解決方案
光纖光譜儀在水果檢測和分選領(lǐng)域的應(yīng)用
概 要
作為水果生產(chǎn)大國，提高水果的品質(zhì)既能滿足人民日益提高的生活水平的要求，也可進(jìn)一步提升國產(chǎn)水果在國際市場上的競爭力。在水果生長成熟階段，光照、施肥、溫度等客觀因素均會(huì)影響水果的品質(zhì)，故準(zhǔn)確檢測水果的生長情況以及采摘后對水果的質(zhì)量分選至關(guān)重要。水果無損檢測技術(shù)（NDT）是在不破壞檢測物料的情況下，根據(jù)物料內(nèi)部變化引起的光、聲、熱、電、磁等物理特性的變化檢測并判斷物料的質(zhì)量。與傳統(tǒng)化學(xué)檢測相比，無損檢測技術(shù)具有不會(huì)破壞被檢對象，并且可以對全部果實(shí)進(jìn)行檢測，避免抽檢不完全性，測試速度快的優(yōu)勢。
圖1 某水果分選現(xiàn)場
光譜檢測技術(shù)是一種非接觸、非破壞性的無損檢測技術(shù)，水果內(nèi)部不同成分和特性對不同波長的光的反射率、透射率和吸光度表現(xiàn)不同，所以可以通過光譜儀檢測水果對照明光源的反射光譜或者透射光譜進(jìn)而分析判斷水果的可溶性固形物、色澤、糖分、酸度等特性。目前該方法已經(jīng)廣泛被用于檢測臍橙、蘋果、桃子、芒果、杏子、獼猴桃、西瓜等水果，此外因?yàn)槠浞奖憧旖莸膬?yōu)勢，也廣泛應(yīng)用于其他農(nóng)產(chǎn)品如雞蛋、谷物、飼料、紫薯等的分選檢測。本文以荷蘭Avantes公司的微型光纖光譜儀AvaSpec-HS2048XL-EVO和AvaSpec-ULS2048XL-EVO為例，介紹微型光譜儀在水果檢測和水果分選方面的應(yīng)用。
Avantes光譜儀模塊化，且體積小巧，方便便攜、手持式測試使用或集成到檢測生產(chǎn)線中。AvaSpec-HS2048XL-EVO和AvaSpec-ULS2048XL-EVO都采用高靈敏度背照式CCD探測器，該探測器在近紅外波段響應(yīng)性能極好，同時(shí)可見紫外部分也有很高的效率，測試精度高。儀器信噪比性能極好，可有效去除噪聲的影響。搭配USB3的電路板，最小積分時(shí)間可達(dá)到微秒量級，實(shí)現(xiàn)高速測試，提高工作效率。包含多種編程語言的DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫可以集成到不同系統(tǒng)軟件中。
1. 儀器原理
荷蘭Avantes公司的AvaSpec-ULS2048XL-EVO光纖光譜儀，采用對稱式光路設(shè)計(jì)，焦距75 mm，包括光纖接頭（標(biāo)準(zhǔn)SMA接口）、準(zhǔn)直鏡、衍射光柵、聚焦鏡和大尺寸高靈敏度背照式線陣CCD探測器，波長范圍200-1100 nm，提供USB3.0接口、高速網(wǎng)口和I/O外觸發(fā)同步接口。與AvaSpec-ULS2048XL-EVO相比，AvaSpec-HS2048XL-EVO光學(xué)平臺(tái)采用37.5 mm焦距，數(shù)值孔徑可達(dá)0.22，具有更高的靈敏度，測試精度更高。
圖2 AvaSpec-ULS2048XL-EVO光譜儀的光學(xué)平臺(tái)
2． 水果品質(zhì)檢測方法
2.1 水果品質(zhì)檢測光路
目前用于水果無損檢測的主要光譜檢測方法有反射光譜法、漫反射光譜法、透射光譜法，其光路分別如下圖所示。在這些光路中，光源可采用單個(gè)或多個(gè)50 W鹵素?zé)艚M合的方式，既可以提高光照功率，也可以提高光照均勻度。光譜儀可以采用Avantes生產(chǎn)的光纖光譜儀，其體積小，方便集成到系統(tǒng)中，波長范圍最多可以覆蓋200-2500 nm，最短積分時(shí)間可以達(dá)到2 μs，滿足對全部物料快速、高效的測試需求。光纖可采用Avantes 800 μm或者1000 μm的大芯徑，提高光通量，金屬鎧甲包層可保護(hù)光纖避免損傷。此外，Avantes也可提供多種附件選擇，滿足不同的應(yīng)用場景。
在水果生長階段，利用Avantes光譜儀的小巧性能將光譜儀、光源、光纖集成到系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)便攜手持測試方式，避免采摘破壞水果，同時(shí)根據(jù)測試結(jié)果合理安排施肥、灌溉、培育、采光等條件。通過檢測成熟度，確定采摘時(shí)間并設(shè)定理想的果實(shí)存儲(chǔ)環(huán)境。在水果采摘后，也可將Avantes光譜儀集成到生產(chǎn)線中，通過光譜儀檢測水果可溶性物質(zhì)、糖度、甜度、挫傷、腐爛等特性對水果進(jìn)行自動(dòng)篩選及質(zhì)量評級，使生產(chǎn)者能夠保證高質(zhì)量的同時(shí)向消費(fèi)者提供同一的質(zhì)量。Avantes快速精準(zhǔn)的優(yōu)勢可大大提高產(chǎn)線的工作效率。
