CN207263626U - 一种可集成化便携式农药残留浓度检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种可集成化便携式农药残留浓度检测装置。该装置包括DSP处理电路，LED驱动控制电路、发光LED，接收光学系统，光谱探测CCD以及显示模块；DSP处理电路通过LED驱动控制电路与发光LED电连接；发光LED发出的出射复合光照射到被检测瓜果蔬菜物表面后一部分被吸收，另一部分被反射至接收光学系统；接收光学系统将接收的反射光汇聚到光谱探测CCD上；光谱探测CCD与DSP处理电路电连接；显示模块与DSP处理电路电连接。本实用新型实现了对瓜果蔬菜表面残留农药的准确、快速测量。

Description

一种可集成化便携式农药残留浓度检测装置

技术领域

本实用新型属于光电探测领域，涉及一种可集成化便携式农药残留浓度检测装置。

背景技术

我国是世界上人口最多的国家，蔬菜和瓜果类的日消耗居世界首位，但蔬菜瓜果的残留农药问题一直是消费餐桌和家庭饮食的最大隐患之一，也是国家食品安全重点关注之一。

在我们的日长饮食中，生长周期较短的绿叶蔬菜、西兰花、菜花等表面不平整的果蔬中容易残留大量农药；另外，例如生菜、白菜、甘蓝等蔬菜容易受虫类啃食，通常喷洒农药频率会高于其它蔬菜；其次，例如苹果、梨、西红柿、油桃等水果类由于虫害较多，农药喷洒剂量和浓度通常会高于蔬菜类产品。

由此可见，使用农药的主要目的是为了降低蔬菜瓜果受病虫害的侵袭，但同时也带了一些危害。例如有机磷农药是一种神经性毒药，严重者会使人精神错乱；例如除虫菊酯类农药会使人精神失常和刺激皮肤。

据统计，我国瓜果蔬菜农药检出率高于45.5％，但由于巨大的日消耗和目前检测仪器的限制，监管部门很难做到对每一种瓜果蔬菜的农药残留浓度进行检查。

目前瓜果蔬菜残留农药检测方法主要有生物-化学分析法、生物法和光谱分析法。

其中生物-化学分析法较为成熟，利用有机磷与氨基甲酸酯类农药对某些酶的抑制作用，通过酶促底物反应中显色的程度来确定检测样品中的农药残留量，操作简单；

生物法是利用菌类对物质产生化学反应和作用，间接测量出该物质的浓度，该方法稳定性好，但需要对培养菌进行选择和筛选；

光谱法是近几年提出的新方法，该方法利用农药构成分子的光谱特性，能够快速分析出农药各物质的浓度情况，准确性高。

但上述几种方法也存在着一些不足之处，总结如下：

(1)检测仪器一般存放于检验部门，数量较少，检测覆盖面不大；

(2)需要对被检测瓜果蔬菜进行取样，破坏农产品原有形态；

(3)检测时间较长，时效性不高；

(4)生物-化学分析法和生物法均需要对取样样品进行预处理；

(5)目前的光谱仪器比较昂贵，农产品检验部门和机构还未大量使用；

(6)普通群众无法及时获取所购买蔬菜瓜果的农药残留浓度。

实用新型内容

为了解决技术背景中现有技术产品存在的不足和局限性，实现对瓜果蔬菜表面残留农药的准确、快速测量，本实用新型提出了一种基于光谱分析和成像相结合技术对瓜果、蔬菜等农产品表面农药残留浓度进行检测的可集成化便携式农药残留浓度检测装置。

本实用新型采用的技术解决方案如下：

本实用新型提供了一种可集成化便携式农药残留浓度检测装置，包括DSP处理电路，LED驱动控制电路、发光LED，接收光学系统，光谱探测CCD以及显示模块；

DSP处理电路通过LED驱动控制电路与发光LED电连接；发光LED发出的出射复合光照射到被检测瓜果蔬菜物表面后一部分被吸收，另一部分被反射至接收光学系统；接收光学系统将接收的反射光汇聚到光谱探测CCD上；光谱探测CCD与DSP处理电路电连接；显示模块与DSP处理电路电连接。

其中，接收光学系统包括沿反射光光路依次设置的4片球面镜，每片球面镜上均镀有红外增透膜；所述接收光学系统截止波段为3.0μm，焦距≤3.9mm，视场角不小于70°，在1/2极限频率处的MTF大于0.4。

