CN101055245A - 便携式大豆品质检测近红外光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于大豆品质现场检测的便携式近红外光谱分析仪，由光源、采样系统、分光系统、信号采集、单片机和上位机组成。由光源发出的复合光经对样品漫透射后，由分光系统分光得到指定波段的近红外单色光线照到阵列式传感器上，转变为对应的电信号，经数模转换器转换为数字信号，通过USB口传输到上位机。根据样品的检测信号得出样品的吸光度光谱数据，并显示其光谱图，根据光谱数据分析出大豆样品组份。旋转样品池的设计，对同一样品在不同角度测量其漫透射的光谱信号，消除样品装载不均匀引起的测量误差，提高了样品近红外光谱检测的速度和数据的准确度，不需要对样品进行预处理，解决了大豆及其它粮食作物品质现场检测分析难的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于现场粮食检测的装置，尤其适用于现场检测大豆品质的近红外光谱分析仪器。
背景技术
大豆及其产品的品质分析对指导大豆主产区优质生产及深加工利用、提高大豆产品的市场竞争力具有重大意义。现有的品质检测方法预处理过程繁琐、检测时间长，长期以来，由于传统分析技术的局限性，按质论价的农产品原料收购体系一直没有得到较好的解决。无法满足随进、随验、随储的要求。在收购大豆时，只凭大豆色泽、气味、杂质含量确定大豆等级，对大豆的蛋白质、脂肪、水分、含油量等品质无法进行现场测定、按质论价。因此，如何现场快速对大豆品质进行测定是我们迫切需要解决的问题，这对农产品质量检测技术和方法提出了新的要求。
近红外光谱(NIRS：Near Infrared Spectra)分析技术作为一种快速、无损、多组分同时检测的绿色分析技术，可以满足大豆产品品质现场检测的要求。中国农业大学应用化学学院采用美国Perkin Elmer公司SPECTRUM ONE NTS傅里叶变换近红外光谱仪，农业部谷物及制品质量监督检验测试中心和南京农业大学国家大豆改良中心均采用丹麦Foss公司的Infratec1255/型近红外光谱仪测得谱图，经过数据处理、建模分析大豆的水分、蛋白质、油分的含量。SPECTRUM ONENTS傅里叶变换近红外光谱仪采用机械转动式、双动镜干涉仪作分光器，积分球漫反射采样，InGaAs检测器；Infratec1255型近红外光谱仪采用全息光栅扫描分光、Si材料检测器、固定样品池透射采样，尺寸为500×570×375mm、重量31kg。二者均为实验室仪器，体积、重量大，采样位置固定，无法消除由于样品装载不均匀产生的测量误差。由于不能在现场实时检测，效率低，成本高。
CN03127633.4公开的《便携式近红外矿物分析仪》是通过光调制器调节入射光，反射镜和光路设置在积分球内，工艺复杂，加工难度较大，仅限于含有氢氧根的矿物分析，不能用于粮食作物的检测。CN200720093240.6公开的《乙醇汽油光纤光电分析仪》是在《便携式近红外矿物分析仪》的基础上，通过光纤探头测试乙醇汽油的组成成份及其含量，由于所采用的是光纤探头，也不能用于粮食作物的检测。
发明内容
本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种适于现场检测，方便快捷的便携式大豆品质检测近红外光谱仪。
本发明的目的是通过以下方式实现的：
光谱仪1是由外壳16内通过支架固定有光源系统3、采样系统4和分光系统5，分光系统5左侧壁靠近采样系统4设有狭缝11，外壳16左内壁上部装有电源8和单片机7。
本发明的目的还可以通过以下方式实现：
分光系统5内通过支架在左上角固定装有光栅13，下部装有球面反射镜14，右侧装有球面反射镜12，上部装有信号采集模块6和CCD传感器15；光源系统3是由卤钨灯24和透镜25构成；采样系统4是在旋转样品池9的下部装有步进电机10；光源系统3、透镜25、狭缝11与球面反射镜12的中心点在同一直线上；球面反射镜12和14的光轴与光栅13的中心法线对称。
有益效果：旋转样品池的设计，从而对同一样品在不同角度测量其漫透射的光谱信号，消除样品装载不均匀引起的测量误差，提高了样品近红外光谱检测的速度和数据的准确度，不需要对样品进行预处理，解决了大豆及其它粮食作物品质现场检测分析难的问题。
附图说明
附图1便携式大豆品质检测近红外光谱仪主视图
附图2为附图1中4的结构图
附图3是信号采集系统原理框图
1光谱仪，2上位机，3光源系统，4采样系统，5分光系统，6信号采集模块，7单片机，8电源，9旋转样品池，10步进电机，11入射狭缝，12、14球面反射镜，13光栅，15CCD传感器，16外壳，17时序控制模块，19信号放大处理模块，20数模转换模块，21数据缓存模块，22电源插口，23电源开关，24卤钨灯，25透镜
