CN103425091A - 单粒油菜籽品质的近红外光谱在线无损检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于农业检测设备和检测方法技术领域，公开了一种单粒油菜籽品质的近红外光谱在线无损检测方法及装置。其包括光谱信号采集光纤、光谱采集控制光电传感器、单粒取样装置、近红外光谱仪、入射光纤、光源、电机、负压管道、正压管道、正负压风机、计算机。根据要求检测的油菜籽品质指标，在线采集单粒油菜籽样品的光谱信息及对单粒油菜籽待检测品质进行理化测试，建立光谱信息的单粒油菜籽品质检测模型；在线检测时，自动采集待测单粒油菜籽样品的光谱信息，利用单粒油菜籽品质检测模型，对待测样品的待检测指标实时在线无损检测。本发明利用油菜籽的光学特性，结合气力式自动化单粒取样方法，实现单粒油菜籽品质的自动化在线检测。

Description

单粒油菜籽品质的近红外光谱在线无损检测方法与装置

技术领域

本发明属于农业检测设备和检测方法领域，具体涉及粮油作物籽粒品质在线检测的方法及其专用装置，与近红外光谱无损检测领域相关。

背景技术

我国是世界油菜主产国之一，2001～2010年平均种植面积约690万公顷，油菜籽总产量约1200万吨，占世界总量的30%左右。油菜籽中包含芥酸、亚麻酸、油酸、亚油酸、蛋白质、硫苷等成分，是我主要国食用植物油、饲料用植物蛋白饼粕来源；也是生物柴油，工业、医药用油脂的重要来源。

不同品种的油菜籽成分含量差别较大，同一品种的油菜受生长环境的影响，成分也不一致。不同用途对油菜籽的要求也不同：用于食用油榨取时，要求芥酸、亚麻酸等饱和脂肪酸含量低，保证食用营养价值与健康；用于工业油脂制备时，要求芥酸含量高；饲料用菜籽饼粕要求蛋白质含量高、硫苷含量低。油菜籽采收过程中会出现未熟、霉变（生霉）和热损伤的不完善粒及其它杂质。籽粒水分大或未成熟粒多会导致贮藏期间发生霉变，含油率、含水率的不同，对贮藏时的温度、相对湿度、堆放高度等要求也不同。因此实际生产中需要实施油菜种子和原料质量控制，最大化油菜种植和加工经济效益。

农作物种子和原料质量控制须以其单籽粒的品质为基础，因此需要准确、快速、便捷、适用的单粒油菜籽品质检测技术与装备，为实施品质控制提供技术支撑。油菜籽的品质包括涉及内部成分的含油量、各种饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸、硫苷、蛋白质和水分含量，以及发芽、霉变、未熟和热损伤的不完善籽粒率及含杂率等多个指标。其中生霉、未熟和热损伤的不完善籽粒率及含杂率通常是人工筛选视检；内部成分检测方法是通过化学方法采用手工、自动半自动化仪器对油菜籽的含油量、水分、蛋白质含量等品质特性进行检测，或借助大型仪器设备，如气相色谱仪、液相色谱仪、高效液相色谱仪等对油菜籽的脂肪酸组分、硫苷含量进行分析测定。这类检测方法过程复杂耗时、劳动量大、成本高，多属于破坏性检测，不适用于实际生产中油菜籽品质控制。因此实施快速、便捷、适用和先进的单粒油菜籽品质检测对实际生产中实施精准全面的油菜种子和原料质量控制，最大化油菜生产经济效益具有重要的理论价值和现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单粒油菜籽品质的近红外光谱在线无损检测方法与装置。通过在线采集单粒油菜籽样品的光谱信息，根据要求检测的油菜籽品质指标离线对已采光谱的各单粒油菜籽样品进行待检测品质的理化分析测试，利用采集的单粒油菜籽光谱和已测定的油菜籽粒的品质指标理化参考值，通过化学计量学方法建立基于光谱信息的单粒油菜籽品质检测模型，对待测样品的待检测指标进行实时在线无损检测。

本发明的技术方案如下：

一种单粒油菜籽品质的近红外光谱在线无损检测方法，其步骤如下：

1)离线建立品质检测模型：

在线采集单粒油菜籽样品的光谱信息，根据要求检测的油菜籽品质指标，离线对已采光谱的单粒油菜籽样品进行分析测试，获得其品质指标参考值，利用采集的单粒油菜籽光谱和测定的对应油菜籽粒品质指标理化参考值，通过化学计量学方法，建立基于光谱信息的单粒油菜籽品质检测模型；

2)在线检测：

在线检测时，自动采集待测单粒油菜籽样品的光谱信息，利用离线建立的单粒油菜籽品质检测模型，对待测样品的待检测指标进行实时在线无损检测。

所述的在线采集单粒油菜籽的光谱信息后，经过消噪、校正、微分预处理（陆婉珍，《现代近红外光谱分析技术》，中国石化出版社，北京，2007版）后，通过特征波长选择、主因子分析，提取表征单粒油菜籽品质的有效光谱信息（陆婉珍，《现代近红外光谱分析技术》，中国石化出版社，北京，2007版）进行单粒油菜籽品质的定量与定性无损检测。

