專利名稱：一種檢測谷物營養成分的光譜分析系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種谷物營養成分檢測裝置及方法，特別是一種可以在線檢測谷物營養成分的近紅外光譜分析系統及方法。
背景技術：
近紅外光譜儀根據分光方式的不同，分為濾光片型、光柵色散型、傅立葉變換型和聲光可調濾光器型四種。光柵色散型近紅外光譜儀根據所使用檢測器的不同，分為固定光路式和掃描式兩種。其中，固定光路式光柵色散型CCD圖像傳感器多通道近紅外光譜儀的最大特點是儀器內部無可移動部件，儀器的穩定性和抗干擾性能好；另一個特點是掃描速度快，一般單張光譜的掃描速度只有幾十毫秒。因此，該類儀器特別適合作為現場或在線分析儀器使用。因而多通道近紅外光譜儀成為國內外的研究熱點，但是目前的光譜儀主要缺點在于波長范圍通常不超過1750nm，分辨率主要取決于光柵和檢測器陣列的性能。另外，由于該波段檢測到的主要是樣品的三級和四級倍頻，樣品的摩爾吸收系數較低，因此所需要的光程往往較長。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種能克服現有技術的上述缺陷，滿足谷物內部品質檢測需要且可以在線檢測谷物營養成分的光譜分析系統及方法。為了實現上述目的，本發明提供了一種檢測谷物營養成分的光譜分析系統，其中，包括近紅外光學系統、CCD圖像系統、樣品臺及數據處理系統，所述樣品臺設置在所述近紅外光學系統和所述CCD圖像系統之間，所述CCD圖像系統分別與所述近紅外光學系統及所述數據處理系統連接，所述近紅外光學系統照射所述樣品臺上的樣品以產生所述樣品的近紅外吸收光譜，所述CXD圖像系統采集所述近紅外吸收光譜并傳輸至所述數據處理系統，所述數據處理系統分析所述近紅外吸收光譜以得到所述樣品的待測成分及其含量。上述的檢測谷物營養成分的光譜分析系統，其中，所述近紅外光學系統包括光源、光源控制系統、光纖及固定光柵系統，所述光源對應于所述固定光柵系統及所述樣品臺設置，所述光源控制系統與所述光源連接，所述光纖用于所述光源、所述樣品及所述固定光柵系統之間的光傳遞。上述的檢測谷物營養成分的光譜分析系統，其中，所述固定光柵系統包括分光部件、光柵及反射鏡，所述反射鏡包括對應于所述分光部件的入射縫隙及所述光柵設置的第一反射鏡和對應于所述CCD圖像系統及所述光柵設置的第二反射鏡。上述的檢測谷物營養成分的光譜分析系統，其中，所述光纖為超低羥基石英光纖。上述的檢測谷物營養成分的光譜分析系統，其中，所述CXD圖像系統包括CXD圖像傳感器、驅動控制系統、信號采集系統和溫度控制系統，所述驅動控制系統、所述信號采集系統及所述溫度控制系統分別與所述CCD圖像傳感器連接，所述信號采集系統及所述驅動控制系統分別與所述數據處理系統連接。
上述的檢測谷物營養成分的光譜分析系統，其中，所述溫度控制系統包括溫度控制器、溫度傳感器和熱電制冷器，所述溫度傳感器及所述熱電制冷器分別與所述CCD圖像傳感器連接，所述溫度控制器分別與所述熱電制冷器及所述溫度傳感器連接。上述的檢測谷物營養成分的光譜分析系統，其中，所述熱電制冷器采用多級制冷片結構，所述多級制冷片通過一金屬片直接粘貼在所述CCD圖像傳感器的散熱器上。上述的檢測谷物營養成分的光譜分析系統，其中，所述樣品臺包括驅動部件、控制部件及旋轉臺，所述驅動部件分別與所述控制部件及所述旋轉臺連接。