光纖光譜儀在水(shuǐ)果檢測和(hé)分選領域的應用

概 要
作(zuò)為(wèi)水(shuǐ)果生(shēng)産大(dà)國，提高(gāo)水(shuǐ)果的品質既能滿足人(rén)民日益提高(gāo)的生(shēng)活水(shuǐ)平的要求，也可(kě)進一步提升國産水(shuǐ)果在市場(chǎng)上(shàng)的競争力。在水(shuǐ)果生(shēng)長成熟階段，光照、施肥、溫度等客觀因素均會(huì)影(yǐng)響水(shuǐ)果的品質，故準确檢測水(shuǐ)果的生(shēng)長情況以及采摘後對水(shuǐ)果的質量分選至關重要。水(shuǐ)果無損檢測技術（NDT）是在不破壞檢測物料的情況下，根據物料內(nèi)部變化引起的光、聲、熱、電(diàn)、磁等物理(lǐ)特性的變化檢測并判斷物料的質量。與傳統化學檢測相比，無損檢測技術具有(yǒu)不會(huì)破壞被檢對象，并且可(kě)以對全部果實進行(xíng)檢測，避*不*性，測試速度快的優勢。

某水(shuǐ)果分選現場(chǎng)

光譜檢測技術是一種非接觸、非破壞性的無損檢測技術，水(shuǐ)果內(nèi)部不同成分和(hé)特性對不同波長的光的反射率、透射率和(hé)吸光度表現不同，所以可(kě)以通(tōng)過光譜儀檢測水(shuǐ)果對照明(míng)光源的反射光譜或者透射光譜進而分析判斷水(shuǐ)果的可(kě)溶性固形物、色澤、糖分、酸度等特性。目前該方法已經廣泛被用于檢測臍橙、蘋果、桃子、芒果、杏子、猕猴桃、西瓜等水(shuǐ)果，此外因為(wèi)其方便快捷的優勢，也廣泛應用于其他農産品如雞蛋、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(hé)AvaSpec-ULS2048XL-EVO為(wèi)例，介紹微型光譜儀在水(shuǐ)果檢測和(hé)水(shuǐ)果分選方面的應用。

Avantes光譜儀模塊化，且體(tǐ)積小(xiǎo)巧，方便便攜、手持式測試使用或集成到檢測生(shēng)産線中。AvaSpec-HS2048XL-EVO和(hé)AvaSpec-ULS2048XL-EVO都采用高(gāo)靈敏度背照式CCD探測器(qì)，該探測器(qì)在近紅外波段響應性能*，同時(shí)可(kě)見紫外部分也有(yǒu)很(hěn)高(gāo)的效率，測試精度高(gāo)。儀器(qì)信噪比性能*，可(kě)有(yǒu)效去除噪聲的影(yǐng)響。搭配USB3的電(diàn)路闆，小(xiǎo)積分時(shí)間(jiān)可(kě)達到微秒(miǎo)量級，實現高(gāo)速測試，提高(gāo)工作(zuò)效率。包含多(duō)種編程語言的DLL動态鏈接庫可(kě)以集成到不同系統軟件中。 

水(shuǐ)果品質檢測方法

水(shuǐ)果品質檢測光路

目前用于水(shuǐ)果無損檢測的主要光譜檢測方法有(yǒu)反射光譜法、漫反射光譜法、透射光譜法，其光路分别如下圖所示。在這些(xiē)光路中，光源可(kě)采用單個(gè)或多(duō)個(gè)50 W鹵素燈組合的方式，既可(kě)以提高(gāo)光照功率，也可(kě)以提高(gāo)光照均勻度。光譜儀可(kě)以采用Avantes生(shēng)産的光纖光譜儀，其體(tǐ)積小(xiǎo)，方便集成到系統中，波長範圍多(duō)可(kě)以覆蓋200-2500 nm，短(duǎn)積分時(shí)間(jiān)可(kě)以達到2 μs，滿足對全部物料快速、高(gāo)效的測試需求。光纖可(kě)采用Avantes 800 μm或者1000 μm的大(dà)芯徑，提高(gāo)光通(tōng)量，金屬铠甲包層可(kě)保護光纖避免損傷。此外，Avantes也可(kě)提供多(duō)種附件選擇，滿足不同的應用場(chǎng)景。

不同光學測試方法

在水(shuǐ)果生(shēng)長階段，利用Avantes光譜儀的小(xiǎo)巧性能将光譜儀、光源、光纖集成到系統中實現便攜手持測試方式，避免采摘破壞水(shuǐ)果，同時(shí)根據測試結果合理(lǐ)安排施肥、灌溉、培育、采光等條件。通(tōng)過檢測成熟度，準确确定采摘時(shí)間(jiān)并設定理(lǐ)想的果實存儲環境。在水(shuǐ)果采摘後，也可(kě)将Avantes光譜儀集成到生(shēng)産線中，通(tōng)過光譜儀檢測水(shuǐ)果可(kě)溶性物質、糖度、甜度、挫傷、腐爛等特性對水(shuǐ)果進行(xíng)自動篩選及質量評級，使生(shēng)産者能夠保證高(gāo)質量的同時(shí)向消費者提供同一的質量。Avantes快速準确的優勢可(kě)大(dà)大(dà)提高(gāo)産線的工作(zuò)效率。

水(shuǐ)果品質檢測數據處理(lǐ)

研究人(rén)員用AvaSpec光譜儀以及鹵鎢燈照明(míng)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)進行(xíng)了研究，在測試到光譜數據後，研究人(rén)員開(kāi)發了一種關聯果實固含量、含水(shuǐ)量和(hé)硬度特征的算(suàn)法。從這些(xiē)數據中，研究小(xiǎo)組能夠分離出對預測內(nèi)部水(shuǐ)果質量有(yǒu)用的敏感波長。為(wèi)了減少(shǎo)數據集，該團隊進一步討(tǎo)論了選擇适當波長的各種方法，而不是監測整個(gè)近紅外光譜。這種選擇關鍵波長以小(xiǎo)化數據集的方法成為(wèi)便攜式和(hé)內(nèi)聯傳感系統(如Avantes OEM合作(zuò)夥伴目前正在開(kāi)發的系統)開(kāi)發的重要組成部分。以下為(wèi)部分測試數據集。

 蘋果透過率光譜圖

生(shēng)鮮紫薯反射光譜¹

3．結論
使用AvaSpec-HS2048XL-EVO和(hé)AvaSpec-ULS2048XL-EVO光譜儀進行(xíng)水(shuǐ)果檢測和(hé)分選應用，具有(yǒu)功能強大(dà)，性價比高(gāo)、測量精度高(gāo)、測量速度快、操作(zuò)簡單等特點，而且體(tǐ)積小(xiǎo)巧，方便集成到系統中進行(xíng)在線監測。

同時(shí)Avantes還(hái)能夠為(wèi)您提供更多(duō)的選擇，如體(tǐ)積更小(xiǎo)（紙牌大(dà)小(xiǎo)）的光譜儀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(miǎo)）系列等。如您有(yǒu)更多(duō)需求，請(qǐng)您聯系我們的技術工程師(shī)，我們會(huì)為(wèi)您提供完善的光譜學解決方案。

1. 蔔曉樸, 李永玉*, 闫帥，基于可(kě)見-近紅外光譜的生(shēng)鮮紫薯食味品質快速無損檢測，中國農業大(dà)學工學院

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