专利名称：光开放环境下的叶片水分近红外无损检测装置及方法
技术领域：
本发明涉及农业技术中农作物水分检测技术领域，特别涉及一种光开放环境下的 叶片水分近红外无损检测装置及方法。
背景技术：
近红外光谱分析技术是一种高效、快速的现代分析技术，已在很多领域得到广泛 应用，尤其是在食品及农产品品质检测中。近红外光是指波长在780 2526nm范围内的电 磁波，是人们认识最早的非可见光区域。习惯上又将近红外光划分为近红外短波(780 IlOOnm)和长波(1100 2526nm)两个区域。现代近红外光谱分析是90年代以来发展最 快、最引人注目的光谱分析技术，是光谱测量技术与化学计量学学科的有机结合。利用光谱 技术诊断叶片水分含量是有其科学依据的。每一种物质对不同波长的电磁波的吸收和反射 都不同，物质的这种对不同波段光谱的响应特性叫光谱特性。植物光谱诊断便是基于植物 的光谱特性来进行的。植物叶片组分的光谱诊断原理是植物中这些化学组分分子结构中的 化学键在一定辐射水平的照射下发生振动，引起对某些波长的光谱发射和吸收产生差异， 从而产生了不同的光谱反射率，且该波长处光谱反射率的变化对该化学组分的多少非常敏 感(故称敏感光谱，例如水分的敏感光谱波段为1400-1600nm)。植物化学组分光谱诊断的 实现便是以植物化学组分敏感光谱的反射率与该组分含量或浓度的相关关系为基础的。传统的叶片水分含量测量方法主要有国标的烘干法，电导法，茎流法，以及利用电 容式湿度传感器和近红外光谱技术等方法。采用这些方法进行物质水分的测量各有利弊现有技术中，烘干法是国家标准中规定的测定方法，其方法为将叶片从叶基部剪 下，称量鲜重(初始鲜重)后迅速将剪口处插入清水中浸泡5小时后，从水中取出，擦拭掉 叶片表面多余水分并称取饱和鲜重。经105°C，30分钟杀青后，65°C下烘到恒重，称重(干 重)并计算叶片相对含水量。该测量方法优点是测量结果准确可靠，但是其采用的是有损 测量，费时费力，无法做到实时监测；现有技术中，电导法是利用植物的电阻特性会随着水分含量的不同而发生变化， 通过传感器来检测电导率转换的变化的电压信号，虽然这种方法是无损检测，但系统设计 比较麻烦，测量精度不高，且稳定性不好。现有技术中，近红外光谱技术快速检测是利用相应的光谱仪在一定的近红外光谱 范围内测量植物叶片的反射光谱，并利用最优的统计学方法建立水分含量与反射光谱的定 量分析模型，以此来预测植物的叶片的水分含量。该方法具有快速，简便的特点，但在测量 时需将叶片进行离体操作或将其放置在完全光封闭的条件下测量，这都会影响测量数据的 可靠性与准确性。综上所述，目前所用的用于检测植物叶片水分的方法(现有技术)都是短时的，有 损的，不适于对植物进行实时长期的监测；或者采用间接的方法进行的无损测量时，测量装 置设计麻烦，无法达到所要求的测量精度和准确度，稳定性不高。现有技术也不能提供植物 叶片水分的进一步分析方法和步骤。由于利用现有技术进行检测时的困境，因此就需要建立一种新的检测方法和研制一种无损长期监测装置，以弥补当前检测方法的不足，使得对 植物叶片水分的检测方便、准确、客观，可以从实验室研究转变为生产应用服务。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是如何在光开放环境下准确地测量植物叶片中所含的 水分。(二)技术方案一种光开放环境下的叶片水分近红外无损检测装置，其特征在于，包括调制光源，用于向叶片发射预定波长的调制光线，并按交流规律调制所述调制光 线的光强，使产生交流光信号；检测电路，用于接收透过叶片的交流光信号，并将透过叶片的交流光信号转换为 光谱数据；计算处理设备，用于从所述光谱数据中计算出叶片的水分浓度。其中，所述检测电路包括光信号检测单元，用于接收透过叶片的交流光信号并将其转换成模拟电信号；信号处理单元，用于将所述模拟电信号进行放大处理，并转换成光谱数据；中央控制单元，用于控制光源及信号处理单元，并将所述光谱数据传输到所述计 算处理设备。其中，所述检测电路还包括数据存储单元，用于存储所述光谱数据并为所述中央控制单元提供光谱数据。其中，所述计算处理设备包括第一计算单元，用于从所述光谱数据中的入射光强相对于透射光强的衰减数据计 算得到光密度；第二计算单元，用于建立光密度和叶片水分浓度的线性关系；水分检测单元，用于根据线性关系计算叶片水分浓度。其中，所述光信号检测单元为光传感器件。