CN113155775A - 一种近红外光谱的标定方法及其应用的水果品质检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种近红外光谱的标定方法及其应用的水果品质检测系统，标定方法通过预先对多种对固定波长具有特征吸收峰的标准品进行标定，为0号标准机台设置标准参考板0并对其进行光谱标定；依据标准参考板0的光谱参数为随机台配套标准参考板i，对新机台进行光谱出厂标定，使得出厂的不同机台的光谱初始参数一致；在机台使用时，根据需要依据其对应的随机台配置标准参考板i对机台进行光谱参数校正，使得水果的检测模型0可以在不同机台进行随机迁移；通过应用本发明可以实现在不同机台的检测系统中进行随机迁移，不会影响其检测精度。

Description

一种近红外光谱的标定方法及其应用的水果品质检测系统
技术领域
本发明涉及一种光谱分析技术领域，特别涉及一种近红外光谱的标定方 法，本发明还涉及了该近红外光谱的标定方法应用的水果品质检测系统。
背景技术
近红外光谱分析技术是一种快速、无损的绿色分析技术，非常适合于过程 分析领域。同时，它也是一种二次测量技术，它的成功应用依赖于性能优良 的校正模型的建立，而校正模型的性能又取决于实验设计的合理性、数据处 理方法和校正模型建立方法的科学性。
水果内部组分十分丰富，不同组分含氢基团较多，水果主要内部品质的可 溶性固形物(糖度)约占9％～16％，含量高，信号强，适宜通过光谱采集和 分析来实现其品质检测。光谱采集和分析的主要工作原理包括：当水果内部 的可溶性固形物分子受到红外线照射时，被激发产生共振，同时光的能量一 部分被吸收，测量其吸收光，可以得到具有特征吸收峰的图谱，由于不同物 质在近红外区域均有丰富的吸收光谱，每种成分均有其对应的特定吸收特征， 因此这为通过近红外光谱定量分析对水果进行品质检测提供了技术基础。
通过单一可见的近红外光谱采集系统，然后采用合理的试验方法，获取稳 定的水果光谱和正确的水果内部品质的理化指标，最后采用科学的数据处理 方法建立校正模型，可以对水果内部品质进行比较稳定的检测效果，这方面 的报道在国内外众多文献和专利中都有公开介绍。
然而申请人发现在实际生产应用中，检测效果优异的检测模型往往不能直 接迁移到其他近红外光谱采集设备中，或迁移过去后所实现的检测结果很差， 这主要是因为不同水果品质检测系统的近红外光谱采集系体硬件通常具有差 异性，具体包括有分光传感器的差异、光源的差异以及电路系统的差异等。
为了消除不同仪器之间的台间差以利于模型迁移，已有技术提出在光谱 采集过程中做实时参比，例如：专利号为ZL201210545938.2的发明专利介绍 了一种通过在采集探头的光路内设计可自动切换的白板、黑板和通孔，自动 采集全反射参考光谱、暗光谱和样品光谱，进行光谱的自动标定。然而该方 法存在光路结构复杂、在内部结构运动的过程中容易引入新的信号干扰问题。
因此，有必要提出寻求新的技术方案来解决以上技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种近红外光谱的标定方法及其应用 的水果品质检测系统，通过应用本发明可以实现在不同机台的检测系统中进 行随机迁移，不会影响其检测精度。
本发明采用的技术方案如下：
一种近红外光谱的标定方法，用于水果品质检测系统，通过预先对多种 对固定波长具有特征吸收峰的标准品进行标定，为0号标准机台设置标准参 考板0并对其进行光谱标定；依据标准参考板0的光谱参数为随机台配套标 准参考板i，对新机台进行光谱出厂标定，使得出厂的不同机台的光谱初始参 数一致；在机台使用时，根据需要依据其对应的随机台配置标准参考板i对机 台进行光谱参数校正，使得水果的检测模型0可以在不同机台进行随机迁移。
优选地，包括如下操作步骤：
S10)、预先对分光光度传感器的波长进行标定，其标定样品包括多种对 固定波长具有特征吸收峰的标准品；
S20)、对0号标准机台进行光谱标定：将0号标准机台在光源亮度参数为 PWM0条件下采集标准参考板0的参考能量光谱和暗能量光谱，依据该光谱数 据建立水果检测模型0，所述PWM0包括固定的曝光时间和光源的亮度参数；
S30)、为新机台配置标准参考板i，依据水果检测模型0，对新机台进行 出厂标定，将该标定参数进行保存作为后续使用标定时的计算依据；
S40)、采用新机台配置标准参考板i以及保存的标定参数在水果检测模型 0下对各机台在使用过程中进行标定。
优选地，在所述步骤S10)中，标定的波长范围为500-1010nm。
优选地，在所述步骤S10)中，所述波长的标定方程公式为：
