基于透射光谱的马铃薯内部品质在线检测系统开发与实验分析
发布时间：2021-03-24 17:38
马铃薯是全球第四大粮食作物,具有丰富的营养价值和商业价值。不同马铃薯加工品对原料薯干物质、淀粉含量要求不同。黑心病等内部缺陷严重影响马铃薯加工品的品质和原料加工利用率。开发可同时检测马铃薯内部缺陷和营养成分含量的在线检测设备对提高马铃薯检测分级效率、促进马铃薯产品增值和推动马铃薯检测行业技术进步等具有重要意义。论文开发了马铃薯内部品质在线检测系统,建立并优化了马铃薯干物质含量、淀粉含量和黑心病检测模型,并对在线检测系统进行了性能测试和分析。论文的主要研究内容和结论如下:1.开发了马铃薯在线光谱检测的硬件系统和软件系统,并将其应用于马铃薯分级线。研究了光谱检测装置的光路设计及布局,确定了以漫透射方式作为光谱采集方式。针对分级线在线应用,设计加工了光源与光纤的安装机构,优化了电机运转频率与透射光谱分析系统最佳匹配模型,确定了电机转速560 r/min为在线检测速度,生产能力达2.4 t/h。2.构建了基于联合变量筛选方法的马铃薯成分吸光度谱定量预测模型。以马铃薯干物质和淀粉含量为对象,比较无信息变量消除法（UVE）、竞争性自适应重加权算法（CARS）、连续投影法（SPA）3种单一变量优选方...
【文章来源】：中国农业机械化科学研究院北京市
【文章页数】：114 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１不同光谱采集方式用于柑橘糖度在线无损检测??准直镜??
谱技术的果蔬内部品质在线无损检测仪器??１．２．３．１果蔬内部品质在线无损检测系统??目前对果蔬内部品质无损检测系统的研究主要集中于光谱采集方式（漫反射、漫透射、透射）、??光源布置方式（入射光与出射光角度、功率）、样品摆放方式、光纤布置方式、遮光处理、检测速??度等方面。??汪小耀［５１］研究了不同光谱采集方式对柑橘糖度无损检测结果的影响，分别采用卤钨灯实验组??和ＬＥＤ实验组，比较了反射和三种透射方式（底面照射侧边接收、顶部照射侧边接收和侧边照射??侧边接收）对实验结果的影响（图１－１）。研究发现对于两种光源都是侧边照射侧边接收的光谱采??集方式实验结果较好，原因是其光谱在样本内部传输路线最长，携带样本信息更全面准确。其中??ＬＥＤ实验组ＰＬＳ模型预测集相关系数为０．８３，均方根误差为０．６３°ＢｒｉｘＳ，卤钨灯实验组ＰＬＳ模型??预测集相关系数为０．８８，均方根误差为０．５４°Ｂｒｉｘｓ。开发了基于ＬＥＤ光谱可调谐光源的柑橘糖度??在线检测装置（图１－２），选择了?４６０－１０５０ｎｍ范围内的２０个波长作为ＬＥＤ光源波长，每种波长??４只灯珠，采用先串后并的连接方式，同波长４只灯珠串联，不同波长的灯珠并联，建立柑橘糖??度在线检测ＰＬＳ模型，其结果为预测集相关系数Ｒｐ＝０．８４，误差为０．５１°Ｂｒｉｘ。??ａ顶部照射侧边接收?ｂ底部照射侧边抟收??准直續?准錢??ＭＵ?＾?Ｉ?＾??ｃ侧边照ｆｔ側边＊收?ｄ吱射??，——ｓ?必鴻．．．?ｍ??ｓ?泰?－－一ｒ?、讀??ｔ－Ｍ?｜｜?居直戌??图１－１不同光谱采集方式用于柑橘糖度在线无损检测??准直镜??）?ｍ??Ｚ采篥卡?光谱忟?．Ｈ?