其中，所述信号处理单元为信号放大电路及数模转换电路。—种光开放环境下的叶片水分近红外无损检测方法，包括以下步骤Sl 将两种预定波长的光线，第一光线和第二光线先后通过光纤照射至叶片表面， 所述第一光线和第二光线为按交流规律调制光强后的交流光信号；S2 将透射过叶片的两种光线转换为第一光谱数据和第二光谱数据；S3 根据两种光谱数据计算叶片的水分浓度。其中，所述特定波长的光线为830nm和970nm波长的光线。其中，所述步骤S2具体包括S21 将透过叶片的第一光线和第二光线转换成第一模拟电信号和第二模拟信 号；S22:将所述第一模拟电信号和第二模拟信号转换成第一光谱数据和第二光谱数 据。
其中，所述步骤S3具体包括S31 从两种光谱数据中的入射光强相对于透射光强的衰减数据计算得到光密度， 计算公式如下OD(A1) = Ig(IO1A1), OD(X2) = Ig(IO2A2)其中，OD(X1)和 OD(X2)为第一光 线和第二光线的光密度，λ i和λ 2为第一光线和第二光线的波长，IO1和IO2分别为第一光 线和第二光线的入射光强，I1和I2为第一光线和第二光线的透射光强；S32 建立光密度值与叶片水分值的线性关系，所述线性关系如下OD(A1) = ε ( λ 丄)· C · L1 · DPFfG1 (1)，OD ( λ 2) = ε ( λ 2) · C · L2 · DPFjG1 (2) 其中，ε (X1)和ε (λ2)为消光系数，C为水分浓度，L1和L2S光程，DPF1和DPF2*差分路 径因子，G1和G2为修正因子，表示叶片背景吸收、散射引起的衰减；S33 计算叶片的水分浓度C，计算步骤为由公式(1)减去公式(2)得到光密度差 值AOD=IOD(X1)-OD(X2)I(3)将步骤S31计算的OD U1)和ODU2)的值代入公式⑶计算出叶片水分浓度C。(三)有益效果本发明的装置通过光信号检测单元将接收由调制光源发射并透过叶片的调制光 线(交流光信号)转换成光谱信息后由计算处理设备计算叶片水分，使得叶片可以在光开 放环境下进行，而且装置结构简单；在进行水分检测时消除了由于叶片背景对光线的吸收、 散射引起的衰减，使得水分含量的测量值更准确。
图1是本发明实施例的光开放环境下的叶片水分近红外无损检测装置结构示意 图；图2是本发明实施例的光开放环境下的叶片水分近红外无损检测方法流程图；图3是利用本发明的装置和方法进行实验测得的实验结果图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施 例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。如图1所示，为本发明的光开放环境下的叶片水分近红外无损检测装置结构示意 图，该装置包括光源1，向叶片发射预定波长的光线，光线优选为830nm和970nm波长的光线，并且 对光源强度进行调制，使产生交流(按正弦规律或余弦规律变化)光信号，其频率为10Hz。检测电路2，用于接收透过叶片的交流光信号，并将透过叶片的交流光信号转换为 光普数据，具体包括光信号检测单元21、信号处理单元22和中央控制单元23。中央控制 单元23分别连接光信号检测单元21、信号处理单元22，光信号检测单元21和信号处理单 元22连接。光信号检测单元21接收透过叶片的交流光信号并将该交流光信号转换成模拟 电信号，光信号检测单元21将该模拟电信号传输给信号处理单元22。信号处理单元22将 所述模拟电信号转换成光谱数据，由于外界自然光线可看作是一种直流光信号，信号处理单元22其中的放大电路可以将直流信号过滤，以排除外界光线对检测结果的干扰，因此， 可以在光开放的环境(无需将植物置于暗盒中)下进行检测。光谱数据包括消光系数ε， 光程L，差分路径因子DPF，修正因子G。信号处理单元22将光谱数据传输给中央控制单元 23。中央控制单元23主要控制光信号检测单元21和信号处理单元22的执行，并将所述光 谱数据传输到所述计算处理设备3。其中，光信号检测单元21为光传感器件，信号处理单元 22为信号放大电路及数模转换电路。检测电路还包括存储单元24，与信号处理单元22和中央控制单元23连接。存储 所述光谱数据，中央控制单元23可从中提取光谱数据。计算处理设备3，用于从中央控制单元23发送的光谱数据中计算出叶片的水分含 量。具体包括第一计算单元31、第二计算单元32和水分检测单元33。