CN113984657A - 基于光谱技术的便携式苹果糖度仪及苹果糖度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光谱技术的便携式苹果糖度仪及苹果糖度测量方法，包括苹果样品放置台、介质膜窄带滤波片、光接收器、光电转化器、滤波器、整流器、温度补偿装置、微控制器、糖度显示器。采用自然光(太阳光)作为光源，首先光源会照射苹果，透过苹果产生反射光，将反射光通过介质膜窄带滤波片过滤，然后输入到光接收器中。再通过光电转化器、滤波器以及整流器将光信号转化为电信号后滤波放大，发送至微控制器进行数据处理后得到苹果糖度值并在糖度显示器上显示。通过温度补偿器可以减小温度对苹果糖度检测的影响。本发明设计的无损检测***，结果准确，电路简洁易实现，整体设备小巧易携带。
Description
技术领域
本发明涉及一种糖度测量仪，尤其涉及一种基于光谱技术的便携式苹果糖度仪及苹果糖度测量方法。
背景技术
到2021年我国苹果种植面积超过3000万亩，产量达4100万吨。是目前世界上苹果产量最多的国家。并且随着我国加入WTO，进一步开放农产品市场，水果的进出口量将逐渐增加，我国水果销售将会面临更加严峻的挑战，水果出口更将成为大问题，面对入世后外国水果的冲击，水果检测技术需要迫切提高，改善水果品质，增强水果产业的竞争力，而研究水果内部品质的检测和分选技术就具有极其重要的现实意义。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于光谱技术的便携式苹果糖度仪及糖度测量方法，提高了苹果糖度仪测量结果的准确度，并使糖度仪更加小巧便携。
技术方案：本发明所采用的技术方案是一种基于光谱技术的便携式苹果糖度仪，包括苹果样品放置台以及顺次电连接的光接收器、光电转化器、滤波器、整流器、微控制器以及糖度显示器；所述苹果放置台用来放置苹果样品，所述光接收器设置在苹果样品的侧上方，所述光接收器的光输入端设有介质膜窄带滤光片，光接收器吸收所述介质膜窄带滤光片过滤后的反射光的光信号，经过所述光电转化器、滤波器以及整流器将光信号转化为电信号后滤波放大发送至所述微控制器，所述微控制器进行数据处理得到苹果糖度值，并在糖度显示器上显示；所述微控制器进行数据处理得到苹果糖度值，是根据苹果样品的近红外反射光相对光强度光谱数据，通过苹果糖度的数学预测模型，计算得到苹果糖度值。其中所述介质膜窄带滤光片的中心波长为980nm，带宽为5～20nm，通过电控角度调节器上改变滤光片角度来获得不同波长的光谱。
所述苹果糖度的数学预测模型，是采用偏最小二乘法建模，偏最小二乘法的样本数据包括苹果近红外反射光相对光强度光谱，及其对应的苹果的实际测试糖度，经偏最小二乘法建模后得到苹果预测糖度与最佳特征波长间的回归方程。所述苹果糖度的数学预测模型存储在所述微控制器上。
便携式苹果糖度仪还包括温度补偿装置，用于对温度进行测量并发送至微控制器，所述微控制器根据温度对苹果糖度测量的影响对苹果糖度进行校正。便携式苹果糖度仪还包括外部中断按钮，通过与微控制器电连接的外部中断按钮，可以直接中断本次测量，并将测量结果清零。
本发明还提出一种应用于上述的基于光谱技术的便携式苹果糖度仪的苹果糖度检测方法，包括以下步骤：
(1)通过光谱实验获得某品种的一系列已知糖度苹果样品的近红外光谱，通过归一化计算得到近红外反射相对光强度光谱；
(2)采用偏最小二乘法建立苹果糖度的数学预测模型；所述的采用偏最小二乘法建立苹果糖度的数学预测模型，包括以下内容：以苹果近红外反射光相对光强度光谱及其对应的实际测试糖度作为偏最小二乘法的样本数据，经偏最小二乘法建模后得到苹果预测糖度与最佳特征波长间的回归方程。