中国农业机械化科学研宂院博士学位论文?第一章绪论??丁继刚［５２】采用４个５０?Ｗ卤素灯水平方向间隔９０°布置（图１－３），以顶部照射、底部接收漫透??射光谱采集方式，实现鸭梨和马铃薯黑心并营养成分的在线检测（图１－４）。每次可以检测８个??样品，检测速度可以达到４个／ｓ，?２．８８?ｔ／ｈ。采用ＰＬＳＤＡ法建立马铃薯黑心病判别模型，夕卜部试验??判别正确率为９６％，采用ＣＡＲＳ－ＰＬＳ法建立马铃薯淀粉和干物质含量预测模型，外部试验决定系??数分别为０．８９、０．９１，均方根误差分别为０．７１％、０．９９％。??Ｔ?膨域??Ｉ??图１－３—种顶部照射、底部接收漫透射光谱采集方式??＿＿＿＿＿?＿???＾??图丨－４—种鸭梨、马铃薯内部品质在线检测装置??高荣杰％以底部照射、顶部接收漫透射光谱采集方式，建立水果糖度可见／近红外在线检测装??置（图１－５，图１－６）。４个光源环形布置，卤钨灯向下倾斜倾向导轨，照射水果赤道部位，同时利??用挡板遮蔽避免光直接由光源进入探头。样品顶部形成了有足够采光空间的阴影区，有效避免了??未经样品的直射光。检测速度３个／ｓ，积分时间１００ｍｓ时，苹果糖度模型预测结果较为理想，验??证集相关系数为０．８９，均方根误差为０．６９°Ｂｒｉｘｓ。??丨４－导抽?［??图１－５?—种底部照射顶部接收漫透射光谱采集方式??１０??
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同速度对近红外光谱预测库尔勒香梨品质模型的影响[J]. 陈东杰,姜沛宏,郭风军,张玉华,张长峰. 光谱学与光谱分析. 2020(06)
[2]基于可见/近红外漫透射光谱的马铃薯黑心病及淀粉含量同时在线无损检测[J]. 丁继刚,韩东海,李永玉,彭彦昆,王绮,韩熹. 光谱学与光谱分析. 2020(06)
[3]不同品种苹果糖度近红外光谱在线检测通用模型研究[J]. 刘燕德,徐海,孙旭东,姜小刚,饶宇,张雨. 光谱学与光谱分析. 2020(03)
[4]近红外光谱结合连续投影算法检测综纤维素含量[J]. 熊智新,马璞璠,梁龙,房桂干. 中国造纸学报. 2019(04)
[5]番茄碰伤和可溶性固形物近红外光谱同时在线检测[J]. 刘燕德,饶宇,孙旭东,肖怀春,姜小刚,祝柯,徐海. 光谱学与光谱分析. 2019(12)
[6]基于近红外光谱的红提维生素C含量、糖度及总酸含量无损检测方法[J]. 高升,王巧华,李庆旭,施行. 分析化学. 2019(06)
[7]马铃薯多品质参数可见/近红外光谱无损快速检测[J]. 王凡,李永玉,彭彦昆,杨炳南,李龙,刘亚超. 光谱学与光谱分析. 2018(12)
[8]基于电子鼻技术的马铃薯真菌性腐烂病早期检测[J]. 黄星奕,孙兆燕,田潇瑜,郁姗姗,王沛昌,Joshua Harington Aheto. 食品工业科技. 2018(24)
[9]基于可见/近红外透射光谱的番茄红素含量无损检测方法研究[J]. 王凡,李永玉,彭彦昆,孙宏伟,李龙. 分析化学. 2018(09)
[10]基于机器视觉的温室番茄裂果检测[J]. 刘鸿飞,黄敏敏,赵旭东,陆文婷. 农业工程学报. 2018(16)
博士论文
[1]水果品质可见/近红外光谱预测模型优化方法的研究[D]. 李明.中国农业大学 2018
[2]马铃薯隐形损伤的生物散斑活性特征及检测研究[D]. 高迎旺.浙江大学 2018
[3]基于近红外光谱及成像的苹果品质无损检测方法和装置研究[D]. 郭志明.中国农业大学 2015
硕士论文
[1]基于机器视觉的马铃薯疮痂检测方法[D]. 祁雁楠.中国农业机械化科学研究院 2019
[2]基于LED光源的柑橘糖度可见/近红外光谱检测研究[D]. 汪小耀.浙江大学 2017
[3]CO2诱导库尔勒香梨果心褐变发生机理的研究[D]. 齐会楠.新疆农业大学 2014
[4]连续投影法应用于土壤有机质NIR光谱分析的波长选择[D]. 陈定星.暨南大学 2013
[5]基于多波段光谱技术的鱼油关键品质信息快速检测方法研究[D]. 曹芳.浙江大学 2012
本文编号：3098112
【文章来源】：中国农业机械化科学研究院北京市
【文章页数】：114 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１不同光谱采集方式用于柑橘糖度在线无损检测??准直镜??