第一计算单元31 从所述光谱数据中的入射光强相对于透射光强的衰减数据计算得到光密度。第二计算单元 32建立光密度和叶片水分含量的线性关系。水分检测单元33根据线性关系计算叶片水分含量。当采用图1所示的装置时，本发明的一种光开放环境下的叶片水分近红外无损检 测方法流程如图2所示，为了消除由于叶片背景对光线的吸收、散射引起的衰减，采用两种 不同波长的光线对叶片进行照射的方式来计算叶片中的水分含量，具体包括步骤步骤S201，将两种预定波长的光线，第一光线和第二光线先后通过光纤照射至叶 片表面，优选为垂直照射，第一光线和第二光线的波长优选为830nm和970nm。其中，第一光 线和第二光线为按交流规律调制光强后的交流(按正弦或余弦规律变化)光信号。步骤S202，将透射过叶片的第一光线和第二光线分别转换为第一光谱数据和第二 光谱数据。具体包括，先通过光信号检测单元先将第一光线和第二光线分别转换成第一模 拟电信号和第二模拟电信号，再通过信号处理单元将第一模拟电信号和第二模拟电信号分 别转换成第一光谱数据和第二光谱数据。步骤S203，根据第一光谱数据和第二光谱数据计算叶片的水分浓度。具体包括第一步，从第一光谱数据和第二光谱数据中的入射光强相对于透射光强的衰减数 据计算得到两种光线的光密度，计算公式如下OD ( λ = Ig (I(VI1)，OD ( λ 2) = Ig (102/12)其中，ODU1)和ODU2)为第一光线和第二光线的光密度，入工和λ2为第一光线 和第二光线的波长，IO1和IO2分别为第一光线和第二光线的入射光强，I1和I2为第一光线 和第二光线的透射光强；第二步，建立光密度值与叶片水分值的线性关系。光在叶片组织中的传输不仅 存在吸收作用而且还存在散射作用，光散射的存在不仅改变光传输的方向，而且还最终改 变光在样品组织中所经历的实际光学路程，结果使得被检测到的光谱中包含了很强的光 散射背景信号，而这种背景信号不同于其他外界因素所产生的干扰，一般很难通过数据 预处理的方法来消除。所以，在这种情况下仅用较理想的比尔吸收定律来描述光吸收和 散射的并存体系，建立样品“光密度值”与“水分浓度值”之间的分析模型显然是有缺陷 的。为了能准确表达这些“原信息”，有必要考虑对组织的吸收和散射两个方面的作用， 因此，该线性关系依据修正的朗伯-比尔定律原理建立，所述线性关系如下=ODU1)= ε (X1) · C · L1 · DPFJG1 (1), OD(A2) = ε ( λ 2) · C · L2 · DPFjG1 (2)其中，ε ( λ》禾口ε (λ2)为消光系数，C为水分浓度，L1和L2S光程，DPF1和DPF2为差分路径因子，表示光 子在叶片组织中经历的实际平均路径与光源到检测电路的距离的比值，建立该关系时，对 该比值进行了校正，G1和G2为修正因子，表示叶片背景吸收、散射引起的衰减；第三步，计算叶片的水分浓度C，计算步骤为由公式⑴减去公式(2)得到光密
度差值AOD = I OD ( λ》-OD ( λ 2) |(3)将第一步计算的OD U1)和ODU2)的值代入公式(3)中计算出叶片水分浓度C。 C的线性关系可用以下表达式表示C = k · AOD+b, (4)其中，由公式(1)(2)相减后可得到 k= I ε .L1 -DPF1- ε 2 .L2 .DPF2I，b = G1-G21， 由于装置的测试误差b—般不可能为0，且系数k和b与植物种类有关，由公式(3) (4)可 知，使用本发明的装置测出光密度ODU1)和ODU2)就能计算出植物叶片的水分浓度。以油菜叶为实验材料，利用本发明的装置和方法，采用830nm和970nm的光线来检 测油菜叶的水分浓度，其线性模型如图3所示，横坐标指相对水分浓度，纵坐标就是光密度 差值；根据实测的数据(叶片样本光密度差值和传统方式测得的叶片样本水分浓度)，如图 中的离散点，根据离散点通过最小二乘法拟合出线性关系，可算出k= 1.909，b = 1.222， 相关系数R2 = 0.710。
权利要求
一种光开放环境下的叶片水分近红外无损检测装置，其特征在于，包括调制光源，用于向叶片发射预定波长的调制光线，并按交流规律调制所述调制光线的光强，使产生交流光信号；检测电路，用于接收透过叶片的交流光信号，并将透过叶片的交流光信号转换为光谱数据；计算处理设备，用于从所述光谱数据中计算出叶片的水分浓度。