WaveLength＝A0+B1x+B2x2+...+Bnxn； 其中，WaveLength表示标定波长、A0表示偏差，B1，B2，Bn分别代表待 标定样品对应的标定系数，x为分光光度传感器输出的检测点序号，该序号 的范围为1-256。
优选地，所述步骤S20)的标定计算步骤包括：0号标准机台在光源亮度参 数为PWM0的条件下采集标准参考板0的参考能量谱Rref0和暗光谱的差值 Rdark0，并计算参考能量谱Rref0和暗光谱Rdark0的差值Rcal0，其计算公式如下：
Rcal0＝Rref0-Rdark0。
优选地，所述步骤S30)的标定计算步骤包括：
S31)、通过新机台在光源亮度参数为PWM0的条件下再次采集标准参考 板0的参考能量谱Rref1和暗光谱的差值Rdark1，并计算参考能量谱Rref1和暗光谱Rdark1的差值Rcal1，其计算公式如下：
Rcal1＝Rref1-Rdark1；
S32)、基于差值Rcal0和差值Rcal1，通过调整光源亮度参数PWM1使得新机 台的差值与0号标准机台差值一致，其计算公式如下：
PWM1＝PWM0×Rcal0÷Rcal1；
S33)、为新机台配置标准参考板i，采用光源亮度参数PWM1来对新机 台进行标定，采集标准参考板i的标准参考光谱Rref2和暗能量光谱Rdark2，并计 算二者的差值Rcal2作为新机台的出厂标定参考标准，其计算公式如下：
Rcal2＝Rref2-Rdark2；
S34)、将相应的光源亮度参数PWM1、差值Rcal2作为后续出厂后使用标 定时的参数保存在本地机台和云端服务器中，云端服务器记录有对应新机台 的设备号。
优选地，所述步骤S40)的标定计算步骤包括：
S41)、使用待标定机台在出厂标定时配置的标准参考板i，采用光源亮度 参数PWM1采集标准参考板i的标准参考光谱Rref3和暗能量光谱Rdark3，并计算 二者的差值Rcal3，其计算公式如下：
Rcal3＝Rref3-Rdark3。
S42)、计算机台因使用而光源衰减后标定时所需的光源亮度参数PWM2， 其计算公式如下：
PWM2＝PWM1×Rcal2÷Rcal3；
S43)、在采用光源亮度参数PWM2条件下，使用其他机台采集其对应配置 的标准参考板i的标准参考光谱Rref4和暗能量光谱Rdark4，并计算二者的差值 Rcal4，其计算公式如下：
Rcal4＝Rref4-Rdark4；该差值Rcal4接 近与差值Rcal0，实现对不同机台的光谱校正；不同机台可采用光源亮度参数 PWM2条件对水果进行漫透射光谱采集和暗光谱采集，通过水果检测模型0， 对水果内部品质进行预测。
优选地，所述标准参考板0和标准参考板i均采用特氟龙材质。
优选地，一种如上所述的水果品质检测系统，包括分别安装在壳体上的 光源以及接收光源发光经过水果后的光信息的分光光度传感器。
优选地，所述壳体包括固定安装为一体的上壳体和下壳体。
本发明创造性地提出预先通过采用具有特征吸收峰的标准品物质对机台 的波长进行出厂标定，同时通过固定0号标准机台的标准参考板0和随机台配 套的标准参考板i，对出厂机台进行出厂标定，使得不同机台的初始光谱参数 一致，在机台的后续使用过程中，消费者可在光源衰减的条件下通过随机台 配套的参考板i进行机台即时校正。使得不同机台上的硬件采集条件趋于一 致，进而可以实现水果的统一检测模型0(公知常识)在不同机台的检测系统 中进行随机迁移，不会影响其检测精度；而且本发明提出的标定工作在机台 产品出厂设置前已经完成，减少了系统结构部件的复杂度，有力解决了台间 差不稳定的问题。
本申请还提出了便携手持式水果品质检测系统，结构简单，安装重量 轻，且操作便捷，适合进行规模推广应用。
附图说明
图1是本发明具体实施方式下近红外光谱的标定方法的操作步骤框图；
图2是图1中步骤S30)的具体操作步骤框图；
图3是图1中步骤S40)的具体操作步骤框图；
图4是本发明具体实施方式下便携式水果品质检测系统的爆炸结构示意 图；
图5是将图4旋转一定角度后的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种近红外光谱的标定方法，用于水果品质检测系 统，通过预先对多种对固定波长具有特征吸收峰的标准品进行标定，为0号 标准机台设置标准参考板0并对其进行光谱标定；依据标准参考板0的光谱 参数为随机台配套标准参考板i，对新机台进行光谱出厂标定，使得出厂的不 同机台的光谱初始参数一致；在机台使用时，根据需要依据其对应的随机台 配置标准参考板i对机台进行光谱参数校正，使得水果的检测模型0可以在不 同机台进行随机迁移。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合 本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描 述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施 例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前 提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
