張?zhí)焯?邵安晨

摘要：傳統(tǒng)實驗室烘干稱重法檢測淀粉含水量過程復雜，檢測周期長，而電阻或電容式水分檢測設備檢測精度又不高。針對這些問題，利用可見光譜技術，結合自動控制原理對淀粉含水量檢測進行了研究，設計出一種基于光譜原理的自動淀粉含水量檢測裝置。相比于傳統(tǒng)的淀粉含水量檢測方法，該基于光譜原理的自動淀粉含水量檢測裝置不僅可以實現(xiàn)快速檢測，其檢測精度也要顯著高于傳統(tǒng)的阻容式含水量測量儀。通過可見光譜傳感器收集對淀粉含水量敏感波段的光譜反射率數(shù)據(jù)，經(jīng)單片機中的相關數(shù)學模型進行計算可快速得到淀粉含水量相關的數(shù)據(jù)，對提高當下淀粉及相關糧食產(chǎn)品的含水量檢測效率與精度具有重要意義。

關鍵詞：淀粉含水量;檢測周期;檢測精度;可見光譜技術;自動控制原理

Abstract：The traditional laboratory drying and weighing method to detect the moisture content of starch has complex process and long detection cycle， and the detection accuracy of resistance or capacitance moisture detection equipment is not high.In order to solve these problems， the visible spectrum technology and the automatic control principle were used to study the detection of starch water content， and an automatic starch water content detection device based on the spectrum principle was designed.Compared with the traditional starch moisture content detection method， the automatic starch moisture content detection device based on spectral principle can not only realize rapid detection， but also has higher detection accuracy than the traditional resistance capacitance moisture content meter.The spectral reflectance data of starch water content sensitive band is collected by visible spectrum sensor， and the data related to starch water content can be quickly obtained by calculating the relevant mathematical model in single chip microcomputer， which is of great significance to improve the detection efficiency and accuracy of starch and related food products.

Key words：Water content of starch; Detection cycle; Detection accuracy; Visible spectrum technology; Principle of automatic control

淀粉是工業(yè)生產(chǎn)中的重要原料，被廣泛用作上漿劑，粘接劑和各種食品增稠劑。淀粉不僅是是糖膠、葡萄糖和其它變性淀粉的原料，在造紙業(yè)中也作為上漿劑和涂覆劑使用，以增加紙張強度[1]。淀粉含水量不僅關系著物料成本和其保質期，同時還影響漿液濃度和上漿率。當前對于淀粉含水量檢測最常用的方法有烘干法和電容法。其中烘干法具有簡單、直觀、檢測精度高的優(yōu)點，但該方法需要采集樣本送至實驗室進行檢測，有檢測周期長，不能快速得出數(shù)據(jù)等缺點。電容法則是利用淀粉的介電特性、容積密度等因素對其進行含水量檢測。電容式水分檢測儀具有體積小，檢測速度快的特點[2]。操作簡單，便于攜帶，在農(nóng)村地區(qū)糧食收購等場合被廣泛使用。但其檢測精度不如烘干法高，誤差較大，不能用于工業(yè)中更高精度的淀粉含水量檢測。本文針對傳統(tǒng)淀粉含水量檢測方法中存在的不足，設計出一種基于光譜原理的自動淀粉含水量檢測裝置，在快速檢測的同時，保證其精度，以實現(xiàn)對淀粉含水量的快速、精確檢測。

1研究背景

1.1淀粉含水量檢測的意義

工業(yè)中的淀粉生產(chǎn)是一個由濕淀粉經(jīng)干燥系統(tǒng)干燥后變?yōu)楦傻矸鄣倪^程。對于市面上銷售的淀粉，國家規(guī)定其含水量不得超過14%。在工業(yè)生產(chǎn)中，淀粉的干燥過程嚴密且復雜，對其含水量的時事監(jiān)測就顯得尤為重要。

自2016年起，我國的淀粉糖產(chǎn)業(yè)，造紙業(yè)蓬勃發(fā)展，淀粉需求量迅速增長。為滿足我國快速增長的淀粉需求，工業(yè)用淀粉生產(chǎn)，尤其是玉米淀粉的生產(chǎn)發(fā)展迅速，產(chǎn)量大幅提升。當前我國市場淀粉含水量指標為13.5%-14%，在滿足該指標的前提下，淀粉含水量越高，單位原料的淀粉產(chǎn)量就越高，因此為了提高工廠利潤，需要在符合國家指標的前提下，盡可能地提高淀粉的含水量。例如：某淀粉廠每日淀粉產(chǎn)量可達2000噸，若其淀粉含水量為13.5%，其中水的質量為270噸。若將其淀粉含水量控制在14%，則其中水的質量可達280噸。因此，由于生產(chǎn)出的淀粉含水量不同，在原料質量相同的前提下，一年中淀粉生產(chǎn)質量最多可相差3600多噸。

