本发明属于农产品品质检测
技术领域：
，涉及谷物品质检测，特别涉及一种用于单粒谷物品质检测的近红外光源装置及基于该装置的检测系统。
背景技术：
谷物品质参数是谷物作物育种、食品加工、食品质量评估的重要参数，检测装置的使用可降低人类的劳动强度，提高工作效率。现有谷物品质检测装置体积较大、结构复杂、制作成本高，并且大多是对谷物进行破坏性检测。技术实现要素：为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于单粒谷物品质检测的近红外光源装置及基于该装置的检测系统，结构简单，且能实现高效的单粒谷物无损检测。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于单粒谷物品质检测的近红外光源装置，包括灯筒5，灯筒5内部设置作为谷物运动路径的透明玻璃管道，灯筒5的筒身10开有若干led微型灯珠安装孔11，每个led微型灯珠安装孔11中安装一个led微型灯珠4，所述灯筒5的一端设置上基座1，另一端设置下基座8，所述上基座1开设有倾斜的上基座滑道24，所述下基座8开设有倾斜的下基座滑道31，谷物沿上基座滑道24入口端进入，从出口端进入灯筒5内的透明玻璃管道，再沿下基座滑道31滑出，其中，上基座1中设置有用于安装作用于上基座滑道24的上漫反射光纤的上漫反射光纤安装孔27和用于安装作用于上基座滑道24的光电检测探头的光电检测探头安装孔25，下基座8中设置有用于安装作用于下基座滑道31的下漫反射光纤的下漫反射光纤安装孔29。所述筒身10开有m行n列均匀排布的led微型灯珠安装孔11，所述灯筒5中设置有用于通冷却水的冷却道15，冷却道15呈蛇形分布于每两列led微型灯珠4之间。所述灯筒5的一端安装有带中心孔的筒盖2，筒盖2连接上基座1，中心孔与上基座滑道24的出口端连通。所述灯筒5的筒身10外环绕分布有若干与筒身长度方向一致的导电铜柱3，led微型灯珠4的正极接在接电源正极的导电铜柱3上，负极接在接电源负极的导电铜柱3上，形成通路。所述灯筒5的另一端设置有筒托12，所述导电铜柱3安装在环形的导电板6上，导电板6套在筒身10上，包括分别焊有内圈焊锡34和外圈焊锡35的内圈和外圈，所述内圈焊锡34和外圈焊锡35分别与导电铜柱3的一端间隔相连，使得相邻的导电铜柱3分别接电源的正负极。所述导电板6有两块或者一块，当为两块时，当为两块时，分别设置在灯筒5的两端，隔着绝缘板7紧贴着筒托12和筒盖2，两块导电板6的外圈均接电源正极或者负极，两块的内圈均接电源的负极或者正极，两块导电板6的同一根导电铜柱3的两端分别连接在两块导电板6的内圈焊锡34或两块导电板6的外圈焊锡35上；当为一块时，设置在灯筒5的一端或者另一端，隔着绝缘板7紧贴着筒托12或筒盖2，外圈接电源正极或者负极，内圈接电源的负极或者正极。所述绝缘板7为圆环形状，采用绝缘材料制成，与导电板6的数量一致，起到将导电铜柱3和灯筒5在灯筒5两端导电隔离的作用，其中，若绝缘板7在筒盖2一端，则绝缘板7开有两个用于穿过导电铜柱3的通孔36，其中，分别连接led微型灯珠4正极和负极的两根导电铜柱3伸出到筒盖2外，用于直接连接电源正极和负极，且导电铜柱3穿过导电板6以及筒盖2的部分包裹着一块绝缘塑料套。所述上基座1还设置有第四螺纹孔26，所述上漫反射光纤安装孔27与筒盖2同在一轴线上，且与上基座滑道24的入口端同轴心，其中安装上漫反射光纤，第四螺纹孔26与上漫反射安装孔27轴线相交，第四螺纹孔26安装的螺丝用于固定上漫反射光纤，所述光电检测探头安装孔25与上漫反射光纤安装孔27相交，其中安装光电检测探头；所述下基座8还设置有第五螺纹孔28，下漫反射光纤安装孔29与下基座滑道31出口端同轴心，且与灯筒5同在一轴线上，用于安装下漫反射光纤，所述第五螺纹孔28与下漫反射光纤安装孔29轴线相交，第五螺纹孔28安装的螺丝用于固定下漫反射光纤；所述筒盖2上开设有两个用于安装在灯筒5上的筒盖安装孔19，所述上基座1上开设有两个用于安装在筒盖2上的上基座安装孔23，所述下基座8上开设有两个用于安装在灯筒5上的下基座安装孔30，将安装螺丝头部隐藏在平面下所述透明玻璃管道内径与上基座滑道24、下基座滑道31内径相等，所述透明玻璃管道与上漫反射光纤安装孔27和下漫反射光纤安装孔29位于同一轴线上，使安装的上下漫反射光纤形成对射。