为了增加该装置的数据可追溯性，该装置还包括用于将被检测瓜果蔬菜上残留农药的种类和浓度进行储存的数据存储单元。

具体来说，所述发光LED具有宽光谱特性，从紫外覆盖到中波红外，波长范围是：200nm—2.8μm。

本实用新型还给出了该农药残留浓度检测装置的另外一种优化的实施方式，结构具体如下：

一种可集成化便携式农药残留浓度检测装置，包括DSP处理电路，LED驱动控制电路、发光LED，接收光学系统，光谱探测CCD、成像CCD以及显示模块；

DSP处理电路通过LED驱动控制电路与发光LED电连接；发光LED发出的出射复合光照射到被检测瓜果蔬菜物表面后一部分被吸收，另一部分被反射至接收光学系统；接收光学系统将接收的反射光分成两个光路，一路为光谱探测光路，另一部分为成像光路；光谱探测CCD位于光谱探测光路的焦平面上；成像CCD位于成像光路的焦平面上；光谱探测CCD与DSP处理电路电连接；显示模块与DSP处理电路电连接。

其中，该接收光学系统由于需要将反射光分束为光谱探测光路和成像光路，因此该结构中的接收光学系统包括沿反射光光路依次设置的4片球面镜以及分光棱镜；每片球面镜上均镀有红外增透膜；所述接收光学系统截止波段为3.0μm，焦距≤3.9mm，视场角不小于70°，在1/2极限频率处的MTF大于0.4。

同第一种方式一致，该装置中还包括用于将被检测瓜果蔬菜上残留农药的种类和浓度进行储存的数据存储单元。

具体来说，所述发光LED具有宽光谱特性，从紫外覆盖到中波红外，波长范围是：200nm—2.8μm。

本实用新型的优点在于：

1、本实用新型基于成像光谱技术，利用物质吸收谱的探测，探测结果准确，且不易受其它物质的干扰；

2、本实用新型的需求光源涵盖紫外、可见光和中波红外，能够覆盖现有常用农药各成分分子的吸收谱；

3、本实用新型采用两片CCD分别完成成像与光谱探测的功能，避免了传统成像光谱仪用1片CCD通过光谱探测再通过信息重构恢复图像时庞杂的算法，降低了硬件设计难度，节约了成本；

4、本实用新型探测灵敏度高，能够快速得到被探测物质表面的残留农药种类与残留浓度，数据与图像相结合，结果直观；

5、本实用新型操作简单，不需要专业培训和大量的学科基础知识，适合大众人群的消费理念；

6、本实用新型体积小巧，数据接口简单，可集成在手机、PAD、平板电脑或者手提电脑中，与这些消费类电子的补光LED或照明LED、自带双向摄像头和处理器结合，实现功能的融合，更加方便用户的使用；

7、本实用新型的图像数据和测量数据能够实时存储，方便事后查看和比对。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的结构示意图。

图2为本实用新型实施例2的结构示意图。

附图标记如下：

1-DSP处理电路、2-LED驱动控制电路、3-发光LED、4-接收光学系统、5-光谱探测CCD、6-成像CCD、7-显示模块。

具体实施方式

下面通过两个实施例对本实用新型的装置及方法进行描述：

实施例1

如图1所示，一种可集成化便携式农药残留浓度检测装置由DSP处理电路1，LED驱动控制电路2，发光LED3，接收光学系统4，光谱探测CCD5和显示模块7组成；

DSP处理电路通过LED驱动控制电路与发光LED电连接；发光LED发出的出射复合光照射到被检测瓜果蔬菜物表面后一部分被吸收，另一部分被反射至接收光学系统；接收光学系统将接收的反射光汇聚到光谱探测CCD上；光谱探测CCD与DSP处理电路电连接；显示模块与DSP处理电路电连接。

其中，该实施例的接收光学系统接收光学系统包括沿反射光光路依次设置的4片球面镜，每片球面镜上均镀有红外增透膜；所述接收光学系统截止波段为3.0μm，焦距≤3.9mm，视场角不小于70°，在1/2极限频率处的MTF大于0.4。

