便携式谷物品质无损检测仪的制作方法

本发明实施例涉及农产品检测技术领域，更具体地，涉及一种便携式谷物品质无损检测仪。

背景技术：

随着我国经济的发展，谷物食用品质越来越受到人们的关注。由于谷物品质的质量直接关联到口感与后期加工的质量，因此我国优质稻谷质量标准中已经将直链淀粉、蛋白质等含量列为评定稻谷质量等级的指标之一。

现有可用于检测谷物品质的检测仪在原理上主要分为反射和透射两种，以反射原理为检测对象所研制的检测仪往往体积较大，由于光线是直射到谷物表面并再返回光谱仪中，光谱仪采集到的样品信息包含镜面反射的光，获取的光谱信息不能代表真实的样品信息，为了获取更多信息，一般会对光源的功率需求显著增加，从而导致体积较大且价格昂贵；而以透射原理为检测对象所研制的检测仪虽然可以良好的反应谷物内部的品质，由于光的穿透能力在近红外长波波段较弱，因此装置一般使用可见-近红外短波段作为光谱分析，但由于谷物品质相关的检测指标主要吸收波段位于近红外长波波段，因此使用可见-近红外短波波段检测时，在检测结果精准性和误差方面与使用近红外长波波段进行检测相比会存在不足，因此在后期对光谱处理及模型建立上需要花费时间，并且以透射原理进行检测时需要多次填装物料盒或上下左右移动对不同位置的谷物进行光谱采集，比较费时耗力。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种便携式谷物品质无损检测仪。

本发明实施例提供一种便携式谷物品质无损检测仪，包括光源单元、物料盒、光谱采集单元和信息处理单元；所述物料盒在检测状态下，置于所述光源单元预所述光谱采集单元间；所述光谱采集单元电连接所述信息处理单元；

所述物料盒用于容置待检测谷物，并将所述待检测谷物放置所述光源单元与所述光谱采集单元之间；

所述光源单元包括灯珠与反光杯，所述灯珠用于产生检测光，所述反光杯用于将未直射至所述物料盒的所述检测光反射至所述物料盒，提高所述检测光的利用率；

所述光谱采集单元包括光谱仪、准直透镜和光补偿杯，所述准直透镜、所述反光杯与所述光补偿杯同轴；所述检测光透射待检测谷物后产生漫透射光，所述漫透射光经所述光补偿杯反射至待检测谷物，经所述待检测谷物表面漫反射后产生漫反射光，所述准直透镜用于将所述漫透射光和所述漫反射光汇聚至所述光谱仪；

所述信息处理单元用于根据所述漫反射光和所述漫透射光获取所述待检测谷物的品质检测信息。

本发明实施例提出了一种便携式谷物品质无损检测仪，光源单元与光谱采集单元同侧上下设置，且光谱采集单元中的准直透镜与光源单元中环形光源反光杯呈同轴关系，光谱采集单元壳体底部面与底座壳体顶端面距离为物料盒高度，确保物料盒放入两者之间可以形成一个暗室，保证光谱仪采集到的光谱信息为真实的谷物内部品质信息；并且主壳体、光谱采集单元壳体和底座壳体为装配关系，互为独立，便于维修和更换内部损坏部件；最终采集到的信息为漫透射和漫反射信息，采用漫透射光补偿作为光谱分析的方法有较好的精度和稳定性，相比现有技术具有明显的缩小，装置维护方便，物料盒放入检测位置后，单手便可完成检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的便携式谷物品质无损检测仪示意图；

