CN103940766B - 农产品组织光学特性检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种农产品组织光学特性检测装置。包括光源切换装置、U形样品夹、积分球和光谱仪；光源切换装置、U形样品夹和积分球同轴安装，积分球的检测口的转接球盖通过检测光纤与光谱仪连接，光谱仪与计算机相连，光源切换装置中的步进电机与控制系统连接。本发明控制系统控制光源切换装置在多个光源之间自由切换，使用积分球与光谱仪采集农产品样品的光谱数据，将得到的数据输入计算得到农产品组织的光学特性参数。基于单片机的控制系统控制光源切换装置在多个光源之间自由切换，通过多个光源之间的互补，在整个连续检测波长范围内光束都有较高的能量密度，能够满足检测的需求，可以获取更宽的连续波长范围内的农产品组织光学特性参数。
Description
技术领域
本发明涉及光学特性检测装置，尤其涉及一种农产品组织光学特性检测装置。
背景技术
光谱分析技术在农产品品质分析领域的应用已经十分广泛,考虑到农产品形态的多样性和结构的复杂性给定量分析带来的不便,目前它所采用的分析方法多为统计建模,即通过扫描大量样品光谱来建立样品浓度和吸光度之间的相关模型,进而预测未知样品的浓度信息。
Cheong等人在1990年总结了一份测量生物组织光学参数的清单,其中列举了大量的生物组织光学参数测量结果及其相应的测量方法,为后续的研究工作提供了丰富的参考；然而,这些研究的对象大多集中在人体组织或者动物组织,对于农产品生物组织来说目前较少见到相应的报道。所以,我们对农产品生物组织光学参数的检测研究就显得十分重要。
可用于农产品组织光学特性检测的方法主要有：基于连续光源的空间分辨技术和积分球技术。基于连续光源的空间分辨技术采用在适当的组织表面范围内通过光纤或CCD检测器获取漫射光分布的变化情况，然后通过非线性拟合算法推算出组织的光学参数。实用于对农产品的快速无损检测。积分球技术相较空间分辨漫反射技术具有更高的精度，积分球技术包括单积分球和双积分球。
双积分球检测样品时，能同时得到漫反射率Rd、漫透射率Td和准直透射率Tc，通过计算得到样品的光学特性参数。单积分球检测样品时，分步得到漫反射率Rd、漫透射率Td和准直透射率Tc。通过计算得到样品的光学特性参数。
上述两种技术在检测样品的光学特性参数时，光源通常采用激光器，已有激光器的波长数较少，无法获得连续的波长范围内的农产品样品的光学特性参数，如使用单个的连续光源，则由于光源能谱密度的限制，在检测波长范围较宽时，在特定波长范围内的能量密度较小，无法满足检测的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种农产品组织光学特性检测装置，检测光源可在多个光源之间自由切换，通过多个光源之间的互补，在整个连续检测波长范围内光束都有较高的能量密度，能够满足检测的需求，以获取更宽的连续波长范围内的农产品组织光学特性参数。
本发明的技术方案如下：
本发明包括光源装置、U形样品夹、积分球和光谱仪，光源装置、U形样品夹和积分球同轴安装，积分球的检测口的转接球盖通过检测光纤与光谱仪连接，光谱仪与计算机相连；所述的光源装置为光源切换装置，包括步进电机、弹性联轴器、丝杆、滑台、光纤支座、挡板、通光孔、两根导向滑轨、底座和反射式光电开关；两根导向滑轨平行固定在底座上方的两侧，位于两根导向滑轨间的丝杆安装在底座上方，两根导向滑轨与丝杆平行，丝杆的一端通过弹性联轴器与步进电机转轴连接，滑台下底面与丝杆构成螺旋副，滑台下底面与两根导向滑轨构成滑动副，光纤支座固定在滑台上，光纤支座上表面水平且等距安装有多根光源光纤，多根光源光纤与丝杆相垂直，挡板安装在靠近积分球一侧的底座侧面，反射式光电开关固定在挡板上，与光源光纤中心同一水平面的挡板上设有通光孔，通光孔位于丝杆中点对应的位置上，通光孔中心、光源光纤中心与U形样品夹中心位于同一个平面，步进电机与控制系统连接。
所述的控制系统：包括单片机、显示屏、键盘、电机驱动器；显示屏、键盘、反射式光电开关与单片机相连接，单片机通过电机驱动器与步进电机相连。
当测量样品组织总漫反射时，所述U形样品夹紧贴在远离光源切换装置的积分球一侧的样品口侧面。
当测量样品组织总透射时，所述U形样品夹紧贴在靠近光源切换装置的积分球一侧的样品口侧面。
当测量样品组织准直透射时，所述U形样品夹位于光源切换装置和积分球之间。
所述U形样品夹的正反两面中心位置各有一个圆孔，其中一面设有螺孔，U形样品夹的底部设有螺孔。
本发明的有益效果是：
采用基于单片机的控制系统控制光源切换装置在多个光源之间自由切换，通过多个光源之间的互补，在整个连续检测波长范围内光束都有较高的能量密度，能够满足检测的需求，可以获取更宽的连续波长范围内的农产品组织光学特性参数。
