便携式红提葡萄多品质可见/近红外检测仪设计与试验

基于可见/近红外漫反射光谱分析技术,设计了便携式生长期红提葡萄多品质参数无损检测仪,该仪器由光谱采集探头、光谱仪、卤素灯光源、锂电池、控制器及外围电路等部分组成,仪器尺寸为200 mm×160 mm×150 mm,方便携带.以生长期内的红提葡萄果粒为研究对象,采集400～1000 nm的可见/近红外漫反射光谱信息,对原...     

便携式水产品多品质参数拉曼检测装置设计与试验

水产品在捕捞后极易发生腐败变质,传统的品质检测系统体积大、移动不便、操作复杂,不利于实际应用推广。为了满足水产品品质快速、实时、无损的检测需求,基于拉曼光谱技术,研发了便携式水产品多品质参数检测装置。该装置的硬件系统主要包括光源模块、光谱采集模块、系统控制处理模块、电源模块、通信模块。采用标准正态变量变换、Whittaker平滑算法、自适应迭代重加权惩罚最小二乘算法对该硬件系统采集的拉曼光谱数据进行平滑和背景扣除处理,结合国标方法采集到的鲳鱼颜色b*、硫代巴比妥酸标准理化值（TBA值）、挥发性盐基氮（Total volatile basic nitrogen, TVB N）含量,建立了鱼肉品质多指标偏最小二乘定量预测模型。鲳鱼颜色b*、TBA值、TVB N含量的验证集相关系数分别为0.907、0.897、0.915,验证集均方根误差分别为1315、0104mg/(100g)、2875mg/(100g)。基于MFC基础类库完成实时分析控制软件设计,将预测模型植入软件内,交叉编译下载到检测装置中,实现水产品多品质参数指标一键检测。最后对装置的稳定性进行了测试,18条鲳鱼样品的颜色b*、TBA值、TVB N含量的装置预测值与标准理化值的相关系数分别为0.927、0.883、0.904,均方根误差分别为1139、0271mg/(100g)、1896mg/(100g)。结果表明,便携式水产品多品质参数拉曼检测装置可以实现鲳鱼颜色b*、TBA值、TVB N含量的多指标实时无损检测。     

手机联用的苹果糖度便携式检测装置设计与试验

基于可见/近红外光谱技术设计了手机联用的苹果糖度便携式检测装置,旨在通过优选特征波段确定适合苹果糖度检测的波段范围及光学传感器,并通过与手机的联用完成苹果糖度的高效、便携、低成本的无损检测。选择STS-NIR微型光纤光谱仪（波长范围650~1100nm）,利用实验室自行搭建的光谱采集平台对120个苹果进行光谱采集,通过偏最小二乘（PLS）算法对全波长数据进行建模,并采用连续投影法（SPA）、遗传算法（GA）和竞争自适应重加权抽样法（CARS）等变量选择方法对全波长进行特征波段的识别来选择有效波长。变量选择结果显示,所得3组特征波段含有重合项,且均包含与苹果糖度有关的变量。利用偏最小二乘（PLS）算法建立关于苹果糖度基于3组特征波段的预测模型,并对3组结果进行分析,包括对预测相关系数、预测均方根误差比较等,来评估所建模型的准确性。试验结果表明,利用3组特征波段所得建模结果均比较良好,预测相关系数都在0.93以上,其中GA-PLS模型对苹果糖度的预测效果最优,预测相关系数可达0.9447。根据上述所得特征波段的高度重合项,确定了检测苹果糖度的特征波段及其对应的光学传感器,并基于所设计的苹果糖度便携式检测装置对另取的40个苹果进行试验验证,苹果糖度的预测相关系数可达0.8822。结果表明,本文所设计的基于特征波段的手机联用的苹果糖度便携式检测装置,成本低、便于携带、检测准确率高,具有实现苹果糖度的实时无损检测的可行性。     

一种便携式玉米叶片含水检测仪器设计

为了实现植物叶片含水率的无损和准确检测,设计了一种新的便携式玉米叶片含水率检测仪器,并使用AT89C52单片机设计了核心控制系统,利用TCL7135实现了模数转换功能。对光谱分析仪的机械结构进行了改进,使用线性变化的滤波片,将其与阵列探测器相结合,提高了光谱仪的分辨率,使光谱仪的体积小、质量小且稳定性好。对光栅结构进行了改造,改造后的透射片光栅可以进行编程控制,从而提高了测试仪的精度。对光谱水分测试仪器进行了试验研究,结果表明:利用实验室方法和本次研究设计的便携光谱仪的测试数据基本吻合,从而验证了装置的可靠性,为植株叶片水分检测仪的研究提供了较有价值的参考。     

