基于近红外三波长法的小麦含水率检测系统设计

熊显名++王心芒++张文涛++聂君扬++唐绮雯

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.114

摘要：针对小麦含水率检测快速、便捷的需求，设计基于近红外三波长法的小麦含水率检测系统，系统主要由ARM Cortex-M3主控芯片、激光二极管驱动电路、光电转换电路、积分球等组成。通过研究小麦含水率对3个不同波长光功率吸收的规律，结合五元三次多项式回归拟合方法，建立小麦含水率与3个不同波长光吸收率的数学模型，并对模型进行可靠性检验。与直接干燥法相比，系统对含水率为5.0%～10.3%的小麦的含水率绝对测量误差为 -2.2%～0.8%，响应时间小于1.5 s，以达到实用的要求。

关键词：小麦；籽粒含水率；近红外三波长法；无损检测

中图分类号： S237文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）10-0390-04

收稿日期：2015-08-10

基金项目：广西壮族自治区自然科学基金（编号：2014GXNSFGA118003、2013GXNSFDA019002）；广西教育厅项目（编号：ZD2014057）；广西壮族自治区桂林市科学研究与技术开发课题（编号：20130122-2、20140127-1）。

作者简介：熊显名（1964—），男，广西桂林人，研究员，硕士生导师，研究方向为光电检测与智能仪器。E-mail：xmxiong@guet.edu.cn。

通信作者：王心芒。E-mail：mang11@sina.com。粮食的含水率是评价粮食品质的一个重要指标，它直接影响产品的质量和保存期限[1-2]；小麦是世界上总产量位居第二的粮食作物[3]，仅次于玉米。因此，在小麦的存储和加工应用中，含水率的检测[4-5]非常重要。传统的烘干法[6]和电导法[1，7-8]是小麦含水率检测的主要方法。这2种方法具有精度高、测量结果稳定的优点，但是使用条件的限制无法满足在线非接触式连续测量的需求；近红外光谱法[9-10]具有分析速度快、无损检测的优点，但目前国内的近红外光谱分析仪器主要以进口为主，价格高，保修困难，且光路复杂、体积大，较难满足现场检测。因此，设计出便携、快速、无损的小麦含水率检测系统非常有必要。本研究结合近红外光谱法的优点，提出采用半导体近红外激光二极管设计含水率检测系统，以积分球[11]为核心，采用3个不同波长的激光二极管光源和1个InGaAs半导体探测器[12]，去除一般光谱仪器中必须采用的移动部件，将光源和分光器件合二为一；将ARM Cortex-M3主控芯片作为仪器控制中心，具有自动校正和丰富的人机交互功能。

1小麦籽粒含水率检测系统硬件设计

1.1光学系统设计

1.1.1光源选择系统采用阵列式半导体激光器作为光源，积分球[11]作为光收集器，将光源与分光系统合二为一，提高仪器的稳定性。近红外波段（800～2 500 nm）属于通信波段，此波段的激光光源丰富、价格适中、光纤技术较为成熟[13]。有研究发现，水分子在近红外波段具有很强的特征性的合频吸收带[9-10]，因此根据市场现有近红外波段波长的激光二极管和水的近红外光谱图选择1个测量波长和2个参比进行含水率的测定。

由图1可知，水分子在近红外波段出现3个吸收峰。在1 200 nm处的吸收率很小，适合含水率大于50%的分析测量，在1 440、1 940、2 950 nm处吸收率较大。其中，2 950 nm属于中红外波段，测量范围窄，而且光源价格较高，适用于高精度的水分测量；1 940 nm吸收率在1 200～1 440 nm之间，适合含水率大于20%的分析测量；1 440 nm适合含水率小于20%的分析测量，而且该波长的激光器市场供应量充足，价格便宜。根据以上分析，系统采用1 440 nm的激光二极管作为小麦含水率测量光源。参比波长要求对水分吸收很少，光谱值的偏差很小，且尽量靠近测量波长。根据图1结合市场现有近红外波段波长的激光二极管，选择1 310、1 550 nm作为参比波长，两者偏差分别为0.02、0.03。

1.1.2积分球设计积分球是用于光度测量的中空球腔，腔壁采用无波长选择性的漫反射性镀金涂料，其反射率高达96%以上[11]。积分球的结构如图2所示，光源照射到样品上，被样品漫反射的光经过球体内部的多次反射，绝大部分进入检测器被接收。由于接收了绝大部分的分析光，提高了系统的信噪比，降低了由于入射光的形状和角度等对测量产生的影响。积分球内径60 mm，样品杯内径13 mm。

1.1.3光电探测器的选择光电探测器的作用是将光信号转换成电信号，一般由光敏器件构成，光敏器件的材料决定了其探测波长的范围。由于系统采用分时驱动3路激光的方法，因此采用单通道铟镓砷（InGaAs）探测器[12]，其工作波长为800～2 500 nm，符合系统要求。

1.2硬件电路的设计

硬件系统的整体框图如图3所示，主要由ARM Cortex-M3主控芯片、激光二极管驱动电路、光电转换电路、A/D转换电路、4.3寸触摸屏、通信端口等组成。

通过触摸屏按键发出检测命令，多路开关分时驱动3个不同波长的激光二极管，光源进入装有小麦样品的积分球后，由光电探测器输出；探测器输出信号通过光电转换电路和 A/D 转换电路后输送到ARM Cortex-M3主控芯片。由ARM Cortex-M3主控芯片根据小麦样品对3个不同波长的光吸收量调取已构建的数学模型计算出小麦的含水率，进而在显示器显示测量数据；可选择通过微型打印机打印测量数据或与其他USB设备通信。

