張猛+張昕明+高銘萱+詹念+程坤

摘 要 利用近紅外漫反射定量技術(shù)，設(shè)計(jì)了蘋果糖度無損檢測系統(tǒng)，采用最小二乘法建立了近紅外光譜與蘋果糖度之間的數(shù)學(xué)定量模型，對模型進(jìn)行校驗(yàn)，得到蘋果糖度實(shí)際值與預(yù)測值的相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)為0.7521，RMSE=1.1818。采用980nm的激光二極管作為特征光源。光源經(jīng)過蘋果內(nèi)部產(chǎn)生漫反射光信號，該信號被光電傳感器采集。用微控制器處理該信號再加上外圍電路組成無損檢測系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】蘋果 近紅外光譜 無損檢測

蘋果富含礦物質(zhì)和維生素，是人們最常食用的水果之一，是低熱量食物，易被人體吸收，有“活水”之稱，可以溶解硫元素，使皮膚潤滑柔嫩，深受人們喜愛。隨著人們生活水平提高，人們對于蘋果的含糖量有了新要求，但傳統(tǒng)的折光儀有損檢測時(shí)耗時(shí)、費(fèi)力和效率低；無損的檢測儀又?jǐn)y帶不便、操作復(fù)雜、使用條件苛刻和價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)不能普及推廣使用。因此在此基礎(chǔ)上本文設(shè)計(jì)了這套無損檢測系統(tǒng)，它具有便攜、操作簡單和低成本的特點(diǎn)。

國內(nèi)外在蘋果糖度的無損檢測方面做過很多的研究，在國外如LammertynJeroen等人在2000年，在11363-6060cm-1范圍內(nèi)利用光纖探頭對Jonadold蘋果糖分含量進(jìn)行了近紅外光譜反射特性的試驗(yàn)研究，通過偏最小二乘法分析得出兩者的相關(guān)系數(shù)在0.79-0.91之間；Zou等人在2007年利用遺傳算法、間隔偏最小二乘法（iPLS）進(jìn)行特征波段的挑選，提高了蘋果糖度模型的預(yù)測精度；Liu等人在2007年分析了不同測量距離對蘋果糖度無損檢測的影響；在國內(nèi)，劉燕德等人在2010年建立了紅富士蘋果糖度的近紅外漫反射主成分回歸PCR多元校正模型，得出相關(guān)系數(shù)：=0.844，標(biāo)準(zhǔn)校正誤差SEC=0.729；韓東海等人在2014年利用近紅外光譜結(jié)合混合線性分析法的一種變形算法HLA/XS建立蘋果糖度校正模型，得出：=0.87611、標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測誤差SEP=0.4848；王加華等人利用近紅外漫反射光譜結(jié)合主成分回歸PCR和偏最小二乘法PLS研究了蘋果糖度無損檢測，通過比較二者的相關(guān)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)校正誤差和預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)誤差，得出偏最小二乘法PLS模型更優(yōu)。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，利用近紅外漫反射分析技術(shù)，進(jìn)行了基于近紅外漫反射的蘋果糖度無損檢測系統(tǒng)的研究。

1 數(shù)學(xué)預(yù)測模型建立

選擇50個(gè)紅富士蘋果樣品，利用980nm的激光二極管作為光源照射蘋果樣品的表面，用光電探測器接收經(jīng)過蘋果內(nèi)部漫反射產(chǎn)生的光信號，再用手持糖度計(jì)有損的檢測蘋果的實(shí)際糖度，最后用最小二乘法建立漫反射信號與蘋果糖度相關(guān)的數(shù)學(xué)預(yù)測模型，經(jīng)過模型的校驗(yàn)得到相關(guān)系數(shù)r=0.7521，RMSE=1.1818。

2 系統(tǒng)的檢測原理和硬件組成

2.1 檢測原理

蘋果中的糖分物質(zhì)含有易吸收近紅外光譜的官能團(tuán)，不同糖度的蘋果由于其吸收官能團(tuán)的不同，使得在光源照射蘋果表面，在蘋果內(nèi)部發(fā)生漫反射時(shí)，會(huì)使探測器接收到的漫反射光信號強(qiáng)度不同，通過建立接收端接收到的漫反射光信號和蘋果糖度的數(shù)學(xué)關(guān)系，結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)的方法可以定量預(yù)測蘋果的糖度值。

2.2 硬件電路

如圖1是基于近紅外光譜的蘋果糖度的無損檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。光源部分是激光二極管，經(jīng)激光二極管照射蘋果表面，由光電探測器即光電二極管采集漫反射信號，經(jīng)由后續(xù)的電路處理送到微控制器。將上述的數(shù)學(xué)預(yù)測模型通過軟件寫入微控制器，通過采集得到的漫反射光信號反演得到蘋果的糖度，通過液晶屏顯示糖度值。

3 結(jié)論

本文應(yīng)用近紅外漫反射技術(shù)建立了蘋果糖度無損檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作簡便、便于攜帶和成本低，為蘋果糖度的無損檢測裝置的研究和推廣做出了貢獻(xiàn)，今后可以進(jìn)一步研究，提高預(yù)測精度，以及推廣到其他水果。

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