光纖光譜儀在水果檢測和分選領域的應用

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概要
作為水果生產大國，提高水果的品質既能滿足人民日益提高的生活水平的要求，也可進一步提升國產水果在市場上的競爭力。在水果生長成熟階段，光照、施肥、溫度等客觀因素均會影響水果的品質，故準確檢測水果的生長情況以及采摘后對水果的質量分選至關重要。水果無損檢測技術（NDT）是在不破壞檢測物料的情況下，根據物料內部變化引起的光、聲、熱、電、磁等物理特性的變化檢測并判斷物料的質量。與傳統化學檢測相比，無損檢測技術具有不會破壞被檢對象，并且可以對全部果實進行檢測，避*不*性，測試速度快的優勢。

某水果分選現場

光譜檢測技術是一種非接觸、非破壞性的無損檢測技術，水果內部不同成分和特性對不同波長的光的反射率、透射率和吸光度表現不同，所以可以通過光譜儀檢測水果對照明光源的反射光譜或者透射光譜進而分析判斷水果的可溶性固形物、色澤、糖分、酸度等特性。目前該方法已經廣泛被用于檢測臍橙、蘋果、桃子、芒果、杏子、獼猴桃、西瓜等水果，此外因為其方便快捷的優勢，也廣泛應用于其他農產品如雞蛋、谷物、飼料、紫薯等的分選檢測。

本文以荷蘭Avantes公司的微型光纖光譜儀AvaSpec-HS2048XL-EVO和AvaSpec-ULS2048XL-EVO為例，介紹微型光譜儀在水果檢測和水果分選方面的應用。

Avantes光譜儀模塊化，且體積小巧，方便便攜、手持式測試使用或集成到檢測生產線中。AvaSpec-HS2048XL-EVO和AvaSpec-ULS2048XL-EVO都采用高靈敏度背照式CCD探測器，該探測器在近紅外波段響應性能*，同時可見紫外部分也有很高的效率，測試精度高。儀器信噪比性能*，可有效去除噪聲的影響。搭配USB3的電路板，小積分時間可達到微秒量級，實現高速測試，提高工作效率。包含多種編程語言的DLL動態鏈接庫可以集成到不同系統軟件中。

水果品質檢測方法

水果品質檢測光路

目前用于水果無損檢測的主要光譜檢測方法有反射光譜法、漫反射光譜法、透射光譜法，其光路分別如下圖所示。在這些光路中，光源可采用單個或多個50 W鹵素燈組合的方式，既可以提高光照功率，也可以提高光照均勻度。光譜儀可以采用Avantes生產的光纖光譜儀，其體積小，方便集成到系統中，波長范圍多可以覆蓋200-2500 nm，短積分時間可以達到2 μs，滿足對全部物料快速、高效的測試需求。光纖可采用Avantes 800 μm或者1000 μm的大芯徑，提高光通量，金屬鎧甲包層可保護光纖避免損傷。此外，Avantes也可提供多種附件選擇，滿足不同的應用場景。

不同光學測試方法

在水果生長階段，利用Avantes光譜儀的小巧性能將光譜儀、光源、光纖集成到系統中實現便攜手持測試方式，避免采摘破壞水果，同時根據測試結果合理安排施肥、灌溉、培育、采光等條件。通過檢測成熟度，準確確定采摘時間并設定理想的果實存儲環境。在水果采摘后，也可將Avantes光譜儀集成到生產線中，通過光譜儀檢測水果可溶性物質、糖度、甜度、挫傷、腐爛等特性對水果進行自動篩選及質量評級，使生產者能夠保證高質量的同時向消費者提供同一的質量。Avantes快速準確的優勢可大大提高產線的工作效率。

水果品質檢測數據處理

研究人員用AvaSpec光譜儀以及鹵鎢燈照明光源(AvaLight-HAL-S-Mini),光纖反射探頭對富士蘋果的近紅外光譜(600 - 1100 nm)進行了研究，在測試到光譜數據后，研究人員開發了一種關聯果實固含量、含水量和硬度特征的算法。從這些數據中，研究小組能夠分離出對預測內部水果質量有用的敏感波長。為了減少數據集，該團隊進一步討論了選擇適當波長的各種方法，而不是監測整個近紅外光譜。這種選擇關鍵波長以小化數據集的方法成為便攜式和內聯傳感系統(如Avantes OEM合作伙伴目前正在開發的系統)開發的重要組成部分。以下為部分測試數據集。