图2为根据本发明实施例的光线在谷物内部的扩散示意图；

图3为根据本发明实施例的前壳体结构示意图；

图4为根据本发明实施例的后壳体结构示意图；

图5为根据本发明实施例的光谱采集单元结构示意图，其中(a)为光谱采集单元剖视图，(b)为光谱采集单元整体结构示意图；

图6为根据本发明实施例的光源单元结构示意图；

图7为根据本发明实施例的物料盒结构示意图，其中(a)为物料盒爆炸图，(b)为物料盒剖视图；

图8为根据本发明实施例的参考盒结构示意图，其中(a)为参考盒爆炸图，(b)为参考盒剖视图。

附图标记：

前壳体101，按键组102，显示屏103，单片机104，稳压板105，第一凹槽106，第一凸槽107，风扇108，第一通风孔109，第一定位挡板110，光源第一出线孔111，连接轴112，电池113，信息处理单元开关114，后壳体201，栅格通孔202，定量模型处理器203，dc充电接口204，底部栅格205，光源开关206，定位孔207，第二通风孔208，第二定位挡板209，光源第二出线孔210，第二凸槽211，第二凹槽212，第二壳体301，顶盖302，光谱仪303，光补偿杯304，准直透镜305，第一定位块306，散热孔307，数据孔308，第三壳体401，第二定位块402，环形反光杯403，取电孔404，底盖405，灯珠406，盒体501，上石英玻璃502，下石英玻璃503，参考盒601，石英玻璃602，白参考603。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有可用于检测谷物品质的检测仪在原理上主要分为反射和透射两种，并且体积较大，价格昂贵。以反射原理为检测对象所研制的检测仪往往体积较大，由于光线是直射到谷物表面并再返回光谱仪中，光谱仪采集到的样品信息包含镜面反射的光，获取的光谱信息不能代表真实的样品信息，为了获取更多信息，一般会对光源的功率需求显著增加。而以透射原理为检测对象所研制的检测仪虽然可以良好的反应谷物内部的品质，由于光的穿透能力在近红外长波波段较弱，因此装置一般使用可见-近红外短波段作为光谱分析，但由于谷物品质相关的检测指标主要吸收波段位于近红外长波波段，因此使用可见-近红外短波波段检测时，在检测结果精准性和误差方面与使用近红外长波波段进行检测相比会存在不足，因此在后期对光谱处理及模型建立上需要花费时间，并且以透射原理进行检测时需要多次填装物料盒或上下左右移动对不同位置的谷物进行光谱采集，比较费时耗力。

由于现有的单一检测方法在检测结果精准性和误差方面存在不足，因此本发明各实施例针对在采集到的信息为漫透射和漫反射信息，采用漫透射光补偿作为光谱分析的方法有较好的精度和稳定性。以下将通过多个实施例进行展开说明和介绍。

图1为本发明实施例提供的便携式谷物品质无损检测仪，包括光源单元、物料盒、光谱采集单元和信息处理单元；所述物料盒在检测状态下，置于所述光源单元预所述光谱采集单元间；所述光谱采集单元电连接所述信息处理单元；

所述物料盒用于容置待检测谷物，并将所述待检测谷物放置所述光源单元与所述光谱采集单元之间；

所述光源单元包括灯珠406与反光杯，所述灯珠406用于产生检测光，所述反光杯用于将未直射至所述物料盒的所述检测光反射至所述物料盒，提高所述检测光的利用率；

所述光谱采集单元包括光谱仪303、准直透镜305和光补偿杯304，所述准直透镜305、所述反光杯与所述光补偿杯304同轴；所述检测光透射待检测谷物后产生漫透射光，所述漫透射光经所述光补偿杯304反射至待检测谷物，经所述待检测谷物表面漫反射后产生漫反射光，所述准直透镜305用于将所述漫透射光和所述漫反射光汇聚至所述光谱仪303；

所述信息处理单元用于根据所述漫反射光和所述漫透射光获取所述待检测谷物的品质检测信息。

在本实施例中，使用近红外长波波段作为光谱分析，既没有采用反射光进行光谱分析，也没有采用透射光进行光谱分析，而是采用漫透射光补偿将漫透射光(主)和漫反射光(辅)和在一起进行分析，如图2所示，图2示出了光线在谷物内部的扩散图。光源单元产生光线均匀照射在待检测谷物样品底部，光线从样品底部一侧照入，穿过样品内部，从样品上表面射出，射出的光线经光补偿杯304再次返回样品上表面，最终准直透镜305将汇聚的光谱信息送至光谱仪303，光谱信息传送至内置谷物光谱信息和标准理化值的定量模型的处理器，由处理器获得关于谷物品质品质的检测结果，检测结果可以包括谷物的水分、直链淀粉、蛋白质，物性(例粘性)等指标值。

