CN104677845B - 基于积分球的农产品组织光学特性自动检测装置 - Google Patents
基于积分球的农产品组织光学特性自动检测装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于积分球的农产品组织光学特性自动检测装置。包括光源、中性密度滤光片、积分球、自动样品台、自动附件台、运动控制箱、光谱仪和上位机PC；光源、中性密度滤光片、积分球和自动附件台同轴安装，积分球检测口的转接球盖通过检测光纤与光谱仪连接，光谱仪与计算机连接。本发明采用基于单片机和PLC的控制系统来控制样品自动运动，可在单积分球与双积分球之间自由转换，配合自己编写的上位机软件自动完成不同厚度样品上不同位置的光学特性参数的采集，从而大大简化基于积分球系统的光学特性检测装置的检测流程，在保证精度的同时大大提高了农产品组织光学特性的检测速度。
Description
技术领域
本发明涉及了一种光学特性检测装置，尤其涉及了一种基于积分球的农产品组织光学特性自动检测装置。
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。
在已授权专利一种农产品组织光学特性检测装置CN201420229142.0中，我们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。解决了连续的波长范围内的农产品样品的光学特性参数的测量问题。但是无论是单积分技术还是双积分技术在检测样品的光学特性参数时，多采用手动放置样品，样品放置过程中操作比较繁琐且容易触动光学光路影响测量的稳定性，特别是单积分球系统，在测试过程中需要改变光路的布置，安装拆卸积分球盖，增加了测试过程中受到人为因素干扰的可能性，且测量过程比较耗时，不适合大样本的测量。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于积分球的农产品组织光学特性自动检测装置，检测装置可根据需求在单积分球与双积分球之间转换，自动完成不同厚度样品的反射率与透射率的检测，对于每个样品可以根据不同需要进行多点检测，并自动保存检测数据，从而大大简化基于积分球系统的光学特性检测装置的检测流程，在保证精度的同时大大提高了农产品组织光学特性的检测速度。
本发明的技术方案如下：
本发明包括光源、中性密度滤光片、第一积分球、自动样品台、自动附件台、运动控制箱、光谱仪、上位机PC和检测光纤；光源、中性密度滤光片和第一积分球依次同轴安装，第一积分球检测口的转接球盖通过检测光纤与光谱仪连接，自动附件台和自动样品台分别与运动控制箱连接，光谱仪、运动控制箱均与上位机PC连接；自动样品台包括第一电动平移台、第二电动平移台、第一滑块、横向支板、样品支杆、比色皿夹、样品夹、参比夹、遮光板夹和遮光板夹支杆；第一电动平移台正交垂直安装在第二电动平移台上方，第一电动平移台底部与第二电动平移台的滑块固定连接；横向支板固定在第一电动平移台的第一滑块上，横向支板方向与第一电动平移台的第一滑块移动方向相同，样品夹、参比夹和遮光板夹依次固定安装横向支板上，遮光板固定在遮光板夹上。
所述的样品夹替换为比色皿夹。
所述自动检测装置工作于单积分球模式或者双积分球模式。
当所述自动检测装置工作于单积分球模式时，所述的自动附件台包括第三电动平移台、可升降支杆、积分球盖支架和积分球盖；积分球盖支架通过可升降支杆支撑连接在第三电动平移台的第二滑块上，积分球盖同轴粘接在积分球盖支架上，积分球盖与第一积分球同轴。
当所述自动检测装置工作于双积分球模式时，所述的自动附件台包括第三电动平移台、可升降支杆和第二积分球，第二积分球通过可升降支杆支撑连接在第三电动平移台的第二滑块上，第二积分球与第一积分球同轴。
所述的比色皿夹包括比色皿夹固定片和比色皿夹活动片，比色皿夹固定片一侧面设置有导槽，比色皿夹活动片中部嵌入导槽，导槽下侧的比色皿夹固定片侧面开有第二通孔，比色皿夹活动片侧面设有与第二通孔配合的第三通孔，比色皿夹固定片的第二通孔与比色皿夹活动片的第三通孔可调节地栓接。
所述的样品夹包括平行相对安装的样品夹固定片与样品夹活动片，样品夹固定片底部开有用于与样品支杆连接的螺孔，样品夹固定片和样品夹活动片的四角均开有相互配合的螺孔，样品夹固定片和样品夹活动片中心均开有一个圆孔。