上述的檢測谷物營養成分的光譜分析系統，其中，所述旋轉臺包括支架、旋轉平臺和樣品杯，所述旋轉平臺安裝在所述支架上，所述樣品杯安裝在所述旋轉平臺上，所述驅動部件包括電機、主動皮帶輪和從動皮帶輪，所述從動皮帶輪及所述主動皮帶輪分別安裝在所述支架上，所述從動皮帶輪分別與所述旋轉平臺及所述主動皮帶輪連接，所述電機通過電機架安裝在所述支架上并與所述主動皮帶輪連接。為了更好地實現上述目的，本發明還提供了 一種所述檢測谷物營養成分的光譜分析系統的光譜分析方法，其中，包括如下步驟:a、生成近紅外吸收光譜，啟動所述近紅外光學系統照射所述樣品臺上的樣品，以產生所述樣品的近紅外吸收光譜；b、采集并傳輸所述近紅外吸收光譜，啟動所述CXD圖像系統采集所述近紅外吸收光譜，并將該近紅外吸收光譜的光信號轉換為模擬的電信號，傳輸至所述數據處理系統；C、得到檢測樣品的待測成分和/或含量，所述數據處理系統接收并分析所述近紅外吸收光譜的模擬電信號，并與谷物營養成分分析校正模型對比，得到所述樣品的待測成分和/或含量。本發明的技術效果在于:本發明基于固定光柵和CCD圖像傳感器技術，將多級制冷片用于CCD圖像傳感器的制冷，使CCD圖像傳感器工作在恒低溫狀態，有效抑制了暗電流的影響，提高了信噪比。超低羥基石英光纖材料的使用，再配以高控制精度的光源系統和旋轉樣品臺，保證了 SOO-1lOOnm短波近紅外光譜儀具有優越的穩定性和重復性，使其滿足谷物內部品質檢測的需要。以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。
圖1為本發明的光譜分析系統框圖；圖2為本發明的方法流程圖；圖3為本發明一實施例的光譜分析系統工作流程圖；圖4為本發明一實施例的分光部件工作原理圖；圖5為本發明一實施例的CXD圖像系統工作原理圖；圖6為本發明一實施例的光源控制系統示意圖；圖7為本發明的光源控制實驗數據圖；圖8為本發明一實施例的溫度控制系統示意圖；圖9為本發明一實施例的數據預處理結果；圖10為本發明一實施例的光源主回路與反饋控制電路圖11為本發明一實施例的信號采集系統的A/D采樣電路圖；圖12為本發明一實施例的DA與MSP430F169的接口電路圖；圖13為本發明一實施例的溫度控制系統的制冷電路原理圖；圖14為本發明一實施例的旋轉樣品臺結構圖；圖15為圖14的左視圖；圖16為圖14的俯視圖。其中，附圖標記I 近紅外光學系統11 光源12光源控制系統13 光纖14固定光柵系統141分光部件1411入射縫隙142 光柵143第一反射鏡144第二反射鏡2 CCD圖像系統21 CCD圖像傳感器22驅動控制系統23信號采集系統24溫度控制系統241溫度控制器242溫度傳感器243熱電制冷器3 樣品臺31驅動部件311 電機312主動皮帶輪313從動皮帶輪32控制部件33旋轉臺331 支架332旋轉平臺333樣品杯334電機架4 數據處理系統5 樣品6 電源
a c步驟
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的結構原理和工作原理作具體的描述:參見圖1及圖3，圖1為本發明的光譜分析系統框圖，圖3為本發明一實施例的光譜分析系統工作流程圖。本發明的檢測谷物營養成分的光譜分析系統，包括近紅外光學系統1、CXD圖像系統2、樣品臺3及數據處理系統4，所述樣品臺3設置在所述近紅外光學系統I和所述CXD圖像系統2之間，所述CXD圖像系統2分別與所述近紅外光學系統I及所述數據處理系統4連接，所述近紅外光學系統I照射所述樣品臺3上的樣品5以產生所述樣品5的近紅外吸收光譜，所述CXD圖像系統2采集所述近紅外吸收光譜并傳輸至所述數據處理系統4，所述數據處理系統4分析所述近紅外吸收光譜并得到所述樣品5的待測成分及其含量。