谱技术的果蔬内部品质在线无损检测仪器??１．２．３．１果蔬内部品质在线无损检测系统??目前对果蔬内部品质无损检测系统的研究主要集中于光谱采集方式（漫反射、漫透射、透射）、??光源布置方式（入射光与出射光角度、功率）、样品摆放方式、光纤布置方式、遮光处理、检测速??度等方面。??汪小耀［５１］研究了不同光谱采集方式对柑橘糖度无损检测结果的影响，分别采用卤钨灯实验组??和ＬＥＤ实验组，比较了反射和三种透射方式（底面照射侧边接收、顶部照射侧边接收和侧边照射??侧边接收）对实验结果的影响（图１－１）。研究发现对于两种光源都是侧边照射侧边接收的光谱采??集方式实验结果较好，原因是其光谱在样本内部传输路线最长，携带样本信息更全面准确。其中??ＬＥＤ实验组ＰＬＳ模型预测集相关系数为０．８３，均方根误差为０．６３°ＢｒｉｘＳ，卤钨灯实验组ＰＬＳ模型??预测集相关系数为０．８８，均方根误差为０．５４°Ｂｒｉｘｓ。开发了基于ＬＥＤ光谱可调谐光源的柑橘糖度??在线检测装置（图１－２），选择了?４６０－１０５０ｎｍ范围内的２０个波长作为ＬＥＤ光源波长，每种波长??４只灯珠，采用先串后并的连接方式，同波长４只灯珠串联，不同波长的灯珠并联，建立柑橘糖??度在线检测ＰＬＳ模型，其结果为预测集相关系数Ｒｐ＝０．８４，误差为０．５１°Ｂｒｉｘ。??ａ顶部照射侧边接收?ｂ底部照射侧边抟收??准直續?准錢??ＭＵ?＾?Ｉ?＾??ｃ侧边照ｆｔ側边＊收?ｄ吱射??，——ｓ?必鴻．．．?ｍ??ｓ?泰?－－一ｒ?、讀??ｔ－Ｍ?｜｜?居直戌??图１－１不同光谱采集方式用于柑橘糖度在线无损检测??准直镜??）?ｍ??Ｚ采篥卡?光谱忟?．Ｈ?
