基于近紅外三波長法的小麥含水率檢測系統(tǒng)設計

熊顯名++王心芒++張文濤++聶君揚++唐綺雯

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.114

摘要：針對小麥含水率檢測快速、便捷的需求，設計基于近紅外三波長法的小麥含水率檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由ARM Cortex-M3主控芯片、激光二極管驅動電路、光電轉換電路、積分球等組成。通過研究小麥含水率對3個不同波長光功率吸收的規(guī)律，結合五元三次多項式回歸擬合方法，建立小麥含水率與3個不同波長光吸收率的數學模型，并對模型進行可靠性檢驗。與直接干燥法相比，系統(tǒng)對含水率為5.0%～10.3%的小麥的含水率絕對測量誤差為 -2.2%～0.8%，響應時間小于1.5 s，以達到實用的要求。

關鍵詞：小麥；籽粒含水率；近紅外三波長法；無損檢測

中圖分類號： S237文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）10-0390-04

收稿日期：2015-08-10

基金項目：廣西壯族自治區(qū)自然科學基金（編號：2014GXNSFGA118003、2013GXNSFDA019002）；廣西教育廳項目（編號：ZD2014057）；廣西壯族自治區(qū)桂林市科學研究與技術開發(fā)課題（編號：20130122-2、20140127-1）。

作者簡介：熊顯名（1964—），男，廣西桂林人，研究員，碩士生導師，研究方向為光電檢測與智能儀器。E-mail：xmxiong@guet.edu.cn。

通信作者：王心芒。E-mail：mang11@sina.com。糧食的含水率是評價糧食品質的一個重要指標，它直接影響產品的質量和保存期限[1-2]；小麥是世界上總產量位居第二的糧食作物[3]，僅次于玉米。因此，在小麥的存儲和加工應用中，含水率的檢測[4-5]非常重要。傳統(tǒng)的烘干法[6]和電導法[1，7-8]是小麥含水率檢測的主要方法。這2種方法具有精度高、測量結果穩(wěn)定的優(yōu)點，但是使用條件的限制無法滿足在線非接觸式連續(xù)測量的需求；近紅外光譜法[9-10]具有分析速度快、無損檢測的優(yōu)點，但目前國內的近紅外光譜分析儀器主要以進口為主，價格高，保修困難，且光路復雜、體積大，較難滿足現場檢測。因此，設計出便攜、快速、無損的小麥含水率檢測系統(tǒng)非常有必要。本研究結合近紅外光譜法的優(yōu)點，提出采用半導體近紅外激光二極管設計含水率檢測系統(tǒng)，以積分球[11]為核心，采用3個不同波長的激光二極管光源和1個InGaAs半導體探測器[12]，去除一般光譜儀器中必須采用的移動部件，將光源和分光器件合二為一；將ARM Cortex-M3主控芯片作為儀器控制中心，具有自動校正和豐富的人機交互功能。

1小麥籽粒含水率檢測系統(tǒng)硬件設計

1.1光學系統(tǒng)設計

1.1.1光源選擇系統(tǒng)采用陣列式半導體激光器作為光源，積分球[11]作為光收集器，將光源與分光系統(tǒng)合二為一，提高儀器的穩(wěn)定性。近紅外波段（800～2 500 nm）屬于通信波段，此波段的激光光源豐富、價格適中、光纖技術較為成熟[13]。有研究發(fā)現，水分子在近紅外波段具有很強的特征性的合頻吸收帶[9-10]，因此根據市場現有近紅外波段波長的激光二極管和水的近紅外光譜圖選擇1個測量波長和2個參比進行含水率的測定。

由圖1可知，水分子在近紅外波段出現3個吸收峰。在1 200 nm處的吸收率很小，適合含水率大于50%的分析測量，在1 440、1 940、2 950 nm處吸收率較大。其中，2 950 nm屬于中紅外波段，測量范圍窄，而且光源價格較高，適用于高精度的水分測量；1 940 nm吸收率在1 200～1 440 nm之間，適合含水率大于20%的分析測量；1 440 nm適合含水率小于20%的分析測量，而且該波長的激光器市場供應量充足，價格便宜。根據以上分析，系統(tǒng)采用1 440 nm的激光二極管作為小麥含水率測量光源。參比波長要求對水分吸收很少，光譜值的偏差很小，且盡量靠近測量波長。根據圖1結合市場現有近紅外波段波長的激光二極管，選擇1 310、1 550 nm作為參比波長，兩者偏差分別為0.02、0.03。