為了更好地保證檢測效果，提高在線檢測的自動化水平，也可如圖3所示，將近紅外光學系統I與數據處理系統4連接。近紅外光學系統I與CXD圖像傳感器21是本發明檢測谷物營養成分的光譜分析系統的核心。本實施例中，優選鹵素燈并采用雙鏡設計，即在聚光凸透鏡與鹵素燈中心連線延長線上放置了一個凹面鏡，用來將鹵素燈發出的背向凸透鏡的光線反射回來，與發向凸透鏡方向的光線一起被凸透鏡聚光，與只使用一個凸透鏡聚光的光源11來說，大大地提高了對鹵素燈的光強的利用率。參見圖2，圖2為本發明的方法流程圖。本發明的光譜分析方法，應用上述的檢測谷物營養成分的光譜分析系統，包括如下步驟:步驟a、生成近紅外吸收光譜，啟動所述近紅外光學系統I照射所述樣品臺3上的樣品5，以產生所述樣品5的近紅外吸收光譜；步驟b、采集并傳輸所述近紅外吸收光譜，啟動所述CXD圖像系統2采集所述近紅外吸收光譜，并將該近紅外吸收光譜的光信號轉換為模擬的電信號，傳輸至所述數據處理系統4 ；步驟C、得到檢測樣品的待測成分和/或含量，所述數據處理系統4接收并分析所述近紅外吸收光譜的模擬電信號，并與谷物營養成分分析校正模型對比，得到所述樣品5的待測成分和/或含量。所述近紅外光學系統I包括光源11、光源控制系統12、光纖13及固定光柵系統14，所述光源11對應于所述固定光柵系統14及所述樣品臺3設置，所述光源控制系統12與所述光源11連接，所述光纖13用于所述光源11、所述樣品5及所述固定光柵系統14之間的光傳遞。本實施例中，所述光纖13優選為超低羥基石英光纖。參見圖6，圖6為本發明一實施例的光源控制系統示意圖。本實施例中，光源控制系統12可以包括硬件和軟件兩個部分:硬件部分包括單片機工作電路、A/D采集電路、DA控制電路、鹵素燈工作回路和反饋電路；軟件部分包括PC與單片機的串口通訊、反饋信號的采集、濾波、數字PID控制和DA輸出。工作時，系統上電初始化完畢后，單片機將PC下達的鹵素燈工作電壓與A/D采集得到反饋信號一起經數字PID算法處理得到控制輸出，經DA輸出給驅動電路部分的場效應管的柵極，從而對反饋電壓進行調整，形成閉環系統。由于反饋電壓采至于鹵素燈工作回路里的低阻值精密電阻，也就相當于得到了反饋電流，從而實現了控制電流的效果。光源11的細微變化都可能極大的影響測量精度，尤其對低濃度的成分來說，更有可能會出現錯誤的結果，所以光源11的穩定性對于本發明的檢測精度來說是非常重要的。本實施例中，光源11的精度要求設定為0.02%。可采用的德國OSRAM公司的12V鹵素節能燈，平均壽命達4000小時。采用單片機來控制光源11的穩定性。光源控制系統12主要包括單片機(MSP430F169型)工作電路、AD(AD7705)采集電路、DA(DAC8541)控制電路、鹵素燈主回路和反饋電路，如圖6所示。數據傳輸采用MSP430F169的USART模塊(MAX3221)，通過RS232串口與PC進行通訊。系統上電初始化完畢后，單片機將PC下達的鹵素燈工作電壓與AD采集得到反饋信號一起經過數字PID算法處理后，得到控制輸出，并經DA輸出控制場效應管的導通狀態，從而對鹵素燈的工作狀態進行調整，形成閉環系統。由于反饋電壓采至于鹵素燈主回路里的低阻值精密電阻，也就相當于得到了反饋電流，從而實現了控制電流的效果。