附图说明
图1是本发明的结构立体图。
图2是图1光源切换装置结构斜视图。
图3是本发明积分球-U形样品夹-光源切换装置的局部剖面图。
图4是U形样品夹的主视图。
图5是图4的左视图。
图6是图4的俯视图。
图7是控制系统结构框图。
图8是系统工作流程图。
图9是测试总漫反射时的布置图。
图10是测试总透射时的布置图。
图11是测试准直透射时布置图。
图12是控制系统的电路图。
图中：1、控制系统，2、光源切换装置，3、U形样品夹，4、积分球，5、转换球盖，6、球盖，7、检测光纤，8、光谱仪，9、样品，101、电机驱动，102、单片机，103、显示屏，104、键盘，201、步进电机，202、弹性联轴器，203、丝杆，204、滑台，205、光纤支座，206、挡板，207、光源光纤，208、通光孔，209、导向滑轨，210、底座，211、反射式光电开关，301、圆孔，302、螺纹孔，901、石英片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，一种用于农产品组织光学特性检测的检测装置，包括控制系统1、光源切换装置2、U形样品夹3、积分球4、转接球盖5、球盖6、检测光纤7和光谱仪8，其中：光源切换装置2可连接外部的激光光源；积分球4的检测口装有转接球盖5，转接球盖5通过检测光纤7与光谱仪8连接，光谱仪8与计算机(未示出)相连。
如图2所示，光源切换装置2中包括步进电机201、弹性联轴器202、丝杆203、滑台204、光纤支座205、挡板206、通光孔208、导向滑轨209、底座210和反射式光电开关211；导向滑轨209固定在底座210的上方，丝杆203安装在底座210上方，并通过弹性联轴器202与步进电机201旋转轴连接，导向滑轨209与丝杆203平行，滑台204同时安装在导向滑轨209和丝杆203上，光纤支座205固定在滑台204上，光纤支座205上表面水平且等距地安装有多根光源光纤207，挡板206安装在光源光纤207上方，反射式光电开关211固定在挡板206上。
如图3所示，挡板206在光源光纤207同一水平面上并与丝杆203中点对应的位置上设有通光孔208，通光孔208中心、光源光纤207中心与U形样品夹3中心位于同一个平面。
如图4所示，U形样品夹3正反两面中心位置各有一个圆孔301。
如图5所示，样品9固定在U形样品夹3的U型槽内。
如图6所示，U形样品夹3通过U形样品夹3底部的螺孔302固定在光路上。
如图7、图12所示，控制系统1包括单片机102、显示屏103、键盘104、电机驱动器101，显示屏103、键盘104、反射式光电开关211与单片机102相连接，单片机102通过电机驱动器101与步进电机201相连。
如图8所示，本发明采用基于单片机的控制系统控制光源切换装置在多个光源之间自由切换，使用积分球采集农产品样品在不同光源照射下的总透射率、总漫反射率和准直透射率的光谱数据，将得到的数据输入IADxp-version-3-9-10程序进行计算(Prahl,S.,“EverythingIthinkyoushouldknowaboutInverseAdding-Doubling,”2011)得到当前农产品组织的光学特性参数:吸收系数μa光谱、散射系数μs光谱及各向异性因子g光谱。
如图9所示，当测量样品组织总漫反射时，所述U形样品夹3紧贴在远离光源切换装置2的积分球4一侧的样品口侧面。
如图10所示，当测量样品组织总透射时，所述U形样品夹3紧贴在靠近光源切换装置2的积分球4一侧的样品口侧面。
如图11所示，当测量样品组织准直透射时，所述U形样品夹3位于光源切换装置2和积分球4之间。
下面是一个实施例：
光谱仪采用MAYA2000PRO，积分球采用Lapsphere4P-GPS-040-SF，光纤光源和检测光纤采用QP1000-2-VIS-BX。
如图12所示，步进电机201采用两相四线制步进电机，相应地，电机驱动器101采用UNL2803。单片机102采用STC89C52。显示屏103采用1602型LCD显示屏。键盘104采用电阻R5，按键S1，按键S2、按键S3、按键S4和电容C4组成。反射式光电开关105采用RPR220。
下面结合图1～图11介绍本发明的操作过程。
将石英片901夹持的样品9放入U形样品夹3，如图9所示，装置按总漫反射模式放置。
1)按动S1按键、S2按键选择光纤数，按下S3按键启动装置；
2)单片机102产生驱动脉冲，通过电机驱动器101驱动步进电机201旋转，步进电机201驱动丝杆203带动滑台204及其上的光纤支架205从初始位置移动到光源光纤a207正对挡板206的通光孔208，此时反射式光电开关105触发，单片机103响应中断，步进电机201停止——光源光纤a207发出的光束穿过通光孔208，经过U形样品夹3的圆孔301后照射在样品9上，穿过样品9后的透射光在积分球4内部多次反射后通过连接在积分球4上的检测光纤7到达光谱仪8，记录该波段下的总漫反射率光谱Rd0；