1.1.2積分球設計積分球是用于光度測量的中空球腔，腔壁采用無波長選擇性的漫反射性鍍金涂料，其反射率高達96%以上[11]。積分球的結構如圖2所示，光源照射到樣品上，被樣品漫反射的光經過球體內部的多次反射，絕大部分進入檢測器被接收。由于接收了絕大部分的分析光，提高了系統(tǒng)的信噪比，降低了由于入射光的形狀和角度等對測量產生的影響。積分球內徑60 mm，樣品杯內徑13 mm。

1.1.3光電探測器的選擇光電探測器的作用是將光信號轉換成電信號，一般由光敏器件構成，光敏器件的材料決定了其探測波長的范圍。由于系統(tǒng)采用分時驅動3路激光的方法，因此采用單通道銦鎵砷（InGaAs）探測器[12]，其工作波長為800～2 500 nm，符合系統(tǒng)要求。

1.2硬件電路的設計

硬件系統(tǒng)的整體框圖如圖3所示，主要由ARM Cortex-M3主控芯片、激光二極管驅動電路、光電轉換電路、A/D轉換電路、4.3寸觸摸屏、通信端口等組成。

通過觸摸屏按鍵發(fā)出檢測命令，多路開關分時驅動3個不同波長的激光二極管，光源進入裝有小麥樣品的積分球后，由光電探測器輸出；探測器輸出信號通過光電轉換電路和 A/D 轉換電路后輸送到ARM Cortex-M3主控芯片。由ARM Cortex-M3主控芯片根據小麥樣品對3個不同波長的光吸收量調取已構建的數學模型計算出小麥的含水率，進而在顯示器顯示測量數據；可選擇通過微型打印機打印測量數據或與其他USB設備通信。

1.2.1主控芯片選用意法半導體公司以ARM Cortex-M3為核心的32位微控制器STM32F103，工作頻率為72 MHz，芯片內部集成了高速存儲器、豐富的I/O接口、SPI、I2C等接口模塊，完全符合系統(tǒng)設計要求。其主要任務是控制各輸入輸出設備實現人機互動，并實現數據的采集和運算。

1.2.2激光驅動電路采用帶有自動功率控制及安全關斷功能的激光驅動器MAX3766[14]，該驅動器可提供高達60 mA的調制電流和80mA的偏置電流。系統(tǒng)采用3片驅動器分別驅動3個不同波長的激光二極管。單片MAX3766外圍設計電路如圖4所示，其RBIASMAX和RMOD決定了激光器的偏置電流和調制電流。

RBIAMAX=1.55 V/IBIAMAX-520 Ω；（1）

RMOD=1.55 V/IMOD-520 Ω。（2）

式中：IBIAMAX為偏置電流，IMOD為調制電流。

1.2.3光電轉換電路積分球內的樣品對漫反射光充分吸收后，探測器接收到的光強很弱，其輸出的電流范圍在幾百pA到幾μA之間，因此對探測信號進行放大，采用跨導放大器[15]將電流信號轉換為電壓信號輸出。選用TI公司的超低偏置電流運算放大器ADA7817，光電轉換電路如圖5所示。R2決定電流信號放大倍數，C1作用是避免電路產生振鈴現象，R1為補償電阻（R1=R2），C2作用是消除R1的噪聲干擾。

1.2.4A/D轉換電路光電轉換電路輸出的模擬電壓信號須經過A/D轉換后輸入控制器。系統(tǒng)選用16位，真差分輸入A/D芯片ADS8865進行模數轉換。在輸入前端采用低通