本发明还提供了一种基于所述用于单粒谷物品质检测的近红外光源装置的检测系统，其特征在于，包括：上漫反射光纤，设置于所述上漫反射光纤安装孔27；下漫反射光纤，设置于所述下漫反射光纤安装孔29，与上漫反射光纤组成采集光纤；光谱仪，接所述上漫反射光纤和下漫反射光纤，接收其采集的单粒谷物籽粒在灯筒5内的漫反射光；处理单元，将光谱仪采集的漫反射光的光强信息转换成吸光度并进行预处理，基于预测模型对单粒谷物的品质参数进行实时预测，同时对样品的光谱曲线和预测结果实时显示。与现有技术相比，本发明能满足谷物高通量品质检测的需要，同时具有结构精巧、性能稳定、对谷物无损检测的特点。附图说明图1为本发明的三维图。图2为本发明灯筒的三维图。图3为本发明灯筒的俯视图。图4为图3中沿箭头方向的旋转剖视图。图5为本发明灯筒的灯筒正视图。图6为图5中沿箭头方向的剖视图。图7为本发明灯筒的灯筒正视图。图8为图7中沿箭头方向的剖视图。图9为本发明筒盖的三维图。图10为本发明筒盖的正视图。图11为本发明筒盖的俯视图。图12为本发明上基座的三维图。图13为本发明上基座的正视图。图14为本发明上基座的俯视图。图15为本发明上基座的左视图。图16为本发明下基座的三维图。图17为本发明下基座的正视图。图18为本发明下基座的俯视图。图19为本发明下基座的左视图。图20为本发明导电板的三维图。图21为本发明绝缘板的三维图。图22为本发明检测系统软件功能模块图。图23为本发明spa算法的特征波长选择分布图。图24为本发明基于特征波长的小麦蛋白质含量实测与预测值比较示意图。图25为本发明参考光谱各波长上的误差棒图。图26为本发明各波长上的吸光度标准差和误差线示意图。附图中，各标号所代表的含义为：1—上基座，2—筒盖，3—导电铜柱，4—led微型灯珠，5—灯筒，6—导电板，7—绝缘板，8—下基座，9—第一螺纹孔，10—筒身，11—led微型灯珠安装孔，12—筒托，13—冷却道进水口，14—冷却道出水口，15—冷却道，16—第一连接孔，17—第二螺纹孔，18—第二连接孔，19—筒盖安装孔，20—突起圆环，21—第一通孔，22—第三螺纹孔，23—上基座安装孔，24—上基座滑道，25—光电检测探头安装孔，26—第四螺纹孔，27—上漫反射安装孔，28—第五螺纹孔，29—下漫反射光纤安装孔，30—下基座安装孔，31—下基座滑道，32—第六螺纹孔，33—第二通孔，34—内圈焊锡，35—外圈焊锡，36—第三通孔。具体实施方式以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解本发明，并非用于限定本发明的范围。参阅图1-图21所示，本发明一种用于单粒谷物品质检测的近红外光源装置，包括如下几个部分：ⅰ、灯筒部件：参考图2-图8所示，灯筒5主要由筒身10和筒托12两部分组成，筒身10和筒托12均呈空心的圆柱状，筒身10的内径23mm、外径31mm，筒托12位于筒身10的后端，其直径比筒身10的直径大，筒托12的内圈小于筒身10的内圈，筒身10内部设置作为谷物运动路径的透明玻璃管道，透明玻璃管道直径约12mm，采用高纯度硼硅玻璃管。筒壁上开设有6行8列的用于安装led微型灯珠4的led微型灯珠安装孔11，led微型灯珠4通电发光时可透过透明玻璃管道照在通过的谷物上。灯筒5远离筒托12一端开设有两个第一螺纹孔9，这两个第一螺纹孔9用于通过螺丝安装筒盖2，灯筒5中有一条用于通冷却水的冷却道15，冷却道进水口13和冷却道出水口14均在筒托12边缘上，且均设计为螺纹孔，方便安装冷却水管，冷却道15呈蛇形分布于筒身10壁中，冷却道15分布于每两列led微型灯珠4之间，与第一连接孔16和第二连接孔18首尾相连形成一条冷却道15通路，从而确保对整个灯筒的冷却。筒托12底部开设有两个第二螺纹孔17，这两个第二螺纹孔17用于通过螺丝安装下基座8。