基于三波長LD的近紅外農(nóng)產(chǎn)品水分檢測儀的研制.pdf

1、食品與農(nóng)產(chǎn)品水分的測量和控制對于食品和農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、收獲、加工、流通和貯藏等環(huán)節(jié)都是非常重要的品質(zhì)指標(biāo)之一。食品與農(nóng)產(chǎn)品的水分含量對居民的日常消費(fèi)也有非常重要的聯(lián)系,水分過低,將失去食品和農(nóng)產(chǎn)品應(yīng)有的口感；水分過高,食品與農(nóng)產(chǎn)品不易保存,且易霉變和生蟲害。長期以來食品與農(nóng)產(chǎn)品的水分含量始終是業(yè)內(nèi)人士十分關(guān)注的重要品質(zhì)指標(biāo)之一。近紅外光譜分析技術(shù)憑借其連續(xù)、非接觸、綠色、高效和快速等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在各行各業(yè)的品質(zhì)指標(biāo)檢測中得到廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的

2、水分測量方法如干燥法、電導(dǎo)法等原因使用條件的限制無法實(shí)現(xiàn)在線、非接觸式、連續(xù)測量,因此在食品與農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)中,迫切需要開發(fā)一種能簡便使用的測量方法。本文提出了采用半導(dǎo)體近紅外激光二極管設(shè)計(jì)近紅外水分檢測儀的構(gòu)想,去除一般光譜儀器中必須采用的移動部件,將光源與分光器件合二為一,儀器以積分球?yàn)楹诵?采用3個(gè)波長的激光二極管光源和單元InGaAs半導(dǎo)體探測器,由C8051F020單片機(jī)管理儀器的所有功能,并具有上下位機(jī)通訊和資源共享的能力,同時(shí)

3、具備后續(xù)升級開發(fā)的基本條件,論文完成了食品與農(nóng)產(chǎn)品水分快速檢測儀樣機(jī)的試制。
　　 研發(fā)過程中首先對近紅外光譜技術(shù)的測量原理進(jìn)行了分析和總結(jié)。論文是基于水分子在近紅外光譜區(qū)有其特定的特征吸收峰,吸收峰的幅值與水分成正相關(guān)關(guān)系的理論而展開的。水分在近紅外光譜區(qū)的多個(gè)特征吸收峰當(dāng)中,選取合適的特定波長的特征吸收峰進(jìn)行測量和計(jì)算,就可達(dá)到提高測量精度和系統(tǒng)抗干擾的能力,實(shí)際研究中選取了1個(gè)水分特征吸收峰(1450 nm),1個(gè)儀器工作

4、的參考波長點(diǎn)(1330 nm)以及1個(gè)儀器修正波長點(diǎn)(1550 nm),通過上述3個(gè)波長處的物料體漫反射強(qiáng)度,采用多元回歸分析建立預(yù)測模型來表征物料的水分含量。
　　 研究對積分球設(shè)計(jì)和使用進(jìn)行了創(chuàng)新性開發(fā),將樣品杯連同樣品一起放置于積分球內(nèi)部,變傳統(tǒng)的樣品面吸收、面漫反射為體吸收和體漫反射,大大提高了物料中水分對近紅外光的吸收信號,提高了儀器的信噪比,從而大大提高了檢測精度。
　　 通過自行設(shè)計(jì)的激光二極管的光強(qiáng)度反饋

5、電路,提高了光源的穩(wěn)定性,同時(shí),還設(shè)計(jì)了穩(wěn)定的光源驅(qū)動電路、微弱信號的信號放大電路,采用單片機(jī)處理經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)值信號,通過USB模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)的通訊,上位機(jī)采用虛擬儀器設(shè)計(jì)軟件平臺,有效地提高了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和重復(fù)性。
　　 對系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試表明,在規(guī)定的范圍內(nèi)儀器的線性度可達(dá)0.99,重復(fù)性精度高于1‰,穩(wěn)定性達(dá)到1‰。在使用自行研制的水分儀上進(jìn)行了油菜籽、大米和水飛薊種子的含水率檢測試驗(yàn),當(dāng)采用多元(三元