请参见图1并结合图2和图3所示，一种近红外光谱的标定方法，包括 如下操作步骤：
S10)、预先对分光光度传感器的波长进行标定，其标定样品包括多种对 固定波长具有特征吸收峰的标准品；优选地，在本步骤S10)中，标定的波长 范围为500-1010nm；波长的标定方程公式为：
WaveLength＝A0+B1x+B2x2+...+Bnxn
其中，WaveLength表示标定波长、A0表示偏差，B1，B2，Bn分别代 表待标定样品对应的标定系数，x为分光光度传感器输出的检测点序号，该 序号的范围为1-256。具体计算实施过程属于本领域的公知常识，具体优选地， 通过上述标定方程标定后，求得对应的系数B1，B2，Bn，然后再带入如上标 定方程将分光光度传感器的输出的检测点序号转换为波长：以X轴为波长、 Y轴为采集的光谱的能量值，通过三次样条曲线拟合算法或其他插值算法将 离散的光谱能量图转换为连续的光谱曲线，插值算法填补了相邻光谱波长点 间的光谱能量的空缺，方便后续测量光谱时进行Y方向标定。
为了进一步说明本步骤的实施过程，本实施例选择了对3种标准样品(对 固定波长有特征吸收峰)的测试，取n等于2，通过对3种不同标准样品进行 标定后计算方程的系数求得对应的波长校正方程为：
WaυeLength＝190.3+4.552x+0.008x2；
通过标定后分光光度传感器的输出的检测点数转换为波长，以数据点序号 100为例，对应的波长计算后为725.5。以X轴为波长、Y轴为采集的光谱的 能量值，通过三次样条曲线拟合算法或其他插值算法将离散的光谱能量图转 换为连续的光谱曲线，插值算法填补了相邻光谱波长点间的光谱能量的空缺， 方便后续测量光谱时进行Y方向标定。
S20)、对0号标准机台进行光谱标定：将0号标准机台在光源亮度参数 为PWM0条件下采集标准参考板0的参考能量光谱和暗能量光谱，依据该光 谱数据建立水果检测模型0，PWM0包括固定的曝光时间和光源的亮度参 数；优选地，本步骤S20)的标定计算步骤包括：0号标准机台在光源亮度参数 为PWM0的条件下采集标准参考板0的参考能量谱Rref0和暗光谱的差值 Rdark0，并计算参考能量谱Rref0和暗光谱Rdark0的差值Rcal0，其计算公式如下：
Rcal0＝Rref0-Rdark0。
为了进一步说明本步骤的实施过程，选择PWM0＝0.08；通过如上采集以 及计算得到：
Rref0＝58582，Rdark0＝2000，Rcal0＝58582-2000＝56582。
S30)、为新机台配置标准参考板i，依据水果检测模型0，对新机台进行出 厂标定，将该标定参数进行保存作为后续使用标定时的计算依据；优选地， 本步骤S30)的标定计算步骤包括：
S31)、通过新机台在光源亮度参数为PWM0的条件下再次采集标准参考 板0的参考能量谱Rref1和暗光谱的差值Rdark1，并计算参考能量谱Rref1和暗光谱 Rdark1的差值Rcal1，其计算公式如下：
Rcal1＝Rref1-Rdark1；
通过以上公式得到：
Rref1＝55564，Rdark1＝2048，Rcdl1＝58582-2048＝53516；
S32)、基于差值Rcal0和差值Rcal1，通过调整光源亮度参数PWM1使得新机 台的差值与0号标准机台差值一致，其计算公式如下：
PWM1＝PWM0×Rcal0÷Rcal1；
通过以上公式得到：
PWM1＝0.8×56582÷53516≈0.846；
S33)、为新机台配置标准参考板i，采用光源亮度参数PWM1来对新机 台进行标定，采集标准参考板i的标准参考光谱Rref2和暗能量光谱Rdark2，并计 算二者的差值Rcal2作为新机台的出厂标定参考标准，其计算公式如下：
Rcal2＝Rref2-Rdark2；
通过以上公式得到：
Rcal2＝58320-1900＝56420；
S34)、将相应的光源亮度参数PWM1、差值Rcal2作为后续出厂后使用标 定时的参数保存在本地机台和云端服务器中，云端服务器记录有对应新机台 的设备号。
