熊顯名++王心芒++張文濤++聶君揚(yáng)++唐綺雯
doi:10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.114
摘要:針對(duì)小麥含水率檢測(cè)快速、便捷的需求,設(shè)計(jì)基于近紅外三波長(zhǎng)法的小麥含水率檢測(cè)系統(tǒng),系統(tǒng)主要由ARM Cortex-M3主控芯片、激光二極管驅(qū)動(dòng)電路、光電轉(zhuǎn)換電路、積分球等組成。通過研究小麥含水率對(duì)3個(gè)不同波長(zhǎng)光功率吸收的規(guī)律,結(jié)合五元三次多項(xiàng)式回歸擬合方法,建立小麥含水率與3個(gè)不同波長(zhǎng)光吸收率的數(shù)學(xué)模型,并對(duì)模型進(jìn)行可靠性檢驗(yàn)。與直接干燥法相比,系統(tǒng)對(duì)含水率為5.0%~10.3%的小麥的含水率絕對(duì)測(cè)量誤差為 -2.2%~0.8%,響應(yīng)時(shí)間小于1.5 s,以達(dá)到實(shí)用的要求。
關(guān)鍵詞:小麥;籽粒含水率;近紅外三波長(zhǎng)法;無損檢測(cè)
中圖分類號(hào): S237文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號(hào):1002-1302(2016)10-0390-04
收稿日期:2015-08-10
基金項(xiàng)目:廣西壯族自治區(qū)自然科學(xué)基金(編號(hào):2014GXNSFGA118003、2013GXNSFDA019002);廣西教育廳項(xiàng)目(編號(hào):ZD2014057);廣西壯族自治區(qū)桂林市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)課題(編號(hào):20130122-2、20140127-1)。
作者簡(jiǎn)介:熊顯名(1964—),男,廣西桂林人,研究員,碩士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)楣怆姍z測(cè)與智能儀器。E-mail:xmxiong@guet.edu.cn。
通信作者:王心芒。E-mail:mang11@sina.com。糧食的含水率是評(píng)價(jià)糧食品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo),它直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和保存期限[1-2];小麥?zhǔn)鞘澜缟峡偖a(chǎn)量位居第二的糧食作物[3],僅次于玉米。因此,在小麥的存儲(chǔ)和加工應(yīng)用中,含水率的檢測(cè)[4-5]非常重要。傳統(tǒng)的烘干法[6]和電導(dǎo)法[1,7-8]是小麥含水率檢測(cè)的主要方法。這2種方法具有精度高、測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),但是使用條件的限制無法滿足在線非接觸式連續(xù)測(cè)量的需求;近紅外光譜法[9-10]具有分析速度快、無損檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn),但目前國(guó)內(nèi)的近紅外光譜分析儀器主要以進(jìn)口為主,價(jià)格高,保修困難,且光路復(fù)雜、體積大,較難滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。因此,設(shè)計(jì)出便攜、快速、無損的小麥含水率檢測(cè)系統(tǒng)非常有必要。本研究結(jié)合近紅外光譜法的優(yōu)點(diǎn),提出采用半導(dǎo)體近紅外激光二極管設(shè)計(jì)含水率檢測(cè)系統(tǒng),以積分球[11]為核心,采用3個(gè)不同波長(zhǎng)的激光二極管光源和1個(gè)InGaAs半導(dǎo)體探測(cè)器[12],去除一般光譜儀器中必須采用的移動(dòng)部件,將光源和分光器件合二為一;將ARM Cortex-M3主控芯片作為儀器控制中心,具有自動(dòng)校正和豐富的人機(jī)交互功能。
1小麥籽粒含水率檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1.1光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1.1光源選擇系統(tǒng)采用陣列式半導(dǎo)體激光器作為光源,積分球[11]作為光收集器,將光源與分光系統(tǒng)合二為一,提高儀器的穩(wěn)定性。近紅外波段(800~2 500 nm)屬于通信波段,此波段的激光光源豐富、價(jià)格適中、光纖技術(shù)較為成熟[13]。有研究發(fā)現(xiàn),水分子在近紅外波段具有很強(qiáng)的特征性的合頻吸收帶[9-10],因此根據(jù)市場(chǎng)現(xiàn)有近紅外波段波長(zhǎng)的激光二極管和水的近紅外光譜圖選擇1個(gè)測(cè)量波長(zhǎng)和2個(gè)參比進(jìn)行含水率的測(cè)定。