3)单片机103中按程序预设值停留一段时间；
4)单片机102再次产生一定数量的驱动脉冲，通过电机驱动器101驱动步进电机201旋转，步进电机201驱动丝杆203带动滑台204及其上的光纤支架205移动，使下一根光源光纤b207正对挡板206的通光孔208，光源光纤b207发出的光束穿过通光孔208，经过U形样品夹3的圆孔301后照射在样品9上，穿过样品9后的透射光在积分球4内部多次反射后通过连接在积分球4上的检测光纤7到达光谱仪8，记录该波段下的总漫反射率光谱Rd1；
5)重复4)步骤，直到漫反射率光谱Rd2，Rd3……等全部得到；
6)按下S4按键，单片机102产生一定数量的反向驱动脉冲，驱动滑台204回到左边。
7)移动样品9，如图10所示，装置按总透射模式放置，重复步骤1)-5)，记录总透射率光谱Td0、Td1、Td2……。
8)如图11所示，装置按准直透射模式放置，过程同上述总漫反射率测量，获得并记录准直透射率光谱Tc0、Tc1、Tc2……。
9)得到的数据Rd0、Rd1、Rd2……，Td0、Td1、Td2……，Tc0、Tc1、Tc2……和相应的波长W0、W1、W2……代入IADxp-version-3-9-10程序进行计算：
①程序进行初始化，输入检测系统信息；
②输入得到的数据，数据的输入格式如下：
③程序计算后输出样品对应的光学特性参数：吸收系数μa0、μa1、μa2……，散射系数μs0、μs1、μs2……，各项异性系数g0、g1、g2……。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
Claims (6)
1.一种农产品组织光学特性检测装置，包括光源装置、U形样品夹（3）、积分球（4）和光谱仪（8）；光源装置、U形样品夹（3）和积分球（4）同轴安装，积分球（4）的检测口的转接球盖（5）通过检测光纤（7）与光谱仪（8）连接，光谱仪（8）与计算机相连；其特征在于：所述的光源装置为光源切换装置（2），包括步进电机（201）、弹性联轴器（202）、丝杆（203）、滑台（204）、光纤支座（205）、挡板（206）、通光孔（208）、两根导向滑轨（209）、底座（210）和反射式光电开关（211）；两根导向滑轨（209）平行固定在底座（210）上方的两侧，位于两根导向滑轨（209）间的丝杆（203）安装在底座（210）上方，两根导向滑轨（209）与丝杆（203）平行，丝杆（203）的一端通过弹性联轴器（202）与步进电机（201）转轴连接，滑台（204）下底面与丝杆（203）构成螺旋副，滑台（204）下底面与两根导向滑轨（209）构成滑动副，光纤支座（205）固定在滑台（204）上，光纤支座（205）上表面水平且等距安装有多根光源光纤（207），多根光源光纤（207）与丝杆（203）相垂直，挡板（206）安装在靠近积分球（4）一侧的底座（210）侧面，反射式光电开关（211）固定在挡板（206）上，与光源光纤（207）中心同一水平面的挡板（206）上设有通光孔（208），通光孔（208）位于丝杆（203）中点对应的位置上，通光孔（208）中心、光源光纤（207）中心与U形样品夹（3）中心位于同一个平面，步进电机（201）与控制系统（1）连接。
2.根据权利要求1所述的一种农产品组织光学特性检测装置，其特征在于，所述的控制系统（1）：包括单片机（102）、显示屏（103）、键盘（104）、电机驱动器（101）；显示屏（103）、键盘（104）、反射式光电开关（211）与单片机（102）相连接，单片机（102）通过电机驱动器（101）与步进电机（201）相连。
3.根据权利要求1所述的一种农产品组织光学特性检测装置，其特征在于，当测量样品组织总漫反射时，所述U形样品夹（3）紧贴在远离光源切换装置（2）的积分球（4）一侧的样品口侧面。
4.根据权利要求1所述的一种农产品组织光学特性检测装置，其特征在于，当测量样品组织总透射时，所述U形样品夹（3）紧贴在靠近光源切换装置（2）的积分球（4）一侧的样品口侧面。
5.根据权利要求1所述的一种农产品组织光学特性检测装置，其特征在于，当测量样品组织准直透射时，所述U形样品夹（3）位于光源切换装置（2）和积分球（4）之间。
6.根据权利要求1所述的一种农产品组织光学特性检测装置，其特征在于，所述U形样品夹（3）的正反两面中心位置各有一个圆孔（301），其中一面设有螺孔，U形样品夹（3）的底部设有螺孔（302）。
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