CN1184467C - 谷物质量监测仪 - Google Patents
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Abstract
在谷物或其他农产品的收割或加工过程中、利用近红外线短波分析仪来确定移动的谷物或其他农产品样品的组分。该分析仪对样品进行光照，检测来自样品的各个波长的漫反射率，并对该漫反射率进行空间分离，形成各个波长响应。结果是能够同时检测来自被分析产品同一部分的各个并行波长强度。接下来可以将复合物的组分百分比与已知的组分百分比相比较，从而确定出各组分。该分析仪为光稳定仪表，因而适于安装到农用收割机上以便在田野里进行实时测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种农用设备，尤其涉及一种包括用于在收割过程中输送农产品的输送装置，以及在农产品被输送中实时确定农产品组成成分的系统的农用设备。
背景技术
长期以来，人们已经认识到农产品如谷物等的价值受其固有组分质量的影响。特别地，具有所需蛋白质、油、淀粉、纤维和水分以及所需碳水化合物水平及其他组分的谷物能够获得优质价格。这类谷物及其加工产品的良好市场产生了了解其含量及各种其他物理特性如硬度的需求。
为了满足市场需求，已开发了大量利用近红外线(NIR)光谱技术来分析蛋白质及水的百分比浓度的分析仪系统。这些系统中的一部分是以如US专利5,258,825所述粉碎形式的谷物为目标。在一些情形下，由于粉碎而增加的价值降低了首先进行分类而获得的经济效益，因此其他的系统如US专利4260262中所述是以整个谷物分析为目标。
NIR光谱技术总的来说是令人满意的，因为与利用湿化学法和其他实验方法来分离和分析组分所需的几个小时的时间相比，它的速度是一般仅需30到60秒即可给出结果。NIR光谱技术由于不会对所分析样品造成破坏从而也很令人满意。在典型的麦粒分析中，例如，用所选波长连续地对样品进行照射。接着，测量样品的漫透射率或漫反射率。任一测量结果都可用于所采用的算法当中以便能够确定出物质组分的百分比浓度。
例如，US专利4,260,262中所描述的分析仪利用下述公式来确定油、水及蛋白质的百分比含量：
油％＝K0+K1(ΔOD)W+K2(ΔOD)O+K3(ΔOD)P
水％＝K4+K5(ΔOD)W+K6(ΔOD)O+K7(ΔOD)P
蛋白质％＝K8+K9(ΔOD)W+K10(ΔOD)O+K11(ΔOD)P
其中(ΔOD)W代表利用对水的百分含量敏感的一对波长时光密度的变化，(ΔOD)O代表利用对油的百分含量敏感的一对波长时光密度的变化，(ΔOD)P代表利用对蛋白质的百分含量敏感的一对波长时光密度的变化。K0-K11常数或影响系数。
任一给定组分光密度的变化也都可从下式中得到：
ΔOD＝LOG(Ii/Ir)1-LOG(Ii/Ir)2
其中(Ii/Ir)1为在一所选波长上入射光强度与反射光强度的比值，且(Ii/Ir)2为在第二所选波长上入射光强度与投射光强度的比值。
典型地，谷物分析仪所选用波长的范围为大约1000到2500纳米。而在US专利5,258,825中，再用一540纳米的波长来克服面粉粒径的影响。
滤光轮和衍射光栅已被用于产生或探测分析特定谷物组分的波长。例如，美国专利第5,021,662号中揭示了一种用衍射光栅探测、由红外光照射物料流的系统。美国专利第5,406,084号揭示了一种利用近红外光源、光检测装置、波长分离器、以及探测器的系统。然而，没有发现这些系统用于在谷物加工或收割期间实时测量组分的应用，也许是由于这些系统经不起机械振动和在这种环境下遭受的各种条件。
发明内容
本发明是一种近红外线(NIR)分析系统及用于确定农产品及相关物质用联合收割机、谷物处理或其他移动农用设备加工时，其移动流中组分百分比浓度的方法。这一农产品包括但并不局限于谷物如小麦、玉米、黑麦、燕麦、大麦、稻子、大豆、苋属植物、黑小麦及其他谷类，草类及草料。
