王偉明，張文濤，董大明，熊顯名

(1.桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西桂林 541004;2.國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心農(nóng)業(yè)與自動(dòng)化部，北京 100097)

梨子口感好，在潤(rùn)肺、化痰和解酒毒方面有特殊的功效。另外它適于高血壓、心臟病患者食用，可以保護(hù)嗓子，預(yù)防喉癌等，深受人們喜愛(ài)［1］。隨著生活水平的提高，人們對(duì)梨要求不再僅局限于口感，而對(duì)其含糖量，可溶性物質(zhì)含量有了新的要求。但是傳統(tǒng)折光儀有損檢測(cè)耗時(shí)、費(fèi)力，效率低，而且會(huì)對(duì)果肉造成損壞，給檢驗(yàn)帶來(lái)不便。而近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的近紅外光譜技術(shù)由于其方便、快捷、高效而被廣泛應(yīng)用于人們生產(chǎn)生活各種檢測(cè)之中。

國(guó)內(nèi)外將近紅外光譜技術(shù)較早應(yīng)用于水果檢測(cè)。1970年美國(guó)一家商業(yè)公司［2］首先將近紅外光譜技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之中，用于檢測(cè)農(nóng)產(chǎn)品中蛋白質(zhì)等物質(zhì)含量。R.Lu［3］使用近紅外光譜漫反射技術(shù)(800～1700 nm)結(jié)合偏最小二乘法較好的預(yù)測(cè)了櫻桃的硬度和甜度，得到相關(guān)系數(shù)分別為0.8和0.65，而預(yù)測(cè)誤差分別為 0.55 和 0.44。Luis E.Rodriguez－ Saona et al［4］使用FT－NIR光譜儀和多變量技術(shù)對(duì)果汁的糖濃度進(jìn)行了快速檢測(cè)，并對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理和偏最小二乘法運(yùn)算，結(jié)果證實(shí)近紅外光譜用來(lái)預(yù)測(cè)的可行性。劉燕德、應(yīng)義斌［5］采用近紅外漫反射技術(shù)，利用FT－IR光譜儀對(duì)蘋(píng)果樣品進(jìn)行了預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)，得到標(biāo)準(zhǔn)校正誤差為0.317，標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)誤差為0.487。趙杰文等［6］利用近紅外光譜漫反射光譜技術(shù)進(jìn)行蘋(píng)果糖度無(wú)損檢測(cè)，研究了1300～2100 nm波段蘋(píng)果無(wú)損檢測(cè)的可行性，并結(jié)合主成分回歸和偏最小二乘法回歸進(jìn)行分析，得出基于偏最小二乘法的模型優(yōu)于主成分回歸模型，并且采用蘋(píng)果上一個(gè)點(diǎn)的光譜來(lái)預(yù)測(cè)蘋(píng)果糖度值是不夠準(zhǔn)確的。由于近紅外光譜檢測(cè)儀器成本較低，便于推廣。近紅外光譜技術(shù)在與化學(xué)計(jì)量學(xué)方法相結(jié)合，應(yīng)用于果蔬和農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量評(píng)價(jià)方面有著廣泛的意義［7］。

文中采用近紅外光譜漫反射分析技術(shù)，進(jìn)行了基于近紅外漫反射的梨糖無(wú)損便攜式儀器檢測(cè)設(shè)備開(kāi)發(fā)，并且結(jié)合偏最小二乘法對(duì)梨糖濃度值進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

1 測(cè)量系統(tǒng)原理及硬件組成

1.1 檢測(cè)基本原理

碳水化合物、糖分等物質(zhì)含有易吸收近紅外光譜的官能團(tuán)，而梨中含有豐富的這些物質(zhì)。當(dāng)使用近紅外光譜照射水果表面時(shí)，不同糖濃度的梨果由于其吸收官能團(tuán)的不同以及漫反射程度的不同，會(huì)使探測(cè)器接收到的光譜成分呈現(xiàn)不同的吸收峰。通過(guò)建立接收端近紅外光譜某些特征吸收峰的吸光度值和梨糖度值的關(guān)系，結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法可以定量預(yù)測(cè)未知梨果的糖度值。

