宋 愷

(遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110161)

1 水果品質(zhì)檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中可以結(jié)合蘋(píng)果的檢測(cè)方向選擇不同的檢測(cè)技術(shù)。結(jié)合檢測(cè)原理的差異，水果目前無(wú)損檢測(cè)技術(shù)分為高光譜檢測(cè)技術(shù)，聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)，x射線檢測(cè)技術(shù)和近紅外檢測(cè)技術(shù)等，本文主要對(duì)近紅外檢測(cè)方法進(jìn)行了探究。近紅外光譜主要指的是波長(zhǎng)范圍在1100nm內(nèi)的紅外短波，近紅外光譜檢測(cè)技術(shù)可以借助光譜檢測(cè)手段來(lái)獲取蘋(píng)果樣品的光譜數(shù)據(jù)信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)分析得出所需檢測(cè)數(shù)據(jù)，這也屬于蘋(píng)果品質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域中的首選檢測(cè)技術(shù)。

2 蘋(píng)果品質(zhì)和近紅外光譜作用機(jī)理

近紅外光譜檢測(cè)儀在經(jīng)過(guò)蘋(píng)果樣品反射，漫反射之后會(huì)攜帶蘋(píng)果內(nèi)部信息，這時(shí)就可以獲得與蘋(píng)果品質(zhì)相關(guān)的信息。由于蘋(píng)果硬度會(huì)受到纖維含量和果膠含量的影響，這也使不同硬度的蘋(píng)果其近紅外光譜信息之間差異巨大。通過(guò)讀取蘋(píng)果光譜數(shù)據(jù)可以從中提取蘋(píng)果品質(zhì)信息，建立蘋(píng)果硬度之間的光譜模型，近紅外光譜在吸收蘋(píng)果信息的時(shí)候會(huì)受到蘋(píng)果大小的影響，同時(shí)對(duì)設(shè)備光源要求較高，蘋(píng)果反射光譜和漫反射光譜信噪比相對(duì)較低。為了提升整個(gè)實(shí)驗(yàn)的精確性，需要選擇漫反射進(jìn)行光譜信息的收集。蘋(píng)果硬度會(huì)隨著蘋(píng)果生長(zhǎng)時(shí)期而變化，這時(shí)結(jié)合近紅外光譜漫反射需求可以在分析蘋(píng)果硬度的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)不同采收時(shí)間下蘋(píng)果硬度檢測(cè)方案，從而構(gòu)建出較為完善的近紅外光譜數(shù)據(jù)平臺(tái)，得到最佳漫反射參數(shù)，完成蘋(píng)果硬度光譜測(cè)試平臺(tái)的構(gòu)建。

3 實(shí)驗(yàn)步驟

3.1 實(shí)驗(yàn)概述

傅里葉變換近紅外光譜儀器具有多通道同時(shí)測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，而這一優(yōu)勢(shì)也使其在目前蘋(píng)果硬度測(cè)量過(guò)程中得到了廣泛地應(yīng)用，在未來(lái)無(wú)損檢測(cè)過(guò)程中近紅外光譜儀器也屬于無(wú)損檢測(cè)的主要發(fā)展方向。評(píng)估品質(zhì)在實(shí)際檢測(cè)的過(guò)程中需要借助近紅外光譜檢測(cè)儀對(duì)蘋(píng)果糖度酸度、可溶性固型物進(jìn)行相應(yīng)地檢測(cè)，但目前對(duì)于蘋(píng)果硬度的紅外檢測(cè)研究還相對(duì)較少，由于該領(lǐng)域沒(méi)有過(guò)多的研究結(jié)論，導(dǎo)致建立模型的預(yù)測(cè)精度較低。為了更好地提升蘋(píng)果應(yīng)用檢測(cè)模型的實(shí)際預(yù)測(cè)效果，利用精密度較高的質(zhì)構(gòu)分析儀器來(lái)對(duì)蘋(píng)果的硬度進(jìn)行測(cè)量，采用傅里葉變換近紅外光譜儀器對(duì)蘋(píng)果的紅外光譜進(jìn)行采集，進(jìn)一步分析頻譜圖對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，提取其中存在的弱光譜信息，發(fā)現(xiàn)蘋(píng)果內(nèi)部預(yù)處理手段和有效共同范圍，借助偏最小二乘法定量分析評(píng)估來(lái)進(jìn)行紅外光譜數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)實(shí)際樣本內(nèi)容。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)使用德國(guó) Bruker光學(xué)儀器公司的智能型傅里葉變換近紅外光譜儀和智能光纖探頭，接收輸出漫反射零件進(jìn)行紅外光譜的采集光譜測(cè)量。波長(zhǎng)范圍為833～2500nm，掃描共64次，實(shí)際分辨率為8cm-1，蘋(píng)果真實(shí)硬度值在測(cè)量的過(guò)程中主要使用質(zhì)構(gòu)分析儀器，測(cè)量探頭需要選擇0.5mm的源頭，插入速度保持在10mm/s，插入深度為5mm。每個(gè)樣品需要測(cè)量4點(diǎn)計(jì)算平均值。本次蘋(píng)果在檢測(cè)過(guò)程中樣本共200個(gè)，將蘋(píng)果隨機(jī)分為檢測(cè)組和觀察組，觀察組共150個(gè)蘋(píng)果樣本，檢測(cè)組共50個(gè)蘋(píng)果樣本。在相同實(shí)驗(yàn)下對(duì)蘋(píng)果的近紅外漫反射光譜進(jìn)行采集，每個(gè)蘋(píng)果樣本需要采集4次光譜，同時(shí)還需要在蘋(píng)果最大橫徑處等距離的4個(gè)點(diǎn)面進(jìn)行4次采集，而這4次采集的近紅外漫反射光譜的平行光譜也就等于本次蘋(píng)果樣本的光譜。使用質(zhì)構(gòu)分析儀器對(duì)蘋(píng)果應(yīng)用進(jìn)行測(cè)量，探頭需要刺入蘋(píng)果的內(nèi)部，同時(shí)保證探頭的次數(shù)，位置與紅外光譜采集點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，在測(cè)量過(guò)程中計(jì)算機(jī)需要自動(dòng)采集并對(duì)次數(shù)力度進(jìn)行記錄。在測(cè)試樣品蘋(píng)果4個(gè)點(diǎn)位均測(cè)量完畢后，需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計(jì)算，而此平均值就是蘋(píng)果樣本的硬度。在實(shí)際測(cè)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)由于測(cè)驗(yàn)儀器，蘋(píng)果樣品以及環(huán)境儲(chǔ)存等條件對(duì)蘋(píng)果進(jìn)行影響，導(dǎo)致紅外光譜測(cè)量過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)噪聲，頻譜圖基線漂移的現(xiàn)象。而為了更好地避免這些外界因素對(duì)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果造成的干擾，就需要利用Bruker公司生產(chǎn)的定量分析儀軟件對(duì)光譜進(jìn)行預(yù)處理。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