1.2.1主控芯片选用意法半导体公司以ARM Cortex-M3为核心的32位微控制器STM32F103，工作频率为72 MHz，芯片内部集成了高速存储器、丰富的I/O接口、SPI、I2C等接口模块，完全符合系统设计要求。其主要任务是控制各输入输出设备实现人机互动，并实现数据的采集和运算。

1.2.2激光驱动电路采用带有自动功率控制及安全关断功能的激光驱动器MAX3766[14]，该驱动器可提供高达60 mA的调制电流和80mA的偏置电流。系统采用3片驱动器分别驱动3个不同波长的激光二极管。单片MAX3766外围设计电路如图4所示，其RBIASMAX和RMOD决定了激光器的偏置电流和调制电流。

RBIAMAX=1.55 V/IBIAMAX-520 Ω；（1）

RMOD=1.55 V/IMOD-520 Ω。（2）

式中：IBIAMAX为偏置电流，IMOD为调制电流。

1.2.3光电转换电路积分球内的样品对漫反射光充分吸收后，探测器接收到的光强很弱，其输出的电流范围在几百pA到几μA之间，因此对探测信号进行放大，采用跨导放大器[15]将电流信号转换为电压信号输出。选用TI公司的超低偏置电流运算放大器ADA7817，光电转换电路如图5所示。R2决定电流信号放大倍数，C1作用是避免电路产生振铃现象，R1为补偿电阻（R1=R2），C2作用是消除R1的噪声干扰。

1.2.4A/D转换电路光电转换电路输出的模拟电压信号须经过A/D转换后输入控制器。系统选用16位，真差分输入A/D芯片ADS8865进行模数转换。在输入前端采用低通

滤波器对模拟信号进行滤波，以达到降低输入纹波的目的。A/D转换电路如图6所示。

2小麦籽粒含水率检测系统软件设计

系统的软件以μC/OS Ⅱ系统+μC/GUI界面为核心，以ARM Cortex-M3主控芯片为载体，主要完成激光驱动信号、A/D转换电路、4.3寸触摸屏、USB通讯和打印机的控制，信号采集后的算法处理等功能（图7）。在μC/OSⅡ操作系统下执行主任务、A/D采集与处理任务、触摸屏任务、μC/GUI任务、通信任务5个任务。

3小麦籽粒含水率与光功率的关系

3.1材料与方法

3.1.1样品选择样品选用江苏省粮食局提供的2015年小麦样品，品种为白麦。

3.1.2方法小麦的含水率测定参照GB 5009.3—2010《食品中水分的测定》的直接干燥法，在标准大气压下利用（103±2） ℃的DHG-9123A型鼓风干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）、FA2204B电子分析天平（上海精密科学仪器有限公司）、干燥器和样品杯测量得到小麦样品的初始湿基含水率为5%。

称取15份80～100 g初始含水率的小麦样品，采用多次少量的方法添加一定质量的去离子水配制成湿基含水率范围为5.0%～10.3%的样品。利用直接干燥法测量后的样品用保鲜膜封住样品杯口，放入25 ℃的恒温箱4 h以上；依次取出样品，并且迅速将样品杯置于积分球中，测量3个波长的光源经过该样品后的光功率输出，测量值表现为A/D读取的电压值。为了保证测量的准确性，每个含水率的样品测量复3次，3次测量的平均值作为测量结果。不同含水率的样品对3个波长光源的光功率输出如表1所示。

3.2试验结果与分析

3.2.1小麦样品集划分按照含水率均匀分布原则，将15个小麦样品以2 ∶1划分为校正集和测试集。样品的分布情况见表2。

3.2.2模型的建立根据表1数据，通过Origin Pro软件绘制小麦样品不同含水率下对3个波长光源的光功率吸收图。

由以上分析可知，含水率和3个波长光功率之间具有相关性。由图8可知，1 440 nm处的光吸收率是占绝对作用的，引入该处吸收率的三次方作为变量；1 310、1 550 nm处的光吸收率很小，可类似等价于线性变化，引入这2处光吸收率的一次方作为变量。利用MATLAB软件对小麦含水率校正集试验数据进行五元三次多项式回归拟合[16-17]，拟合结果如式（3）所示。

y=-5.939 8x1-1.249 4x2+0.399 6x22-0.123 0x23-28.92x3+114.328 2。（3）

式中：y为湿基含水率，%；x1、x2、x3分别为1 310、1 440、1 550 nm 光源的光功率A/D读取值，V。该模型的回判相关系数为0.769 1，校正相关系数为0.726 7。

3.2.3模型的检验进行模型的检验试验，对式（3）模型的准确性和适用性进行评估。将5个测试集的样品分别用本检测系统3次测量取平均值，利用式（3）模型计算出的含水率和直接干燥法的含水率比较，由MATLAB软件计算得到的含水率和直接干燥法的含水率之间的决定系数r2=0.955 0。因此，式（3）可作为小麦含水率的预测模型。

4结论

本试验基于近红外三波长法设计以积分球为核心、以ARM Cortex-M3为主控芯片、具有自动校正模型的小麦含水率检测系统（图9），研究含水率（5.0%～10.3%）和3个波长（1 310、1 440、1 550 nm）光吸收率的关系，建立含水率从和光吸收率之间的五元三次方程模型，验证模型的准确性和适用性。结果表明，以直接干燥法作为标准，设计的小麦含水率检测系统对含水率为5.0%～10.3%小麦的测量绝对误差为 -2.2%～08%，响应时间小于1.5 s。

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