申请人研制了一种实施上述的单粒油菜籽品质的近红外光谱在线无损检测方法的专用装置，该装置包括光谱信号采集光纤1、光谱采集控制光电传感器2、单粒取样装置3、近红外光谱仪4、入射光纤5、光源6、电机7、负压管道8、正压管道9、正负压风机10和计算机11，所述的正负压风机10通过负压管道8和正压管道9与单粒取样装置3相连，电机7与单粒取样装置3通过取样器轴16连接，入射光纤5将光源6传递至单粒取样装置3中，光谱采集控制光电传感器2固定在单粒取样装置3上，检测到样品后，发送信号给近红外光谱仪4，近红外光谱仪4采集经光谱信号采集光纤1传输的样品光谱信息发送给计算机11。

所述的单粒取样装置3中的正负压气室12通过负压孔13和正压孔17分别与负压管道8、正压管道9连通，取样圆盘18圆周均布取样型孔19，取样型孔19外对应布置光谱采集控制窗20，取样圆盘18固定在取样器轴16上，其由电机7带动，取样器样品仓21与正负压气室12固定扣合且由取样圆盘18在内部隔离，其上对应布置有光纤固定孔14和光电传感器固定孔15。

本发明专利的有益效果是：

本发明根据油菜籽粒的光谱特性，有机结合气力式自动化单粒取样方法，实现单粒油菜籽品质的自动化在线检测。本发明用于油菜育种过程中良种的培育、油菜种子的精选、收贮加工过程中原料的抽检，辅助或替代专业检测人员与传统检测方法，提高检测效率，降低品质检测与质量控制的工作量，实现生产中精准全面的油菜种子和原料质量控制实施，最大化油菜生产经济效益。

附图说明

图1：是本发明检测装置总体结构示意图。

图2：是本发明检测装置中的单粒取样装置结构示意图。

图中标记定义如下：

1.光谱信号传输光纤；2.光谱采集控制光电传感器；3.单粒取样装置；4.近红外光谱仪；5.入射光纤；6.光源；7.电机；8.负压管道；9.正压管道；10.正负压风机；11.计算机；12.取样器气压室；13.负压气孔；14.光纤探头固定孔；15.光电传感器固定孔；16.取样器转动轴；17.正压气孔；18.取样圆盘；19.取样型孔；20.光谱采集控制信号窗；21.取样器样品仓。

具体实施方式

实施例1  组装实施例

由图1至图2，申请人组装设计了一种单粒油菜籽品质的近红外光谱在线无损检测专用装置，该装置包括光谱信号采集光纤1、光谱采集控制光电传感器2、单粒取样装置3、近红外光谱仪4、入射光纤5、光源6、电机7、负压管道8、正压管道9、正负压风机10和计算机11，所述的正负压风机10通过负压管道8和正压管道9与单粒取样装置3相连，电机7与单粒取样装置3通过取样器轴16连接，入射光纤5将光源6传递至单粒取样装置3中，光谱采集控制光电传感器2固定在单粒取样装置3上，检测到样品后，发送信号给近红外光谱仪4，近红外光谱仪4采集经光谱信号采集光纤1传输的样品光谱信息发送给计算机11。

所述的单粒取样装置3中的正负压气室12通过负压孔13和正压孔17分别与负压管道8、正压管道9连通，取样圆盘18圆周均布取样型孔19，取样型孔19外对应布置光谱采集控制窗20，取样圆盘18固定在取样器轴16上，其由电机7带动，取样器样品仓21与正负压气室12固定扣合且由取样圆盘18在内部隔离，其上对应布置有光纤固定孔14和光电传感器固定孔15。

实施例2  本发明在鉴别不完善油菜籽粒中的应用

本发明的具体设计参照“发明内容”以及“附图说明”所述，下面以单粒油菜籽不完善粒（包括生霉、未熟、热损伤的籽粒）在线检测为具体实施方式，对本发明的实施方式进一步说明。