可利用MSco_控件開發光源控制系統12的上位機通信程序，利用Picture控件開發控制過程的圖示功能，使控制過程一目了然。參見圖7，圖7為本發明的光源控制實驗數據圖。光源11控制響應速度試驗的橫坐標是時間，單位是秒，縱坐標是電壓值，單位是伏，本實施例中，給定為10.5V。一般光源11在其電源6打開約15min以后穩定性變好，由圖可以看出，該光源控制系統12能在20s內將工作電壓穩定控制在目標電壓10.5V，實驗的標準偏差為0.0149%，由此可見，光源11的控制部分能在小于光源11開機穩定時間內將光源11控制在期望值的允許誤差內，光源控制系統12在很短的時間內控制收斂，沒有額外增加等待時間，提高了實驗效率，滿足了光譜儀系統的控制精度要求。參見圖10，圖10為本發明一實施例的光源主回路與反饋控制電路圖。其中，光源11主回路電流是由電源6流出，依次經過鹵素燈、場效應管IRF150和一個高精度的鋁殼電阻后，流入電源6負端。并在IRF150的⑶、DS極各接了 2.F的保護電容。例如，圖中接A A/D芯片輸入端的AIN2+處的電阻為高精度鋁殼電阻，其阻值為0.1 Q，功率為20W，精度為1%，它的作用是將光源11主回路的電流反饋轉化為電壓反饋。反饋信號正是AIN2+處的電壓信號，它經過同相運算放大器U3A放大后，以負反饋的形式接入U3B，對DAC8541的輸出Vout進行補償，然后經過2K的保護電阻R19后接入IRFP150的柵極。反饋回路的工作過程如下:當鹵素燈回路電流增大時，鋁殼電阻端電壓上升，則放大器U3A的輸出上升，導致比較器U3B的輸出減小，IRFP150的導通電流也就減小，即抑制了鹵素燈回路電流的增加變化，反之亦然。所述固定光柵系統14包括分光部件141、光柵142及反射鏡，所述反射鏡包括對應于所述分光部件141的入射縫隙1411及所述光柵142設置的第一反射鏡143和對應于所述CXD圖像系統2及所述光柵142設置的第二反射鏡144。參見圖4，圖4為本發明一實施例的分光部件工作原理圖。圖3中光源11發射出來的光聚焦后經過光纖13引入到樣品臺3，經過準直后以漫透射方式穿透樣品5，然后經過聚光后由光纖13引出樣品臺3，經過準直后打入到圖4所示分光部件141的入射縫隙1411上，經第一反射鏡143反射到光柵142上，復色光分散成單色光，色散后的光束經第二反射鏡144反射至CCD圖像傳感器21的平面上成像，通過光電轉換得到相應的所述樣品5的近紅外吸收光譜電信號。參見圖5，圖5為本發明一實施例的CXD圖像系統工作原理圖。所述CXD圖像系統2包括CXD圖像傳感器21、驅動控制系統22、信號采集系統23和溫度控制系統24，所述驅動控制系統22、所述信號采集系統23及所述溫度控制系統24分別與所述CCD圖像傳感器21連接，所述信號采集系統23及所述驅動控制系統22分別與所述數據處理系統4連接。工作時，采用PLD技術來驅動CXD圖像傳感器21，同時結合16位的AD轉換器對光譜信號進行轉換，如圖5所示。信號采集系統23的PLD/CPLD芯片向CXD圖像傳感器21提供工作所需的脈沖時序，CCD圖像傳感器21則按順序將信號輸出至AD轉換器，待AD轉換結束后，PLD/CPLD芯片讀取AD轉換的結果，并將該結果由并行口傳輸給計算機，由計算機對該結果進行保存和數據軟件處理。CXD圖像傳感器21在把光信號轉變為電信號的過程中，由于累計光照的原因，CXD圖像傳感器21的溫度將會上升，而溫度的變化對探測器的暗電流和光電流都有影響，一般都隨溫度升高而增加，尤其暗電流隨溫度的變化很大，從而影響測量精度。