需要说明的是：所述发光LED具有宽光谱特性，从紫外覆盖到中波红外，波长范围是：200nm—2.8μm。

实施例1的装置其具体工作过程如下：

1)建立标定模型和标定曲线

1.1)选定一种浓度及成分配比已知的农药，在LED复合光源的照射下，光谱探测CCD对该农药进行拍摄，并将图像经过FFT变化到频域后得到多光谱的吸收功率谱，将该吸收谱线与农药中各个成分对应，得到光谱与该浓度农药的对应标定模型，并拟合出标定曲线，将该标定曲线存储于DSP处理电路；

1.2)重复步骤1.1)，建立其它种类的农药的标定模型，并拟合出其他标定曲线；

2)获取实测模型和实测曲线；

2.1)在显示模块7的触摸屏上按下测量按键，启动测量功能；

2.2)DSP处理电路1使能LED驱动控制电路2；

2.3)LED驱动电路2被DSP处理电路1使能后开始驱动发光LED3发光；发光LED3为宽光谱特性，从紫外覆盖到中波红外(200nm—2.8μm)；

2.4)发光LED3发出的光为复合光，照射在被测瓜果蔬菜上光会被残留农药的各种分子各自吸收峰波段吸收，其余的光会被发射；被检测蔬菜瓜果表面发射的光经过接收光学系统4后，通过狭缝光阑并被准直后照射在色散棱镜上，再经过会聚镜后照射在光谱探测光路的焦平面上；之后光谱探测CCD5以每帧形式将反射光数据传输给DSP处理电路1；

2.5)DSP处理电路1在接收到光谱探测器CCD5的数据后，经过FFT变换到频域便得到了多光谱的吸收功率谱，对各波长功率进行数据拟合得到实测模型和实测曲线；

3)将实测模型和实测曲线与步骤1)得到的标定模型和标定曲线进行比对和逼近，通过曲线包络的接近程度快速确定残留农药的种类，根据幅值的比对快速确定被检测瓜果蔬菜上残留农药的浓度；

4)DSP处理电路1将被检测瓜果蔬菜上残留农药的种类和浓度上传至显示模块进行显示，显示内容包括当前被探测的瓜果蔬菜实物和其表面的残留农药种类及浓度，并且可以将当前图像和测量结果保存。

为了优化本实用新型，本实用新型还提出了另外一种实施例：

实施例2

如图2所示，一种可集成化便携式农药残留浓度检测装置，其特征在于：包括DSP处理电路1，LED驱动控制电路2、发光LED3，接收光学系统4，光谱探测CCD5、成像CCD6以及显示模块7；

DSP处理电路1通过LED驱动控制电路2与发光LED3电连接；发光LED3发出的出射复合光照射到被检测瓜果蔬菜物表面后一部分被吸收，另一部分被反射至接收光学系统4；接收光学系统4将接收的反射光分成两个光路，一路为光谱探测光路，另一部分为成像光路；光谱探测CCD5位于光谱探测光路的焦平面上；成像CCD6位于成像光路的焦平面上；光谱探测CCD5与DSP处理电路1电连接；显示模块7与DSP处理电路1电连接。

其中，该实施例中的接收光学系统包括接收光学系统包括沿反射光光路依次设置的4片球面镜以及分光棱镜；每片球面镜上均镀有红外增透膜；所述接收光学系统截止波段为3.0μm，焦距≤3.9mm，视场角不小于70°，在1/2极限频率处的MTF大于0.4。

需要说明的是：所述发光LED具有宽光谱特性，从紫外覆盖到中波红外，波长范围是：200nm—2.8μm。

实施例2的装置其具体工作过程如下：

1)建立标定模型和标定曲线

1.1)选定一种浓度及成分配比已知的农药，在LED复合光源的照射下，光谱探测CCD对该农药进行拍摄，并将图像经过FFT变化到频域后得到多光谱的吸收功率谱，将该吸收谱线与农药中各个成分对应，得到光谱与该浓度农药的对应标定模型，并拟合出标定曲线，将该标定曲线存储于DSP处理电路；

1.2)重复步骤1.1)，建立其它种类的农药的标定模型，并拟合出其他标定曲线；

2)获取实测模型和实测曲线；

2.1)在显示模块7的触摸屏上按下测量按键，启动测量功能；

2.2)DSP处理电路1使能LED驱动控制电路2；LED驱动电路2被DSP处理电路1使能后开始驱动发光LED3发光；发光LED3为宽光谱特性，从紫外覆盖到中波红外(200nm—2.8μm)；