由圖1可知,水分子在近紅外波段出現(xiàn)3個(gè)吸收峰。在1 200 nm處的吸收率很小,適合含水率大于50%的分析測(cè)量,在1 440、1 940、2 950 nm處吸收率較大。其中,2 950 nm屬于中紅外波段,測(cè)量范圍窄,而且光源價(jià)格較高,適用于高精度的水分測(cè)量;1 940 nm吸收率在1 200~1 440 nm之間,適合含水率大于20%的分析測(cè)量;1 440 nm適合含水率小于20%的分析測(cè)量,而且該波長(zhǎng)的激光器市場(chǎng)供應(yīng)量充足,價(jià)格便宜。根據(jù)以上分析,系統(tǒng)采用1 440 nm的激光二極管作為小麥含水率測(cè)量光源。參比波長(zhǎng)要求對(duì)水分吸收很少,光譜值的偏差很小,且盡量靠近測(cè)量波長(zhǎng)。根據(jù)圖1結(jié)合市場(chǎng)現(xiàn)有近紅外波段波長(zhǎng)的激光二極管,選擇1 310、1 550 nm作為參比波長(zhǎng),兩者偏差分別為0.02、0.03。
1.1.2積分球設(shè)計(jì)積分球是用于光度測(cè)量的中空球腔,腔壁采用無波長(zhǎng)選擇性的漫反射性鍍金涂料,其反射率高達(dá)96%以上[11]。積分球的結(jié)構(gòu)如圖2所示,光源照射到樣品上,被樣品漫反射的光經(jīng)過球體內(nèi)部的多次反射,絕大部分進(jìn)入檢測(cè)器被接收。由于接收了絕大部分的分析光,提高了系統(tǒng)的信噪比,降低了由于入射光的形狀和角度等對(duì)測(cè)量產(chǎn)生的影響。積分球內(nèi)徑60 mm,樣品杯內(nèi)徑13 mm。
1.1.3光電探測(cè)器的選擇光電探測(cè)器的作用是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),一般由光敏器件構(gòu)成,光敏器件的材料決定了其探測(cè)波長(zhǎng)的范圍。由于系統(tǒng)采用分時(shí)驅(qū)動(dòng)3路激光的方法,因此采用單通道銦鎵砷(InGaAs)探測(cè)器[12],其工作波長(zhǎng)為800~2 500 nm,符合系統(tǒng)要求。
1.2硬件電路的設(shè)計(jì)
硬件系統(tǒng)的整體框圖如圖3所示,主要由ARM Cortex-M3主控芯片、激光二極管驅(qū)動(dòng)電路、光電轉(zhuǎn)換電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、4.3寸觸摸屏、通信端口等組成。
通過觸摸屏按鍵發(fā)出檢測(cè)命令,多路開關(guān)分時(shí)驅(qū)動(dòng)3個(gè)不同波長(zhǎng)的激光二極管,光源進(jìn)入裝有小麥樣品的積分球后,由光電探測(cè)器輸出;探測(cè)器輸出信號(hào)通過光電轉(zhuǎn)換電路和 A/D 轉(zhuǎn)換電路后輸送到ARM Cortex-M3主控芯片。由ARM Cortex-M3主控芯片根據(jù)小麥樣品對(duì)3個(gè)不同波長(zhǎng)的光吸收量調(diào)取已構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出小麥的含水率,進(jìn)而在顯示器顯示測(cè)量數(shù)據(jù);可選擇通過微型打印機(jī)打印測(cè)量數(shù)據(jù)或與其他USB設(shè)備通信。
1.2.1主控芯片選用意法半導(dǎo)體公司以ARM Cortex-M3為核心的32位微控制器STM32F103,工作頻率為72 MHz,芯片內(nèi)部集成了高速存儲(chǔ)器、豐富的I/O接口、SPI、I2C等接口模塊,完全符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。其主要任務(wù)是控制各輸入輸出設(shè)備實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng),并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和運(yùn)算。
1.2.2激光驅(qū)動(dòng)電路采用帶有自動(dòng)功率控制及安全關(guān)斷功能的激光驅(qū)動(dòng)器MAX3766[14],該驅(qū)動(dòng)器可提供高達(dá)60 mA的調(diào)制電流和80mA的偏置電流。系統(tǒng)采用3片驅(qū)動(dòng)器分別驅(qū)動(dòng)3個(gè)不同波長(zhǎng)的激光二極管。單片MAX3766外圍設(shè)計(jì)電路如圖4所示,其RBIASMAX和RMOD決定了激光器的偏置電流和調(diào)制電流。
RBIAMAX=1.55 V/IBIAMAX-520 Ω;(1)
RMOD=1.55 V/IMOD-520 Ω。(2)
式中:IBIAMAX為偏置電流,IMOD為調(diào)制電流。
1.2.3光電轉(zhuǎn)換電路積分球內(nèi)的樣品對(duì)漫反射光充分吸收后,探測(cè)器接收到的光強(qiáng)很弱,其輸出的電流范圍在幾百pA到幾μA之間,因此對(duì)探測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大,采用跨導(dǎo)放大器[15]將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。選用TI公司的超低偏置電流運(yùn)算放大器ADA7817,光電轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。R2決定電流信號(hào)放大倍數(shù),C1作用是避免電路產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象,R1為補(bǔ)償電阻(R1=R2),C2作用是消除R1的噪聲干擾。
1.2.4A/D轉(zhuǎn)換電路光電轉(zhuǎn)換電路輸出的模擬電壓信號(hào)須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后輸入控制器。系統(tǒng)選用16位,真差分輸入A/D芯片ADS8865進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。在輸入前端采用低通
