基于近紅外三波長法的小麥含水率檢測系統(tǒng)設(shè)計

熊顯名++王心芒++張文濤++聶君揚++唐綺雯

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.114

摘要：針對小麥含水率檢測快速、便捷的需求，設(shè)計基于近紅外三波長法的小麥含水率檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由ARM Cortex-M3主控芯片、激光二極管驅(qū)動電路、光電轉(zhuǎn)換電路、積分球等組成。通過研究小麥含水率對3個不同波長光功率吸收的規(guī)律，結(jié)合五元三次多項式回歸擬合方法，建立小麥含水率與3個不同波長光吸收率的數(shù)學(xué)模型，并對模型進(jìn)行可靠性檢驗。與直接干燥法相比，系統(tǒng)對含水率為5.0%～10.3%的小麥的含水率絕對測量誤差為 -2.2%～0.8%，響應(yīng)時間小于1.5 s，以達(dá)到實用的要求。

關(guān)鍵詞：小麥；籽粒含水率；近紅外三波長法；無損檢測

中圖分類號： S237文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）10-0390-04

收稿日期：2015-08-10

基金項目：廣西壯族自治區(qū)自然科學(xué)基金（編號：2014GXNSFGA118003、2013GXNSFDA019002）；廣西教育廳項目（編號：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：20130122-2、20140127-1）。

作者簡介：熊顯名（1964—），男，廣西桂林人，研究員，碩士生導(dǎo)師，研究方向為光電檢測與智能儀器。E-mail：xmxiong@guet.edu.cn。

通信作者：王心芒。E-mail：mang11@sina.com。糧食的含水率是評價糧食品質(zhì)的一個重要指標(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，在小麥的存儲和加工應(yīng)用中，含水率的檢測[4-5]非常重要。傳統(tǒng)的烘干法[6]和電導(dǎo)法[1，7-8]是小麥含水率檢測的主要方法。這2種方法具有精度高、測量結(jié)果穩(wěn)定的優(yōu)點，但是使用條件的限制無法滿足在線非接觸式連續(xù)測量的需求；近紅外光譜法[9-10]具有分析速度快、無損檢測的優(yōu)點，但目前國內(nèi)的近紅外光譜分析儀器主要以進(jìn)口為主，價格高，保修困難，且光路復(fù)雜、體積大，較難滿足現(xiàn)場檢測。因此，設(shè)計出便攜、快速、無損的小麥含水率檢測系統(tǒng)非常有必要。本研究結(jié)合近紅外光譜法的優(yōu)點，提出采用半導(dǎo)體近紅外激光二極管設(shè)計含水率檢測系統(tǒng)，以積分球[11]為核心，采用3個不同波長的激光二極管光源和1個InGaAs半導(dǎo)體探測器[12]，去除一般光譜儀器中必須采用的移動部件，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，具有自動校正和豐富的人機交互功能。

1小麥籽粒含水率檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

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的特征性的合頻吸收帶[9-10]，因此根據(jù)市場現(xiàn)有近紅外波段波長的激光二極管和水的近紅外光譜圖選擇1個測量波長和2個參比進(jìn)行含水率的測定。

由圖1可知，水分子在近紅外波段出現(xiàn)3個吸收峰。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，測量范圍窄，而且光源價格較高，適用于高精度的水分測量；1 940 nm吸收率在1 200～1 440 nm之間，適合含水率大于20%的分析測量；1 440 nm適合含水率小于20%的分析測量，而且該波長的激光器市場供應(yīng)量充足，價格便宜。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量光源。參比波長要求對水分吸收很少，光譜值的偏差很小，且盡量靠近測量波長。根據(jù)圖1結(jié)合市場現(xiàn)有近紅外波段波長的激光二極管，選擇1 310、1 550 nm作為參比波長，兩者偏差分別為0.02、0.03。

1.1.2積分球設(shè)計積分球是用于光度測量的中空球腔，腔壁采用無波長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測量產(chǎn)生的影響。積分球內(nèi)徑60 mm，樣品杯內(nèi)徑13 mm。

1.1.3光電探測器的選擇光電探測器的作用是將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，一般由光敏器件構(gòu)成，光敏器件的材料決定了其探測波長的范圍。由于系統(tǒng)采用分時驅(qū)動3路激光的方法，因此采用單通道銦鎵砷（InGaAs）探測器[12]，其工作波長為800～2 500 nm，符合系統(tǒng)要求。

1.2硬件電路的設(shè)計

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)出檢測命令，多路開關(guān)分時驅(qū)動3個不同波長的激光二極管，光源進(jìn)入裝有小麥樣品的積分球后，由光電探測器輸出；探測器輸出信號通過光電轉(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3個不同波長的光吸收量調(diào)取已構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型計算出小麥的含水率，進(jìn)而在顯示器顯示測量數(shù)據(jù)；可選擇通過微型打印機打印測量數(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)計要求。其主要任務(wù)是控制各輸入輸出設(shè)備實現(xiàn)人機互動，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和運算。

1.2.2激光驅(qū)動電路采用帶有自動功率控制及安全關(guān)斷功能的激光驅(qū)動器MAX3766[14]，該驅(qū)動器可提供高達(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)動器分別驅(qū)動3個不同波長的激光二極管。單片MAX3766外圍設(shè)計電路如圖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)的樣品對漫反射光充分吸收后，探測器接收到的光強很弱，其輸出的電流范圍在幾百pA到幾μA之間，因此對探測信號進(jìn)行放大，采用跨導(dǎo)放大器[15]將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。選用TI公司的超低偏置電流運算放大器ADA7817，光電轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。R2決定電流信號放大倍數(shù)，C1作用是避免電路產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象，R1為補償電阻（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

濾波器對模擬信號進(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系統(tǒng)軟件設(shè)計

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)動信號、A/D轉(zhuǎn)換電路、4.3寸觸摸屏、USB通訊和打印機的控制，信號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定參照GB 5009.3—2010《食品中水分的測定》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（上海精宏實驗設(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，測量3個波長的光源經(jīng)過該樣品后的光功率輸出，測量值表現(xiàn)為A/D讀取的電壓值。為了保證測量的準(zhǔn)確性，每個含水率的樣品測量復(fù)3次，3次測量的平均值作為測量結(jié)果。不同含水率的樣品對3個波長光源的光功率輸出如表1所示。

3.2試驗結(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個小麥樣品以2 ∶1劃分為校正集和測試集。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3個波長光源的光功率吸收圖。

由以上分析可知，含水率和3個波長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軟件對小麥含水率校正集試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行五元三次多項式回歸擬合[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模型的檢驗進(jìn)行模型的檢驗試驗，對式（3）模型的準(zhǔn)確性和適用性進(jìn)行評估。將5個測試集的樣品分別用本檢測系統(tǒng)3次測量取平均值，利用式（3）模型計算出的含水率和直接干燥法的含水率比較，由MATLAB軟件計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)測模型。

4結(jié)論

本試驗基于近紅外三波長法設(shè)計以積分球為核心、以ARM Cortex-M3為主控芯片、具有自動校正模型的小麥含水率檢測系統(tǒng)（圖9），研究含水率（5.0%～10.3%）和3個波長（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)計的小麥含水率檢測系統(tǒng)對含水率為5.0%～10.3%小麥的測量絕對誤差為 -2.2%～08%，響應(yīng)時間小于1.5 s。

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