基于近紅外光譜的梨果糖濃度無損檢測系統

王偉明，張文濤，董大明，熊顯名

(1.桂林電子科技大學電子工程與自動化學院，廣西桂林 541004;2.國家農業智能裝備工程技術研究中心農業與自動化部，北京 100097)

梨子口感好，在潤肺、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，可以保護嗓子，預防喉癌等，深受人們喜愛［1］。隨著生活水平的提高，人們對梨要求不再僅局限于口感，而對其含糖量，可溶性物質含量有了新的要求。但是傳統折光儀有損檢測耗時、費力，效率低，而且會對果肉造成損壞，給檢驗帶來不便。而近年來發展起來的近紅外光譜技術由于其方便、快捷、高效而被廣泛應用于人們生產生活各種檢測之中。

國內外將近紅外光譜技術較早應用于水果檢測。1970年美國一家商業公司［2］首先將近紅外光譜技術應用于農業生產之中，用于檢測農產品中蛋白質等物質含量。R.Lu［3］使用近紅外光譜漫反射技術(800～1700 nm)結合偏最小二乘法較好的預測了櫻桃的硬度和甜度，得到相關系數分別為0.8和0.65，而預測誤差分別為 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對果汁的糖濃度進行了快速檢測，并對光譜數據進行了預處理和偏最小二乘法運算，結果證實近紅外光譜用來預測的可行性。劉燕德、應義斌［5］采用近紅外漫反射技術，利用FT－IR光譜儀對蘋果樣品進行了預測實驗，得到標準校正誤差為0.317，標準預測誤差為0.487。趙杰文等［6］利用近紅外光譜漫反射光譜技術進行蘋果糖度無損檢測，研究了1300～2100 nm波段蘋果無損檢測的可行性，并結合主成分回歸和偏最小二乘法回歸進行分析，得出基于偏最小二乘法的模型優于主成分回歸模型，并且采用蘋果上一個點的光譜來預測蘋果糖度值是不夠準確的。由于近紅外光譜檢測儀器成本較低，便于推廣。近紅外光譜技術在與化學計量學方法相結合，應用于果蔬和農產品的質量評價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，進行了基于近紅外漫反射的梨糖無損便攜式儀器檢測設備開發，并且結合偏最小二乘法對梨糖濃度值進行了預測。

1 測量系統原理及硬件組成

1.1 檢測基本原理

碳水化合物、糖分等物質含有易吸收近紅外光譜的官能團，而梨中含有豐富的這些物質。當使用近紅外光譜照射水果表面時，不同糖濃度的梨果由于其吸收官能團的不同以及漫反射程度的不同，會使探測器接收到的光譜成分呈現不同的吸收峰。通過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系，結合化學計量學方法可以定量預測未知梨果的糖度值。

首先由近紅外光譜儀和折糖儀作為標準儀器，將試驗樣品梨分為校正集樣品A和預測集樣品B，將光譜儀探頭通過A并且探測器端接收到吸收光譜，使用折光儀對這部分校正集樣品進行測量，得出對應的糖度值。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準糖度值所對應的整條光譜線，從中選取了幾個特征波段繪制圖形如圖1所示。糖濃度越高，接收到的光強越低，而由吸光度的定義可知，對應的吸光度值越高。由圖1對比分析發現，在905 nm波段吸光度值變化與糖度的變化關系緊密，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，分別選取兩個波段的激光二極管和探測器封裝成光路部分。結合化學計量學算法建立梨果的糖度值和近紅外吸收譜的算法關系，通過軟件方式寫入儀器處理器內。這樣就可以使用儀器在進行測量時通過接收光譜反演出預測集的梨果糖度值。