2.2水果品質(zhì)檢測數(shù)據(jù)處理
研究人員用AvaSpec光譜儀以及鹵鎢燈照明光源(AvaLight-HAL-S-Mini),光纖反射探頭對富士蘋果的近紅外光譜(600 - 1100 nm)進(jìn)行了研究，在測試到光譜數(shù)據(jù)后，研究人員開發(fā)了一種關(guān)聯(lián)果實(shí)固含量、含水量和硬度特征的算法。從這些數(shù)據(jù)中，研究小組能夠分離出對預(yù)測內(nèi)部水果質(zhì)量有用的敏感波長。為了減少數(shù)據(jù)集，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步討論了選擇適當(dāng)波長的各種方法，而不是監(jiān)測整個(gè)近紅外光譜。這種選擇關(guān)鍵波長以較少數(shù)據(jù)集的方法成為便攜式和內(nèi)聯(lián)傳感系統(tǒng)(如Avantes OEM合作伙伴目前正在開發(fā)的系統(tǒng))開發(fā)的重要組成部分。以下為部分測試數(shù)據(jù)集。
2.3 二次開發(fā)動(dòng)態(tài)鏈接庫
AvaSpec-DLL二次開發(fā)動(dòng)態(tài)鏈接庫可適用于Windows和Linux系統(tǒng)，有32位和64位兩種版本，可以幫助您輕松地編寫軟件解決方案，適用于Avantes所有類型光譜儀。該軟件主要包含以下功能：
通過USB接口和一個(gè)或者多個(gè)光譜儀建立通訊。這些函數(shù)可以打開和關(guān)閉所連接的光譜儀。
從光譜儀的EEProm中設(shè)置/讀取硬件參數(shù)。
用于獲取數(shù)據(jù)的函數(shù)，將數(shù)據(jù)調(diào)入您編寫的應(yīng)用程序
與其他設(shè)備通過TTL或模擬信號(hào)進(jìn)行通訊的函數(shù)
Avantes的動(dòng)態(tài)鏈接庫包含Delphi、C++、Java、LabView、Matlab、vb2013、Vc#2013、Qtdemos、PyQt5、mfc2013多種編程語言，適合不同開發(fā)者的使用需求。另外，Avantes還提供詳細(xì)的二次開發(fā)說明介紹，包括各函數(shù)的功能介紹，簡單例程介紹等，幫助開發(fā)者順利編寫軟件。
3．結(jié)論
使用AvaSpec-HS2048XL-EVO和AvaSpec-ULS2048XL-EVO光譜儀進(jìn)行水果檢測和分選應(yīng)用，具有功能強(qiáng)大，性價(jià)比高、測量精度高、測量速度快、操作簡單等特點(diǎn)，而且體積小巧，方便集成到系統(tǒng)中進(jìn)行在線監(jiān)測。
同時(shí)Avantes還能夠?yàn)槟峁└嗟倪x擇，如體積更?。埮拼笮。┑墓庾V儀CompactLine系列；近紅外波段（1000-2500 nm）光譜儀NIRLine系列，超快光譜儀（2000幅/秒）系列等。如您有更多需求，請您聯(lián)系我們的技術(shù)工程師，我們會(huì)為您提供完善的光譜學(xué)解決方案。
Avantes, OEM合作伙伴的未來農(nóng)業(yè)
在Avantes，我們致力于通過與創(chuàng)新者合作改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，利用光子學(xué)技術(shù)讓世界變得更美好。擁有將近30年生產(chǎn)高品質(zhì)光子學(xué)設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)，并與光子學(xué)領(lǐng)域的研究人員和專家有著密切的聯(lián)系，Avantes是您理想的OEM合作伙伴。請立即與我們聯(lián)系，以了解關(guān)于您的獨(dú)特應(yīng)用的演示或可行性測試的更多信息。
1. 卜曉樸, 李永玉*, 閆帥，基于可見-近紅外光譜的生鮮紫薯食味品質(zhì)快速無損檢測，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院