在上述实施例的基础上，所述信息处理单元包括第一壳体以及设于所述第一壳体内部的信息处理器；所述第一壳体上设有按键组102和显示屏103，所述按键组102和所述显示屏103电连接所述信息处理器，所述第一壳体上还设有第一定位挡板110和第二定位挡板209，所述第一定位挡板110与所述第二定位挡板209间形成定位槽，定位槽内设有凹槽和凸槽。

在本实施例中，如图1、图3中所示，为了使本发明实施例中的信息处理单元、光源单元、光谱采集单元能够互相独立，且拆卸方便，三个单元通过壳体凹凸槽进行定位装配，对于信息处理单元，即在第一壳体的一侧设有第一定位挡板110和第二定位挡板209，所述第一定位挡板110与所述第二定位挡板209间形成定位槽，避免由于某个单元异常引起其他单元无法正常工作，拆装方便，便于日后对各单元进行独立维护。在本实施例中，所述定位槽为凹槽。在第一壳体正面和顶面设置有按键组102，包括光谱采集按键，黑参考按键，白参考603按键，粳米按键，籼米按键，其他谷物总按键，第一壳体顶面设有显示屏103。

在上述各实施例的基础上，所述信息处理器包括电池113、稳压板105、单片机104和定量模型处理器203；

所述电池113设于所述第一壳体底部，所述单片机104和所述稳压板105并排设于所述电池113顶部，所述单片机104和所述定量模型处理器203通过稳压板105连接所述电池113，所述定量模型处理器203内预设有品质检测模型。

所述第一壳体包括前壳体101和后壳体201，所述前壳体101内部设置有多个连接轴112，所述后壳体201相对应的位置上设置有定位孔207；所述第一定位挡板110设于所述前壳体101上，第二定位挡板209设于所述后壳体201上；所述后壳体201背面设有格栅通孔202，所述格栅通孔202处设置用于排风的风扇108。

在本实施例中，如图1、图3、图4中所示，沿高度方向设置在第一壳体内侧底部的电池113，远离所述定量模型处理器203的一侧，位于电池113顶部并排设置的51最小系统单片机104和定量模型处理器203提供稳定电压的稳压板105。内置谷物光谱信息与标准理化值的定量模型处理器203，沿后壳体201高度方向布置内侧底部栅格205，定量模型处理器203从电池113和稳压板105进行取电。在前壳体101正面和顶面设置按键组102，正面为黑参考按键，白参考603按键，粳米按键，籼米按键，其他谷物总按键，顶面为光谱采集按键。由于粳米和籼米的物理形态不同，因此对粳米和籼米单独建立模型，并将模型结果植入定量模型处理器203。例如在检测粳米时，采集完光谱信息后，按粳米按键，由51单片机104向定量模型处理器203发送指令调用适合粳米的预处理程序和模型，并将结果显示在显示屏103；如果待测样品为籼米，在采集完光谱信息后，按籼米按键，由51单片机104向定量模型处理器203发送指令调用适合籼米的预处理程序和模型，并将结果显示在显示屏103；如果是其他谷物，按其他谷物总按键，结果将会显示在显示屏103。

在上述各实施例的基础上，为保证装置装配精度，分别在前壳体101内部设置六个连接轴112，在后壳体201相对应的位置设置六个定位孔207，定位孔207的内径要比连接轴112的直径多1mm。除此以外，在前壳体101上设置第一定位挡板110，后壳体201上设置第二定位挡板209，第一定位挡板110、第二定位挡板209配和形成定位槽。

如图3和图4所示，前壳体101上还设有第一通风孔109，后壳体上对应位置处还设有第二通风孔208，前壳体101上还设有光源第一出线孔111，后壳体上对应位置处还设有光源第二出线孔210，用于连接光源单元。

具体的，在本实施例中，通过前壳体101上设置的第一凹槽106、第一凸槽107，后壳体201上的第二凹槽212、第二凸槽211形成一个限位槽，再通过第二定位挡板209、第一定位挡板110将该限位槽分为两部分，分别用于与所述光谱采集单元、光源单元固定卡位。