濾波器對模擬信號進行濾波，以達到降低輸入紋波的目的。A/D轉換電路如圖6所示。

2小麥籽粒含水率檢測系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件以μC/OS Ⅱ系統(tǒng)+μC/GUI界面為核心，以ARM Cortex-M3主控芯片為載體，主要完成激光驅動信號、A/D轉換電路、4.3寸觸摸屏、USB通訊和打印機的控制，信號采集后的算法處理等功能（圖7）。在μC/OSⅡ操作系統(tǒng)下執(zhí)行主任務、A/D采集與處理任務、觸摸屏任務、μC/GUI任務、通信任務5個任務。

3小麥籽粒含水率與光功率的關系

3.1材料與方法

3.1.1樣品選擇樣品選用江蘇省糧食局提供的2015年小麥樣品，品種為白麥。

3.1.2方法小麥的含水率測定參照GB 5009.3—2010《食品中水分的測定》的直接干燥法，在標準大氣壓下利用（103±2） ℃的DHG-9123A型鼓風干燥箱（上海精宏實驗設備有限公司）、FA2204B電子分析天平（上海精密科學儀器有限公司）、干燥器和樣品杯測量得到小麥樣品的初始濕基含水率為5%。

稱取15份80～100 g初始含水率的小麥樣品，采用多次少量的方法添加一定質量的去離子水配制成濕基含水率范圍為5.0%～10.3%的樣品。利用直接干燥法測量后的樣品用保鮮膜封住樣品杯口，放入25 ℃的恒溫箱4 h以上；依次取出樣品，并且迅速將樣品杯置于積分球中，測量3個波長的光源經過該樣品后的光功率輸出，測量值表現為A/D讀取的電壓值。為了保證測量的準確性，每個含水率的樣品測量復3次，3次測量的平均值作為測量結果。不同含水率的樣品對3個波長光源的光功率輸出如表1所示。

3.2試驗結果與分析

3.2.1小麥樣品集劃分按照含水率均勻分布原則，將15個小麥樣品以2 ∶1劃分為校正集和測試集。樣品的分布情況見表2。

3.2.2模型的建立根據表1數據，通過Origin Pro軟件繪制小麥樣品不同含水率下對3個波長光源的光功率吸收圖。

由以上分析可知，含水率和3個波長光功率之間具有相關性。由圖8可知，1 440 nm處的光吸收率是占絕對作用的，引入該處吸收率的三次方作為變量；1 310、1 550 nm處的光吸收率很小，可類似等價于線性變化，引入這2處光吸收率的一次方作為變量。利用MATLAB軟件對小麥含水率校正集試驗數據進行五元三次多項式回歸擬合[16-17]，擬合結果如式（3）所示。

y=-5.939 8x1-1.249 4x2+0.399 6x22-0.123 0x23-28.92x3+114.328 2。（3）

式中：y為濕基含水率，%；x1、x2、x3分別為1 310、1 440、1 550 nm 光源的光功率A/D讀取值，V。該模型的回判相關系數為0.769 1，校正相關系數為0.726 7。

3.2.3模型的檢驗進行模型的檢驗試驗，對式（3）模型的準確性和適用性進行評估。將5個測試集的樣品分別用本檢測系統(tǒng)3次測量取平均值，利用式（3）模型計算出的含水率和直接干燥法的含水率比較，由MATLAB軟件計算得到的含水率和直接干燥法的含水率之間的決定系數r2=0.955 0。因此，式（3）可作為小麥含水率的預測模型。

4結論

本試驗基于近紅外三波長法設計以積分球為核心、以ARM Cortex-M3為主控芯片、具有自動校正模型的小麥含水率檢測系統(tǒng)（圖9），研究含水率（5.0%～10.3%）和3個波長（1 310、1 440、1 550 nm）光吸收率的關系，建立含水率從和光吸收率之間的五元三次方程模型，驗證模型的準確性和適用性。結果表明，以直接干燥法作為標準，設計的小麥含水率檢測系統(tǒng)對含水率為5.0%～10.3%小麥的測量絕對誤差為 -2.2%～08%，響應時間小于1.5 s。

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