所述的遮光板夹为U型夹，底部和侧面各设有一个螺孔。
所述的运动控制箱内装有第一电机驱动器、第二电机驱动器、第三电机驱动器、PLC和单片机；上位机PC经单片机与PLC连接，PLC分别与第一电机驱动器、第二电机驱动器、第三电机驱动器连接，第一电机驱动器与第一电动平移台连接进行驱动，第二电机驱动器与第二电动平移台连接进行驱动，第三电机驱动器与第三电动平移台连接进行驱动。
本发明的有益效果是：
本发明采用基于单片机和PLC的控制系统来控制样品自动运动，配合自己编写的上位机软件完成样品上不同位置的光学特性参数的自动采集，从而大大简化基于积分球系统的光学特性检测装置的检测流程，在保证精度的同时大大提高了农产品组织光学特性的检测速度。
附图说明
图1是本发明的单积分球模式结构立体图。
图2是本发明的双积分球模式结构立体图。
图3是自动样品台的结构立体图
图4是样品夹的立体图。
图5是比色皿夹的立体图。
图6是遮光板夹的立体图。
图7是遮光板夹的剖面图。
图8是自动附件台的结构立体图。
图9是第二积分球的立体图。
图10是运动控制箱结构框图。
图11是系统工作流程图。
图中：1、自动样品台，2、运动控制箱，3、上位机PC，4、光谱仪，5、检测光纤，6、自动附件台，7、第一积分球，8、中性密度滤光片，9、光源，101、第一电动平移台，102、第二电动平移台，103、横向支板，104、样品夹，104a、样品夹固定片，104b、样品夹活动片，105、参比夹，106、遮光板，107、遮光板夹，108、遮光板夹支杆，109、样品支杆，110、第一滑块，111、比色皿夹，111a、比色皿夹固定片，111b、比色皿夹活动片，111c、导槽，111d、第一通孔，111e、第二通孔，111f、第三通孔，201、单片机，202、PLC，203、第一电机驱动器，204、第二电机驱动器，205、第三电机驱动器，601、第三电动平移台，602、积分球盖支架，603、球盖，604、可升降支杆，605、第二滑块，606、第二积分球。
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和图2所示，本发明包括光源9、中性密度滤光片8、第一积分球7、自动样品台1、自动附件台6、运动控制箱2、光谱仪4、上位机PC3和检测光纤5；光源9、中性密度滤光片8和第一积分球7依次同轴安装，第一积分球7检测口的转接球盖通过检测光纤5与光谱仪4连接，自动附件台6和自动样品台1分别与运动控制箱2连接，光谱仪4、运动控制箱2均与上位机PC3连接。
如图3所示，自动样品台1包括第一电动平移台101、第二电动平移台102、第一滑块110、横向支板103、样品支杆109、比色皿夹111、样品夹104、参比夹105、遮光板夹107和遮光板夹支杆108；第一电动平移台101正交垂直安装在第二电动平移台102上方，第一电动平移台101底部与第二电动平移台102的滑块固定连接；横向支板103固定在第一电动平移台101的第一滑块110上，横向支板103方向与第一电动平移台101的第一滑块110移动方向相同，样品夹104、参比夹105和遮光板夹107依次固定安装横向支板103上，遮光板106固定在遮光板夹107上。样品夹104和参比夹105通过样品支杆109固定支撑在横向支板103上，遮光板夹107通过遮光板夹支杆108固定支撑在横向支板103上。
本发明的样品夹104替换为比色皿夹111。
本发明的自动检测装置工作于单积分球模式或者双积分球模式，积分球结构如图9所示。
如图1和图8所示，当所述自动检测装置工作于单积分球模式时，所述的自动附件台6包括第三电动平移台601、可升降支杆604、积分球盖支架602和积分球盖603；积分球盖支架602通过可升降支杆604支撑连接在第三电动平移台601的第二滑块605上，积分球盖603同轴粘接在积分球盖支架602上，积分球盖603与第一积分球7同轴。
如图2所示，当所述自动检测装置工作于双积分球模式时，所述的自动附件台6包括第三电动平移台601、可升降支杆604和第二积分球606，第二积分球606如图8所示，第二积分球606通过可升降支杆604支撑连接在第三电动平移台601的第二滑块605上，第二积分球606与第一积分球7同轴，第二积分球606通过检测光纤5与光谱仪4连接。