同时，本发明实施例提供的谷物品质检测仪中，定量模型处理器203选取微型光谱仪，准直透镜305、处理器203均为小体积、重量轻的产品，主壳体尺寸为150*90*148mm，整体尺寸为207*90*148mm,移动方便，避免了现有分析仪器体积大的弊端。

在本实施例中，电源113还连接有电源开关206，还包括dc充电接口204和信息处理单元开关114，充电接口设置在后壳体201的坐下角，充电接口204分别于光源开关206和电池113连接，信息处理单元开关114设置在前壳体101壳体正面，所述信息处理单元开关114与所述稳压板105的输出端连接，所述稳压板105输入端与所述电池113输出端连接。所述信息处理单元开关114能够控制整个信息处理单元通断电，所述电源开关206能够控制光源单元通断电。

在上述各实施例的基础上，所述光谱采集单元还包括第二壳体301和顶盖，所述第二壳体301上设有与所述定位槽相匹配的第一定位块306；所述壳体上位于第一定位块306一侧设有供所述光谱采集单元与所述信息处理单元连接的数据孔308，。

在本实施例中，通过在光谱采集单元上设置与所述定位槽匹配的第一定位块306，使得光谱采集单元与信息处理单元间拆装方便，便于日后对各单元进行独立维护。

在上述各实施例的基础上，所述反光杯为环形反光杯403，所述灯珠406包括沿所述环形反光杯403均匀布置的环形灯珠组，还包括布置在所述灯珠组中心的中心灯珠。

在本实施例中，如图5中所示，为保证光谱仪303采集信息真实有效，环形反光杯403顶端外直径与物料盒上下端面直径一致，第二定位块402确保物料盒501与环形反光杯403(图6中所示)、环形光补偿杯304呈同轴关系，并且光源单元与第二壳体301垂直距离与物料盒501高度一致。在本实施例中，可选为，环形灯源的灯珠406为6个卤钨灯珠，其中5个沿环形反光杯403均匀布置，剩余1个灯珠布置在5个灯珠中心。

具体的，在本实施例中，所述光源单元还包括第三壳体401，第二壳体301上设有顶盖302，准直透镜305和光补偿杯304呈同轴关系且顶端共面，并且光补偿杯304与第二壳体301的底部凹槽呈同轴且顶端面距第二壳体301底部面距离d为2mm。

在上述各实施例的基础上，如图7所示，物料盒包括盒体501、上石英玻璃502和下石英玻璃503，上石英玻璃502可以拆卸，下石英玻璃503不可拆卸。环形反光杯403顶端外直径与上石英玻璃502、下石英玻璃503直径一致。

还包括散热措施，后壳体201背面开设多个栅格通孔202，并排设置两个风扇108，第二壳体301背部开设散热孔307，保证光谱仪303工作空间温度稳定，并且配置风扇108辅助光谱仪303散热，同时每处散热孔307都会加装一层纱网，防止异物进入装置影响正常工作。

在上述各实施例的基础上，所述反光杯顶端与所述第三壳体401顶端共面；所述第三壳体401顶端设有多个第二定位块402，所述第二定位块402用于固定所述物料盒，使所述物料盒与所述反光杯同轴。

所述第三壳体401一侧还设有与所述定位槽相匹配的第三定位块，所述第三定位块上设有取电孔404，整个光源单元由电线经取电孔404和光源开关206相连，由外接电源通过取电孔404和光源开关206相连给光源单元供电。

在本实施例中，如图6所示，为了使光谱仪303采集到更多的有效样品信息，克服光穿透力弱的问题，采用准直透镜305，环形光补偿杯304，环形光源组合。利用环形光源使样品所受光照均匀，当光穿过样品后，经环形光补偿杯304反射回样品表面，利用准直透镜305代替传统光纤，体积小，可以更好的汇聚光线，光谱仪303最终采集到的信息为漫透射(主)、漫反射(辅)信息，光在样品中的传播途径如图2所示。经验证，采用漫透射光补偿作为光谱分析的方法有较好的精度和稳定性。