除此之外，淀粉含水量也影響著淀粉在運輸于儲存過程中穩(wěn)定性，可見能夠快速，準確的檢測淀粉含水量，對于工業(yè)中淀粉的生產(chǎn)過程，產(chǎn)量，運輸存儲等都具有重要意義。

1.2淀粉含水量檢測方法比較

當前應用最多的淀粉含水量檢測方法主要有兩種。一種是把待測樣本送入實驗室，通過加熱法或烘干法去除水分，實現(xiàn)點水含水量的檢測。另一種是通過便攜式水分檢測儀進行檢測。

實驗室中使用的淀粉含水量檢測方法主要包括，烘箱法、紅外線加熱干燥法和微波加熱法。其中，紅外線加熱干燥法是通過紅外輻射，產(chǎn)生與水的吸收峰值波長相匹配的波長，加速水分子運動速率從而加速水分蒸發(fā)。微波加熱法則是利用超高頻率的微波，使水分子產(chǎn)生快速振蕩和摩擦來去除水分。這三種方法都是通過樣本加熱干燥前后的質量差值來計算樣本的含水量的，其中紅外線加熱干燥法和微波加熱法向對于傳統(tǒng)烘箱法干燥速度更快[3]。實驗室檢測淀粉含水量，檢測周期長，但檢測精度很高，通常用作其他水分檢驗方法的標定，無法進行實時檢測。

便攜式水分測量儀通常是通過電容法進行水分含量檢測的。常溫下，淀粉的介電常數(shù)接近于谷物的介電常數(shù)，通常為2～5，水的介電常數(shù)為81左右[4]。淀粉含水量的變化會造成其介電常數(shù)的變化，進而通過傳感器影響電容變化，根據(jù)電容變化情況可以找出其所對應的淀粉含水量。其中電容信號轉換為電壓信號集成電路如圖1所示。

用電容法檢測淀粉含水量，具有設備便攜，維護方便，價格便宜的優(yōu)點[5]?？梢钥焖俚贸鼋Y果，可用于實時檢測。但檢測過程中受到樣本密度，環(huán)境溫濕度的影響較大，難以實現(xiàn)精確測量。

2利用光譜技術檢測淀粉含水量的方法

現(xiàn)代光譜分析技術綜合了光譜學、計算機科學和化學計量學等學科的成果，其分析速度快，效率高，成本合理的特點，被越來越多的領域于學科用作定性或定量分析[6]。在制藥業(yè)，食品業(yè)，石油工業(yè)等領域被廣泛使用。

利用光譜技術實現(xiàn)對淀粉含水量的檢測，首先需要找出光譜中對于水分含量敏感的波段[7]。將每份采集的樣本分成A、B兩份，A組通過烘干法檢測其含水量。B組送至光譜實驗室測定光譜。計算各波段光譜數(shù)據(jù)于淀粉含水量的相關系數(shù)，找出其中對淀粉含水量最敏感的波段。

在找出對淀粉含水量最敏感的波段后，需要找出該波段光譜數(shù)據(jù)與淀粉含水量之間的數(shù)學關系，建立一元回歸模型。以對淀粉含水量敏感波段的光譜數(shù)據(jù)為橫坐標，淀粉含水量為縱坐標，在坐標系中描下各個點。根據(jù)宋韜等[8]的成果，可知含水量與光譜數(shù)據(jù)之間的數(shù)學模型如下

Y=0.00498e3.9304X ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：X為對淀粉含水量敏感的波段處經(jīng)過預處理后的光譜反射率數(shù)據(jù)，Y為淀粉含水量。

