光纖光譜儀在水果檢測和分選領(lǐng)域的應(yīng)用

概 要
作為水果生產(chǎn)大國，提高水果的品質(zhì)既能滿足人民日益提高的生活水平的要求，也可進(jìn)一步提升國產(chǎn)水果在市場上的競爭力。在水果生長成熟階段，光照、施肥、溫度等客觀因素均會影響水果的品質(zhì)，故準(zhǔn)確檢測水果的生長情況以及采摘后對水果的質(zhì)量分選至關(guān)重要。水果無損檢測技術(shù)（NDT）是在不破壞檢測物料的情況下，根據(jù)物料內(nèi)部變化引起的光、聲、熱、電、磁等物理特性的變化檢測并判斷物料的質(zhì)量。與傳統(tǒng)化學(xué)檢測相比，無損檢測技術(shù)具有不會破壞被檢對象，并且可以對全部果實(shí)進(jìn)行檢測，避*不*性，測試速度快的優(yōu)勢。

某水果分選現(xiàn)場

光譜檢測技術(shù)是一種非接觸、非破壞性的無損檢測技術(shù)，水果內(nèi)部不同成分和特性對不同波長的光的反射率、透射率和吸光度表現(xiàn)不同，所以可以通過光譜儀檢測水果對照明光源的反射光譜或者透射光譜進(jìn)而分析判斷水果的可溶性固形物、色澤、糖分、酸度等特性。目前該方法已經(jīng)廣泛被用于檢測臍橙、蘋果、桃子、芒果、杏子、獼猴桃、西瓜等水果，此外因?yàn)槠浞奖憧旖莸膬?yōu)勢，也廣泛應(yīng)用于其他農(nóng)產(chǎn)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AvaSpec-ULS2048XL-EVO為例，介紹微型光譜儀在水果檢測和水果分選方面的應(yīng)用。

Avantes光譜儀模塊化，且體積小巧，方便便攜、手持式測試使用或集成到檢測生產(chǎn)線中。AvaSpec-HS2048XL-EVO和AvaSpec-ULS2048XL-EVO都采用高靈敏度背照式CCD探測器，該探測器在近紅外波段響應(yīng)性能*，同時可見紫外部分也有很高的效率，測試精度高。儀器信噪比性能*，可有效去除噪聲的影響。搭配USB3的電路板，小積分時間可達(dá)到微秒量級，實(shí)現(xiàn)高速測試，提高工作效率。包含多種編程語言的DLL動態(tài)鏈接庫可以集成到不同系統(tǒng)軟件中。 

水果品質(zhì)檢測方法

水果品質(zhì)檢測光路

目前用于水果無損檢測的主要光譜檢測方法有反射光譜法、漫反射光譜法、透射光譜法，其光路分別如下圖所示。在這些光路中，光源可采用單個或多個50 W鹵素?zé)艚M合的方式，既可以提高光照功率，也可以提高光照均勻度。光譜儀可以采用Avantes生產(chǎn)的光纖光譜儀，其體積小，方便集成到系統(tǒng)中，波長范圍多可以覆蓋200-2500 nm，短積分時間可以達(dá)到2 μs，滿足對全部物料快速、高效的測試需求。光纖可采用Avantes 800 μm或者1000 μm的大芯徑，提高光通量，金屬鎧甲包層可保護(hù)光纖避免損傷。此外，Avantes也可提供多種附件選擇，滿足不同的應(yīng)用場景。

不同光學(xué)測試方法

在水果生長階段，利用Avantes光譜儀的小巧性能將光譜儀、光源、光纖集成到系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)便攜手持測試方式，避免采摘破壞水果，同時根據(jù)測試結(jié)果合理安排施肥、灌溉、培育、采光等條件。通過檢測成熟度，準(zhǔn)確確定采摘時間并設(shè)定理想的果實(shí)存儲環(huán)境。在水果采摘后，也可將Avantes光譜儀集成到生產(chǎn)線中，通過光譜儀檢測水果可溶性物質(zhì)、糖度、甜度、挫傷、腐爛等特性對水果進(jìn)行自動篩選及質(zhì)量評級，使生產(chǎn)者能夠保證高質(zhì)量的同時向消費(fèi)者提供同一的質(zhì)量。Avantes快速準(zhǔn)確的優(yōu)勢可大大提高產(chǎn)線的工作效率。

水果品質(zhì)檢測數(shù)據(jù)處理

研究人員用AvaSpec光譜儀以及鹵鎢燈照明光源(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(jìn)行了研究，在測試到光譜數(shù)據(jù)后，研究人員開發(fā)了一種關(guān)聯(lián)果實(shí)固含量、含水量和硬度特征的算法。從這些數(shù)據(jù)中，研究小組能夠分離出對預(yù)測內(nèi)部水果質(zhì)量有用的敏感波長。為了減少數(shù)據(jù)集，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步討論了選擇適當(dāng)波長的各種方法，而不是監(jiān)測整個近紅外光譜。這種選擇關(guān)鍵波長以小化數(shù)據(jù)集的方法成為便攜式和內(nèi)聯(lián)傳感系統(tǒng)(如Avantes OEM合作伙伴目前正在開發(fā)的系統(tǒng))開發(fā)的重要組成部分。以下為部分測試數(shù)據(jù)集。

 蘋果透過率光譜圖

生鮮紫薯反射光譜¹

3．結(jié)論
使用AvaSpec-HS2048XL-EVO和AvaSpec-ULS2048XL-EVO光譜儀進(jìn)行水果檢測和分選應(yīng)用，具有功能強(qiáng)大，性價比高、測量精度高、測量速度快、操作簡單等特點(diǎn)，而且體積小巧，方便集成到系統(tǒng)中進(jìn)行在線監(jiān)測。

同時Avantes還能夠?yàn)槟峁└嗟倪x擇，如體積更小（紙牌大?。┑墓庾V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）系列等。如您有更多需求，請您聯(lián)系我們的技術(shù)工程師，我們會為您提供完善的光譜學(xué)解決方案。

1. 卜曉樸, 李永玉*, 閆帥，基于可見-近紅外光譜的生鮮紫薯食味品質(zhì)快速無損檢測，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院

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