為了有效抑制暗電流，需要讓CXD圖像傳感器21的芯片工作在比較穩定的低溫狀態，所以對CXD圖像傳感器21探測器的溫度控制具有極其重要的意義。與壓縮機制冷和液氮制冷相比，半導體制冷技術不需要任何制冷劑就可連續工作；沒有污染源；是一種固體片件，工作時沒有震動、噪音；壽命長，安裝容易；熱慣性非常小，制冷制熱時間很快，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電不到一分鐘，制冷片就能達到最大溫差。另外，半導體制冷片是電流換能型片件，通過輸入電流的控制，可實現高精度的溫度控制，再加上溫度檢測和控制手段，很容易實現遙控、程控、計算機控制，便于組成自動控制系統。因此本發明采用該技術來進行CXD圖像傳感器21制冷。所述溫度控制系統24包括溫度控制器241、溫度傳感器242和熱電制冷器243，所述溫度傳感器242及所述熱電制冷器243分別與所述CCD圖像傳感器21連接，所述溫度控制器241分別與所述熱電制冷器243及所述溫度傳感器242連接。所述熱電制冷器243采用多級制冷片結構，所述多級制冷片通過一金屬片直接粘貼在所述CCD圖像傳感器21的散熱器上。參見圖8，圖8為本發明一實施例的溫度控制系統示意圖。本實施例中，采用智能1-Wire溫度傳感器為DS18B20。溫度控制系統24的硬件部分可包括單片機工作電路、溫度傳感器電路、DA控制電路和制冷片工作回路；軟件部分可包括PC與單片機的串口通訊、溫度信號的采集、濾波、數字PID控制和DA輸出，也可采用串口通訊和基于Picture控件開發的圖示功能來對控制過程進行監控。
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工作時，系統上電初始化完畢后，單片機將計算機下達的指定溫度與溫度傳感器242采集值經數字PID算法處理后，得到控制輸出，經DA輸出給場效應管的柵極，控制熱電制冷器243的制冷片工作，本實施例中，優選采用兩級制冷片，且該兩級制冷片通過一個鋁片與CCD圖像傳感器21的散熱器粘黏在一起，該兩級制冷片的工作效果直接作用于CCD圖像傳感器21和溫度傳感器242，這樣就形成了 CXD圖像傳感器21溫度控制的閉環系統。本實施例中，CXD圖像傳感器21可采用日本SONY公司推出的超高靈敏度線陣CXD圖像傳感器ILX511，它有2048個像素，光譜范圍為200 llOOnm，適合于對微弱光信號的檢測。PLD芯片為基于CPLD技術的LATTICE公司的可編程邏輯器件ispLSI1032。由于ILX511的動態范圍是48.5dB，由公式ADC位數彡動態范圍(dB) / (20*log(2))得到ADC的位數> 8.06，所以應選擇的ADC精度最低為9位，本設計采用了 16位的ADS7805作為模數轉換器，以提高系統精度。參見圖11，圖11為本發明一實施例的信號采集系統的A/D采樣電路圖。本實施例中，A/D轉換電路工作電壓可以選擇3V或5V，考慮到MSP430F169采用3.3V供電，因而AD7705也采用3.3V供電，以免需要電平轉換。2.5V的參考電壓通過AD584來提供，并接了2個濾波電容來提高抗干擾能力。DIN、DOTT則通過上拉5.1K電阻來保證邏輯的可靠性，分別接入 MSP430F169 的 32 腳(P3.4)與 33 腳(P3.5)。其它如 RESET、DRDY、SCLK、CS 則依次接A 14-17 腳(P1.2 1.5)。