ⅱ、筒盖部件：参考图9-图11所示，筒盖2呈圆环状，内圈有突起圆环20，突起圆环20用于固定透明玻璃管道，同时具有方便将筒盖2与灯筒5配合安装的作用，中心的圆环孔孔与上基座滑道24的出口端连通。筒盖2上开设有两个用于安装在灯筒5上的筒盖安装孔19，两个用于安装上基座的第三螺纹孔22，两个用于穿过导电铜柱的第一通孔21，两个筒盖安装孔19分别与第一螺纹孔9通过螺丝配合，使筒盖2安装于灯筒5上，并保证筒盖2与灯筒5同在一条轴线上，筒盖安装孔19呈阶梯形状，目的是将安装螺丝头部隐藏在筒盖平面下。ⅲ、上基座部件：参考图12-图15所示，上基座1呈长方体状，设置于灯筒5的前端，开设有两个用于安装在筒盖2上的上基座安装孔23，上基座安装孔23呈阶梯形状，目的是将安装螺丝头部隐藏在上基座1平面下，上基座1开设一个上漫反射光纤安装孔27，该上漫反射光纤安装孔27与筒盖2同在一轴线上，上基座1侧边开设一个第四螺纹孔26，该第四螺纹孔26与上漫反射安装孔27轴线相交，第四螺纹孔26安装的螺丝用于固定上漫反射光纤，上基座1开设了一个倾斜的上基座滑道24，上基座滑道24一端与上漫反射安装孔27同轴心，该上基座滑道24作为谷物进入本装置的入口，另外，上基座1侧面开设一个光电检测探头安装孔25，该光电检测探头安装孔25穿过上基座滑道24，以达到光电检测探头检测从上基座滑道24通过的谷物的目的。光电检测探头可采用高灵敏度光纤红外对射传感器(型号fv-v11，亿博,中国)。ⅳ、下基座部件：参考图16-图19所示，下基座8呈长方体状，设置于灯筒5的后端，开设有两个用于安装在灯筒5上的下基座安装孔30，下基座安装孔30呈阶梯形状，目的是将安装螺丝头部隐藏在下基座8平面下，下基座8开设一个下漫反射光纤安装孔29，该下漫反射光纤安装孔29与灯筒5同在一轴线上，下基座8侧边开设一个第五螺纹孔28，该第五螺纹孔28与下漫反射安装孔29轴线相交，第五螺纹孔28安装的螺丝用于固定下漫反射光纤，下基座8开设了一个倾斜的下基座滑道31，下基座滑道31一端与下漫反射安装孔29同轴心，该下基座滑道31作为谷物滑出本装置的出口，另外，下基座8两侧边开设两个第六螺纹孔32，该第六螺纹孔32通过螺丝安装固定一种用于单粒谷物品质检测的近红外光源装置。其中，上下漫反射光纤作为采集光纤，可直接采用海洋光学公司的一分二型漫反射光纤，长1m。考虑到谷物小颗粒检测的需求，光纤芯径采用相对较粗的400μm，以获得更高的耦合效率和相对均匀的输出光斑。ⅴ、导电板部件：参考图20所示，导电板6为圆环形状，采用绝缘材料制成，导电板6圆环上开设有16个第二通孔33，用于穿过并固定导电铜柱3，导电板6的内圈和外圈分别焊有内圈焊锡34和外圈焊锡35，内圈焊锡34和外圈焊锡35分别与第二通孔33间隔相连形成led微型灯珠4的正极和负极，安装于第二通孔33上的相邻导电铜柱3也相应成为正极和负极，led微型灯珠4的两个引脚分别接在这两组分别代表正极和负极的导电铜柱3上，导电板6可为两个或者一个，套在灯筒5的筒身10上，当为两个时，隔着绝缘板7紧贴着筒托12和筒盖2，当为一个时，隔着绝缘板7紧贴着筒托12或筒盖2。ⅵ、绝缘板部件：参考图21所示，绝缘板7亦是圆环形状，采用绝缘材料制成，绝缘板7与导电板6的数量和位置相应，安装在筒托12和导电板6和/或筒盖2和导电板6之间，起到将导电铜柱3和灯筒5在端部导电隔离的作用，若绝缘板7在筒盖2一端，则其上开有两个第三通孔36，用于穿过导电铜柱3，。ⅶ、导电铜柱部件：参考图1所示，导电铜柱3一共有16根，环绕分布在筒身10外，与筒身长度方向一致，安装于导电板6的第二通孔33上，led微型灯珠4的正、负两根引脚分别焊接在相邻的两根导电铜柱3上，其中两根伸出到筒盖2外面，穿过导电板6以及筒盖2的部分包裹着一块绝缘塑料套，穿出的两根导电铜柱3分别连接外部电源的正极和负极，给led微型灯珠4供电。