解決方案
光纖光譜儀在水果檢測和分選領域的應用
概 要
作為水果生產大國，提高水果的品質既能滿足人民日益提高的生活水平的要求，也可進一步提升國產水果在國際市場上的競爭力。在水果生長成熟階段，光照、施肥、溫度等客觀因素均會影響水果的品質，故準確檢測水果的生長情況以及采摘后對水果的質量分選至關重要。水果無損檢測技術（NDT）是在不破壞檢測物料的情況下，根據物料內部變化引起的光、聲、熱、電、磁等物理特性的變化檢測并判斷物料的質量。與傳統化學檢測相比，無損檢測技術具有不會破壞被檢對象，并且可以對全部果實進行檢測，避免抽檢不完全性，測試速度快的優勢。
圖1 某水果分選現場
光譜檢測技術是一種非接觸、非破壞性的無損檢測技術，水果內部不同成分和特性對不同波長的光的反射率、透射率和吸光度表現不同，所以可以通過光譜儀檢測水果對照明光源的反射光譜或者透射光譜進而分析判斷水果的可溶性固形物、色澤、糖分、酸度等特性。目前該方法已經廣泛被用于檢測臍橙、蘋果、桃子、芒果、杏子、獼猴桃、西瓜等水果，此外因為其方便快捷的優勢，也廣泛應用于其他農產品如雞蛋、谷物、飼料、紫薯等的分選檢測。本文以荷蘭Avantes公司的微型光纖光譜儀AvaSpec-HS2048XL-EVO和AvaSpec-ULS2048XL-EVO為例，介紹微型光譜儀在水果檢測和水果分選方面的應用。
Avantes光譜儀模塊化，且體積小巧，方便便攜、手持式測試使用或集成到檢測生產線中。AvaSpec-HS2048XL-EVO和AvaSpec-ULS2048XL-EVO都采用高靈敏度背照式CCD探測器，該探測器在近紅外波段響應性能極好，同時可見紫外部分也有很高的效率，測試精度高。儀器信噪比性能極好，可有效去除噪聲的影響。搭配USB3的電路板，最小積分時間可達到微秒量級，實現高速測試，提高工作效率。包含多種編程語言的DLL動態鏈接庫可以集成到不同系統軟件中。
1. 儀器原理
荷蘭Avantes公司的AvaSpec-ULS2048XL-EVO光纖光譜儀，采用對稱式光路設計，焦距75 mm，包括光纖接頭（標準SMA接口）、準直鏡、衍射光柵、聚焦鏡和大尺寸高靈敏度背照式線陣CCD探測器，波長范圍200-1100 nm，提供USB3.0接口、高速網口和I/O外觸發同步接口。與AvaSpec-ULS2048XL-EVO相比，AvaSpec-HS2048XL-EVO光學平臺采用37.5 mm焦距，數值孔徑可達0.22，具有更高的靈敏度，測試精度更高。
圖2 AvaSpec-ULS2048XL-EVO光譜儀的光學平臺
2． 水果品質檢測方法
2.1 水果品質檢測光路
目前用于水果無損檢測的主要光譜檢測方法有反射光譜法、漫反射光譜法、透射光譜法，其光路分別如下圖所示。在這些光路中，光源可采用單個或多個50 W鹵素燈組合的方式，既可以提高光照功率，也可以提高光照均勻度。光譜儀可以采用Avantes生產的光纖光譜儀，其體積小，方便集成到系統中，波長范圍最多可以覆蓋200-2500 nm，最短積分時間可以達到2 μs，滿足對全部物料快速、高效的測試需求。光纖可采用Avantes 800 μm或者1000 μm的大芯徑，提高光通量，金屬鎧甲包層可保護光纖避免損傷。此外，Avantes也可提供多種附件選擇，滿足不同的應用場景。
在水果生長階段，利用Avantes光譜儀的小巧性能將光譜儀、光源、光纖集成到系統中實現便攜手持測試方式，避免采摘破壞水果，同時根據測試結果合理安排施肥、灌溉、培育、采光等條件。通過檢測成熟度，確定采摘時間并設定理想的果實存儲環境。在水果采摘后，也可將Avantes光譜儀集成到生產線中，通過光譜儀檢測水果可溶性物質、糖度、甜度、挫傷、腐爛等特性對水果進行自動篩選及質量評級，使生產者能夠保證高質量的同時向消費者提供同一的質量。Avantes快速精準的優勢可大大提高產線的工作效率。
2.2水果品質檢測數據處理
研究人員用AvaSpec光譜儀以及鹵鎢燈照明光源(AvaLight-HAL-S-Mini),光纖反射探頭對富士蘋果的近紅外光譜(600 - 1100 nm)進行了研究，在測試到光譜數據后，研究人員開發了一種關聯果實固含量、含水量和硬度特征的算法。從這些數據中，研究小組能夠分離出對預測內部水果質量有用的敏感波長。為了減少數據集，該團隊進一步討論了選擇適當波長的各種方法，而不是監測整個近紅外光譜。這種選擇關鍵波長以較少數據集的方法成為便攜式和內聯傳感系統(如Avantes OEM合作伙伴目前正在開發的系統)開發的重要組成部分。以下為部分測試數據集。
2.3 二次開發動態鏈接庫
AvaSpec-DLL二次開發動態鏈接庫可適用于Windows和Linux系統，有32位和64位兩種版本，可以幫助您輕松地編寫軟件解決方案，適用于Avantes所有類型光譜儀。該軟件主要包含以下功能：
通過USB接口和一個或者多個光譜儀建立通訊。這些函數可以打開和關閉所連接的光譜儀。
從光譜儀的EEProm中設置/讀取硬件參數。
用于獲取數據的函數，將數據調入您編寫的應用程序
與其他設備通過TTL或模擬信號進行通訊的函數
Avantes的動態鏈接庫包含Delphi、C++、Java、LabView、Matlab、vb2013、Vc#2013、Qtdemos、PyQt5、mfc2013多種編程語言，適合不同開發者的使用需求。另外，Avantes還提供詳細的二次開發說明介紹，包括各函數的功能介紹，簡單例程介紹等，幫助開發者順利編寫軟件。
3．結論
使用AvaSpec-HS2048XL-EVO和AvaSpec-ULS2048XL-EVO光譜儀進行水果檢測和分選應用，具有功能強大，性價比高、測量精度高、測量速度快、操作簡單等特點，而且體積小巧，方便集成到系統中進行在線監測。
同時Avantes還能夠為您提供更多的選擇，如體積更小（紙牌大小）的光譜儀CompactLine系列；近紅外波段（1000-2500 nm）光譜儀NIRLine系列，超快光譜儀（2000幅/秒）系列等。如您有更多需求，請您聯系我們的技術工程師，我們會為您提供完善的光譜學解決方案。
Avantes, OEM合作伙伴的未來農業
在Avantes，我們致力于通過與創新者合作改善農業生產，利用光子學技術讓世界變得更美好。擁有將近30年生產高品質光子學設備的經驗，并與光子學領域的研究人員和專家有著密切的聯系，Avantes是您理想的OEM合作伙伴。請立即與我們聯系，以了解關于您的獨特應用的演示或可行性測試的更多信息。
1. 卜曉樸, 李永玉*, 閆帥，基于可見-近紅外光譜的生鮮紫薯食味品質快速無損檢測，中國農業大學工學院