參見圖12，圖12為本發明一實施例的DA與MSP430F169的接口電路圖。控制輸出部分采用了寬工作電壓，單輸出通道，并行接口 16位D/A轉換器DAC8541。DAC8541與F169的連接線比較多，布線時應優先走線。模擬和數字部分的電源都要加電容去耦電路，用一個IOii F的電解電容并聯一個0.1 UF的陶瓷電容接地去耦。電容盡量靠近芯片的電源6輸入端，模擬地和數字地分開走線。參見圖13，圖13為本發明一實施例的溫度控制系統的制冷電路原理圖。制冷主回路電流是由電源流出，依次經過制冷片和MOSFET管2N6284后，流入電源負端。并給MOSFET管接了一個2.2 ii F的保護電容。單片機根據溫度傳感器242DS18B20提供的溫度信號來調整DAC8541的控制輸出，也就是圖中的Vtjut,經過放大器UlO放大后，驅動2N6284，調整其導通狀態。其中2K的R6為保護電阻。谷物如小麥、玉米等的顆粒相對液體與粉末狀的物質來說比較大，樣品的分布間隙對測量的重復性和穩定性有較大影響。通過樣品的旋轉來獲得更多的樣品光譜信息和增加掃描次數，可以減小由于谷物樣品的分布間隙對測量的影響。參見圖14 16，圖14為本發明一實施例的旋轉樣品臺結構圖，圖15為圖14的左視圖，圖16為圖14的俯視圖。所述樣品臺3包括驅動部件31、控制部件32及旋轉臺33，所述驅動部件31分別與所述控制部件32及所述旋轉臺33連接。本實施例中，所述旋轉臺33包括支架331、旋轉平臺332及樣品杯333，所述旋轉平臺332安裝在所述支架331上，所述樣品杯333通過軸承安裝安裝在所述旋轉平臺332上并與從動皮帶輪313固定在一起，所述驅動部件31包括電機311、主動皮帶輪312和從動皮帶輪313，所述從動皮帶輪313及所述主動皮帶輪312分別安裝在所述支架331上，所述從動皮帶輪313分別與所述旋轉平臺332及所述主動皮帶輪312連接，所述電機311通過電機架334安裝在支架331上并與所述主動皮帶輪312連接。工作時，電機311啟動帶動主動皮帶輪312旋轉，通過皮帶帶動從動皮帶輪313與樣品5 —同旋轉。本實施例中，樣品臺3可由控制電路、繼電器、步進電機和旋轉臺組成。控制信號由ispLSI1032發出給75452芯片，由它驅動繼電器的吸合狀態，繼電器的常開觸點串聯在步進電機的主回路，控制步進電機主回路的開關狀態，從而達到控制旋轉臺的目的。本發明的工作原理為:基于電流反饋的光源控制系統12及電源6為光源11提供35 150瓦的近紅外光,波長優選為800nm-1100nm,經過聚光后由傳導光纖13引入樣品臺3，經過準直后的光直接照射在放置與旋轉中的樣品臺3上的樣品5上，漫透射過的光經過聚光后，再由光纖13傳導至準直系統，然后打在固定光柵142上，形成連續的近紅外吸收光譜。由半導體制冷單元進行溫控的CCD圖像傳感器21將光信號轉換為模擬的電信號，經過跟隨器隔離和放大電路放大后，通過A/D轉換器將對應的光譜信號實時采集，并由并口傳輸給數據處理系統(例如可為安裝有化學計量軟件和谷物營養成分分析校正模型的計算機)。計算機軟件通過分析由CXD圖像系統2采集到的樣品5的近紅外吸收光譜，檢測被測樣品5中的待測成分及其含量(例如水分及蛋白質等)。本發明采用漫透射測量方法，溫度控制系統24為CCD圖像傳感器21提供±0.2度的穩定環境，光源控制系統12則為光源11提供優于0.02%的穩定光強，提高了近紅外光學系統I的性能。