滤光片式南疆红枣糖度无损检测实验装置的设计和研究

“大学生创新创业训练” 项目申报书 学 院： 机械电气化工程学院 项目名称： 滤光片式南疆红枣糖度无损检测实验装置的设计和研究 项目类型： 创新训练项目 □ 创业训练项目 负 责 人： 马伟强 指导教师： 罗华平     塔里木大学教务处 二〇一四年三月 填 写 须 知 一、项目分类说明： 1.创新训练项目是本科生个人或团队，在导师指导下，自主完成创新性实验方法的设计、设备和材料的准备、实验的实施、数据处理与分析、总结撰写等工作。 2.创业训练项目是本科生团队，在导师指导下，团队中每个学生在项目实施过程中扮演一个或多个具体的角色，通过编制商业计划书、开展可行性研究、模拟企业运行、进行一定程度的验证试验，撰写创业报告等工作。 二、申报书请按顺序逐项填写，填写内容必须实事求是，表达明确严谨。空缺项要填“无”。 三、申请参加大学生创新创业训练计划项目团队的人数含负责人在内不得超过5人。 四、填写完后用A4纸张双面打印，不得随意涂改。 项目名称 滤光片式南疆红枣糖度无损检测实验装置的设计和研究 项目起止时间 2014 年 5月 至 2015年 5月 负责人 姓名 年级 所在学院、专业 联系电话 E-mail 马伟强 大二 机电院 电气化16-2 183******** 646992183@qq.com 项目组成员 李永健 大二 机电院 电气化16-1 183******** 545098249@qq.com 李靖 大二 机电院 电气化16-1 183******** 948323894@qq.com 高楠 大二 信息院 计算机16-5 183******** 1134860324@qq.com 安玉洁 大二 信息院 计算机16-5 183******** 623325778@qq.com 指导教师 姓名 罗华平 职务/职称 教授 所在学院 机械电气化工程学院 联系电话 150******** E-mail luohuaping739@163.com 导师简介 罗华平，男，教授，硕士研究生。农业机械化工程专业硕士生导师，塔里木大学农业机械化工程学科农产品加工方向学术带头人。中国农业工程学会高级会员，中国仪器仪表协会普通会员。主要从事光谱技术及农产品品质检测的应用研究。现有在读研究生6人。通过让学生参与课题的方式，先后指导农机、机械专业的15名本专科生完成#毕业#，其中一名同学获得优秀毕业论文。 一、项目简介（300字左右） 目前水果内部品质分析方法存在破坏样品、操作复杂、耗时长等不足，为了满足消费者对红枣品质和安全的要求，同时达到增加农民收入，提高红枣产品的市场价值与市场竞争力的目的，项目通对红枣样品进行漫反射光谱采集，选择多元散射校正方法对原始光谱进行预处理，并用常规理化分析方法测定了单个红枣的糖分含量，运用Kennard-Stone筛选校正样品，采用PLS算法提取样品光谱糖分的相关特征信息，利用遗传算法选择红枣糖度特征波长，建立糖度与近红外光谱的定量校正模型，并对未知样品预测。得出了3组红枣糖度吸收峰值，分别为 1210nm，1771nm,1931nm。为检测装置滤光片中心波长及带宽提供了依据。 并对检测装置硬件系统进行了的选择、设计。包括滤光片的选择（依据已有的红枣品质检测成果，选择糖度中心波长，带宽），光源的选择，可调式滤光片转盘的设计等。 红枣糖度已是当今国际农业工程与食品工程科技界的热门研究领域，本项目具有实际应用价值的基础工作，对以后进一步深入的研究，具有重要指导意义。 二、申请理由（包括自身/团队具备的知识条件、特长、兴趣等） 项目依托新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室，实验室里有可以完成项目实验的基本条件。本人已经掌握近红外光谱基本知识，也做过红枣相关实验，对课外活动很感兴趣，具有较强的组织能力与动手能力可以完成项目的主要内容。本项目部分内容源于两项国家自然基金(No.10964009和No.11164023)成果。 团队成员有负责电路、控制、机械等各个方向的人才，可以完成滤光片式南疆红枣糖度无损检测实验装置的设计设计与制作。 