如图5所示，比色皿夹111包括比色皿夹固定片111a和比色皿夹活动片111b，比色皿夹固定片111a一侧面设置有导槽111c，比色皿夹活动片111b中部嵌入导槽111c，导槽111c下侧的比色皿夹固定片111a侧面开有第二通孔111e，比色皿夹活动片111b侧面设有与第二通孔111e配合的第三通孔111f，比色皿夹固定片111a的第二通孔111e与比色皿夹活动片111b的第三通孔111f可调节地栓接；比色皿夹固定片111a的底部有第一通孔111d，样品支杆109顶端连接套在第一通孔111d内。
如图4所示，样品夹104包括平行相对安装的样品夹固定片104a与样品夹活动片104b，样品夹固定片104a底部开有用于与样品支杆109连接的螺孔，样品夹固定片104a和样品夹活动片104b的四角均开有相互配合的螺孔，样品夹固定片104a和样品夹活动片104b中心均开有一个圆孔。
如图6和图7所示，遮光板夹107为U型夹，底部和侧面各设有一个螺孔。
如图10所示，运动控制箱2内装有第一电机驱动器203、第二电机驱动器204、第三电机驱动器205、PLC202和单片机201；上位机PC3经单片机201与PLC202连接，PLC202分别与第一电机驱动器203、第二电机驱动器204、第三电机驱动器205连接，第一电机驱动器203与第一电动平移台101连接进行驱动，第二电机驱动器204与第二电动平移台102连接进行驱动，第三电机驱动器205与第三电动平移台601连接进行驱动。
本发明采用基于单片机和PLC的控制系统控制样品自动运动，配合自己编写的上位机软件自动完成不同厚度样品上不同位置的透射率光谱和反射率光谱的采集，将得到的数据输入IAD xp-version-3-9-10程序进行计算(Prahl,S.,“Everything I think youshould know about Inverse Adding-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。
下面是一个实施例：
光谱仪采用QE65PRO，积分球采用Lapsphere 4P-GPS-040-SF，检测光纤采用QP1000-2-VIS-BX。电动平移台采用日本东方两相四线制步进电机(步距角1.8度)和IKO丝杆组合，相应地，电机驱动器采用雷赛科技DM422C。单片机采用STC89C516+。PLC采用三菱FX2N系列。电源采用台湾明纬电子直流电源。
下面结合图11介绍本发明的操作过程，将样品放入样品夹，实施中采用的样品是猕猴桃组织切片。
单积分球模式：
1)在上位机软件中选择单积分球模式，输入光谱仪参数，设置样品厚度与采点个数、采点间距，点击自动检测按钮，选择保存路径，点击确定启动装置；
2)上位机PC3通过串口向单片机201发送预设的位置信息，单片机201控制PLC202发出驱动脉冲，通过第三电机驱动器205驱动第三电动平移台601移动，带动积分球盖603移动至积分球7透射口，上位机PC3保存参比光谱
3)上位机PC3通过串口向单片机201发送预设的位置信息，单片机201控制PLC202发出驱动脉冲，通过第一电机驱动器203和第二电机驱动器204驱动第二电动平移台102和第三电动平移台601移动，带动遮光板106移动至入射口，挡住光源，上位机PC3保存暗场光谱；
4)上位机PC3通过串口向单片机201发送预设的位置信息，单片机201控制PLC202发出驱动脉冲，通过第一电机驱动器203和第二电机驱动器204驱动第一电动平移台101和第二电动平移台102移动，带动样品夹104移动至透射口，使光束刚好照射到样品夹104的第一个采样点，上位机PC保存第一个采样点透射光谱；
5)上位机PC3根据设置的采样间隔向单片机201发送位置信息，单片机201控制PLC202发出驱动脉冲，通过第一电机驱动器203驱动第一电动平移台101移动，带动样品夹104，使光束照射到样品夹104的第2个采样点，上位机PC3保存第二个采样点透射光谱；
6)重复步骤5)，直到采样点3、4……N的透射光谱全部采集，N为设置的采样点数；
7)上位机PC3通过串口向单片机201发送预设的位置信息，单片机201控制PLC202发出驱动脉冲，通过第三电机驱动器205驱动第三电动平移台601移动，带动积分球盖603离开积分球7反射口回到初始位置；