本发明利用光的漫反射率能来获得百分比浓度。所用技术测得短波、波长范围在600到大约1100纳米(nm)之间的近红外线光以及包括低至大约570纳米(nm)波长的可见光的光谱响应。短波光谱响应有助于与高波长响应相结合来建立蛋白质及其他组分模型。
该分析系统包括一光学探头，该光学探头具有一适当带宽的、用多个辐射波长同时照射移动农产品流的光源。光线检测部分接收由被分析移动物的离散部分漫反射出来的光线。该检测部分再将接收到的光线沿着一光纤电缆传送到安装在距光学探头一定距离处的检测及计算子系统中。
在所述子系统中，波型混合器首先接收光线。该波型混合器再将接收到的光线通过一结构稳定的光纤传送到光学检测部分中。光学检测部分包括一光纤耦合器和一对柱面透镜。柱面透镜再将光线传送到波长分离器，如线性变量滤波器(LVF)，以在空间上分离出所需波长。
空间分离器再将进行了空间分离的波长馈送到一适当的响应检测器如电荷耦合器件(CCD)中，此电荷耦合器件(CCD)能够单独地并行且同时检测漫反射光线的多个波长。再检测出各个波长的响应并将其转换成适当的形式如数字数据形式，以便能够计算出物质各组分的百分比浓度。
附图说明
通过下述相关附图中所示的本发明优选实施方案的更为详细的说明，本发明的前述及其他目的、特征及优点将更加清楚，在附图当中用相同的参考符号来表示不同图形中的相同部件。附图不必按比例制定，而是把重点放在图示本发明的原理上。
图1是根据本发明的近红外线短波谷物质量分析系统的高级示意图；
图2A和2B是更为详细的光源和检测器视图，给出了其相对于谷物输送管的机械结构，同时也给出了检测部分挡板的打开及关闭位置；
图3是光学部分的详细视图，给出了波型混合器、光学部分挡板、滤波器及光学检测器组件；
图4所示的是用于该系统的的测量吸收率的方法。
本发明的具体实施方式
下面更详细地参见图1，本发明是用于分析正被加工或收割农产品移动流的组分的系统1。可以利用系统1进行分析的农产品包括但不局限于谷物如小麦、玉米、黑麦、燕麦、大麦、稻子、大豆、苋属植物、黑小麦及其他谷类，草类及草料。被分析的组分可包括但也不局限于蛋白质、油、淀粉、纤维、水分、碳水化合物及其他组份和物理特性如硬度。尽管以下描述的是被分析产品为谷物的特例，但应当理解也可以分析其他农产品。
系统1利用一种适当的连续照射装置如红外线光源10。光源10发出的光线透过窗口12照射到正被收割、加工或另外通过输送装置如输送管16移动的移动农产品14的样品上。
光源10连续且同时产生位于所需扩大短波范围如从大约570到大约1120纳米(nm)内的多波长红外线光。优选的光源10是易于获得的石英卤素灯或钨丝灯泡。典型的光源10是在5伏(vDC)电压下工作、能得到1安培电流的钨丝灯泡。光源10以一种已有技术当中公知的方式(未示出)通过滤波或利用一体化的光敏感反馈装置可进一步地稳定。
光源10应设置在当谷类移动产品14流过设置在农用联合收割机或其他谷物加工设备中的输送装置如输送管16时、能照射到流动产品14的位置上。农产品14通过输送管16的流动一般是沿着图示箭头的方向进行的。
光源10和位于输送管16附近的相关部件可放置在适当的传感头室11中。在此实例中，窗口12优选地设置在光源10和流动农产品14之间。窗口12由合适的材料如蓝宝石形成，它在特定波长上是透明的，且在温度发生变化时没有明显的吸收漂移。根据需要窗口12可与室11或输送管16形成于一体。
因此，将包括光源10、窗口12及其他将要进行描述的相关部件的传感头室11设置在能够监测通过输送管16输送的农产品14连续流的位置上。这可以通过安装室11、使窗口12位于输送管16中的开口15附近、从而使光源10能透过窗口12和开口15照射到流动产品14上。
传感头室11可以是单独的结构，也可以与输送管16形成一体。