S40)、采用新机台配置标准参考板i以及保存的标定参数在水果检测模型 0下对各机台在使用过程中进行标定。
优选地，步骤S40)的标定计算步骤包括：
S41)、使用待标定机台在出厂标定时配置的标准参考板i，采用光源亮度 参数PWM1采集标准参考板i的标准参考光谱Rref3和暗能量光谱Rdark3，并计算 二者的差值Rcal3，其计算公式如下：
Rcal3＝Rref3-Rdark3；通过以上公式得 到：Rcal3＝55446-1980＝53466。
S42)、计算机台因使用而光源衰减后标定时所需的光源亮度参数PWM2， 其计算公式如下：
PWM2＝PWM1×Rcal2÷Rcal3；
通过以上公式得到：
PWM2＝0.846×56420÷53466≈0.893；
S43)、在采用光源亮度参数PWM2条件下，使用其他机台采集其对应配置 的标准参考板i的标准参考光谱Rref4和暗能量光谱Rdark4，并计算二者的差值 Rcal4，其计算公式如下：
Rcal4＝Rref4-Rdark4；通过以上公式 得到：Rcal4＝58463-2025＝56438；
该差值Rcal4接近与差值Rcal0，实现对不同机台的光谱校正；不同机台可采 用光源亮度参数PWM2条件对水果进行漫透射光谱采集和暗光谱采集，通过水 果检测模型0，对水果内部品质进行预测。
需要说明的是，本实施例涉及的标准参考板0和标准参考板i均采用特氟龙 材质。
本实施例创造性地提出预先通过采用具有特征吸收峰的标准品物质对机 台的波长进行出厂标定，同时通过固定0号标准机台的标准参考板0和随机台 配套的标准参考板i，对出厂机台进行出厂标定，使得不同机台的初始光谱参 数一致，在机台的后续使用过程中，消费者可在光源衰减的条件下通过随机 台配套的参考板i进行机台即时校正。使得不同机台上的硬件采集条件趋于一 致，进而可以实现水果的统一检测模型0(公知常识)在不同机台的检测系统 中进行随机迁移，不会影响其检测精度。而且本发明提出的标定工作在机台 产品出厂设置前已经完成，减少了系统结构部件的复杂度，有力解决了台间 差不稳定的问题。
本实施例还提出了一种便携式水果品质检测系统，包括壳体、光源10和 电路板20；壳体包括固定安装连接为一体的上壳体31和下壳体32，并形成用 于安装电路板20的安装内腔；其中，电路板20上设有与位于壳体外部的光源 10通信连接的分光光度传感器21(用于接收光源发光经过水果后的光信息)； 以及用于采集外部温度信号的温度传感器，同时电路板20分别通信连接可对 外部显示的显示屏40，显示屏40上设有触摸式检测按钮51；优选地，在本实 施方式中，壳体侧面还设有与电路板20通信连接的检测操作按钮52。
优选地，在本实施方式中，上壳体31一端设有卡扣31a，下壳体32设有与 该卡扣31a固定卡接的卡槽32a，便于便捷式安装效果，当然还可以采用紧固件 进行加固安装；
优选地，在本实施方式中，壳体呈长方型形状(便于手持操作)，且其一 端呈圆型形状；进一步优选地，在本实施方式中，上壳体31设有呈圆型形状 的光源窗口33，在光源窗口33处设置光源10，同时分光光度传感器21和温度 传感器位于光源窗口33的下方；上壳体31上设有用于贯穿显示屏的显示窗口 34；下壳体32的底部设有用于安装电池的电池安装槽35。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细 节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形 式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的， 而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因 此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明 内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实 施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起 见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也 可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种近红外光谱的标定方法，用于水果品质检测系统，其特征在于，通过预先对多种对固定波长具有特征吸收峰的标准品进行标定，为0号标准机台设置标准参考板0并对其进行光谱标定；依据标准参考板0的光谱参数为随机台配套标准参考板i，对新机台进行光谱出厂标定，使得出厂的不同机台的光谱初始参数一致；在机台使用时，根据需要依据其对应的随机台配置标准参考板i对机台进行光谱参数校正，使得水果的检测模型0可以在不同机台进行随机迁移。