實施例:利用本發明對小麥樣品成分進行分析試驗，其他谷物如玉米、大豆或高粱的檢測與此相同。I號小麥樣品:為了制備寬范圍的水分樣品，直接收購了 200Kg剛收割的高水分小麥樣品，通過邊自然晾干邊取樣的辦法，獲得了 51個小麥水分樣品，通過標準105°烘干法獲得其水分的真值，水分覆蓋范圍約為9% 18%。2號小麥樣品:從黑龍江省農科院購得65個2008年的小麥樣品，附有干基蛋白、硬度、濕面筋、沉降值和硬度等參數真值。實驗樣品準備完畢后，利用本發明的光譜分析系統及方法對小麥樣品成分進行分析試驗，其中，谷物營養成分分析校正模型可采用現有技術的多種方式建立，本實施例中，以建立小麥水分、蛋白模型為例予以說明，但對此不做限制，以驗證本發明性能的穩定性和準確性。以采集的小麥的光譜為例。實驗過程往往會存在著各種噪聲，儀器背景或者漂移以及樣品的不均勻對光譜的影響尤為顯著。因此，可對建模樣品進行預處理，其目的是剔除異常樣品，消除光譜噪聲，篩選數據變量，優化光譜范圍，凈化譜圖信息，減弱甚至消除各種非目標因素對光譜的影響，為建立谷物營養成分分析校正模型和預測未知樣品組分濃度或性質奠定基礎。對水分樣品光譜可采用矢量歸一化(SNV)、最小-最大歸一化、多遠散射校正、一階導數、一階導+SNV、一階導+附加散射校正(MSC)、二階導數等預處理方法處理。對去除部分線性或接近線性的背景、噪聲光譜對目標光譜的影響，本實施例中優選一階導數方法，而經過MSC法處理后的光譜隨機變異得到最大可能性的扣除。因此，經過一階導數與MSC法結合預處理后的光譜，往往RMSECV能達到最優。PLS建模既可以使用全部或部分光譜數據，可以較好地解決許多以往普通多元回歸無法解決的問題。PLS方法提供了多因變量對自變量的回歸建模方法，同時有效解決了變量之間的多重相關性問題。因此，PLS方法是目前最為常用的建模方法。在定量分析中，建好模型之后，必須對其加以驗證，以預測其可靠性。在PLS建模中，一般采用交叉檢驗均方根誤差RMSECV可以當作方法質量的判據。交叉驗證的優點在于使用較少的樣品量。比如，我們可以設定凍結樣品數為I進行內部交叉驗證。開始建模之前要從這組樣品中拿出一個樣品，用作檢驗模型，其余樣品用作該系統的建模。在定量分析中，我們要重復這個過程，直到所有的樣品都被用于檢驗，因此，相對外部檢驗方法，交叉驗證方法更加優越。參見圖9，圖9為本發明一實施例的數據預處理結果。其中，采取一階導數與MSC結合的預處理，RMSECV最優。在此基礎上用PLS建模，并設定凍結樣品數為I進行內部交叉驗證。對蛋白樣品也采用類似的處理過程。最后針對水分和蛋白樣品的實驗結果如表I所示:表I
權利要求
1.一種檢測谷物營養成分的光譜分析系統，其特征在于，包括近紅外光學系統、CCD圖像系統、樣品臺及數據處理系統，所述樣品臺設置在所述近紅外光學系統和所述CCD圖像系統之間，所述CCD圖像系統分別與所述近紅外光學系統及所述數據處理系統連接，所述近紅外光學系統照射所述樣品臺上的樣品以產生所述樣品的近紅外吸收光譜，所述CCD圖像系統采集所述近紅外吸收光譜并傳輸至所述數據處理系統，所述數據處理系統分析所述近紅外吸收光譜以得到所述樣品的待測成分及其含量。
2.如權利要求1所述的檢測谷物營養成分的光譜分析系統，其特征在于，所述近紅外光學系統包括光源、光源控制系統、光纖及固定光柵系統，所述光源對應于所述固定光柵系統及所述樣品臺設置，所述光源控制系統與所述光源連接，所述光纖用于所述光源、所述樣品及所述固定光柵系統之間的光傳遞。