濾波器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波,以達(dá)到降低輸入紋波的目的。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。
2小麥籽粒含水率檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件以μC/OS Ⅱ系統(tǒng)+μC/GUI界面為核心,以ARM Cortex-M3主控芯片為載體,主要完成激光驅(qū)動(dòng)信號(hào)、A/D轉(zhuǎn)換電路、4.3寸觸摸屏、USB通訊和打印機(jī)的控制,信號(hào)采集后的算法處理等功能(圖7)。在μC/OSⅡ操作系統(tǒng)下執(zhí)行主任務(wù)、A/D采集與處理任務(wù)、觸摸屏任務(wù)、μC/GUI任務(wù)、通信任務(wù)5個(gè)任務(wù)。
3小麥籽粒含水率與光功率的關(guān)系
3.1材料與方法
3.1.1樣品選擇樣品選用江蘇省糧食局提供的2015年小麥樣品,品種為白麥。
3.1.2方法小麥的含水率測(cè)定參照GB 5009.3—2010《食品中水分的測(cè)定》的直接干燥法,在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下利用(103±2) ℃的DHG-9123A型鼓風(fēng)干燥箱(上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)、FA2204B電子分析天平(上海精密科學(xué)儀器有限公司)、干燥器和樣品杯測(cè)量得到小麥樣品的初始濕基含水率為5%。
稱取15份80~100 g初始含水率的小麥樣品,采用多次少量的方法添加一定質(zhì)量的去離子水配制成濕基含水率范圍為5.0%~10.3%的樣品。利用直接干燥法測(cè)量后的樣品用保鮮膜封住樣品杯口,放入25 ℃的恒溫箱4 h以上;依次取出樣品,并且迅速將樣品杯置于積分球中,測(cè)量3個(gè)波長(zhǎng)的光源經(jīng)過該樣品后的光功率輸出,測(cè)量值表現(xiàn)為A/D讀取的電壓值。為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性,每個(gè)含水率的樣品測(cè)量復(fù)3次,3次測(cè)量的平均值作為測(cè)量結(jié)果。不同含水率的樣品對(duì)3個(gè)波長(zhǎng)光源的光功率輸出如表1所示。
3.2試驗(yàn)結(jié)果與分析
3.2.1小麥樣品集劃分按照含水率均勻分布原則,將15個(gè)小麥樣品以2 ∶1劃分為校正集和測(cè)試集。樣品的分布情況見表2。
3.2.2模型的建立根據(jù)表1數(shù)據(jù),通過Origin Pro軟件繪制小麥樣品不同含水率下對(duì)3個(gè)波長(zhǎng)光源的光功率吸收?qǐng)D。
由以上分析可知,含水率和3個(gè)波長(zhǎng)光功率之間具有相關(guān)性。由圖8可知,1 440 nm處的光吸收率是占絕對(duì)作用的,引入該處吸收率的三次方作為變量;1 310、1 550 nm處的光吸收率很小,可類似等價(jià)于線性變化,引入這2處光吸收率的一次方作為變量。利用MATLAB軟件對(duì)小麥含水率校正集試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行五元三次多項(xiàng)式回歸擬合[16-17],擬合結(jié)果如式(3)所示。
y=-5.939 8x1-1.249 4x2+0.399 6x22-0.123 0x23-28.92x3+114.328 2。(3)
式中:y為濕基含水率,%;x1、x2、x3分別為1 310、1 440、1 550 nm 光源的光功率A/D讀取值,V。該模型的回判相關(guān)系數(shù)為0.769 1,校正相關(guān)系數(shù)為0.726 7。
3.2.3模型的檢驗(yàn)進(jìn)行模型的檢驗(yàn)試驗(yàn),對(duì)式(3)模型的準(zhǔn)確性和適用性進(jìn)行評(píng)估。將5個(gè)測(cè)試集的樣品分別用本檢測(cè)系統(tǒng)3次測(cè)量取平均值,利用式(3)模型計(jì)算出的含水率和直接干燥法的含水率比較,由MATLAB軟件計(jì)算得到的含水率和直接干燥法的含水率之間的決定系數(shù)r2=0.955 0。因此,式(3)可作為小麥含水率的預(yù)測(cè)模型。
4結(jié)論
本試驗(yàn)基于近紅外三波長(zhǎng)法設(shè)計(jì)以積分球?yàn)楹诵?、以ARM Cortex-M3為主控芯片、具有自動(dòng)校正模型的小麥含水率檢測(cè)系統(tǒng)(圖9),研究含水率(5.0%~10.3%)和3個(gè)波長(zhǎng)(1 310、1 440、1 550 nm)光吸收率的關(guān)系,建立含水率從和光吸收率之間的五元三次方程模型,驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和適用性。結(jié)果表明,以直接干燥法作為標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)的小麥含水率檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)含水率為5.0%~10.3%小麥的測(cè)量絕對(duì)誤差為 -2.2%~08%,響應(yīng)時(shí)間小于1.5 s。
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