由图1至图2所示：单粒油菜籽不完善粒检测时，选择有代表性的不完善籽粒（包括生霉、未熟、热损伤的籽粒）和正常籽粒样品，组成建模样品集。将建模用的样品籽粒放入取样圆盘18的一侧取样器样品仓21中，落在取样器样品仓的下部，取样圆盘18另一侧的取样器气室12中开有负压气孔13的部分与负压管道8连通，在正负压风机10作用下形成负压区，在取样型孔19处形成负压，吸附取样器样品仓21中的籽粒样品，取样型孔19小于油菜籽粒的最小直径，因此籽粒样品被单粒的吸附在取样圆盘的下方取样型孔19处，随取样器转动轴16由电机7驱动，回转运动至上方。光源6发射出的近红外光由入射光纤5传导至光纤探头固定孔14对应的取样圆盘18上的取样型孔区域19，形成光谱采集区域。当通过负压吸附携带了样品籽粒的取样型孔19回转至光谱采集区域时，固定在光电传感器固定孔14上的光谱采集控制光电传感器2检测到取样圆盘18上对应于附携样品籽粒的取样型孔19的光谱采集控制信号窗20，发送型号给近红外光谱仪4，经红外光谱仪4采集由光谱信号传输光纤1传导的透射过取样型孔19上样品籽粒的光谱信息，传送给计算机11存储。取样器气室12中开有正压气孔17的部分与正压管道9连通，在正负压风机10作用下形成正压区，采集光谱信息后的籽粒继续在负压作用下随取样圆盘18作回转运动，进入正压区，取样型孔19上样品籽粒的负压吸附力消失，籽粒在正压吹力和重力的作用下，脱粒取样型孔区，完成单个籽粒的一个自动取样、光谱采集及卸样周期。取样器样品仓21中的样品籽粒经过上述周期的循环，即完成了建模样品集的光谱信息采集。

每一粒已采集光谱信息的样品通过人工辨识，确定其品质类别参考值（生霉、未熟、热损伤的不完善粒或正常籽粒）。采集的建模样品集籽粒光谱信息，经过消噪、校正、微分预处理（陆婉珍，《现代近红外光谱分析技术》，中国石化出版社，北京，2007版）后，通过特征波长选择、主因子分析，提取表征单粒油菜籽品质的有效光谱信息，与对应籽粒的类别参考值相结合，采用有监督的模式识别方法，包括偏最小二乘判别法、支持向量机判别法、人工神经网络判别法，建立基于光谱信息单粒油菜籽不完善粒定性判别模型（陆婉珍，《现代近红外光谱分析技术》，中国石化出版社，北京，2007版））；用于在线检测时，待检测样品光谱同上述建模样品的自动采集与预处理过程，将经过预处理的样品光谱信息带入建立的不完善粒定性判别模型中，在线判定样品籽粒是不完善粒（生霉、未熟、热损伤），还是正常籽粒，并能对待检测样品集合的不完善粒品质指标进行统计。

Claims (4)

1.一种单粒油菜籽品质的近红外光谱在线无损检测方法，其特征在于：

1)离线建立品质检测模型：

在线采集单粒油菜籽样品的光谱信息，根据要求检测的油菜籽品质指标，离线对已采光谱的单粒油菜籽样品进行分析测试，获得其品质指标参考值，利用采集的单粒油菜籽光谱和测定的对应油菜籽粒品质指标理化参考值，通过化学计量学方法，建立基于光谱信息的单粒油菜籽品质检测模型；

2)在线检测：

在线检测时，自动采集待测单粒油菜籽样品的光谱信息，利用离线建立的单粒油菜籽品质检测模型，对待测样品的待检测指标进行实时在线无损检测。

2.如权利要求1所述的单粒油菜籽品质的近红外光谱在线无损检测方法，其特征在于，所述的在线采集单粒油菜籽的光谱信息后，经过消噪、校正、微分预处理后，通过特征波长选择、主因子分析，提取表征单粒油菜籽品质的有效光谱信息进行单粒油菜籽品质的定量与定性无损检测。

3.如权利要求1所述的单粒油菜籽品质的近红外光谱在线无损检测方法的专用装置，其特征在于：该装置包括光谱信号采集光纤（1）、光谱采集控制光电传感器（2）、单粒取样装置（3）、近红外光谱仪（4）、入射光纤（5）、光源（6）、电机（7）、负压管道（8）、正压管道（9）、正负压风机（10）和计算机（11），所述的正负压风机（10）通过负压管道（8）和正压管道（9）与单粒取样装置（3）相连，电机（7）与单粒取样装置（3）通过取样器轴（16）连接，入射光纤（5）将光源（6）传递至单粒取样装置（3）中，光谱采集控制光电传感器（2）固定在单粒取样装置（3）上，检测到样品后，发送信号给近红外光谱仪（4），近红外光谱仪（4）采集经光谱信号采集光纤（1）传输的样品光谱信息发送给计算机（11）。

4.如权利要求3所述的单粒油菜籽品质的近红外光谱在线无损检测方法的专用装置，其特征在于：所述的单粒取样装置（3）中的正负压气室（12）通过负压孔（13）和正压孔（17）分别与负压管道（8）、正压管道（9）连通，取样圆盘（18）圆周均布取样型孔（19），取样型孔（19）外对应布置光谱采集控制窗（20），取样圆盘（18）固定在取样器轴（16）上，其由电机（7）带动，取样器样品仓（21）与正负压气室（12）固定扣合且由取样圆盘（18）在内部隔离，其上对应布置有光纤固定孔（14）和光电传感器固定孔（15）。