便携式马铃薯多品质参数局部透射光谱无损检测装置

基于可见/近红外局部透射光谱,根据马铃薯大小及形状特征,设计了便携式马铃薯多品质无损检测装置,包括光谱采集模块、光源模块、控制与显示模块、供电模块和黑白参考盒,装置尺寸为11 cm×6.5 cm×9.5 cm。选取大西洋品种马铃薯样品85个,基于装置建立了马铃薯含水率、淀粉质量分数和还原糖质量分数的偏最小二乘定量预测模型,马铃薯含水率、淀粉质量分数和还原糖质量分数预测模型验证集相关系数分别为0.927 8、0.914 6、0.933 8,均方根误差分别为0.325 3%、0.344 9%、0.041 6%。基于QT开发工具,采用C/C++语言编写了装置实时分析控制软件,将所建预测模型植入到软件中,实现了马铃薯多品质参数实时无损检测一键式操作。最后对便携式马铃薯多品质无损检测装置的检测精度进行了验证。20个马铃薯样品含水率、淀粉质量分数和还原糖质量分数的装置预测值与标准理化值的相关系数分别为0.914 1、0.912 2和0.914 0,均方根误差分别为0.352 7%、0.340 4%和0.040 0%,平均偏差分别为0.295 1%、0.253 6%和0.031 6%,重复采样最大变异系数分别为0.006 7、0.012 4和0.123 1。结果表明:马铃薯多品质局部透射无损检测装置可以实现马铃薯含水率、淀粉质量分数和还原糖质量分数的实时无损检测。     

苹果内部品质分级机械手设计与试验

为检测苹果内部品质,基于可见/近红外光谱检测技术并结合分拣机械手,设计了苹果内部品质分级机械手。该装置主要由夹持机构、近红外光谱采集系统、控制系统等组成。机械手稳定夹持苹果后采集苹果的近红外光谱数据,上位机软件中的预测模型对光谱数据进行分析处理,并显示光谱曲线和预测结果。为建立苹果可溶性固形物含量预测模型,基于该装置采集了苹果在650～1 100 nm波长范围内的光谱数据,通过国家标准测量法测得苹果样本的可溶性固形物含量,采用SG卷积平滑(SG-smooth)、标准正态变量变换(SNV)和多元散射校正(MSC)对光谱数据进行预处理,并结合可溶性固形物含量测量值建立偏最小二乘(PLSR)模型。结果表明,采用多元散射校正方法预处理后的建模效果最优,其预测模型的校正集和预测集相关系数分别为0. 978 2、0. 970 1,均方根误差分别为0. 274 6、0. 326 3°Brix。选取20个同品种苹果样本对该装置的稳定性和准确性进行了测试,可溶性固形物含量预测值与测量值相关系数为0. 957 3,均方根误差为0. 422 4°Brix。试验结果表明,苹果内部品质分级机械手在夹持苹果的同时可以实现对苹果可溶性固形物含量的准确预测。     

便携式豆类品质监控系统研究

传统的破坏性检测方法已难以满足豆类品质快速检测的需求。现有的无损检测设备存在稳定性及准确性不高等问题,为提高豆类品质含量检测装置的性能,基于近红外光谱技术研发了豆类品质无损检测装置,体积小、便于携带,能够适用于现场检测。基于所研发的装置,各取30个黄豆、绿豆、红豆、黑豆样本,通过旋转静态采集多次光谱求平均值与采集1次光谱的方式,对同一样品重复测量20次,得出随着采集次数的增加,光谱反射率变异系数平均值逐渐减小直至平缓,选取最佳豆类采集次数分别为16、8、14、16,对应的光谱变异系数平均值为2.9%、2.435%、2.763%、3.019%。以黄豆为例,选取80个样品,使用不同的预处理方法,分别建立黄豆蛋白质、粗脂肪和淀粉含量的偏最小二乘预测模型,结果表明,蛋白质、粗脂肪、淀粉质量分数预测的最优模型预处理方式分别为SG-MSC、SNV、SNV,其预测集相关系数R_p分别为0.974 6、0.950 5、0.960 7,均方根误差分别为0.249%、0.572%、0.623%。取40个黄豆样本对装置模型进行试验验证,蛋白质、粗脂肪、淀粉质量分数的独立验证相关系数R     