首先由近紅外光譜儀和折糖儀作為標(biāo)準(zhǔn)儀器，將試驗(yàn)樣品梨分為校正集樣品A和預(yù)測(cè)集樣品B，將光譜儀探頭通過(guò)A并且探測(cè)器端接收到吸收光譜，使用折光儀對(duì)這部分校正集樣品進(jìn)行測(cè)量，得出對(duì)應(yīng)的糖度值。由于儀器采用的激光二極管是具有特征波段的，因此選取具有一定梯度的標(biāo)準(zhǔn)糖度值所對(duì)應(yīng)的整條光譜線(xiàn)，從中選取了幾個(gè)特征波段繪制圖形如圖1所示。糖濃度越高，接收到的光強(qiáng)越低，而由吸光度的定義可知，對(duì)應(yīng)的吸光度值越高。由圖1對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在905 nm波段吸光度值變化與糖度的變化關(guān)系緊密，與吸光度的概念相一致，且變化較為平坦，因此本儀器選取905 nm作為特征波段，將850 nm選為背景波段，分別選取兩個(gè)波段的激光二極管和探測(cè)器封裝成光路部分。結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)算法建立梨果的糖度值和近紅外吸收譜的算法關(guān)系，通過(guò)軟件方式寫(xiě)入儀器處理器內(nèi)。這樣就可以使用儀器在進(jìn)行測(cè)量時(shí)通過(guò)接收光譜反演出預(yù)測(cè)集的梨果糖度值。

1.2 光路部分

圖1 不同糖度值下特征波段與吸光度譜的關(guān)系

系統(tǒng)基于近紅外光譜漫反射原理，采用兩進(jìn)一出的光路方式，如圖2所示，將905 nm、850 nm波段激光二極管和光電探測(cè)器封裝到一個(gè)探頭里，便于手持檢測(cè)。兩路光源采用一閃一滅的方式由單片機(jī)軟件控制。光源經(jīng)過(guò)不銹鋼探頭，入射到梨果表皮，由于梨果內(nèi)部糖類(lèi)所含官能團(tuán)的吸收，剩余能夠反映梨內(nèi)部官能團(tuán)的光返回到探測(cè)器。然后經(jīng)由后續(xù)電路處理，得到梨的糖度值。激光二極管工作功率為5～10 mW，工作電流為65～70 mA，多模光纖2 mm。

圖2 光路部分示意圖

1.3 硬件電路電路

基于近紅外光譜的梨糖濃度無(wú)損便攜式檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如圖3所示。激光二極管由單片機(jī)軟件控制閃滅，光路部分得到的近紅外光譜經(jīng)探測(cè)器變?yōu)殡娏餍盘?hào)，后經(jīng)壓流轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。通過(guò)調(diào)節(jié)元器件參數(shù)使得能被單片機(jī)內(nèi)A/D模塊正常采集，將上述方法建立的算法關(guān)系軟件實(shí)現(xiàn)寫(xiě)入單片機(jī)，反演出未知藥品的糖度值在LED端顯示。

圖3 梨糖濃度無(wú)損便攜式檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

(1)激光二極管驅(qū)動(dòng)電路。

激光二極管驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，對(duì)電流變化較為敏感。儀器采用由同相加法器和電壓跟隨器組成的穩(wěn)流源電路，輸出激光二極管工作電流約為65 mA。LD端接負(fù)載電路。電路具體運(yùn)算關(guān)系如下

