漫透射近红外光谱的便携式面粉品质安全检测仪的设计

摘要

基于近红外漫透射光谱分析技术,设计了便携式面粉品质安全检测仪,该检测仪主要包括光谱采集模块、光源控制模块、处理与显示模块以及电源模块。其中漫透射检测附件不仅可以实现光谱补偿功能,还可以有效避免外界杂散光的干扰,设计了控制光源开关的电路,通过实验确定样品的最佳厚度。选用树莓派4B作为核心处理器,选用可充电锂电池供电,仪器可持续供电2 h,仪器大小为250 mm×170 mm×300 mm。以去除麸皮后由小麦磨成的面粉为研究对象,总共180份样品,每份样品再分三份,分别为黄色、红色和蓝色。对所有的红色样品使用波长为900~1870 nm的近红外漫透射光谱进行光谱信息采集并记录,对所有的黄色样品进行湿度值的测量并记录,对所有的蓝色样品进行DON含量的测量并记录,三种样品需要同时进行测量。利用箱线图剔除光谱两端的噪声和一个异常样本,最终选取1048~1747 nm波段光谱进行建模。利用多元散射校正(MSC)、S-G卷积平滑和标准正态变换(SNV)对原始光谱数据进行预处理,分别建立了面粉湿度的偏最小二乘回归预测模型和DON含量超标与否的PCA-逻辑回归分类模型。所建湿度的最优PLSR预测模型的建模集和预测集相关系数分别为0.883和0.853,均方根误差分别为0.382%和0.286%,残差预测偏差RPD为2.5;所建DON含量超标与否的PCA-逻辑回归分类模型的预测集ROC曲线下的AUC值为0.927,混淆矩阵显示未超标样本的预测准确率为96%,超标样本的预测准确率为89%。基于PyQt5设计GUI界面,运用Python语言编写了面粉品质实时检测系统,该检测软件可以实现PLSR、PCA-逻辑回归模型的训练、保存和加载。利用外部验证集试验验证了便携式面粉多品质检测仪的精确性和稳定性。结果显示面粉湿度的外部验证集相关系数和均方根误差为0.876和0.21%,最大相对误差为2.89%。面粉DON含量超标与否的识别准确率为90%,表明该仪器可以对面粉的湿度和DON含量超标与否进行无损检测分析。