模型的建立質(zhì)量好壞會(huì)與蘋(píng)果檢測(cè)精準(zhǔn)度以及樣品參數(shù)覆蓋范圍有著一定的聯(lián)系，本次檢測(cè)組和觀察組蘋(píng)果實(shí)際硬度水平分為高硬度，中硬度和低硬度。實(shí)際以平均值為中心分布，這也表示蘋(píng)果樣品實(shí)際檢測(cè)具有一定的代表性，同時(shí)蘋(píng)果樣品檢測(cè)組的含量范圍都保持在觀察組范圍內(nèi)，可以更好地對(duì)模型質(zhì)量進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)價(jià)。光譜區(qū)間的選擇能夠?qū)庾V數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，如果光譜分析區(qū)域選擇過(guò)寬，那么就會(huì)增加一些無(wú)效信息，如果分析區(qū)域選擇過(guò)窄，那么將會(huì)丟掉一些有效信息，從而降低模型準(zhǔn)確性。本次實(shí)驗(yàn)大部分蘋(píng)果樣品的光譜圖形狀較為相似，在圖形首尾兩端都具有較強(qiáng)的噪聲干擾，同時(shí)在光譜內(nèi)部含有較為豐富的吸收峰，但是由于不同蘋(píng)果樣品內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分各不相同，因此蘋(píng)果樣品的光譜圖播放強(qiáng)度也存在一定差距。為了降低光譜圖首尾強(qiáng)噪聲區(qū)域?qū)?shí)際精確度造成的干擾就需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理光譜波長(zhǎng)范圍需要進(jìn)一步縮短，并在此區(qū)域里利用定量分析軟件對(duì)其進(jìn)行光譜預(yù)處理。最佳光譜范圍內(nèi)部包含了與蘋(píng)果樣品有著直接聯(lián)系的物質(zhì)，其中包含了碳水化合物、果膠以及水，這些物質(zhì)都屬于較為典型的吸收波段，而碳水化合物和果膠會(huì)出現(xiàn)較為強(qiáng)烈的吸收。因此，可以利用多元散射校正光譜對(duì)所給出的信息進(jìn)行適合的波長(zhǎng)選取，使用原始光譜進(jìn)行建模能夠決定系數(shù)的高低。實(shí)際模型用的預(yù)測(cè)值和真實(shí)預(yù)測(cè)值決定系數(shù)R=0.0150kg/cm2，這也表示模型能夠更好地預(yù)測(cè)蘋(píng)果硬度，同時(shí)還可以符合蘋(píng)果用的檢測(cè)精準(zhǔn)度的需求，值得在實(shí)際檢測(cè)中得以應(yīng)用推廣。

4 結(jié)語(yǔ)

多元散射校正手段屬于多波長(zhǎng)建模的一種有效數(shù)據(jù)處理手段，能夠消除蘋(píng)果樣品由于散射從而造成的光譜噪聲不穩(wěn)定和基線平移等現(xiàn)象，進(jìn)一步提升原光譜信噪比，強(qiáng)化蘋(píng)果樣品成分含量和希望度之間的聯(lián)系，確立待測(cè)成分在紅外波段的特征以及吸收位置，為波長(zhǎng)的最優(yōu)選擇提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支撐。