抛物柱面反射器或抛物柱面镜17优选地也设置在室11中，以将光源10的输出校准成为焦距约为1cm的光束13。抛物柱面镜17将光源10聚焦在移动农产器流14当中。
在另一实施方案中，可以用多个光源10，如一列红外线发射器，只要这些光源能够聚焦于同一点即可。
优选地，将光源10设置成在无光纤情况下只通过窗口12或通过除了设置在光源10和移动农产品14之间的窗口12本身以外的其他装置直接照射到移动农产器14上。
控制用电子设备18也可以设置在室11中，以控制将在下文当中结合图2更为全面地进行描述的挡板。
由光源10发出的光线通过窗口12和开口15，并被移动产品14进行漫反射。优选地，设置在同一室11内的光纤探头20，可收集一部分来自移动产品14的漫反射光线。尽管这些漫反射主要来自光源10的焦点，但应当理解光线实际上是从光源10所产生的光束13和光纤探头20的孔径或“视野”相交叉所限定的样品体积19处返回的。
光纤探头20典型地是一种通讯级光纤。其典型直径范围为约62.5微米(μm)到1毫米(mm)。比较合适的光纤是数值孔径为0.22(f#约为2.3)当中直径为600μm的光纤。优选地，探头20相对于窗口12设置成适于收集非窗口表面反射的散射光线的角度，使得从窗口12透过的光线能够充满接收光纤探头20的孔径。合适的角度例如可以是45°。
接着光纤探头20的输出通过光纤26馈送到检测器和电子设备部分30当中，以判定移动产品14的组分。检测器和电子设备部分30包括光学部分32、模数转换器33、组分计算函数34、控制器35及显示器接口36。组分计算函数34、控制器35及显示器接口36优选地由计算机、微控制器、微处理器和/或数字信号处理器39中的软件来实现。电子设备的功能将在下文当中进行详细描述。
更为详细地如图2A中所示，在一优选实施方案中，可将室11和窗口12设置成使其间形成一个用于放置标准遮光板或挡板24的空间22。标准挡板24由漫反射率较高的材料如SpectralonTM(一种由Labsphere，North Sutton，NH得到的压合硅酸盐)或陶瓷形成。
挡板24定位于其能够有选择地移入或移出探测头20末端附近的位置。因此挡板24一般安装在控制装置如由电机29驱动的电机轴25上，电机29由电子设备部分30中的控制器3 5进行驱动。如前视图2B中所示，电机29可使控制器35有选择地为挡板24选择开或关位置。
电信号或信号27连接在电子设备部分30和传感头11之间，为控制器35提供了一条传送信号以控制挡板24的位置的通路。例如，挡板24置于打开位置，样品测量操作期间光线可通过样品并被移动产品样品14进行漫反射；挡板24置于关闭位置时，参考测量期间来自样品的光线被阻塞且来自挡板24的光线进行漫反射，这些将在下文当中进行更进一步的详述。
光纤和电信号27可在连接于传感头室11和检测器及电子设备部分30之间的电缆护套28中捆于一起。在图1的系统的实际配置如农用联合收割机中，电缆护套28优选地足够长，使得传感头室11可放置在谷粒输送管16的附近，同时检测器及电子设备部分30可放置在一较为不粗劣的环境如联合收割机驾驶室的背面。这一距离可以是3米或3米左右。
或者，可以将传感头11及电子设备部分30的全部或部分安装在输送管16的附近，这种情形下不需用光纤26。
尽管就聚光来说，用相对较大的、直径为600μm的光纤探头20比较好，但在实际应用时，光缆28及其内的光纤26至少要进行弯曲以适于放在联合收割机的主体和其他部件中和/或联合收割机的主体和其他部件的周围。在通常情形下，当联合收割机穿过田野收割移动产品14时，电缆28也要经受振动。
遗憾的是，与正在工作的联合收割机或其他机械相关联的振动能够使光纤26中产生模态干扰。这些模态干扰可以以高阶反射的形式生成，使得光学部分32当中具有不想要的检测方式。这些模态干扰再使光强度发生不合乎需要的变化，这些变化与流动产品14的性能无关，同时将大量的干扰加到了移动产品14的性能测量指标上。