(3)将步骤(2)所得模型写入微控制器，利用便携式苹果糖度仪测试待测苹果样品，微控制器通过所述苹果糖度的数学预测模计算得到待测苹果样品的糖度值。
有益效果：相比于现有技术，本发明具有以下优点：本发明使用的是自然光源照射苹果，通过苹果样品产生反射光，将反射光通过介质膜窄带滤波片过滤，过滤后的光信号被后续的光接收器吸收，再通过光电转换器处理。在糖度分析上，采用偏最小二乘法建模，根据光谱波段的相对光强与苹果糖度的相关系数来确定相关系数最大的最佳特征波长，提高了糖度检测的准确度。本发明设计的无损检测***，电路简洁易实现，整体小巧易携带。
附图说明
图1是本发明所述的基于光谱技术的便携式苹果糖度仪的模块图。
图2是本发明所述便携式苹果糖度仪采集苹果糖度光谱的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。但是应该理解，这些描述只是示例性的。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的改进方案密切相关的结构或处理步骤。
本发明所述的基于光谱技术的便携式苹果糖度仪，其模块图如图1所示。包括苹果样品放置台、介质膜窄带滤光片、以及顺次电连接的光接收器、光电转化器、滤波器、整流器、微控制器以及糖度显示器。其中，苹果放置台用来放置苹果样品。光接收器设置在苹果样品的侧上方，光接收器的光输入端前侧设有介质膜窄带滤光片，介质膜窄带滤光片允许特定波长的光通过，中心波长为980nm，带宽为10nm。介质膜窄带滤光片置于电控角度调节器上，通过改变滤光片角度获得不同的光谱。光接收器吸收介质膜窄带滤光片过滤后的反射光的光信号，反射光包含漫反射光以及经过苹果内部反射后的二次出射光等各类型的反射光线，光电转化器将各类反射光的光信号转换成电信号，滤波器和整流器对该电信号进行过滤放大处理后输入微控制器，由微控制器处理后得到测试结果。糖度显示器与微控制器连接，用于显示测试结果。
在测试时，首先自然光源照射苹果样品，在苹果样品的表面层发生反射、吸收和透射，其中反射光通过介质膜窄带滤波片过滤，然后输入到光接收器中。然后，经光接收器、光电转化器、滤波器以及整流器得到反映反射光光强度的电压值，再通过微控制器进行数据处理，在糖度显示器上显示苹果糖度。
通过增加温度补偿装置，能够对温度进行测量并根据温度对苹果糖度测量的影响将信号传入微控制器进行校正，从而可以减小温度对苹果糖度检测的影响。通过与微控制器电连接的外部中断按钮，可以直接中断本次测量，并将测量结果清零。
基于上述便携式苹果糖度仪，本发明提出以下苹果糖度检测方法，包括以下步骤：
步骤一，通过光谱实验获得某品种的一系列已知糖度苹果样品的近红外光谱，通过归一化计算得到近红外反射光相对光强度光谱。此步骤中使用的是完整苹果样品，也可以使用切片苹果样品。
步骤二，对光谱进行建模：苹果具有一定的光谱特性，当一束自然光照射苹果时，主要发生漫反射、吸收、透射和经过苹果内部反射后的二次出射的现象，如图2所示。通过多变量降维算法(PLS)建立苹果检测的近红外光谱模型，使得表面漫反射光不在检测的光谱模型范围内，从而在算法上消除漫反射光对苹果的影响。再忽略很小的透射光，则二次出射光的能量将跟随苹果内部光吸收程度的不同而不同。苹果糖分对近红外辐射可以产生特征性吸收，吸收量的不同也可以产生特征性的二次出射光光谱，特定波段的二次出射光强度和糖分的浓度存在对应关系。最后用偏最小二乘法建立特定波段的二次出射光强度与苹果糖度相关的数学预测模型。偏最小二乘法的输入样本为苹果近红外反射光相对光强度光谱，输出数据为苹果实际测试糖度，经偏最小二乘法建模后得到苹果预测糖度与最佳特征波长间的回归方程。