2.如权利要求1所述的光开放环境下的叶片水分近红外无损检测装置，其特征在于， 所述检测电路包括光信号检测单元，用于接收透过叶片的交流光信号并将其转换成模拟电信号；信号处理单元，用于将所述模拟电信号进行放大处理，并转换成光谱数据；中央控制单元，用于控制光源及信号处理单元，并将所述光谱数据传输到所述计算处 理设备。
3.如权利要求2所述的光开放环境下的叶片水分近红外无损检测装置，其特征在于， 所述检测电路还包括数据存储单元，用于存储所述光谱数据并为所述中央控制单元提供光谱数据。
4.如权利要求1 3中任一项所述的光开放环境下的叶片水分近红外无损检测装置， 其特征在于，所述计算处理设备包括第一计算单元，用于从所述光谱数据中的入射光强相对于透射光强的衰减数据计算得 到光密度；第二计算单元，用于建立光密度和叶片水分浓度的线性关系；水分检测单元，用于根据线性关系计算叶片水分浓度。
5.如权利要求4所述的光开放环境下的叶片水分近红外无损检测装置，其特征在于， 所述光信号检测单元为光传感器件。
6.如权利要求4所述的光开放环境下的叶片水分近红外无损检测装置，其特征在于， 所述信号处理单元为信号放大电路及数模转换电路。
7.一种光开放环境下的叶片水分近红外无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤51将两种预定波长的光线，第一光线和第二光线先后通过光纤照射至叶片表面，所述 第一光线和第二光线为按交流规律调制光强后的交流光信号；52将透射过叶片的两种光线转换为第一光谱数据和第二光谱数据；53根据两种光谱数据计算叶片的水分浓度。
8.如权利要求7所述的光开放环境下的叶片水分近红外无损检测方法，其特征在于， 所述特定波长的光线为830nm和970nm波长的光线。
9.如权利要求7所述的光开放环境下的叶片水分近红外无损检测方法，其特征在于， 所述步骤S2具体包括S21 将透过叶片的第一光线和第二光线转换成第一模拟电信号和第二模拟信号；S22:将所述第一模拟电信号和第二模拟信号转换成第一光谱数据和第二光谱数据。
10.如权利要求7所述的光开放环境下的叶片水分近红外无损检测方法，其特征在于， 所述步骤S3具体包括S31 从两种光谱数据中的入射光强相对于透射光强的衰减数据计算得到光密度，计算公式如下OD(A1) = Ig(IO1A1), OD(X2) = Ig(IO2A2)其中，ODU1)和 ODU2)为第一光线和 第二光线的光密度，λ i和λ 2为第一光线和第二光线的波长，IO1和IO2分别为第一光线和 第二光线的入射光强，I1和I2为第一光线和第二光线的透射光强；532建立光密度值与叶片水分值的线性关系，所述线性关系如下OD(A1) = ε ( λ 丄)· C · L1 · DPFJG1 (I)jOD(A2) = ε ( λ 2) · C · L2 · DPFfG1 (2)其中， ε ( λ》和ε ( λ 2)为消光系数，C为水分浓度，L1和L2为光程，DPF1和DPF2为差分路径因 子，G1和G2为修正因子，表示叶片背景吸收、散射引起的衰减；533计算叶片的水分浓度C，计算步骤为由公式(1)减去公式(2)得到光密度差值 AOD = OD (λ J -OD ( λ 2) I (3)将步骤S31计算的OD U1)和ODU2)的值代入公式⑶计算出叶片水分浓度C。
全文摘要
本发明公开了一种光开放环境下的叶片水分近红外无损检测装置，包括调制光源，用于向叶片发射按交流规律调制了光线光强的交流光信号；检测电路，将透过叶片的交流光信号转换为光谱数据；计算处理设备，用于从所述光谱数据中计算出叶片的水分浓度，还公开了一种光开放环境下的叶片水分近红外无损检测方法，包括将两种预定波长的光线，第一光线和第二光线先后通过光纤照射至叶片表面；将透射过叶片的两种光线转换为第一光谱数据和第二光谱数据；根据两种光谱数据计算叶片的水分浓度。本发明装置结构简单，能够在光开放环境下进行检测；在进行水分检测时消除了由于叶片背景对光线的吸收、散射引起的衰减，使得水分浓度的测量值更准确。
文档编号G01N21/25GK101949825SQ20101025535
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月17日 优先权日2010年8月17日
发明者文星, 李 昊, 王忠义, 黄岚 申请人:中国农业大学