光纤光谱仪在水果检测和分选领域的应用
概 要
作为水果生产大国，提高水果的品质既能满足人民日益提高的生活水平的要求，也可进一步提升国产水果在国际市场上的竞争力。在水果生长成熟阶段，光照、施肥、温度等客观因素均会影响水果的品质，故准确检测水果的生长情况以及采摘后对水果的质量分选至关重要。水果无损检测技术（NDT）是在不破坏检测物料的情况下，根据物料内部变化引起的光、声、热、电、磁等物理特性的变化检测并判断物料的质量。与传统化学检测相比，无损检测技术具有不会破坏被检对象，并且可以对全部果实进行检测，避免抽检不完全性，测试速度快的优势。
图1 某水果分选现场
光谱检测技术是一种非接触、非破坏性的无损检测技术，水果内部不同成分和特性对不同波长的光的反射率、透射率和吸光度表现不同，所以可以通过光谱仪检测水果对照明光源的反射光谱或者透射光谱进而分析判断水果的可溶性固形物、色泽、糖分、酸度等特性。目前该方法已经广泛被用于检测脐橙、苹果、桃子、芒果、杏子、猕猴桃、西瓜等水果，此外因为其方便快捷的优势，也广泛应用于其他农产品如鸡蛋、谷物、饲料、紫薯等的分选检测。本文以荷兰Avantes公司的微型光纤光谱仪AvaSpec-HS2048XL-EVO和AvaSpec-ULS2048XL-EVO为例，介绍微型光谱仪在水果检测和水果分选方面的应用。
Avantes光谱仪模块化，且体积小巧，方便便携、手持式测试使用或集成到检测生产线中。AvaSpec-HS2048XL-EVO和AvaSpec-ULS2048XL-EVO都采用高灵敏度背照式CCD探测器，该探测器在近红外波段响应性能极好，同时可见紫外部分也有很高的效率，测试精度高。仪器信噪比性能极好，可有效去除噪声的影响。搭配USB3的电路板，最小积分时间可达到微秒量级，实现高速测试，提高工作效率。包含多种编程语言的DLL动态链接库可以集成到不同系统软件中。
1. 仪器原理
荷兰Avantes公司的AvaSpec-ULS2048XL-EVO光纤光谱仪，采用对称式光路设计，焦距75 mm，包括光纤接头（标准SMA接口）、准直镜、衍射光栅、聚焦镜和大尺寸高灵敏度背照式线阵CCD探测器，波长范围200-1100 nm，提供USB3.0接口、高速网口和I/O外触发同步接口。与AvaSpec-ULS2048XL-EVO相比，AvaSpec-HS2048XL-EVO光学平台采用37.5 mm焦距，数值孔径可达0.22，具有更高的灵敏度，测试精度更高。
图2 AvaSpec-ULS2048XL-EVO光谱仪的光学平台
2． 水果品质检测方法
2.1 水果品质检测光路
目前用于水果无损检测的主要光谱检测方法有反射光谱法、漫反射光谱法、透射光谱法，其光路分别如下图所示。在这些光路中，光源可采用单个或多个50 W卤素灯组合的方式，既可以提高光照功率，也可以提高光照均匀度。光谱仪可以采用Avantes生产的光纤光谱仪，其体积小，方便集成到系统中，波长范围最多可以覆盖200-2500 nm，最短积分时间可以达到2 μs，满足对全部物料快速、高效的测试需求。光纤可采用Avantes 800 μm或者1000 μm的大芯径，提高光通量，金属铠甲包层可保护光纤避免损伤。此外，Avantes也可提供多种附件选择，满足不同的应用场景。
在水果生长阶段，利用Avantes光谱仪的小巧性能将光谱仪、光源、光纤集成到系统中实现便携手持测试方式，避免采摘破坏水果，同时根据测试结果合理安排施肥、灌溉、培育、采光等条件。通过检测成熟度，确定采摘时间并设定理想的果实存储环境。在水果采摘后，也可将Avantes光谱仪集成到生产线中，通过光谱仪检测水果可溶性物质、糖度、甜度、挫伤、腐烂等特性对水果进行自动筛选及质量评级，使生产者能够保证高质量的同时向消费者提供同一的质量。Avantes快速精准的优势可大大提高产线的工作效率。
2.2水果品质检测数据处理
研究人员用AvaSpec光谱仪以及卤钨灯照明光源(AvaLight-HAL-S-Mini),光纤反射探头对富士苹果的近红外光谱(600 - 1100 nm)进行了研究，在测试到光谱数据后，研究人员开发了一种关联果实固含量、含水量和硬度特征的算法。从这些数据中，研究小组能够分离出对预测内部水果质量有用的敏感波长。为了减少数据集，该团队进一步讨论了选择适当波长的各种方法，而不是监测整个近红外光谱。这种选择关键波长以较少数据集的方法成为便携式和内联传感系统(如Avantes OEM合作伙伴目前正在开发的系统)开发的重要组成部分。以下为部分测试数据集。
2.3 二次开发动态链接库
AvaSpec-DLL二次开发动态链接库可适用于Windows和Linux系统，有32位和64位两种版本，可以帮助您轻松地编写软件解决方案，适用于Avantes所有类型光谱仪。该软件主要包含以下功能：
通过USB接口和一个或者多个光谱仪建立通讯。这些函数可以打开和关闭所连接的光谱仪。
从光谱仪的EEProm中设置/读取硬件参数。
用于获取数据的函数，将数据调入您编写的应用程序
与其他设备通过TTL或模拟信号进行通讯的函数
Avantes的动态链接库包含Delphi、C++、Java、LabView、Matlab、vb2013、Vc#2013、Qtdemos、PyQt5、mfc2013多种编程语言，适合不同开发者的使用需求。另外，Avantes还提供详细的二次开发说明介绍，包括各函数的功能介绍，简单例程介绍等，帮助开发者顺利编写软件。
3．结论
使用AvaSpec-HS2048XL-EVO和AvaSpec-ULS2048XL-EVO光谱仪进行水果检测和分选应用，具有功能强大，性价比高、测量精度高、测量速度快、操作简单等特点，而且体积小巧，方便集成到系统中进行在线监测。
同时Avantes还能够为您提供更多的选择，如体积更小（纸牌大小）的光谱仪CompactLine系列；近红外波段（1000-2500 nm）光谱仪NIRLine系列，超快光谱仪（2000幅/秒）系列等。如您有更多需求，请您联系我们的技术工程师，我们会为您提供完善的光谱学解决方案。
Avantes, OEM合作伙伴的未来农业
在Avantes，我们致力于通过与创新者合作改善农业生产，利用光子学技术让世界变得更美好。拥有将近30年生产高品质光子学设备的经验，并与光子学领域的研究人员和专家有着密切的联系，Avantes是您理想的OEM合作伙伴。请立即与我们联系，以了解关于您的独特应用的演示或可行性测试的更多信息。
1. 卜晓朴, 李永玉*, 闫帅，基于可见-近红外光谱的生鲜紫薯食味品质快速无损检测，中国农业大学工学院