2.3)LED3发出的光为复合光，照射在被测瓜果蔬菜上光会被残留农药的各种分子各自吸收峰波段吸收，其余的光会被发射；

2.4)被测蔬菜瓜果表面发射的光经过接收光学系统4后，首先会将光路分成两路，一路经45度折射后通过会聚镜会聚于成像光路的焦平面上；另外一路通过狭缝光阑并被准直后照射在色散棱镜上，再经过会聚镜后照射在光谱探测光路的焦平面上；

2.5)光谱探测CCD5位于光谱探测光路的焦平面上，每个像元为空间色散的像，每帧数据传输给DSP处理电路1；

同时，成像CCD6位于成像光路的焦平面上，所成的像为瓜果蔬菜的实像，每帧数据传输给DSP处理电路1；

2.6)DSP处理电路1在接收到光谱探测器CCD5的数据后，经过FFT变换到频域便得到了多光谱的吸收功率谱，对各波长功率进行数据拟合得到实测模型和实测曲线；

3)将实测模型和实测曲线与步骤1)得到的标定模型和标定曲线进行比对和逼近，通过曲线包络的接近程度快速确定残留农药的种类，根据幅值的比对快速确定被检测瓜果蔬菜上残留农药的浓度；

4)DSP处理电路1在接收到成像CCD6的数据后，将图像数据与中得到的残留农药种类与浓度数据进行融合；数据融合后，DSP处理电路1会将含有光谱探测的结果(农药的种类与浓度)和图像的数据传输给显示模块7进行显示，显示内容包括当前被探测的瓜果蔬菜实物和其表面的残留农药种类及浓度，并且可以将当前图像和测量结果保存。

Claims (8)

1.一种可集成化便携式农药残留浓度检测装置，其特征在于：包括DSP处理电路，LED驱动控制电路、发光LED，接收光学系统，光谱探测CCD以及显示模块；

DSP处理电路通过LED驱动控制电路与发光LED电连接；发光LED发出的出射复合光照射到被检测瓜果蔬菜物表面后一部分被吸收，另一部分被反射至接收光学系统；接收光学系统将接收的反射光汇聚到光谱探测CCD上；光谱探测CCD与DSP处理电路电连接；显示模块与DSP处理电路电连接。

2.根据权利要求1所述可集成化便携式农药残留浓度检测装置，其特征在于：接收光学系统包括沿反射光光路依次设置的4片球面镜，每片球面镜上均镀有红外增透膜；所述接收光学系统截止波段为3.0μm，焦距≤3.9mm，视场角不小于70°，在1/2极限频率处的MTF大于0.4。

3.根据权利要求1或2所述可集成化便携式农药残留浓度检测装置，其特征在于：还包括用于将被检测瓜果蔬菜上残留农药的种类和浓度进行储存的数据存储单元。

4.根据权利要求3所述可集成化便携式农药残留浓度检测装置，其特征在于：所述发光LED具有宽光谱特性，从紫外覆盖到中波红外，波长范围是：200nm—2.8μm。

5.一种可集成化便携式农药残留浓度检测装置，其特征在于：包括DSP处理电路，LED驱动控制电路、发光LED，接收光学系统，光谱探测CCD、成像CCD以及显示模块；

DSP处理电路通过LED驱动控制电路与发光LED电连接；发光LED发出的出射复合光照射到被检测瓜果蔬菜物表面后一部分被吸收，另一部分被反射至接收光学系统；接收光学系统将接收的反射光分成两个光路，一路为光谱探测光路，另一部分为成像光路；光谱探测CCD位于光谱探测光路的焦平面上；成像CCD位于成像光路的焦平面上；光谱探测CCD与DSP处理电路电连接；显示模块与DSP处理电路电连接。

6.根据权利要求5所述可集成化便携式农药残留浓度检测装置，其特征在于：接收光学系统包括沿反射光光路依次设置的4片球面镜以及分光棱镜；每片球面镜上均镀有红外增透膜；所述接收光学系统截止波段为3.0μm，焦距≤3.9mm，视场角不小于70°，在1/2极限频率处的MTF大于0.4。

7.根据权利要求5或6所述可集成化便携式农药残留浓度检测装置，其特征在于：还包括用于将被检测瓜果蔬菜上残留农药的种类和浓度进行储存的数据存储单元。

8.根据权利要求7所述可集成化便携式农药残留浓度检测装置，其特征在于：所述发光LED具有宽光谱特性，从紫外覆盖到中波红外，波长范围是：200nm—2.8μm。