三、项目（项目内容、项目目标、技术路线、实验方案） 3.1项目内容 便携式近红外光谱仪硬件系统包括光源、分光系统、检测器、光纤探头、信号放大系统和显示器等。 光源多采用卤钨灯和发光二级管(LED)，卤钨灯的优点是技术成熟、价格比较低，缺点是发热大需要散热装置；发光二级管（LED）的优点是可以设定波长范围、线性度好、节能、无需散热装置，其缺点就是价格昂贵。介于综合考虑，本系统使用的是发光二级管（LED）作为系统光源，这是因为发光二级管（LED）是一种新型光源，波长范围可以设定，线性度好，适用于在线或便携式仪器。 近红外光谱仪器从分光系统可分为滤光片、光栅扫描、快速傅立叶变换、声光可调滤光器和阵列检测五种类型。其5种仪器如下： ①滤光片型仪器采用干涉滤光片进行分光。光学干涉滤光片是建立在光学薄膜干涉原理上的精密光学滤光器件，利用入射和反射之间相位差产生干涉现象，得到带宽相当窄的单色光，其波长带宽可在10nm一下，基本能达到单色器的分光质量。根据需要滤光片的中心波长覆盖范围可从紫外光到红外光。优点：采样速度快、比较坚固、可进行制造现场分析的手提式仪器，只要用于专用近红外光谱仪，如测定小麦的蛋白质和淀粉含量等。 ②光栅扫描式具有较高的信噪比和分辨率。由于仪器中的可动部件（如光栅轴）在连续高强度的运行中可能存在磨损问题，从而影响光谱采集的可靠性，不太适合于在线分析。 ③傅立叶变换近红外光谱仪是具有较高的分辨率和扫描速度，这类仪器的弱点同样是干涉仪中存在移动性部件，且需要较严格的工作环境。 ④声光可调滤光器是采用双折射晶体，通过改变射频频率来调节扫描的波长，整个仪器系统无移动部件，扫描速度快。但目前这类仪器的分辨率相对较低，价格也较高。 ⑤阵列检测器型仪器特点是分光系统中可无移动光学部件，将简单，成本低，极易实现小型化，适用于现场和在线分析，但是这类仪器的分辨率相对较低，仪器之间的一致性比光栅扫描型仪器更难保证，在对强吸收物质测量时，需要注意杂散光的影响。 检测器用于检测携带被测样品信息的光信号，是将光信号转变为电信号，并通过A/D转换器以数字信号形式输出，便携式近红外光谱仪大多采用硅基检测器。本系统使用的是砷化镓铟（GaAs）PIN 光电二极管,它只需要外加5伏的反相偏压即可正常工作，且光纤与光电二极管集成在一起,增加了光纤的耦合效率。 光纤探头一般有两种，一种是漫反射探头，用来检测固体样品，另一种是透射探头用来检测液体样品，结合光纤传导技术，应用不同类型的光纤探头可以实现各种采样方式。本项目检测红枣样本选择漫反射探头。 图2 漫反射探头简图 图3 便携式红枣近红外滤光片式光谱仪光路图 3.2项目目标 筛选出红枣糖度近红外光谱特征谱区和波长，设计出便携式红枣糖度分析仪，并使用该分析仪对红枣糖度的测定，精度控制在5%以内。 3.3技术路线 技术路线如图3所示。糖度中心波长选择波前期工作依托国家自然基金已经完成，研究寻找出红枣糖度中心波长。 图4 技术路线图 图5 分析仪检测红枣糖度流程 3.4实验方案 光源：选择发光二极管（LED），波长可选，线性度好，适合专用便携式分析仪，分布方式圆形分布。 图6 光源分布方式图 检测器：选择的是砷化镓铟PIN 光电二极管,它响应速度快，信噪比和灵敏度高。 光纤探头：选择漫反射光纤探头，适用于红枣等固定、粉末状物体漫反射检测。 图7 漫反射光信号接收示意图 分光系统选择：滤光片式分光，采样速度快、比较坚固、可制造现场分析的手提式仪器。滤光片选择“深圳市赓旭光电科技有限公司”生产的窄带滤光片。并采用可调式滤光片式，滤光片的选择（依据已有的红枣品质检测成果，选择中心波长，带宽）。 滤光片转盘的设计如图8所示。重复定位精度机械，独立双轮盘可组合成多重滤光片，每组轮盘最多可放6个滤光片。螺纹环用于均匀锁定滤光片在确定位置。 图8 可调式滤光片转盘设计 红枣糖度检测系统总体方案： 红枣糖度检测系统是一种光机电一体化的精密分析仪器，涉及到的知识领域广，受外界影响大，因此，在系统设计时，采用模块化设计方法，先对单个模块进行调试，再将各模块连接调试，最终达到红枣糖度检测的目的。