在得出淀粉含水量與對淀粉含水量敏感的波段處的光譜反射率數(shù)據(jù)的一元回歸模型后，需要對該一元回歸模型顯著性檢驗。對模型進行F檢驗，對模型參數(shù)進行t檢驗。若各項檢驗參數(shù)都遠遠大于檢驗臨界值，則該模型擁有高度的顯著水平。檢驗該數(shù)學模型的預測效果，可以把未用作數(shù)學建模的樣本的光譜數(shù)據(jù)帶入數(shù)學模型中，得出預測結果后，將預測結果與實測結果進行相關性分析，求出二者的擬合回歸方程。通過計算模型的預測相關系數(shù)r和預測均方根誤差RMSEP可以檢驗模型的預測精度，其中計算公式如下

3.基于光譜原理的自動淀粉含水量檢測裝置

3.1控制原理分析

本自動光譜水分檢測裝置采用AS7341可見光譜傳感器收集光譜數(shù)據(jù)，以stm32f103C8T6的32位單片機進行信號處理。設備啟動后，先進行初始化。然后需向系統(tǒng)中輸入用于檢測淀粉含水量的數(shù)學模型，其中數(shù)學模型的搭建方法與模型預測精確度的檢驗方法在第二章已詳細介紹。若未輸入檢測用數(shù)學模型，則系統(tǒng)無法繼續(xù)運行，且會顯示“請輸入數(shù)學模型”。檢測用數(shù)學模型輸入成功后，開啟光譜傳感器，檢測被測對象的光譜數(shù)據(jù)。檢測到的光譜數(shù)據(jù)經(jīng)放大處理后被單片機帶入淀粉含水量檢測用數(shù)學模型中，得出檢測結果。檢測結果通過顯示屏顯示并被存儲于單片機中。程序判斷是否需要再次檢測，若需要，則再次開啟光譜傳感器，重復檢測過程。為滿足多樣本檢測需要，該基于光譜原理的淀粉含水量檢測裝置一次最多可存儲二十個檢測數(shù)據(jù)。若不需要再次檢測，則繼續(xù)判斷是否結束程序，若是，則程序結束，若否，繼續(xù)判斷是否進行下一次檢測，指導受到再次檢測或結束程序的指令。其中該基于光譜原理的淀粉含水量檢測裝置控制程序流程如圖2所示。

3.2基于光譜原理的自動淀粉含水量檢測裝置的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的實驗室淀粉含水量檢測方法，不管是用烘箱加熱還是通過紅外線或微波加熱，都避免不了將樣本加熱這一步驟，為了確保檢測的準確性，還需要控制所采集樣本的質量。而本文中的基于光譜原理的自動淀粉含水量檢測裝置完全省略了將樣本送往實驗室加熱這一步驟，可以直接檢測并快速得出結果?？捎糜诹魉€上快速檢測，檢測速度與檢測精度都要高于工人憑借經(jīng)驗進行的含水量檢測。

電容式谷物水分檢測儀不僅受環(huán)境因素影響更大，在檢測時，需要將檢測裝置的兩根金屬探頭插入待檢樣本中，需要待檢樣本具有較大的質量和體積。在需要檢測小質量，小體積樣本的場合，電容式含水量檢測裝置無法使用。而基于光譜原理的自動淀粉含水量檢測裝置利用光譜中對含水量最敏感的波段的光譜反射率來對淀粉含水量進行檢測，比通過待檢樣本的介電常數(shù)確定其含水量的方法要更精確?；诠庾V原理的自動淀粉含水量檢測裝置在檢測淀粉含水量時不需要傳感器與淀粉直接接觸，待檢樣本的質量多少和體積大小不影響其檢測精度與檢測速度。各中含水量檢測方式對比如表1所示。

4結語

本文設計的基于光譜原理的自動淀粉含水量檢測裝置可以實現(xiàn)工業(yè)中淀粉含水量的準確、快速檢測?？朔藗鹘y(tǒng)的通過實驗室檢測淀粉含水量與電容法檢測淀粉含水量的缺點。即有很好的檢測精度，也有很高的檢測效率。在淀粉生產(chǎn)，運輸儲存過程中都可應用，對于在滿足國家標準要求的前提下，提高淀粉含水量，保證工廠效益具有重要意義。除此之外，通過更改用于檢測的數(shù)學模型，該裝置可以用于檢測其他物質的含水量。該基于光譜原理的自動淀粉含水量檢測裝置結構簡單，應用廣泛，性價比高，適合在工業(yè)生產(chǎn)中大規(guī)模推廣。

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作者簡介

張?zhí)焯?，男?985年出生，本科，從事淀粉、淀粉糖，發(fā)酵等生產(chǎn)線的自動化控制和設計等工作。