步骤三，使用本发明所述的苹果糖度仪测试待测苹果样品，微控制器将测量结果取平均，以此作为该样品的反射光光谱并进行预处理。微控制器根据处理得到的样品近红外反射相对光强度光谱，通过步骤二所得模型，计算最佳特征波长对应的糖度。
该步骤结束后，还可通过温度补偿对最终的糖度结果进行校正，提高测试精度。
本发明所述的基于光谱技术的便携式苹果糖度仪，测量结果准确可信，并且还可以适用于其他水果的糖度测量，例如桃子、葡萄、梨子等，评价水果的甜度品质方便准确，具有极大的推广应用价值。
Claims (8)
1.一种基于光谱技术的便携式苹果糖度仪，其特征在于：包括苹果样品放置台以及顺次电连接的光接收器、光电转化器、滤波器、整流器、微控制器以及糖度显示器；所述苹果放置台用来放置苹果样品，所述光接收器设置在苹果样品的侧上方，所述光接收器的光输入端设有介质膜窄带滤光片，光接收器吸收所述介质膜窄带滤光片过滤后的反射光的光信号，经过所述光电转化器、滤波器以及整流器将光信号转化为电信号后滤波放大发送至所述微控制器，所述微控制器进行数据处理得到苹果糖度值，并在糖度显示器上显示；所述微控制器进行数据处理得到苹果糖度值，是根据苹果样品的近红外反射光相对光强度光谱数据，通过苹果糖度的数学预测模型，计算得到苹果糖度值。
2.如权利要求1所述的基于光谱技术的便携式苹果糖度仪，其特征在于：所述苹果糖度的数学预测模型，是采用偏最小二乘法建模，偏最小二乘法的样本数据包括苹果近红外反射光相对光强度光谱，及其对应的苹果的实际测试糖度，经偏最小二乘法建模后得到苹果预测糖度与最佳特征波长间的回归方程。
3.如权利要求2所述的基于光谱技术的便携式苹果糖度仪，其特征在于：所述苹果糖度的数学预测模型存储在所述微控制器上。
4.如权利要求1所述的基于光谱技术的便携式苹果糖度仪，其特征在于：所述便携式苹果糖度仪还包括温度补偿装置，用于对温度进行测量并发送至微控制器，所述微控制器根据温度对苹果糖度测量的影响对苹果糖度进行校正。
5.如权利要求1所述的基于光谱技术的便携式苹果糖度仪，其特征在于：所述便携式苹果糖度仪还包括外部中断按钮，通过与微控制器电连接的外部中断按钮，可以直接中断本次测量，并将测量结果清零。
6.如权利要求1所述的基于光谱技术的便携式苹果糖度仪，其特征在于：所述介质膜窄带滤光片的中心波长为980nm，带宽为5～20nm，通过电控角度调节器上改变滤光片角度来获得不同波长的光谱。
7.一种应用于权利要求1所述的基于光谱技术的便携式苹果糖度仪的苹果糖度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过光谱实验获得某品种的一系列已知糖度苹果样品的近红外光谱，通过归一化计算得到近红外反射相对光强度光谱；
(2)采用偏最小二乘法建立苹果糖度的数学预测模型；
(3)将步骤(2)所得模型写入微控制器，利用便携式苹果糖度仪测试待测苹果样品，微控制器通过所述苹果糖度的数学预测模计算得到待测苹果样品的糖度值。
8.如权利要求7所述的苹果糖度检测方法，其特征在于：所述的采用偏最小二乘法建立苹果糖度的数学预测模型，包括以下内容：以苹果近红外反射光相对光强度光谱及其对应的实际测试糖度作为偏最小二乘法的样本数据，经偏最小二乘法建模后得到苹果预测糖度与最佳特征波长间的回归方程。
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