便携式猪肉营养组分无损实时检测装置研究

为了实现猪肉营养组分(脂肪和蛋白质)的快速、无损、实时检测,基于近红外反射光谱设计了便携式猪肉营养组分无损检测装置。硬件部分包括光谱采集单元、光源单元和控制单元,并开发了相应的检测软件,实现样品光谱信息的有效获取和实时分析。为了建立稳定可靠的预测模型,考察了波段选择、样本分组方式和筛选变量方法对模型的影响。分别基于可见/短波近红外(Vis/SWNIR)、长波近红外(LWNIR)及Vis/SWNIR-LWNIR,利用随机选择法(RS)、Kennard-Stone法(KS)和基于联合X-Y距离的样本划分法(SPXY)对样本进行划分,建立了脂肪和蛋白质质量分数的偏最小二乘预测模型。结果发现,基于Vis/SWNIR-LWNIR波段,利用SPXY算法进行样本分组,取得了最佳的预测模型。在此基础上,比较分析竞争性自适应加权算法、随机蛙跳算法和蒙特卡罗无信息变量消除-连续投影算法3种算法筛选变量建立的模型效果。基于竞争性自适应加权算法筛选变量的模型结果最佳,对脂肪和蛋白质建立的模型验证集相关系数分别为0.950 5和0.951 0。结果表明:基于近红外反射光谱设计的便携式猪肉组分检测装置可以对脂肪和蛋白质含量进行快速、无损、实时检测。     

便携式蔬菜叶片重金属镉含量无损检测仪设计与试验

针对蔬菜叶片重金属镉检测传统方法存在的检测仪器体积大、检测成本高和具有破坏性等问题,提出一种基于可见光-近红外波段光谱蔬菜叶片重金属镉检测方法,并设计了一款无需预处理、检测速度快、体积小且便于携带的重金属镉检测仪,能够适用于移动式的现场检测.配置4个重金属镉胁迫梯度(0、1、3、5 mg/L)营养液,培育各镉胁迫的生菜...     

便携式大米多品质参数无损检测仪设计与试验

基于近红外漫透射光补偿光谱分析技术,设计了便携式大米多品质参数无损检测仪,检测仪包括光谱采集单元、光源单元、控制与显示单元、供电单元、专用参考校正盒等,光谱采集单元通过光补偿杯和聚焦准直透镜有效提高了采集光谱的信噪比,整个装置尺寸为207 mm×90 mm×148 mm,携带方便。选取52个籼米样品,基于便携式大米多品质参数无损检测仪建立了大米含水率、直链淀粉质量分数和蛋白质质量分数的偏最小二乘预测模型,含水率、直链淀粉质量分数和蛋白质质量分数的校正集相关系数分别为0. 980 3、0. 977 0、0. 932 3,校正集均方根误差分别为0. 279 1%、0. 727 4%、0. 204 5%,验证集相关系数分别为0. 979 3、0. 957 1、0. 924 9,验证集均方根误差分别为0. 300 9%、1. 106 7%、0. 212 7%。基于MFC软件开发工具,采用C/C++语言编写了实时检测及控制软件,实现了便携式大米多品质参数检测仪的一键式操作。试验验证了便携式大米品质无损检测仪的检测精度和稳定性,结果表明,利用该装置预测大米含水率、直链淀粉质量分数和蛋白质质量分数的最大变异系数分别为0. 024、0. 079、0. 034,大米样品的含水率、直链淀粉质量分数和蛋白质质量分数的预测值和标准理化值的相关系数分别为0. 972 7、0. 940 9、0. 901 5,预测均方根误差为0. 363 2%、1. 318 1%、0. 243 0%。这表明自行设计的检测仪可以实现大米含水率、直链淀粉和蛋白质质量分数的实时无损检测。     

近红外光谱技术在苹果品质无损检测中的应用

近红外光谱技术是一种高新分析技术,被越来越多地应用于农业领域。概述近年来国内外近红外光谱技术在苹果品质无损检测中的应用情况,分析近红外光谱技术在苹果质检中的应用方向,为果品无损检测技术的发展提供参考。     

玉米分层施肥器结构设计与试验

为了实现一次施肥满足作物不同生育期的养分需求并提高肥料利用效率,设计了一种施肥量可调式分层施肥器,并利用离散元法对肥料颗粒的运动规律以及影响施肥配比的主要因素进行仿真研究。仿真结果表明：增大分层施肥器的安装角α,可减小肥料颗粒流经施肥口的初速度,有利于肥料颗粒排出施肥口;增大施肥片工作长度L可增加与之发生碰撞的肥料颗粒数量,进而获得较多施肥量。为验证仿真分析结果并获取合理的分层施肥器工作参数,以4种肥料（大颗粒尿素、小颗粒尿素、硫酸钾复合肥、磷酸二铵复合肥）为研究对象进行台架试验,试验结果表明：4种肥料的施肥配比受安装角α、施肥片工作长度L影响的变化趋势与仿真分析结果一致,并确定4种肥料达到合适配比时分层施肥器的工作参数α为36°,L为13~16mm。田间试验结果表明：所设计的分层施肥器能够达到目标施肥配比,且在不同作业速度下各层施肥量变异系数在10%以内,工作性能稳定。     