在上述各实施例的基础上，如图8所示，还包括参考盒601，所述参考盒601内设有白参考603，所述参考盒601用于在非检测状态下，置于光源单元和光谱采集单元之间，隔阻热量。

如图8(a)所示，参考盒601为一个圆柱形，上下表面为石英玻璃602，不能拆卸，保证每次使用的稳定性，图8(b)示出了参考盒601的剖面图，在上表面石英玻璃602的底部设置白参考603。参考盒601及石英玻璃602的形状与大小与物料盒501及石英玻璃502相一致。并且第二壳体301与第三壳体401垂直距离与物料盒501高度一致。

在本实施例中将信息处理单元、光谱采集单元、光源单元分别置于相互独立的壳体中，工作时不相互干扰。在设计过程中考虑实际工作的便捷性及检测准确性，通过装配巧妙的使光谱采集单元、物料盒、底座壳体之间形成检测暗室，保证光谱仪303采集到的信息真实有效。本实施例的谷物品质检测仪可通过单手使用，整体体积相比现有技术的检测仪大幅降低。

在本实施例中，需要注意的是，光源单元在工作时会产生大量热量，由于光谱采集单元在其正上方，应当尽可能避免光源单元在非检测状态下垂直照射准直透镜305，防止温度过高引起光谱采集单元异常，在本实施例中提供两种解决办法：一，在非检测状态下，关闭光源单元；二，在非检测状态下，将参考盒601置于光源单元和光谱采集单元之间，起到阻隔热量作用。

在上述各实施例的基础上，所述品质检测信息包括水分指标值、直链淀粉指标值、蛋白质指标值、物性指标值，在本实施例中，物性指包括为硬度、粘性等；所述品质检测模型包括籼米品质检测模型、粳米品质检测模型、其他谷物品质通用检测模型。

本发明实施例的工作流程为：将物料盒装好样品，放置在光源单元底壳上方的待检区，光源单元产生光线均匀照射在谷物样品底部，光线从样品底部一侧照入，穿过样品内部，从样品上表面射出，射出的光线经光补偿杯304再次返回样品上表面，最终准直透镜305将汇聚的光谱信息送至光谱仪303，光谱仪303通过usb数据线将光谱信息传送至内置谷物光谱信息和标准理化值的定量模型的处理器，由处理器获得关于谷物品质品质的检测结果，检测结果可以包括谷物的水分、直链淀粉、蛋白质，物性(例粘性)等指标值。

在本实施例中，以测试大米样品为例，启动装置预设20-30分钟，在预启动过程中将参考盒601置于第三壳体401和第二壳体301之间，预启动结束后通过依次按下黑参考按键和白参考603按键，进行黑参考和白参考603校正，将装填好的物料盒放置第三壳体401和第二壳体301之间，按下光谱采集按键，光谱仪303采集大米光谱信息，通过usb数据线经数据孔308将光谱信息发送至定量模型处理器203，然后按下粳米按键或籼米按键，由51单片机104向定量模型处理器203发送指令，定量模型处理器203根据单片机104发送的指令，选取粳米或籼米相应的光谱预处理方法，并调用相应的定量模型进行理化值的预测，定量模型处理器203将光谱曲线与预测的结果显示到led显示屏103上，完成检测。

综上所述，本发明实施例提出了一种便携式谷物品质无损检测仪，光源单元与光谱采集单元同侧上下设置，且光谱采集单元中的准直透镜305与光源单元中环形光源反光杯呈同轴关系，光谱采集单元壳体底部面与底座壳体顶端面距离为物料盒高度，确保物料盒放入两者之间可以形成一个暗室，保证光谱仪303采集到的光谱信息为真实的谷物内部品质信息；并且主壳体、光谱采集单元壳体和底座壳体为装配关系，互为独立，便于维修和更换内部损坏部件；最终采集到的信息为漫透射和漫反射信息，采用漫透射光补偿作为光谱分析的方法有较好的精度和稳定性，相比现有技术具有明显的缩小，装置维护方便，物料盒放入检测位置后，单手便可完成检测。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。