
6、進一步地，所述被測樣品13為糧食，在測量過程中，將其打磨成粉末狀，放置于樣品盒2內部后壓實。
7、進一步地，所述光纖探頭6位于樣品盒2的下方，探頭中心為多芯光纖，包括發射光纖束和接收光纖束。
8、進一步地，所述固定架7采用夾持結構，使用螺栓固定，使光纖探頭固定在支架上。
9、進一步地，所述電機5具有限位功能，能夠根據預設程序調整移動速度和位置，精準控制樣品托架在測量區域和操作區域移動。
10、進一步地，所述光源單元8發出的光譜波長范圍不低于800nm至2500nm，輸出功率范圍在1-10mw；
11、所述光譜檢測單元9的有效范圍為不低于900nm至1700nm。
12、進一步地，所示控制單元10采用32位單片機或嵌入式系統開發，使用usb串口進行數據通信。
13、另一方面，本專利技術還提供了一種基于近紅外光譜分析的糧食品質檢測裝置的檢測方法，具體步驟如下：
14、步驟一，初始復位；
15、控制單元10完成初始化，復位光源單元8和光譜檢測單元9，并控制電機5轉動導軌4，將托架3復位至操作窗1下方；
16、步驟二，空載檢測；
17、將空樣品盒2放置在托架3上，電機5驅動導軌4將托架3移動至測量區域，定位于光纖探頭6的上方，控制單元10啟動測量程序，控制光譜檢測單元9采集空載光譜數據，并上傳至上位機單元11；
18、步驟三，中間復位；
19、重復步驟一，系統進行復位操作，將托架復位至測量窗；
20、步驟四，滿載檢測；
21、將待測樣品糧食填裝入樣品盒中，并將樣品盒放置托架上；電機5控制導軌4將樣品盒2移動至光譜測量區；在測量區，控制單元10啟動測量程序，控制光譜檢測單元9采集滿載光譜數據，并上傳至上位機單元11；
22、步驟五，參數預測；
23、上位機單元11調用參數轉換算法，計算輸出相關的品質參數；包括：水分含量、蛋白質含量和脂肪含量的預測值。
24、進一步地，步驟五中，所述參數轉換算法具體包括如下步驟：
25、s51、采用多元散射矯正算法(msc)進行光譜預處理，去除數據中異常值，矯正樣本間的光譜差異；
26、s52、采用主成分分析算法(pca)提取特征波長，準備數據并構建矩陣，計算協方差矩陣，進行特征值分解，選擇解釋高方差的主成分，最后將原始數據投影到上述主成分上；
27、s53、采用偏最小二乘算法(pls)根據特征波長作為輸入特征預測大豆含水率、蛋白和脂肪含量的值。
28、本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于近紅外光譜分析的糧食品質檢測裝置，其特征在于，包括操作窗(1)、樣品盒(2)、托架(3)、導軌(4)、電機(5)、光纖探頭(6)、固定架(7)、光源單元(8)、光譜檢測單元(9)、控制單元(10)、上位機單元(11)、外殼(12)、被測樣品(13)；其中，操作窗(1)是外殼(12)上部的固定開口，位于外殼(12)的頂部一側，測量中通過操作窗(1)進行樣品盒(2)的取放；樣品盒(2)用于容納樣品，置于托架(3)上；托架(3)固定在導軌(4)的滑動平臺上，導軌(4)固定在容器外殼內壁的一側，起移動和支撐的作用；電機(5)位于導軌(4)的一側，用于驅動導軌(4)，實現托架(3)的水平方向移動；光纖探頭(6)固定在測量區域，位于樣品盒下方，用于發出光譜信號同時對反射光譜進行采集；固定架(7)的一端固定在外壁，另一端固定夾持光纖探頭(6)和收發光纖線；光源單元(8)的一端與控制單元(10)連接，另一端與發射光纖線連接，由控制單元(10)控制光源單元(8)發送光譜信號至光纖探頭(6)；光譜檢測單元(9)的一端與控制單元(10)連接，另一端與接收光纖線連接，光譜檢測單元(9)接收光