为了克服这一难题，以一特殊的优选方式来实现检测器及电子设备部分30。将注意力转至图3，检测器及电子设备部分30包括混波器42，光纤部分44，检测器部分46，检测器部分46本身包括一对柱面透镜48-1，48-2，波长分离器50及检测器52。
接合混波器42以接收光纤26的输出光线并除去所接收到的光信号中的高阶波。混波器42也可以用多个不同的部件来实现。
例如，实现混波器42的技术之一是用一个或多个、优选地用一个所谓的“grin”透镜。Grin透镜的中心波长几乎与所需红外线区域的中心波长相同，在此为800纳米(nm)。Grin透镜还具有大约从0.4到0.5的相对较高的间距。例如可以用两个、每个间距大约为0.2到0.25的Grin透镜。相对较高的会聚间距能够在输出处提供一几乎是面向点的图象，而不是锥形图象。可以从Sonerset，New Jersey(新泽西州)的NSG公司得到这种Grin透镜。
混波器42也可以作成全息扩散器。在一些实例当中，全息扩散器代表混波器42更好的实现手段，因为它的响应不象Grin透镜一样与波长相关。而Grin透镜就“单件生产”来说易于制作。适用的全息扩散器的类型之一可以是从Charlotte，NorthCarolina(北卡罗来纳州)的数字光学公司获得的“光束均匀器”。
光纤耦和器44提供了一种用于将混波器42的输出耦合到光学部分46其余部分上的结构稳定的光线管。
另一挡板47优选地设置在光纤耦合器的出口处。此光学部分挡板47由不透明材料制成，用于在下文详述的参考黑体光谱收集期间挡住进入光学部分46的光线。
柱面透镜48-1和48-2用于在光学部分46的入口处将接收到的光能准确地会聚到检测器52上。
波长分离器50对所需的各种漫反射光线的波长进行空间分离。适当的波长分离器50包括线性变量滤波器(LVF)，光栅，棱镜，干涉计或类似器件。波长分离器50优选地由分辨率(Δλ/λ)大约为1％到4％的线性变量滤波器来实现。
此时经过空间分离的各波长集中在检测器52上。检测器52能够在较宽的波长范围上同时测量响应情况。在优选实施方案中，检测器52是一列电荷耦合器件(CCDs)，各自测量相应波长的光强度。换句话说，通过对CCD阵列的每一单元进行调谐从而测得光线各个通带的强度。
其他适用的检测器52可由快速扫描光电二极、电荷注入器件(CIDs)或任何其他适用于同时并行检测所需波长这一任务的检测器阵列构成。
在一优选实施方案中，检测器52可以是硅CCD阵列产品，如来自Loral-Fairchild的Fairchild CCD 133A。该器件优选地具有大约为13微米的空间分辨率。频率分辨率为所选带宽(由线性变量滤波器50确定)除以CCD元件数。在优选的实施方案中，CCD阵列52为1024个元件，用于处理大约570到1120nm范围内的波长。
此外，检测器52如CCD阵列是典型的温度敏感型，从而稳定性一般比较好。
在优选实施方案中，由于光学模件46设计紧密且LVF 50和CCD阵列的定位相对较近，所以这些部件的温度都很稳定。温度稳定性可通过适当的吸热面、热电冷却器(珀尔帖效应冷却器)或风扇来实现。
返回到图1，由CCD提供的、用于每一波长的各个电信号再由检测器52的出口处馈送出，由模数转换器33转换成数字信号。
如上所述，优选地在微机或数字信号处理器当中实现的计算部分34，根据接收到的波长强度进行计算，从而得到样品14组分的百分比浓度。用化学分析模型确定出的组分百分数可以以任何所需方式如由仪表进行显示或将其提供给显示器等方式进行显示。该显示器可以与膝上型电脑或其他放置在联合收割机驾驶室中的电脑形成于一体。计算部分可以是电子设备部分30的一部分或者是在结构上与其分开的部分。
根据光线特定波长来计算谷物百分比浓度的技术是在Sharaf，M.A.，Illman，D.L.，和Kowalski，B.R.的标题为“化学计量法(Chemometrics)”一书中详述的多-变量技术(纽约：J.Wiley&Sons，1986)。
