可攜式大豆品質檢測近紅外光譜儀的製作方法
2023-06-22 21:48:41 1
專利名稱：可攜式大豆品質檢測近紅外光譜儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於現場糧食檢測的裝置，尤其適用於現場檢測大豆品質的近紅外光譜分析儀器。
背景技術：
大豆及其產品的品質分析對指導大豆主產區優質生產及深加工利用、提高大豆產品的市場競爭力具有重大意義。現有的品質檢測方法預處理過程繁瑣、檢測時間長，長期以來，由於傳統分析技術的局限性，按質論價的農產品原料收購體系一直沒有得到較好的解決。無法滿足隨進、隨驗、隨儲的要求。在收購大豆時，只憑大豆色澤、氣味、雜質含量確定大豆等級，對大豆的蛋白質、脂肪、水分、含油量等品質無法進行現場測定、按質論價。因此，如何現場快速對大豆品質進行測定是我們迫切需要解決的問題，這對農產品質量檢測技術和方法提出了新的要求。
近紅外光譜(NIRSNear Infrared Spectra)分析技術作為一種快速、無損、多組分同時檢測的綠色分析技術，可以滿足大豆產品品質現場檢測的要求。中國農業大學應用化學學院採用美國Perkin Elmer公司SPECTRUM ONE NTS傅立葉變換近紅外光譜儀，農業部穀物及製品質量監督檢驗測試中心和南京農業大學國家大豆改良中心均採用丹麥Foss公司的Infratec1255/型近紅外光譜儀測得譜圖，經過數據處理、建模分析大豆的水分、蛋白質、油分的含量。SPECTRUM ONENTS傅立葉變換近紅外光譜儀採用機械轉動式、雙動鏡幹涉儀作分光器，積分球漫反射採樣，InGaAs檢測器；Infratec1255型近紅外光譜儀採用全息光柵掃描分光、Si材料檢測器、固定樣品池透射採樣，尺寸為500×570×375mm、重量31kg。二者均為實驗室儀器，體積、重量大，採樣位置固定，無法消除由於樣品裝載不均勻產生的測量誤差。由於不能在現場實時檢測，效率低，成本高。
CN03127633.4公開的《可攜式近紅外礦物分析儀》是通過光調製器調節入射光，反射鏡和光路設置在積分球內，工藝複雜，加工難度較大，僅限於含有氫氧根的礦物分析，不能用於糧食作物的檢測。CN200720093240.6公開的《乙醇汽油光纖光電分析儀》是在《可攜式近紅外礦物分析儀》的基礎上，通過光纖探頭測試乙醇汽油的組成成份及其含量，由於所採用的是光纖探頭，也不能用於糧食作物的檢測。
發明內容
本發明的目的就在於針對上述現有技術的不足，提供一種適於現場檢測，方便快捷的可攜式大豆品質檢測近紅外光譜儀。
本發明的目的是通過以下方式實現的光譜儀1是由外殼16內通過支架固定有光源系統3、採樣系統4和分光系統5，分光系統5左側壁靠近採樣系統4設有狹縫11，外殼16左內壁上部裝有電源8和單片機7。
本發明的目的還可以通過以下方式實現分光系統5內通過支架在左上角固定裝有光柵13，下部裝有球面反射鏡14，右側裝有球面反射鏡12，上部裝有信號採集模塊6和CCD傳感器15；光源系統3是由滷鎢燈24和透鏡25構成；採樣系統4是在旋轉樣品池9的下部裝有步進電機10；光源系統3、透鏡25、狹縫11與球面反射鏡12的中心點在同一直線上；球面反射鏡12和14的光軸與光柵13的中心法線對稱。
有益效果旋轉樣品池的設計，從而對同一樣品在不同角度測量其漫透射的光譜信號，消除樣品裝載不均勻引起的測量誤差，提高了樣品近紅外光譜檢測的速度和數據的準確度，不需要對樣品進行預處理，解決了大豆及其它糧食作物品質現場檢測分析難的問題。
附圖1可攜式大豆品質檢測近紅外光譜儀主視圖附圖2為附圖1中4的結構圖附圖3是信號採集系統原理框圖1光譜儀，2上位機，3光源系統，4採樣系統，5分光系統，6信號採集模塊，7單片機，8電源，9旋轉樣品池，10步進電機，11入射狹縫，12、14球面反射鏡，13光柵，15CCD傳感器，16外殼，17時序控制模塊，19信號放大處理模塊，20數模轉換模塊，21數據緩存模塊，22電源插口，23電源開關，24滷鎢燈，25透鏡具體實施方式
可攜式大豆品質檢測近紅外光譜儀是由光譜儀1和上位機2兩部分構成。光譜儀1是在外殼16內通過支架固定有光源系統3、採樣系統4和分光系統5，光源系統3的右側裝有透鏡25，分光系統5左側壁靠近採樣系統4設有狹縫11，外殼16內左內壁上部裝有電源8和單片機7。採樣系統4是在旋轉樣品池9的下部裝有步進電機10；分光系統5內通過支架在右上角固定裝有光柵13，下部裝有球面反射鏡14，右側裝有球面反射鏡12；分光系統5上部裝有信號採集模塊6和CCD傳感器15，光源系統3、透鏡25、狹縫11與球面反射鏡12的中心點在同一直線上；球面反射鏡12和14的光軸與光柵13的中心法線對稱。構成用於固體樣品的漫透射測量裝置。