圖4 激光二極管驅(qū)動(dòng)電路

(2)光電轉(zhuǎn)換及壓流轉(zhuǎn)換電路。

此光電轉(zhuǎn)換電路采用零偏置方式，如圖5所示，由虛短和虛斷可知流入集成運(yùn)放同向端電流為零，因此從探測(cè)器輸出電流將全部通過(guò)反饋電阻R16到輸出端，輸出電壓為電流I與電阻R16的乘積。因?yàn)樘綔y(cè)器輸出電流為nA級(jí)，所以選用1 MΩ電阻。此處輸出的電壓信號(hào)為疊加了噪聲的復(fù)合信號(hào)，需要通過(guò)低通濾波器濾除截至頻帶以外的噪聲。

圖5 光電轉(zhuǎn)換及壓流轉(zhuǎn)換電路

(3)低通濾波電路。

采用巴特沃斯8階低通濾波器，雙運(yùn)算放大芯片OPA2277，由低通濾波器設(shè)計(jì)軟件Filterlab設(shè)計(jì)參數(shù)，壓流轉(zhuǎn)換電路輸出電壓經(jīng)低通濾波器噪聲濾除較為明顯。模數(shù)轉(zhuǎn)換和單片機(jī)采集電路采用經(jīng)典的C8051F040最小電路設(shè)計(jì)，選自單片機(jī)的開(kāi)發(fā)文檔經(jīng)典電路。

2 基于偏最小二乘法的模型的構(gòu)建

主成分回歸算法只對(duì)光譜陣進(jìn)行了分解，而偏最小二乘法回歸算法在此基礎(chǔ)對(duì)濃度陣Y也進(jìn)行了分解。偏最小二乘法是多元線(xiàn)性回歸、主成分分析的結(jié)合［8］。

論文利用上述近紅外光譜無(wú)損檢測(cè)儀器進(jìn)行試驗(yàn)，選用河北產(chǎn)的水晶梨45個(gè)組成標(biāo)準(zhǔn)集樣本，采用折光儀作為標(biāo)準(zhǔn)糖度值進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，折光儀采用海鷗光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的ATC型手持折光儀(0～32%)。得出水晶梨的標(biāo)準(zhǔn)糖度值范圍為8% ～13.8%，其平均值為 10.1%。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 CAMO公司的Unscrambler X軟件進(jìn)行了數(shù)據(jù)處。得出預(yù)測(cè)值和標(biāo)準(zhǔn)值的相關(guān)圖如圖6和圖7所示。其中校正集相關(guān)系數(shù)為0.99186，RMSEC 為0.00175，而由此模型進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)所得到的預(yù)測(cè)集相關(guān)系數(shù)為0.8147，RMSEP=0.00808。

3 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)應(yīng)用近紅外光譜漫反射技術(shù)建立了梨果糖濃度的無(wú)損檢測(cè)設(shè)備，從結(jié)果可以看到，所制作的基于單波段近紅外光譜的檢測(cè)設(shè)備可以用于梨果糖度值預(yù)測(cè)，且所建立的數(shù)學(xué)模型較為穩(wěn)定。

［1］ 張友義，章友蘭.“百果之宗”－梨的食療與食補(bǔ)［J］.藥膳食療研究，1998(1):13－14.

［2］ 金仲輝，毛炎麒，嚴(yán)衍祿，等.物理學(xué)在促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展中的作用［J］.物理，2002，31(6):392 －399.

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［4］ LUIS E R S，F(xiàn)REDRICK S F，MICHAEL A M，et al.Rapid analysis of sugars in fruit juices by ft－ nir spectroscopy［J］.Crbohydrate Research，2001，33(6):63 －74.

［5］ 劉燕德，應(yīng)義斌.近紅外漫反射式水果糖份含量的測(cè)量系統(tǒng)［J］.光電工程，2004(31):51－53.

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［7］ SLAUGHIER D C.Nondestructive determination of internal quality in peaches and nectarines ［J］.Transaction of the ASAE，1995，38(2):617 －623.

［8］ 褶小立.化學(xué)計(jì)量學(xué)方法與分子光譜分析技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2011.