8)上位机PC3通过串口向单片机201发送预设的位置信息，单片机201控制PLC202发出驱动脉冲，通过第一电机驱动器203和第二电机驱动器204驱动第一电动平移台101和第二电动平移台102移动，带动样品夹104移动至积分球7的反射口，使光束刚好照射到样品的第1个采样点，上位机PC3保存第1个采样点反射光谱；
9)上位机根据设置的采样间隔向单片机201发送位置信息，单片机201控制PLC202发出驱动脉冲，通过第一电机驱动器203驱动第一电动平移台101移动，带动自动样品夹104，使光束照射到样品夹104的第2个采样点，上位机PC3保存第二个采样点反射光谱；
10)重复步骤9)，直到采样点3、4……N的反射光谱全部采集，N为设置的采样点数；
11)上位机PC3通过串口向单片机201发送预设的位置信息，单片机201控制PLC202发出驱动脉冲，通过第一电机驱动器203和第二电机驱动器204驱动第一电动平移台101和第二电动平移台102移动，带动样品夹104回到初始位置；
12)将得到的光谱数据代入IAD xp-version-3-9-10程序(Prahl,S.,“EverythingI think you should know about Inverse Adding-Doubling,”2011)得到当前农产品组织的光学特性参数:吸收系数μa0、μa1、μa2……，散射系数μs0、μs1、μs2……。
双积分球模式：
1)在上位机软件中选择双积分球模式，输入光谱仪参数，设置样品厚度与采点个数、采点间距，点击自动检测按钮，选择保存路径，点击确定启动装置；
2)上位机PC3保存透射参比光谱
3)上位机PC3通过串口向单片机201发送预设的位置信息，单片机201控制PLC202发出驱动脉冲，通过第一电机驱动器203和第二电机驱动器204驱动第二电动平移台102和第三电动平移台601移动，带动遮光板106移动至入射口，挡住光源，上位机PC3保存暗场光谱；
4)上位机PC3通过串口向单片机201发送预设的位置信息，单片机201控制PLC202发出驱动脉冲，通过第一电机驱动器203和第二电机驱动器204驱动第一电动平移台101和第二电动平移台102移动，第三电机驱动器205驱动第三电动平移台601移动，带动参比夹105移动至两球中间并与两球贴紧，使光束刚好照射到参比夹105中心点，上位机PC3保存反射参比光谱
5)上位机PC3通过串口向单片机201发送预设的位置信息，单片机201控制PLC202发出驱动脉冲，通过第一电机驱动器203和第二电机驱动器204驱动第一电动平移台101和第二电动平移台102移动，第三电机驱动器205驱动第三电动平移台601移动，带动样品夹104移动至两球中间并与两球贴紧，使光束照射到样品夹的第1、2、3……N个采样点，上位机保存N采样点透射光谱、反射光谱，N为设置的采样点数；
6)上位机PC3通过串口向单片机201发送预设的位置信息，单片机201控制PLC202发出驱动脉冲，通过第一电机驱动器203和第二电机驱动器204驱动第一电动平移台101和第二电动平移台102移动，第三电机驱动器205驱动第三电动平移台601移动，带动装置回到初始位置；
7)将得到的光谱数据代入IAD xp-version-3-9-10程序(Prahl,S.,“EverythingI think you should know about Inverse Adding-Doubling,”2011)得到当前农产品组织的光学特性参数:吸收系数μa0、μa1、μa2……，散射系数μs0、μs1、μs2……。
以5点采样为例，采用本系统对猕猴桃组织切片进行检测，与手动方式相比，测试速度由20-30分钟每片缩短为不到2分钟每片，测试速度大大提升，同时测试精度基本不变。
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 (9)
1.一种基于积分球的农产品组织光学特性自动检测装置，其特征在于：包括光源（9）、中性密度滤光片（8）、第一积分球（7）、自动样品台（1）、自动附件台（6）、运动控制箱（2）、光谱仪（4）、上位机PC（3）和检测光纤（5）；光源（9）、中性密度滤光片（8）和第一积分球（7）依次同轴安装，第一积分球（7）检测口的转接球盖通过检测光纤（5）与光谱仪（4）连接，自动附件台（6）和自动样品台（1）分别与运动控制箱（2）连接，光谱仪（4）、运动控制箱（2）均与上位机PC（3）连接；