优选地，所需波长取决于被测组分。例如当测定蛋白质浓度时，所用算法利用的是基于蛋白质子结构振动-旋转谐波带的吸收系数。波长较长时，吸收系数大，光程较短，因此无法对谷物内部进行取样。波长较短时，吸收系数小，因此信号较弱。
因此系统1首先对样品进行照射，继之进行空间分离和平行的多波长检测，以利于样品的快速分析。此外，由于装置的光学部分即使发生振动也很稳定，所以它对于农用联合收割机或其他收割及加工设备当中的振动几乎不敏感。从而系统1易于配置于在收割及其他加工操作期间对收获的谷物及其他农产品进行实时分析的场合。所获得的数据可与参考数据相比较以提供组分百分比，该组分百分比可用于根据所谓的全球定位系统(GPS)来绘制田地平面图。
此外，利用CCD阵列52具有优于利用离散或扫描二极管阵列这一已有技术的优点。特别地，CCD储存器互相平行，且同时有电荷进入，直到其中之一几乎充满时为止。接着CCD储存器再排空，控制器35读取结果，同时CCD阵列再次开始充满电荷。因而，在相同的时间间隔内，每一象素监测相同的谷物。相反，二极管阵列则必须顺序地读取，如果谷物体积不同于前一象素所监测的谷物体积，则任何给定元件都能根据谷物体积生成一个信号。
通过对多次测量的结果进行平均可以提高系统1的信噪比。
上述简要说明是用于计算吸收光谱的方法。为此，可以启动步进电机26(图2A)，使挡板24位于检测探头20末端和光学部分46之间的关闭位置处。在此位置时，光学部分46无法监测来自探头20的光线，只能监测到挡板叶片24所发出的白色光。此测量方法允许测量参考信号。
优选的吸收率测定方法包括以下步骤(同样如图4中所示)；
1.通过将光学部分挡板47关闭，测定参考黑体光谱D(步骤101)；
2.从CCD阵列52中进行读取(步骤102)；
3.打开光学部分挡板47(步骤103)；
4.关闭检测部分挡板24(步骤104)；
5.通过从CCD阵列52中读取数据，来测定参考光谱R(步骤105)；
6.打开检测部分挡板24(步骤106)；
7.挡板24和47都打开时，从取样腔19中读取数据，从而确定出一样品光谱S(步骤107)；
8.计算吸收光谱A(步骤108)。
由漫反射率的测量值推出光线吸收率可由下式给出：
A＝LOG10(R-D/S-D)。
此外，由于在有蛋白质的情况下吸收系数的变化相当小，因此在特定波长上一般用多次实现(步骤109)、平均及二次微分分析法来生成所需的吸收率。因此进一步的数据处理可以实现此函数的二次微分，从而去掉了常数及线性偏差，使得在确定蛋白质含量的过程中只用吸收光谱中的二阶及高阶特征。
本发明已被特别地进行了图示，且已根据其优选实施方案进行了描述，本领域的普通技术人员将理解，可以在不背离由附加权利要求书所限定的本发明实质和范围的前提下对其形式和细节作出各种改变。本领域的普通技术人员只通过常规经验即能认识或能够确定出本说明书中所描述的本发明特定实施方案的许多等效结构。这些等效结构也包含在权利要求书所限定的范围内。
Claims (22)
1.一种农用设备，包括用于输送在收割过程中的农产品移动流的输送装置，以及在农产品被输送的实时确定农产品组成成分的系统，该系统包括：
光源(10)，设置成能够利用近红外线光谱中所选光线带宽内的多个波长来照射处于所述输送装置内农产品移动流样品部分的形式；
光学检测部分(20)，用于接收自被照样品部分反射出来的光能；
波长分离器(32)，连接成能够接收来自光学检测部分的光线、并产生经过空间分离的不同波长光线的形式；
检测器(52)，接收来自波长分离器(50)的光线，并且在波长分离器带宽内同时生成代表光强度的检测强度信号。
2.根据权利要求1所述的农用设备，其中波长分离器是线性变量滤波器(50)。
3.根据权利要求1所述的农用设备，其中所述的农用设备是收割机、联合收割机或农用储存设备。