3.如權利要求2所述的檢測谷物營養成分的光譜分析系統，其特征在于，所述固定光柵系統包括分光部件、光柵及反射鏡，所述反射鏡包括對應于所述分光部件的入射縫隙及所述光柵設置的第一反射鏡和對應于所述CCD圖像系統及所述光柵設置的第二反射鏡。
4.如權利要求2或3所述的檢測谷物營養成分的光譜分析系統，其特征在于，所述光纖為超低羥基石英光纖。
5.如權利要求1、2或3所述的檢測谷物營養成分的光譜分析系統，其特征在于，所述CCD圖像系統包括CCD圖像傳感器、驅動控制系統、信號采集系統和溫度控制系統，所述驅動控制系統、所述信號采集系統及所述溫度控制系統分別與所述CCD圖像傳感器連接，所述信號采集系統及所述驅動控制系統分別與所述數據處理系統連接。
6.如權利要求4所述的檢測谷物營養成分的光譜分析系統，其特征在于，所述溫度控制系統包括溫度控制器、溫度傳感器和熱電制冷器，所述溫度傳感器及所述熱電制冷器分別與所述CCD圖像傳感器連接，所述溫度控制器分別與所述熱電制冷器及所述溫度傳感器連接。
7.如權利要求5所述的檢測谷物營養成分的光譜分析系統，其特征在于，所述熱電制冷器采用多級制冷片結構，所述多級制冷片通過一金屬片直接粘貼在所述CCD圖像傳感器的散熱器上。
8.如權利要求1、2、3、6或7所述的檢測谷物營養成分的光譜分析系統，其特征在于，所述樣品臺包括驅動部件、控制部件及旋轉臺，所述驅動部件分別與所述控制部件及所述旋轉臺連接。
9.如權利要求8所述的檢測谷物營養成分的光譜分析系統，其特征在于，所述旋轉臺包括支架、旋轉平臺和樣品杯，所述旋轉平臺安裝在所述支架上，所述樣品杯安裝在所述旋轉平臺上，所述驅動部件包括電機、主動皮帶輪和從動皮帶輪，所述從動皮帶輪及所述主動皮帶輪分別安裝在所述支架上，所述從動皮帶輪分別與所述旋轉平臺及所述主動皮帶輪連接，所述電機通過電機架安裝在所述支架上并與所述主動皮帶輪連接。
10.一種上述權利要求1、2、3、6、7或9所述的檢測谷物營養成分的光譜分析系統的光譜分析方法，其特征在于，包括如下步驟: a、生成近紅外吸收光譜，啟動所述近紅外光學系統照射所述樣品臺上的樣品，以產生所述樣品的近紅外吸收光譜； b、采集并傳輸所述近紅外吸收光譜， 啟動所述CXD圖像系統采集所述近紅外吸收光譜，并將該近紅外吸收光譜的光信號轉換為模擬的電信號，傳輸至所述數據處理系統；C、得到檢測樣品的待測成分和/或含量，所述數據處理系統接收并分析所述近紅外吸收光譜的模擬 電信號，并與谷物營養成分分析校正模型對比，得到所述樣品的待測成分和/或含量。
全文摘要
一種檢測谷物營養成分的光譜分析系統及方法，該系統包括近紅外光學系統、CCD圖像系統、樣品臺及數據處理系統，該樣品臺設置在該近紅外光學系統和該CCD圖像系統之間，該CCD圖像系統分別與該近紅外光學系統及該數據處理系統連接，該近紅外光學系統照射該樣品臺上的樣品以產生該樣品的近紅外吸收光譜，該CCD圖像系統采集該近紅外吸收光譜并傳輸至該數據處理系統，該數據處理系統分析該近紅外吸收光譜以得到該樣品的待測成分及其含量。該方法包括生成近紅外吸收光譜、采集并傳輸所述近紅外吸收光譜及分析得到檢測樣品的待測成分和/或含量。
文檔編號G01N21/01GK103185703SQ201110460138
公開日2013年7月3日 申請日期2011年12月31日 優先權日2011年12月31日
發明者張銀橋, 趙博, 王輝, 張愛國, 張小超 申請人:中國農業機械化科學研究院