光纖光譜儀在水果檢測和分選領(lǐng)域的應用

概 要
作為水果生產(chǎn)大國，提高水果的品質(zhì)既能滿(mǎn)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(chǎng)上的競爭力。在水果生長(cháng)成熟階段，光照、施肥、溫度等客觀(guān)因素均會(huì )影響水果的品質(zhì)，故準確檢測水果的生長(cháng)情況以及采摘后對水果的質(zhì)量分選至關(guān)重要。水果無(wú)損檢測技術(shù)（NDT）是在不破壞檢測物料的情況下，根據物料內部變化引起的光、聲、熱、電、磁等物理特性的變化檢測并判斷物料的質(zhì)量。與傳統化學(xué)檢測相比，無(wú)損檢測技術(shù)具有不會(huì )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。

某水果分選現場(chǎng)

光譜檢測技術(shù)是一種非接觸、非破壞性的無(wú)損檢測技術(shù)，水果內部不同成分和特性對不同波長(cháng)的光的反射率、透射率和吸光度表現不同，所以可以通過(guò)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(píng)果、桃子、芒果、杏子、獼猴桃、西瓜等水果，此外因為其方便快捷的優(yōu)勢，也廣泛應用于其他農產(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(xiàn)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性能*，同時(shí)可見(jiàn)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(shí)間可達到微秒量級，實(shí)現高速測試，提高工作效率。包含多種編程語(yǔ)言的DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫可以集成到不同系統軟件中。 

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(wú)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(gè)或多個(gè)50 W鹵素燈組合的方式，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，方便集成到系統中，波長(cháng)范圍多可以覆蓋200-2500 nm，短積分時(shí)間可以達到2 μs，滿(mǎn)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光纖避免損傷。此外，Avantes也可提供多種附件選擇，滿(mǎn)足不同的應用場(chǎng)景。

不同光學(xué)測試方法

在水果生長(cháng)階段，利用Avantes光譜儀的小巧性能將光譜儀、光源、光纖集成到系統中實(shí)現便攜手持測試方式，避免采摘破壞水果，同時(shí)根據測試結果合理安排施肥、灌溉、培育、采光等條件。通過(guò)檢測成熟度，準確確定采摘時(shí)間并設定理想的果實(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(xiàn)中，通過(guò)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(dòng)篩選及質(zhì)量評級，使生產(chǎn)者能夠保證高質(zhì)量的同時(shí)向消費者提供同一的質(zhì)量。Avantes快速準確的優(yōu)勢可大大提高產(chǎn)線(xiàn)的工作效率。

水果品質(zhì)檢測數據處理

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(píng)果的近紅外光譜(600 - 1100 nm)進(jìn)行了研究，在測試到光譜數據后，研究人員開(kāi)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。從這些數據中，研究小組能夠分離出對預測內部水果質(zhì)量有用的敏感波長(cháng)。為了減少數據集，該團隊進(jìn)一步討論了選擇適當波長(cháng)的各種方法，而不是監測整個(gè)近紅外光譜。這種選擇關(guān)鍵波長(cháng)以小化數據集的方法成為便攜式和內聯(lián)傳感系統(如Avantes OEM合作伙伴目前正在開(kāi)發(fā)的系統)開(kāi)發(fā)的重要組成部分。以下為部分測試數據集。

 蘋(píng)果透過(guò)率光譜圖

生鮮紫薯反射光譜¹

3．結論
使用AvaSpec-HS2048XL-EVO和AvaSpec-ULS2048XL-EVO光譜儀進(jìn)行水果檢測和分選應用，具有功能強大，性?xún)r(jià)比高、測量精度高、測量速度快、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，而且體積小巧，方便集成到系統中進(jìn)行在線(xiàn)監測。

同時(shí)Avantes還能夠為您提供更多的選擇，如體積更?。埮拼笮。┑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(huì )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(jiàn)-近紅外光譜的生鮮紫薯食味品質(zhì)快速無(wú)損檢測，中國農業(yè)大學(xué)工學(xué)院

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