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光纤光谱仪在水果检测分选领域的应用

概括

作为水果生产大国，提高水果品质，不仅可以满足人民日益提高的生活水平要求，也可以进一步提升国内水果在国际市场上的竞争力。 在果实生长成熟阶段，光照、施肥、温度等客观因素都会影响果实的品质，因此准确检测果实的生长情况和采摘后的果实品质分选非常重要。 水果无损检测技术（NDT）是根据材料内部变化引起的光、声、热、电、磁等物理性质的变化，在不破坏待测材料的情况下，对材料的质量进行检测和判断的技术。测试。 与传统的化学检测相比，无损检测技术具有不破坏被检测物、可对所有水果进行检测、避免取样不全、检测速度快等优点。

图1 某水果分拣网站

光谱检测技术是一种非接触、非破坏性的无损检测技术。 水果内部的不同成分和特性对不同波长的光具有不同的反射率、透射率和吸光度，因此可以通过光谱仪检测水果对光源的反射光谱或透射光谱，从而分析判断可溶性固形物、颜色、水果的糖分、酸度和其他特性。 目前，该方法已广泛应用于脐橙、苹果、桃、芒果、杏、猕猴桃、西瓜等水果的检测。 此外，由于其方便快捷的优点，还广泛应用于鸡蛋、粮食、饲料、紫薯等其他农产品的分选检测。 本文以荷兰Avantes的微型光纤光谱仪AvaSpec-HS2048XL-EVO和AvaSpec-ULS2048XL-EVO为例，介绍微型光谱仪在水果检测和水果分选中的应用。

Avantes光谱仪采用模块化设计，体积小，便于携带、手持测试或集成到测试生产线中。 AvaSpec-HS2048XL-EVO和AvaSpec-ULS2048XL-EVO均采用高灵敏度背照式CCD探测器，在近红外波段具有优异的响应性能，在可见紫外部分也具有高效率，测试精度高。 仪器信噪比性能优良，能有效去除噪声的影响。 采用USB3电路板，最小积分时间可达到微秒量级，实现高速测试，提高工作效率。 包含多种编程语言的DLL动态链接库可以集成到不同的系统软件中。

一、仪器原理

荷兰Avantes的AvaSpec-ULS2048XL-EVO光纤光谱仪采用对称光路设计，焦距75mm，包括光纤接头（标准SMA接口）、准直镜、衍射光栅、聚焦镜和大尺寸,高灵敏度背照式线阵CCD检测器，波长范围200-1100nm，提供USB3.0接口、高速网口和I/O外触发同步接口。 与AvaSpec-ULS2048XL-EVO相比，AvaSpec-HS2048XL-EVO光学平台采用37.5mm焦距，数值孔径可达0.22，灵敏度更高，测试精度更高。

图2 AvaSpec-ULS2048XL-EVO光谱仪光具座

2.果实品质检测方法

2.1 水果品质检测光路

目前，用于水果无损检测的主要光谱检测方法有反射光谱法、漫反射光谱法和透射光谱法，其光路如下图所示。 在这些光路中，光源可以是单个或多个50W卤素灯的组合，既可以增加照明功率，又可以提高照明均匀度。 光谱仪可采用Avantes生产的光纤光谱仪，体积小，易于集成到系统中。 波长范围可达200​​-2500nm，最短积分时间可达2μs，满足所有材料快速高效的测试要求。 光纤可以使用Avantes 800 μm或1000 μm大芯径来提高光通量，金属铠装包层可以保护光纤不受损坏。 此外光纤光谱仪的应用，Avantes还可以提供多种配件以满足不同的应用场景。

在果实生长阶段，利用Avantes光谱仪的紧凑性能，将光谱仪、光源、光纤集成到系统中，实现便携式手持测试方式光纤光谱仪的应用，避免采摘和毁坏果实。 同时根据试验结果合理安排施肥、灌溉、栽培、光照等条件。 通过检测成熟度，确定采摘时间，设定理想的水果贮藏环境。 水果采摘后，Avantes 光谱仪也可以集成到生产线中。 光谱仪可以检测水果的可溶性物质、含糖量、甜度、挫伤、腐烂等特性，对水果进行自动筛选和质量评级，让生产者在保证高品质的同时，为消费者提供同等品质的产品。 Avantes的速度和精度的优势可以大大提高生产线的工作效率。

2.2 水果品质检测数据处理

研究人员使用AvaSpec光谱仪、钨卤素灯照明光源（AvaLight-HAL-S-Mini）和光纤反射探头对富士苹果的近红外光谱（600-1100 nm）进行了研究。 在测试光谱数据后，研究人员开发了一种算法来关联水果固体、水分和硬度特性。 从这些数据中，该团队能够分离出对预测内部水果质量有用的敏感波长。 为了减少数据集，该团队进一步讨论了选择合适波长的各种方法，而不是监测整个近红外光谱。 这种使用较少数据集选择关键波长的方法已成为便携式和在线传感系统开发的重要组成部分，例如 Avantes OEM 合作伙伴目前正在开发的系统。 以下是部分测试数据集。

2.3 二次开发动态链接库

AvaSpec-DLL二次开发动态链接库适用于Windows和Linux系统，有32位和64位版本，可以帮助您轻松编写软件方案，适用于所有型号的Avantes光谱仪。 该软件主要包括以下功能：

Avantes的动态链接库包括Delphi、C++、Java、LabView、Matlab、vb2013、Vc#2013、Qtdemos、PyQt5、mfc2013等多种编程语言，适合不同开发者的需求。 此外，Avantes还提供了详细的二次开发说明，包括各个功能的功能介绍、简单的例程介绍等，帮助开发者顺利编写软件。

3.总结

使用AvaSpec-HS2048XL-EVO和AvaSpec-ULS2048XL-EVO光谱仪进行水果检测分选应用，具有功能强大、性价比高、测量精度高、测量速度快、操作简单、体积小等特点，易于集成到系统中进行在线监控。

同时，Avantes还可以为您提供更多的选择，例如体积更小（卡片大小）的CompactLine系列光谱仪； NIRLine系列近红外波段（1000-2500nm）光谱仪、超快光谱仪（2000帧/秒）系列等。如果您有更多需求，请联系我们的技术工程师，我们将为您提供完整的光谱解决方案.

Avantes，未来农业的 OEM 合作伙伴

在 Avantes，我们致力于通过与创新者合作改善农业生产，利用光子学让世界变得更美好。 Avantes 拥有近 30 年生产高质量光电子器件的经验，并且与光电子领域的研究人员和专家有着密切的联系，是您理想的 OEM 合作伙伴。 立即联系我们，了解有关针对您独特应用的演示或可行性测试的更多信息。

1. 卜小朴, 李永玉*, 闫帅, 基于可见-近红外光谱的鲜紫薯鲜味品质快速无损检测, 中国农业大学工学院