猪肉中莱克多巴胺便携式快速筛查装置研究

莱克多巴胺俗称“瘦肉精”,可被用来饲养牲畜以提高胴体瘦肉率。食用含有莱克多巴胺的畜禽肉或内脏可引起健康问题甚至危害生命。传统的莱克多巴胺检测周期较长,费时费力,不利于实际大范围推广使用。在一些屠宰场往往采用抽检的方式进行检测,存在严重滞后性。研发了一种猪肉中“瘦肉精”莱克多巴胺便携式快速筛查装置,该装置主要包括光谱采集模块、光源模块、控制模块和电源。并基于NI LabVIEW软件开发工具,采用G语言编写猪肉“瘦肉精”智能快速检测的控制软件。首先,在碱性环境下利用乙酸乙酯对猪肉中莱克多巴胺进行提取,并采用表面增强拉曼散射（SERS）方法进行检测。研究对比了不同浓度NaCl水溶液作为聚集剂对莱克多巴胺SERS光谱的影响,结果表明以1mol/L NaCl为聚集剂的增强效果最好。其次,比较了液滴蒸发对拉曼信号的影响,结果表明在滴加样品后,4s后采集的拉曼信号较好。然后,制备不同莱克多巴胺含量（1、2、4、6、8、10μg/g）的猪肉样品进行定量分析,采用自动惠塔克拟合算法（AWF）对光谱数据进行预处理,扣除原始拉曼光谱中包含的荧光背景。建立836cm-1处SERS强度与猪肉样品中莱克多巴胺含量之间的一元线性回归模型。结果表明,模型具有较好的线性关系,决定系数R2为0.99,均方根误差为0.178μg/g。最后,重新制作一批莱克多巴胺含量相同的猪肉样本,利用研发的装置对猪肉中莱克多巴胺进行检测,预测值与样品标准理化值具有较好的线性关系,决定系数R2为0.99,均方根误差为0.317μg/g。本装置简单便携,价格便宜,检测时间小于1h,检出限为1μg/g,可以用于猪肉中莱克多巴胺的快速筛查。     

便携式土壤土霉素提取-检测装置设计与试验

土壤中土霉素（Oxytetracycline,OTC）高性能的现场分析方法对于保护生态环境安全和维护人类健康具有重要意义。针对土壤中痕量OTC的现场检测难题,设计功能集成的便携式提取-检测装置,用于土壤中OTC的现场提取与精准分析。首先,基于集成电路技术与3D建模,研制具有称量、搅拌与离心功能的便携式装置,并通过与实验室用提取装置的性能对比,验证装置的提取精度;分别以LED和便携式电化学工作站为光电化学检测的光源驱动和信号采集装置,研制便携式检测装置;进行土壤中OTC的现场分析试验。结果表明,研制的便携式装置对土壤OTC的提取精度较高,检测的线性范围为1×10-8~1×10-6mol/L,检出限为5.33×10-9mol/L;在现场分析试验中,对土壤中OTC检测的加标回收率为92%~97%,相对标准偏差为1.8%~5.2%,且准确度得到了国标法的验证。     

玉米清选装置结构优化设计与试验

针对目前玉米籽粒直收机的清选装置存在籽粒损失率和含杂率偏高、传统试验受季节性影响大等问题,基于CASE 4099型联合收获机清选系统,搭建玉米脱粒清选试验平台,设计了一种竖式可调节分风板,并采用数学建模、仿真模拟和试验验证相结合的方法对清选装置作业性能进行优化。建立籽粒在振动筛上运动过程的数学模型,分析了振动筛倾角、振幅、频率、振动方向角和风机风力与振动筛筛面夹角等因素与籽粒在振动筛上平均运动速度和移动距离的关系;对清选装置内部流场风速分布进行仿真和试验,仿真结果表明,分风板左或右偏18°时,流场中风速分布均匀,在垂直方向上差值较小,验证试验结果表明,分风板右偏18°时流场内各测量点风速分布均匀,适于籽粒与杂质分离,清选效果较好;以振动筛转速、风机转速为主要影响因素,以籽粒损失率、含杂率为指标进行正交试验,结果表明当振动筛曲柄转速为275r/min、风机转速900r/min为最优作业参数组合,损失率和含杂率分别为1.34%、1.66%。