自动样品台（1）包括第一电动平移台（101）、第二电动平移台（102）、第一滑块（110）、横向支板（103）、样品支杆（109）、比色皿夹（111）、样品夹（104）、参比夹（105）、遮光板夹（107）和遮光板夹支杆（108）；第一电动平移台（101）正交垂直安装在第二电动平移台（102）上方，第一电动平移台（101）底部与第二电动平移台（102）的滑块固定连接；横向支板（103）固定在第一电动平移台（101）的第一滑块（110）上，横向支板（103）方向与第一电动平移台（101）的第一滑块（110）移动方向相同，样品夹（104）、参比夹（105）和遮光板夹（107）依次固定安装横向支板（103）上，遮光板（106）固定在遮光板夹（107）上。
2.根据权利要求1所述的一种基于积分球的农产品组织光学特性自动检测装置，其特征在于：所述的样品夹（104）替换为比色皿夹（111）。
3.根据权利要求1所述的一种基于积分球的农产品组织光学特性自动检测装置，其特征在于：所述自动检测装置工作于单积分球模式或者双积分球模式。
4.根据权利要求3所述的一种基于积分球的农产品组织光学特性自动检测装置，其特征在于：当所述自动检测装置工作于单积分球模式时，所述的自动附件台（6）包括第三电动平移台（601）、可升降支杆（604）、积分球盖支架（602）和积分球盖（603）；积分球盖支架（602）通过可升降支杆（604）支撑连接在第三电动平移台（601）的第二滑块（605）上，积分球盖（603）同轴粘接在积分球盖支架（602）上，积分球盖（603）与第一积分球（7）同轴。
5.根据权利要求3所述的一种基于积分球的农产品组织光学特性自动检测装置，其特征在于：当所述自动检测装置工作于双积分球模式时，所述的自动附件台（6）包括第三电动平移台（601）、可升降支杆（604）和第二积分球（606），第二积分球（606）通过可升降支杆（604）支撑连接在第三电动平移台（601）的第二滑块（605）上，第二积分球（606）与第一积分球（7）同轴。
6.根据权利要求2所述的一种基于积分球的农产品组织光学特性自动检测装置，其特征在于：所述的比色皿夹（111）包括比色皿夹固定片（111a）和比色皿夹活动片（111b），比色皿夹固定片（111a）一侧面设置有导槽（111c），比色皿夹活动片（111b）中部嵌入导槽（111c），导槽（111c）下侧的比色皿夹固定片（111a）侧面开有第二通孔（111e），比色皿夹活动片（111b）侧面设有与第二通孔（111e）配合的第三通孔（111f），比色皿夹固定片（111a）的第二通孔（111e）与比色皿夹活动片（111b）的第三通孔（111f）可调节地栓接。
7.根据权利要求1所述的一种基于积分球的农产品组织光学特性自动检测装置，其特征在于：所述的样品夹（104）包括平行相对安装的样品夹固定片（104a）与样品夹活动片（104b），样品夹固定片（104a）底部开有用于与样品支杆（109）连接的螺孔，样品夹固定片（104a）和样品夹活动片（104b）的四角均开有相互配合的螺孔，样品夹固定片（104a）和样品夹活动片（104b）中心均开有一个圆孔。
8.根据权利要求1所述的一种基于积分球的农产品组织光学特性自动检测装置，其特征在于：所述的遮光板夹（107）为U型夹，底部和侧面各设有一个螺孔。
9.根据权利要求1所述的一种基于积分球的农产品组织光学特性自动检测装置，其特征在于：所述的运动控制箱（2）内装有第一电机驱动器（203）、第二电机驱动器（204）、第三电机驱动器（205）、PLC（202）和单片机（201）；上位机PC（3）经单片机（201）与PLC（202）连接，PLC（202）分别与第一电机驱动器（203）、第二电机驱动器（204）、第三电机驱动器（205）连接，第一电机驱动器（203）与第一电动平移台（101）连接进行驱动，第二电机驱动器（204）与第二电动平移台（102）连接进行驱动，第三电机驱动器（205）与第三电动平移台（601）连接进行驱动。
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