ⅷ、led微型灯珠部件：参考图1所示，led微型灯珠4一共有48个，以圆柱形的灯筒5的两个底面为平行面，以灯筒5轴心为对称轴，安装于6行8列的孔11中，形成向心全包围的物理结构，灯珠行间距为8mm，正、负两根引脚分别焊接于相邻的两根导电铜柱3上，并联连接，led微型灯珠4可选用美国internationallighttechnologies公司1150-4型号nirled微型灯珠，工作电压5v，电流0.116a，通电发光时可发出近红外光。上述的透明玻璃管道内径与上基座滑道24、下基座滑道31内径相等，且其实际直径大小可根据不同需求进行制作。透明玻璃管道与上漫反射光纤安装孔27和下漫反射光纤安装孔29位于同一轴线上，使安装的上下漫反射光纤形成对射。利用本装置进行谷物近红外光谱数据采集时，先将本装置通过第六螺纹孔32倾斜地安装固定，上基座1在上，下基座8在下，让上基座滑道24和下基座滑道31有一定的高度差，以确保谷物能在上基座滑道24和透明玻璃管道以及下基座滑道31中滑动，将一对漫反射光纤分别安装于上漫反射光纤安装孔27和下漫反射光纤安装孔29，形成对射，漫反射光纤连接着光谱仪，同时将光电检测探头安装于光电检测探头安装孔25，另外，需确保本装置接通冷却水之后再给led微型灯珠4通电，防止装置发生过热现象。本发明中，当籽粒经由人工放置跌落玻璃滑道时，在光源装置内部获得了强度、均匀性和一致性良好的360°全包围光照。当对射光纤采集到籽粒经过的光电信号，调用上层程序，触发光谱仪采集籽粒在灯筒内的漫反射光，由采集光纤传输至光谱仪进行解析。在保障籽粒顺利进入玻璃滑道的同时，为使上下漫反射光纤和灯筒5轴心保持同轴，进而保证谷物籽粒在灯筒5内任何位置光纤都可以采集其表面漫反射光，可使上下进出料通道轴心和灯筒轴心呈15°，避免了光纤和进出料通道的互扰。本装置工作流程为：谷物沿上基座滑道24入口端进入，沿着上基座滑道24运动，当谷物运动到上基座滑道24与光电检测探头安装孔25相交位置时，光电检测探头被触发，同时触发信号被发送到光谱仪，光谱仪通过漫反射对射光纤进行谷物近红外光谱数据的获取并将获取的近红外光谱数据上传至pc端，接着谷物从上基座滑道24出口端进入灯筒5内的透明玻璃管道，再沿下基座滑道31滑出本装置，至此完成一个谷物的检测流程。本发明中，光谱仪可选用美国海洋光学公司体积最小的近红外光谱仪flame-nir，其波段范围是900～1700nm。flame-nir结合了128个带有新型非冷却的ingaas探测器，功耗需求低，且可互换狭缝，同时有40针microusb多用途扩展口，非常适合整合到手持式系统和便携式系统。本发明选用狭缝尺寸为50μm，以获得更大的进光量，外部扩展接口与光电检测探头接通获得触发信息，触发模式选用外部上升沿触发，为实现有效光谱采集和避免光照度饱和，积分时间设为400ms，光谱仪通过usb与计算机进行双向通讯。谷物单粒品质参数检测装置软件基于visualstudio2010平台开发，采用c++语言编程，基于java语言编写的嵌入式omnidriver软件开发包，实现光谱仪软件的功能设置和调度。软件主要功能模块如图22所示，当外部硬件边沿触发时，软件延迟200ms启动光谱仪进行实时采集，将光强信息转换成吸光度并进行预处理后，代入到预先植入的预测模型中，对单粒谷物的内部蛋白质等品质参数进行实时预测，同时对样品的光谱曲线和预测结果实时显示。本发明选择单粒小麦的蛋白质组分为研究对象，验证该全包围光源结构的谷物单粒品质参数检测装置的性能，为获得更好的蛋白含量分布宽度，供试样选定6个品种，每个品种50粒，共300粒。1小麦单粒蛋白质含量检测试验1.1近红外光谱采集与预处理为了减少环境温湿度对光谱采集的影响，实验过程保持室温为20～25。℃启动光源和光谱仪后，预热半个小时至稳定，开始采集光谱。经优化采集参数，光谱分辨率设定为5nm，扫描点数为128，扫描次数为2。需要说明的是，本装置暗光谱不是通过标准白板采集，而是在光源关闭时，光纤采集到自然光下的光谱，参考光谱是打开光源无样品时的稳定光谱。其吸光度转换公式如下：式中a为籽粒吸光度，r为发射率，xraw为籽粒在光源内的反射光强值，xref为光源工作时的反射光强值，xdark为自然光下的反射光强值。