具体实施方式
便携式大豆品质检测近红外光谱仪是由光谱仪1和上位机2两部分构成。光谱仪1是在外壳16内通过支架固定有光源系统3、采样系统4和分光系统5，光源系统3的右侧装有透镜25，分光系统5左侧壁靠近采样系统4设有狭缝11，外壳16内左内壁上部装有电源8和单片机7。采样系统4是在旋转样品池9的下部装有步进电机10；分光系统5内通过支架在右上角固定装有光栅13，下部装有球面反射镜14，右侧装有球面反射镜12；分光系统5上部装有信号采集模块6和CCD传感器15，光源系统3、透镜25、狭缝11与球面反射镜12的中心点在同一直线上；球面反射镜12和14的光轴与光栅13的中心法线对称。构成用于固体样品的漫透射测量装置。
将大豆样品置于旋转样品池4中，光源系统3发出的复合光经样品漫透射后进入分光系统5，单片机7根据用户设置的采样次数N，控制步进电机10转动带动旋转样品池9依次转动相应的角度360°/N，同时信号采集模块6采样并上传给上位机2。取N次数据的平均值作为样品的检测信号，从而消除大豆样品装载不均匀引起的测量误差。上位机2根据样品、空白以及背景的检测信号得出样品的吸光度光谱数据，并显示其光谱图，通过分析模块分析出大豆样品成份。
空白检测信号是将旋转样品池9置空，光源系统3发出的复合光经过空旋转样品池9后进入分光系统5，信号采集模块6采样所获信号即为空白检测信号。
背景检测信号是将分光系统5的入射狭缝11遮住，外界光线不进入分光系统5，信号采集模块6采样所获信号即为背景检测信号。
单片机7采用了集成USB2.0控制器的单片机，固定于仪器外壳16的底板上，控制时序控制模块17、信号放大处理模块19、数模转换20、数据缓存21等模块以及步进电机10产生的控制信号，通过数据或控制线与它们相连，通过USB接口与上位机2进行指令和数据通讯。
电源8固定于仪器外壳16的左侧壁上，电源8可以是交流电也可以蓄电池，经DA-DA模块将稳压电源转换为直流24V，用电源线与各系统相连，为光源系统3、信号采集6和单片机7提供所需的电压，通过电源插口22串联开关23与外电源连接，由开关按钮控制仪器电源的通断。
由光源系统3发出的复合光漫透射旋转样品池9中的大豆样品后经狭缝11射入分光系统5分光得到指定波段的近红外单色光线，在CCD传感器15接收表面形成一系列按波长大小顺序排列的700-1100nm的单色光谱线，由信号采集6进行光电转换后送入单片机7，信号采集6由时序控制模块17、CCD传感器15、信号放大处理19、数模转换20、数据存储21模块组成。时序控制模块17产生CCD驱动信号、A/D转换信号、数据存储模块21的写入信号。CCD15产生的电信号经时序控制模块17驱动后输出，由信号放大处理模块19进行放大处理后经模数转换模块20进入数据缓存模块21缓存后，通过USB口传输到上位机2。
单片机7控制步进电机10带动旋转样品池9转动，从而对同一样品在不同角度测量其漫透射的光谱信号，取其平均值作为样品的检测信号，以消除大豆样品装载不均匀引起的测量误差。上位机2根据样品、空白以及背景的检测信号得出样品的吸光度光谱数据，并显示其光谱图，分析出大豆样品成份。
Claims (6)
1、一种用于现场检测的便携式大豆品质检测近红外光谱仪，包括上位机和光谱仪，其特征在于，光谱仪(1)是由外壳(16)内通过支架固定有光源系统(3)、采样系统(4)和分光系统(5)，分光系统(5)的左侧壁靠近采样系统(4)设有狭缝(11)，外壳(16)左内壁上部装有电源(8)和单片机(7)。
2、按照权利要求1所述的便携式大豆品质检测近红外光谱仪，其特征在于，分光系统(5)内通过支架在左上角固定装有光栅(13)，下部装有球面反射镜(14)，右侧装有球面反射镜(12)，上部装有信号采集模块(6)和CCD传感器(15)。
3、按照权利要求1所述的便携式大豆品质检测近红外光谱仪，其特征在于，光源系统(3)是由卤钨灯(24)和透镜(25)构成。
4、按照权利要求1所述的便携式大豆品质检测近红外光谱仪，其特征在于，采样系统(4)是在旋转样品池(9)的下部装有步进电机(10)。
5、按照权利要求1所述的便携式大豆品质检测近红外光谱仪，其特征在于，光源(3)、透镜(25)、狭缝(11)与球面反射镜(12)的中心点在同一直线上。
6、按照权利要求1所述的便携式大豆品质检测近红外光谱仪，其特征在于，球面反射镜(12)和(14)的光轴与光栅(13)的中心法线对称。
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