4.根据权利要求1所述的农用设备，其中所述的系统进一步包括：
光纤(26)，设置在光学检测部分和波长分离器之间，将来自输入端的光能耦合到其输出端。
5.根据权利要求4所述的农用设备，其中所述的系统进一步包括：
混波器(42)，设置在光纤的输出端，用以衰减由光纤导入到检测部分中光线的光强度变化。
6.根据权利要求1所述的农用设备，其中所述的系统进一步包括：
模数转换器(33)，用以接收检测到的强度信号并提供检测到的强度值。
7.根据权利要求1所述的农用设备，其中所述的系统进一步包括：
计算机(39)，连接该计算机使其能够从检测器接收检测到的强度信号，并根据检测到的强度值来计算出农产品移动流样品部分的组分。
8.根据权利要求7所述的农用设备，其中计算机重复进行上述计算步骤，并对参考光谱R和样品光谱S的测量值进行平均，以确定吸收值。
9.根据权利要求8所述的农用设备，其中所述的系统进一步包括用于光源和光学检测部分的光学传感头室，该光学传感头室放置在位于所述的输送装置的侧开口附近，波长分离器和检测器放置在远离输送装置的位置处，且其中光纤连接在光学检测部分和波长分离器之间，以对其之间的光能进行耦合。
10.根据权利要求1所述的农用设备，其中检测器是一电荷耦合器件阵列(52)。
11.根据权利要求1所述的农用设备，其中所述的组成成分选自由蛋白质、水份、油、淀粉、面粉及硬度组成的组。
12.一种用于实时测定在农用设备中正被收割的农产品移动流的至少一种组分的方法，该方法包括以下步骤：
利用位于近红外线光谱内所选照射带宽中的多个波长来照射正被加工农产品移动流的样品部分；
检测被照样品部分漫反射出来的光能；
对检测到的反射光线的波长进行分离，产生经过空间分离的不同波长的光线；以及
从各分离的波长中，以选定的各波长检测各波长的强度信号，以同时测定相应于所述各波长的多条光线的光强度。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括下述步骤：
对由检测步骤所提供的光能进行波型混合，以对光线的光强度变化进行衰减。
14.根据权利要求12所述的方法，其中分离和检测步骤可使在给定取样时间上所检测到的强度信号能够代表取自样品部分的整个波长范围内的响应。
15.根据权利要求12所述的方法，其中分离步骤由线性变量滤波器(50)进行。
16.根据权利要求14所述的方法，其中农产品移动流位于农用联合收割机内。
17.根据权利要求12所述的方法，其中农产器移动流在谷物加工机内。
18.根据权利要求12所述的方法，其中农产品移动流在储存设备中。
19.根据权利要求12所述的方法，还包括以下步骤：
对检测到的光强度信号进行转换，以提供数字化的检测强度值。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括下述步骤：
根据检测到的光强度值计算出农产品样品部分的至少一种组成组分。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括以下步骤：
控制检测挡板使其位于关闭或打开位置，可以有选择地进行检测反射光的步骤；
控制光学部分挡板使其位于关闭或打开位置，可以有选择地进行分离波长的步骤；以及
其中根据吸收率从而计算出至少一种组成组分的步骤进一步包括下述步骤：
根据光学部分挡板关闭时的响应，测定黑体光谱D；
借助打开光学部分挡板且关闭检测部分挡板，测定参考光谱R；
当二挡板都打开时，测定样品光谱S；以及
由下述关系式确定出所选波长上的光线吸收值，
A＝LOG10[(R-D)/(S-D)]。
22.根据权利要求21所述的方法，其中重复进行计算步骤、对参考光谱R和样品光谱S的测量值进行平均，从而确定吸收值。
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