2.如權利要求1所述的一種基于近紅外光譜分析的糧食品質檢測裝置，其特征在于，所述樣品盒(2)的材料為高純度熔融石英，具備高透光度；
3.如權利要求1所述的一種基于近紅外光譜分析的糧食品質檢測裝置，其特征在于，所述被測樣品(13)為糧食，在測量過程中，將其打磨成粉末狀，放置于樣品盒(2)內部后壓實。
4.如權利要求1所述的一種基于近紅外光譜分析的糧食品質檢測裝置，其特征在于，所述光纖探頭(6)位于樣品盒(2)的下方，探頭中心為多芯光纖，包括發射光纖束和接收光纖束。
5.如權利要求1所述的一種基于近紅外光譜分析的糧食品質檢測裝置，其特征在于，所述固定架(7)采用夾持結構，使用螺栓固定，使光纖探頭固定在支架上。
6.如權利要求1所述的一種基于近紅外光譜分析的糧食品質檢測裝置，其特征在于，所述電機(5)具有限位功能，根據預設程序調整移動速度和位置，精準控制樣品托架在測量區域和操作區域移動。
7.如權利要求1所述的一種基于近紅外光譜分析的糧食品質檢測裝置，其特征在于，所述光源單元(8)發出的光譜波長范圍不低于800nm至2500nm，輸出功率范圍在1-10MW；
8.如權利要求1所述的種基于近紅外光譜分析的糧食品質檢測裝置，其特征在于，所示控制單元(10)采用32位單片機或嵌入式系統開發，使用USB串口進行數據通信。
9.如權利要求1所述的一種基于近紅外光譜分析的糧食品質檢測裝置的檢測方法，其特征在于，具體步驟如下：
10.如權利要求1所述的一種基于近紅外光譜分析的糧食品質檢測方法，其特征在于，步驟五中，所述參數轉換算法具體包括如下步驟：
...【技術特征摘要】
1.一種基于近紅外光譜分析的糧食品質檢測裝置，其特征在于，包括操作窗(1)、樣品盒(2)、托架(3)、導軌(4)、電機(5)、光纖探頭(6)、固定架(7)、光源單元(8)、光譜檢測單元(9)、控制單元(10)、上位機單元(11)、外殼(12)、被測樣品(13)；其中，操作窗(1)是外殼(12)上部的固定開口，位于外殼(12)的頂部一側，測量中通過操作窗(1)進行樣品盒(2)的取放；樣品盒(2)用于容納樣品，置于托架(3)上；托架(3)固定在導軌(4)的滑動平臺上，導軌(4)固定在容器外殼內壁的一側，起移動和支撐的作用；電機(5)位于導軌(4)的一側，用于驅動導軌(4)，實現托架(3)的水平方向移動；光纖探頭(6)固定在測量區域，位于樣品盒下方，用于發出光譜信號同時對反射光譜進行采集；固定架(7)的一端固定在外壁，另一端固定夾持光纖探頭(6)和收發光纖線；光源單元(8)的一端與控制單元(10)連接，另一端與發射光纖線連接，由控制單元(10)控制光源單元(8)發送光譜信號至光纖探頭(6)；光譜檢測單元(9)的一端與控制單元(10)連接，另一端與接收光纖線連接，光譜檢測單元(9)接收光纖探頭采集的近紅外光反射信號，并進行光電轉換處理后，生成相應的光譜數據回傳至控制單元(10)；所述控制單元(10)與電機(5)及上位機單元(11)相連接，用于接收上位機指令、控制光源單元(8)及光譜檢測單元(9)的光譜發射和接收、控制電機(5)的轉動；所述上位機單元(11)讀取光譜數據，進行運算處理，得到測量結果。
2.如權利要求1所述的一種基于近紅外光譜分析的糧食品質檢測裝置...
【專利技術屬性】
技術研發人員：李陳孝，于佳桐，趙慶龍，張浩，樊常樂，孫雪萌，王柞棋，
申請(專利權)人：吉林農業大學，
類型：發明
國別省市：
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