由于谷物籽粒体积小、形状不一、表面不规则，内部物质非均匀等因素，近红外光谱采集过程会加入大量基线漂移、高频噪声、光散射等噪声信息，直接影响模型的鲁棒性，标准正态变量变换(standardnormalvariate,snv)主要是用来消除固体颗粒大小、表面散射以及光程变化对nir漫反射光谱的影响，因而本发明对每条光谱曲线进行snv预处理。1.2预测模型建立和评价为验证装置对单粒小麦蛋白质含量检测的可行性，本发明基于联合x-y距离的样本划分(samplesetpartitioningbasedonjointx-ydistance,spxy)方法，将供试样本按2：1的比例划分为校正集和验证集，然后在matalab软件中利用连续投影算法(successiveprojectionsalgorithm,spa)对光谱数据进行了降维，找到含有最少冗余信息的变量组。利用决定系数r2、建立基于特征波长的多元线性回归预测模型，校正集标准分析误差(standarderrorofcalibration,sec)和验证集标准分析误差(standardofprediction,sep)对预测模型进行评价分析。1.3单粒小麦蛋白质含量测定单粒小麦重量轻，达不到谷物蛋白质测定常用的凯氏定氮法最低样品量要求，本发明采用意大利costech公司的元素分析仪ecs4024，基于杜马斯燃烧法进行单粒小麦氮元素含量的检测，然后参照国标gb2905-82乘以麦类、豆类的蛋白质调节系数5.7，将其转换成蛋白质含量。2结果与讨论2.1单粒小麦蛋白含量预测模型的建立如图23所示，经过spa算法所选的9个特征波长分别是961nm,1189nm，1194nm，1200nm，1223nm，1338nm，1400nm，1435nm，1632nm，所选的特征波长大部分位于c-h键二倍频吸收谱带1120～1260nm和c-h键、o-h键、n-h键的一倍频复合吸收谱带1350～1480nm附近，可见，spa特征提取后保留了蛋白质的特征谱段，因而可以实现基于所选特征波长的蛋白质含量预测。基于所提取的特征波长，建立多元线性回归方程为：y＝12.71-561.91x1+5500.74x2+2533.42x3-4248.54x4-5659.53x5+185.89x6+15.84x7-1207.89x8+180.46x9式中，y为蛋白质预测值，xi(i＝1,2,…9)分别为9个特征波长下的吸光度值。将该线性模型嵌入系统软件，对300粒供试小麦进行蛋白质预测之后，拟合实测值和预测值如图24所示，其校正集r2为0.8446，sec为1.0426，验证集r2为0.8190，sep为1.0374。说明可以用本发明所研制的装置进行单粒小麦的蛋白质含量预测，所建立的模型具有良好的预测性。为了验证本发明所设计的全包围结构光源的技术指标，从波长重复性、吸光度重复性以及预测重复性等三个方面进行了试验和分析。(1)波长重复性在光源稳定工作时，不放置样品，每隔一分钟左右采集一次当前参考光谱，每次采集时长是当前积分时间400ms，各波长的误差棒图如图25所示，结果可见各波数的误差线很小，可达到一般扫描型近红外光谱仪器的要求。(2)吸光度重复性本发明对同一颗小麦随机采样30次，在整个光谱区间上的吸光度标准偏差和误差线如图26所示，基本满足一般吸光度重复性的要求。(3)预测重复性随机选取5颗样品，在相同条件下，对每个样品采集5次吸光度光谱，采用预测模型公式进行蛋白质含量预测，结果如表1所示，可见，预测结果重现性良好，说明采用全包围光源结构的近红外光谱系统可以消除谷物颗粒形状和随机装样对品质预测的影响。表1预测重复性试验结果预测值(％)样品1样品2样品3样品4样品5第一次14.309.7713.0013.9516.38第二次14.679.6312.7913.4416.39第三次14.719.4312.6413.6516.59第四次13.989.6212.7213.7316.75第五次14.659.7112.7913.4216.59标准差0.280.110.120.160.14以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。当前第1页12