2.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，包括如下操作步骤：
S10)、预先对分光光度传感器的波长进行标定，其标定样品包括多种对固定波长具有特征吸收峰的标准品；
S20)、对0号标准机台进行光谱标定：将0号标准机台在光源亮度参数为PWM0条件下采集标准参考板0的参考能量光谱和暗能量光谱，依据该光谱数据建立水果检测模型0，所述PWM0包括固定的曝光时间和光源的亮度参数；
S30)、为新机台配置标准参考板i，依据水果检测模型0，对新机台进行出厂标定，将该标定参数进行保存作为后续使用标定时的计算依据；
S40)、采用新机台配置标准参考板i以及保存的标定参数在水果检测模型0下对各机台在使用过程中进行标定。
3.根据权利要求2所述的标定方法，其特征在于，在所述步骤S10)中，标定的波长范围为500-1010nm。
4.根据权利要求2所述的标定方法，其特征在于，在所述步骤S10)中，所述波长的标定方程公式为：
WaveLength＝A0+B1x+B2x2+...+Bnxn；
其中，WaveLength表示标定波长、A0表示偏差，B1，B2，Bn分别代表待标定样品对应的标定系数，x为分光光度传感器输出的检测点序号，该序号的范围为1-256。
5.根据权利要求2所述的标定方法，其特征在于，所述步骤S20)的标定计算步骤包括：0号标准机台在光源亮度参数为PWM0的条件下采集标准参考板0的参考能量谱Rref0和暗光谱的差值Rdark0，并计算参考能量谱Rref0和暗光谱Rdark0的差值Rcal0，其计算公式如下：
Rcal0＝Rref0-Rdark0。
6.根据权利要求2所述的标定方法，其特征在于，所述步骤S30)的标定计算步骤包括：
S31)、通过新机台在光源亮度参数为PWM0的条件下再次采集标准参考板0的参考能量谱Rref1和暗光谱的差值Rdark1，并计算参考能量谱Rref1和暗光谱Rdark1的差值Rcal1，其计算公式如下：
Rcal1＝Rref1-Rdark1；
S32)、基于差值Rcal0和差值Rcal1，通过调整光源亮度参数PWM1使得新机台的差值与0号标准机台差值一致，其计算公式如下：
PWM1＝PWM0×Rcal0÷Rcal1；
S33)、为新机台配置标准参考板i，采用光源亮度参数PWM1来对新机台进行标定，采集标准参考板i的标准参考光谱Rref2和暗能量光谱Rdark2，并计算二者的差值Rcal2作为新机台的出厂标定参考标准，其计算公式如下：
Rcal2＝Rref2-Rdark2；
S34)、将相应的光源亮度参数PWM1、差值Rcal2作为后续出厂后使用标定时的参数保存在本地机台和云端服务器中，云端服务器记录有对应新机台的设备号。
7.根据权利要求2所述的标定方法，其特征在于，所述步骤S40)的标定计算步骤包括：
S41)、使用待标定机台在出厂标定时配置的标准参考板i，采用光源亮度参数PWM1采集标准参考板i的标准参考光谱Rref3和暗能量光谱Rdark3，并计算二者的差值Rcal3，其计算公式如下：
Rcal3＝Rref3-Rdark3。
S42)、计算机台因使用而光源衰减后标定时所需的光源亮度参数PWM2，其计算公式如下：
PWM2＝PWM1×Rcal2÷Rcal3；
S43)、在采用光源亮度参数PWM2条件下，使用其他机台采集其对应配置的标准参考板i的标准参考光谱Rref4和暗能量光谱Rdark4，并计算二者的差值Rcal4，其计算公式如下：
Rcal4＝Rref4-Rdark4；该差值Rcal4接近与差值Rcal0，实现对不同机台的光谱校正；不同机台可采用光源亮度参数PWM2条件对水果进行漫透射光谱采集和暗光谱采集，通过水果检测模型0，对水果内部品质进行预测。
8.根据权利要求1或2所述的标定方法，其特征在于，所述标准参考板0和标准参考板i均采用特氟龙材质。
9.一种如权利要求1-9之一所述的水果品质检测系统，其特征在于，包括分别安装在壳体上的光源以及接收光源发光经过水果后的光信息的分光光度传感器。
10.根据权利要求9所述的水果品质检测系统，其特征在于，所述壳体包括固定安装为一体的上壳体和下壳体。
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