现简单设计检测系统的工作路径如图7所示，工作过程是，光源发出的光照射到红枣上，漫反射光经通过精准的光纤耦合，进入预装好的狭缝，狭缝最终决定了光谱仪的光学分辨率和光通量。从狭缝入射的光是非平行光，通过准直镜将狭缝入射光准直为平行光至光栅部件上，然后凹面全息光栅将入射光色散并反射聚焦到检测器上，将光信号转换成电信号。图2是漫反射探头简图，外圈为12个照射光源，中心为7根光纤，用于接收反射信号。 图9 红枣糖度检测系统总体方案 四、项目特色与创新 近红外光谱分析技术是一门发展迅猛的高新技术, 在分析化学领域里被誉为分析“巨人”。使用传统的分析方法测定一个样品的多种性质或浓度数据需要多种分析仪器,耗费大量人力、物力和时间,因此成本高,工作效率低,远不能适应现代工业的需要;与传统分析技术相比,近红外分析技术能在几十秒甚至几秒内,仅通过对样品的一次近红外简单测量,就能同时测定一个样品的几种甚至几十种物质或浓度数据,而且被测样品用量很少,无破坏,无污染,无损伤分析,操作简单,分析成本低。现阶段南疆红枣还是停留的外部品质分级中，内部品质分级很少涉及，应用近红外光谱分析技术检测南疆红枣糖度是该项目的特色，设计便携式近红外红枣糖度分析仪是本项目的另一创新。便携式近红外光谱仪除了在实验室里对南疆红枣进行检测外，也可以进行野外作业，通过对红枣糖度的无损快速监测,可以把握其生长趋势、预测收获期以及指导施肥等生产,有力地保证了采后红枣产品的质量。 便携式滤光片红枣糖度近红外分析仪涉及光机电 ，多学科知识，增强工程实践动手能力和拓展学生扩展知识面等。滤光片波长选择针对南疆红枣，便携式红枣糖度分析仪方便和专用性，具有地方特色。 新疆红枣相对于国内其他地方红枣品质优良，但是，加工分级技术却远远落后于国内其他地方，糖度的快速无损检测需要用到近红外光谱仪，通用型光谱仪体积大、价格昂贵（价格通常在10万到100万不等），而专用便携式光谱体积小，价格便宜，适合中小型红枣加工厂家购买，在新疆有广泛的普及应用前景。 工程实践训练，所需器件选型，厂家，价格，性能，以南疆红枣品质糖度无损检测为目标，通过选型过程完成一个南疆红枣品质专用检测设计方案 五、项目预期成果 申报论文2篇，国内核心期刊收录。 六、项目进度安排 2014年 5月-9月 查阅文献与相关资料，去学校周边团场采集红枣样本，并应用赛默飞世尔科技生产的近红外光谱仪采集红枣光谱，应用直接滴定法来检测红枣糖度。 9月-12月分析红枣光谱与红枣糖度实验数据，建立红枣糖度近红外模型，筛选红枣糖度近红外特征谱区和特征波长，选择滤光片分光系统。 2015年 1月-4月去市场选择合适的发光二级管（LED）、探测器、漫反射探头和信号放大器，设计制造便携式近红外红枣总糖分析仪外壳，设计电路，安装配件，完成分析仪的制作。 4月-5月 整理数据发表论文两篇，准备项目结题相关材料。 七、项目经费使用计划 本项目申请费用共计12000元。分别按如下计算： 1.实验材料费：200元 采摘红枣样品需要5公斤，每公斤/40元，共计200元；测试费及其他常用试剂等、药品、样品瓶、移液枪、各种一次培养容器和易损玻璃器皿等国家自然基金（No.11164023）支出。 2.仪器设备费，预算经费为5870元。 实验需要购买LED灯20个，市场价格高低不等，为了实验的需要购买中等价位的需要10元/个左右；砷化镓铟PIN 光电二极管网上报价580元/个；漫反射光纤探头网上报价价格1800元；滤光片分光系统网上报价1300元；信号放大器网上报价320元；液晶显示屏、电线、电池等其他材料1500元。 3.设备加工工费：1500元。 学校加工厂可以对设备进行加工制造，设备需要加工15天，工厂按每天100元计算，共计：1500元。 4. 差旅费预算500元 本课题实施中，课题组成员进行红枣的采购仪器的购买需要出差，每次出差来回需要100元车费，按5次计算总计：100×5=500元。 5.出版物/文献/信息传播费预算3400元 发表论文2篇，每篇审稿费100元，版面费1600元，小计2×（100+1600）=3400元。 6.管理费500元。为依托单位科研管理费，占总经费的4%。 指导教师： 签 名： 年 月 日 学院意见： 签名盖章： 年 月 日 学校意见： 签名盖章： 年 月 日