中国农业机械化科学研宂院博士学位论文?第一章绪论??丁继刚［５２】采用４个５０?Ｗ卤素灯水平方向间隔９０°布置（图１－３），以顶部照射、底部接收漫透??射光谱采集方式，实现鸭梨和马铃薯黑心并营养成分的在线检测（图１－４）。每次可以检测８个??样品，检测速度可以达到４个／ｓ，?２．８８?ｔ／ｈ。采用ＰＬＳＤＡ法建立马铃薯黑心病判别模型，夕卜部试验??判别正确率为９６％，采用ＣＡＲＳ－ＰＬＳ法建立马铃薯淀粉和干物质含量预测模型，外部试验决定系??数分别为０．８９、０．９１，均方根误差分别为０．７１％、０．９９％。??Ｔ?膨域??Ｉ??图１－３—种顶部照射、底部接收漫透射光谱采集方式??＿＿＿＿＿?＿???＾??图丨－４—种鸭梨、马铃薯内部品质在线检测装置??高荣杰％以底部照射、顶部接收漫透射光谱采集方式，建立水果糖度可见／近红外在线检测装??置（图１－５，图１－６）。４个光源环形布置，卤钨灯向下倾斜倾向导轨，照射水果赤道部位，同时利??用挡板遮蔽避免光直接由光源进入探头。样品顶部形成了有足够采光空间的阴影区，有效避免了??未经样品的直射光。检测速度３个／ｓ，积分时间１００ｍｓ时，苹果糖度模型预测结果较为理想，验??证集相关系数为０．８９，均方根误差为０．６９°Ｂｒｉｘｓ。??丨４－导抽?［??图１－５?—种底部照射顶部接收漫透射光谱采集方式??１０??
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同速度对近红外光谱预测库尔勒香梨品质模型的影响[J]. 陈东杰,姜沛宏,郭风军,张玉华,张长峰. 光谱学与光谱分析. 2020(06)
[2]基于可见/近红外漫透射光谱的马铃薯黑心病及淀粉含量同时在线无损检测[J]. 丁继刚,韩东海,李永玉,彭彦昆,王绮,韩熹. 光谱学与光谱分析. 2020(06)
[3]不同品种苹果糖度近红外光谱在线检测通用模型研究[J]. 刘燕德,徐海,孙旭东,姜小刚,饶宇,张雨. 光谱学与光谱分析. 2020(03)
[4]近红外光谱结合连续投影算法检测综纤维素含量[J]. 熊智新,马璞璠,梁龙,房桂干. 中国造纸学报. 2019(04)
[5]番茄碰伤和可溶性固形物近红外光谱同时在线检测[J]. 刘燕德,饶宇,孙旭东,肖怀春,姜小刚,祝柯,徐海. 光谱学与光谱分析. 2019(12)
[6]基于近红外光谱的红提维生素C含量、糖度及总酸含量无损检测方法[J]. 高升,王巧华,李庆旭,施行. 分析化学. 2019(06)
[7]马铃薯多品质参数可见/近红外光谱无损快速检测[J]. 王凡,李永玉,彭彦昆,杨炳南,李龙,刘亚超. 光谱学与光谱分析. 2018(12)
[8]基于电子鼻技术的马铃薯真菌性腐烂病早期检测[J]. 黄星奕,孙兆燕,田潇瑜,郁姗姗,王沛昌,Joshua Harington Aheto. 食品工业科技. 2018(24)
[9]基于可见/近红外透射光谱的番茄红素含量无损检测方法研究[J]. 王凡,李永玉,彭彦昆,孙宏伟,李龙. 分析化学. 2018(09)
[10]基于机器视觉的温室番茄裂果检测[J]. 刘鸿飞,黄敏敏,赵旭东,陆文婷. 农业工程学报. 2018(16)
博士论文
[1]水果品质可见/近红外光谱预测模型优化方法的研究[D]. 李明.中国农业大学 2018
[2]马铃薯隐形损伤的生物散斑活性特征及检测研究[D]. 高迎旺.浙江大学 2018
[3]基于近红外光谱及成像的苹果品质无损检测方法和装置研究[D]. 郭志明.中国农业大学 2015
硕士论文
[1]基于机器视觉的马铃薯疮痂检测方法[D]. 祁雁楠.中国农业机械化科学研究院 2019
[2]基于LED光源的柑橘糖度可见/近红外光谱检测研究[D]. 汪小耀.浙江大学 2017
[3]CO2诱导库尔勒香梨果心褐变发生机理的研究[D]. 齐会楠.新疆农业大学 2014
[4]连续投影法应用于土壤有机质NIR光谱分析的波长选择[D]. 陈定星.暨南大学 2013
[5]基于多波段光谱技术的鱼油关键品质信息快速检测方法研究[D]. 曹芳.浙江大学 2012
本文编号：3098112
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