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系

系統基于近紅外光譜漫反射原理，采用兩進一出的光路方式，如圖2所示，將905 nm、850 nm波段激光二極管和光電探測器封裝到一個探頭里，便于手持檢測。兩路光源采用一閃一滅的方式由單片機軟件控制。光源經過不銹鋼探頭，入射到梨果表皮，由于梨果內部糖類所含官能團的吸收，剩余能夠反映梨內部官能團的光返回到探測器。然后經由后續電路處理，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損便攜式檢測系統結構框如圖3所示。激光二極管由單片機軟件控制閃滅，光路部分得到的近紅外光譜經探測器變為電流信號，后經壓流轉換電路轉換為電壓信號。通過調節元器件參數使得能被單片機內A/D模塊正常采集，將上述方法建立的算法關系軟件實現寫入單片機，反演出未知藥品的糖度值在LED端顯示。

圖3 梨糖濃度無損便攜式檢測系統結構框圖

(1)激光二極管驅動電路。

激光二極管驅動電路如圖4所示，對電流變化較為敏感。儀器采用由同相加法器和電壓跟隨器組成的穩流源電路，輸出激光二極管工作電流約為65 mA。LD端接負載電路。電路具體運算關系如下

圖4 激光二極管驅動電路

(2)光電轉換及壓流轉換電路。

此光電轉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放同向端電流為零，因此從探測器輸出電流將全部通過反饋電阻R16到輸出端，輸出電壓為電流I與電阻R16的乘積。因為探測器輸出電流為nA級，所以選用1 MΩ電阻。此處輸出的電壓信號為疊加了噪聲的復合信號，需要通過低通濾波器濾除截至頻帶以外的噪聲。

圖5 光電轉換及壓流轉換電路

(3)低通濾波電路。

采用巴特沃斯8階低通濾波器，雙運算放大芯片OPA2277，由低通濾波器設計軟件Filterlab設計參數，壓流轉換電路輸出電壓經低通濾波器噪聲濾除較為明顯。模數轉換和單片機采集電路采用經典的C8051F040最小電路設計，選自單片機的開發文檔經典電路。

2 基于偏最小二乘法的模型的構建

主成分回歸算法只對光譜陣進行了分解，而偏最小二乘法回歸算法在此基礎對濃度陣Y也進行了分解。偏最小二乘法是多元線性回歸、主成分分析的結合［8］。

論文利用上述近紅外光譜無損檢測儀器進行試驗，選用河北產的水晶梨45個組成標準集樣本，采用折光儀作為標準糖度值進行了實驗，折光儀采用海鷗光學儀器廠生產的ATC型手持折光儀(0～32%)。得出水晶梨的標準糖度值范圍為8% ～13.8%，其平均值為 10.1%。將實驗數據采用 CAMO公司的Unscrambler X軟件進行了數據處。得出預測值和標準值的相關圖如圖6和圖7所示。其中校正集相關系數為0.99186，RMSEC 為0.00175，而由此模型進行預測時所得到的預測集相關系數為0.8147，RMSEP=0.00808。

3 結束語

試驗應用近紅外光譜漫反射技術建立了梨果糖濃度的無損檢測設備，從結果可以看到，所制作的基于單波段近紅外光譜的檢測設備可以用于梨果糖度值預測，且所建立的數學模型較為穩定。

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

［2］ 金仲輝，毛炎麒，嚴衍祿，等.物理學在促進農業發展中的作用［J］.物理，2002，31(6):392 －399.

［3］ LU R.Predicting firmness and sugar content of sweet cherries－ using near－ infrared diffuse reflectance spectroscopy［J］.Transactions of the ASAE，2001，44(5):1265 －1271.

［4］ LUIS E R S，FREDRICK 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，應義斌.近紅外漫反射式水果糖份含量的測量系統［J］.光電工程，2004(31):51－53.

［6］ 趙杰文，張海東，劉木華.利用近紅外漫反射光譜技術進行蘋果糖度無損檢測的研究［J］.農業工程學報，2005(2):162－165.

［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.化學計量學方法與分子光譜分析技術［M］.北京:化學工業出版社，2011.