將大豆樣品置於旋轉樣品池4中，光源系統3發出的複合光經樣品漫透射後進入分光系統5，單片機7根據用戶設置的採樣次數N，控制步進電機10轉動帶動旋轉樣品池9依次轉動相應的角度360°/N，同時信號採集模塊6採樣並上傳給上位機2。取N次數據的平均值作為樣品的檢測信號，從而消除大豆樣品裝載不均勻引起的測量誤差。上位機2根據樣品、空白以及背景的檢測信號得出樣品的吸光度光譜數據，並顯示其光譜圖，通過分析模塊分析出大豆樣品成份。
空白檢測信號是將旋轉樣品池9置空，光源系統3發出的複合光經過空旋轉樣品池9後進入分光系統5，信號採集模塊6採樣所獲信號即為空白檢測信號。
背景檢測信號是將分光系統5的入射狹縫11遮住，外界光線不進入分光系統5，信號採集模塊6採樣所獲信號即為背景檢測信號。
單片機7採用了集成USB2.0控制器的單片機，固定於儀器外殼16的底板上，控制時序控制模塊17、信號放大處理模塊19、數模轉換20、數據緩存21等模塊以及步進電機10產生的控制信號，通過數據或控制線與它們相連，通過USB接口與上位機2進行指令和數據通訊。
電源8固定於儀器外殼16的左側壁上，電源8可以是交流電也可以蓄電池，經DA-DA模塊將穩壓電源轉換為直流24V，用電源線與各系統相連，為光源系統3、信號採集6和單片機7提供所需的電壓，通過電源插口22串聯開關23與外電源連接，由開關按鈕控制儀器電源的通斷。
由光源系統3發出的複合光漫透射旋轉樣品池9中的大豆樣品後經狹縫11射入分光系統5分光得到指定波段的近紅外單色光線，在CCD傳感器15接收表面形成一系列按波長大小順序排列的700-1100nm的單色光譜線，由信號採集6進行光電轉換後送入單片機7，信號採集6由時序控制模塊17、CCD傳感器15、信號放大處理19、數模轉換20、數據存儲21模塊組成。時序控制模塊17產生CCD驅動信號、A/D轉換信號、數據存儲模塊21的寫入信號。CCD15產生的電信號經時序控制模塊17驅動後輸出，由信號放大處理模塊19進行放大處理後經模數轉換模塊20進入數據緩存模塊21緩存後，通過USB口傳輸到上位機2。
單片機7控制步進電機10帶動旋轉樣品池9轉動，從而對同一樣品在不同角度測量其漫透射的光譜信號，取其平均值作為樣品的檢測信號，以消除大豆樣品裝載不均勻引起的測量誤差。上位機2根據樣品、空白以及背景的檢測信號得出樣品的吸光度光譜數據，並顯示其光譜圖，分析出大豆樣品成份。
權利要求
1.一種用於現場檢測的可攜式大豆品質檢測近紅外光譜儀，包括上位機和光譜儀，其特徵在於，光譜儀(1)是由外殼(16)內通過支架固定有光源系統(3)、採樣系統(4)和分光系統(5)，分光系統(5)的左側壁靠近採樣系統(4)設有狹縫(11)，外殼(16)左內壁上部裝有電源(8)和單片機(7)。
2.按照權利要求1所述的可攜式大豆品質檢測近紅外光譜儀，其特徵在於，分光系統(5)內通過支架在左上角固定裝有光柵(13)，下部裝有球面反射鏡(14)，右側裝有球面反射鏡(12)，上部裝有信號採集模塊(6)和CCD傳感器(15)。
3.按照權利要求1所述的可攜式大豆品質檢測近紅外光譜儀，其特徵在於，光源系統(3)是由滷鎢燈(24)和透鏡(25)構成。
4.按照權利要求1所述的可攜式大豆品質檢測近紅外光譜儀，其特徵在於，採樣系統(4)是在旋轉樣品池(9)的下部裝有步進電機(10)。
5.按照權利要求1所述的可攜式大豆品質檢測近紅外光譜儀，其特徵在於，光源(3)、透鏡(25)、狹縫(11)與球面反射鏡(12)的中心點在同一直線上。
6.按照權利要求1所述的可攜式大豆品質檢測近紅外光譜儀，其特徵在於，球面反射鏡(12)和(14)的光軸與光柵(13)的中心法線對稱。
全文摘要
本發明涉及一種用於大豆品質現場檢測的可攜式近紅外光譜分析儀，由光源、採樣系統、分光系統、信號採集、單片機和上位機組成。由光源發出的複合光經對樣品漫透射後，由分光系統分光得到指定波段的近紅外單色光線照到陣列式傳感器上，轉變為對應的電信號，經數模轉換器轉換為數位訊號，通過USB口傳輸到上位機。根據樣品的檢測信號得出樣品的吸光度光譜數據，並顯示其光譜圖，根據光譜數據分析出大豆樣品組份。旋轉樣品池的設計，對同一樣品在不同角度測量其漫透射的光譜信號，消除樣品裝載不均勻引起的測量誤差，提高了樣品近紅外光譜檢測的速度和數據的準確度，不需要對樣品進行預處理，解決了大豆及其它糧食作物品質現場檢測分析難的問題。
文檔編號G01N21/25GK101055245SQ20071005567
公開日2007年10月17日 申請日期2007年5月24日 優先權日2007年5月24日
發明者王智宏, 周逢道, 閆慧, 孫彩堂 申請人:吉林大學