一种稻谷水分含量快速无损检测装置及方法

摘要

本发明公开了一种稻谷水分含量快速无损检测装置及方法，包括检测探头、载样盒、主控板，所述检测探头内设有聚光杯、检测板、光源板、LED光源、宽带滤光片；光源板上LED光源发射特定波长的光照射检测区域内的稻谷样本，聚光杯聚集经过宽带滤波片的反射光，检测板对经过反射光进行接收、放大和滤波，将包含光谱信息的微弱光信号转化成易探测的电信号，主控板对光电信号进行采样，并结合稻谷水分含量预测模型进行计算处理，最后通过屏幕显示水分含量值。同时装置具有充电、按键控制、数据存储功能。本发明的设计可以利用光谱技术快速对稻谷水分进行无损检测，并且便于携带，适用于现场环境下稻谷水分含量检测。

说明书

技术领域

本发明涉及光电检测仪器领域，具体涉及一种稻谷水分含量快速无损检测装置及方法。

背景技术

在稻谷的入库储藏过程中，稻谷品质受到其水分含量影响。水分含量偏高，稻谷生理活动增强，加速内部的营养物质消耗，导致稻谷营养价值降低，而且细菌在这种环境下更容易繁殖引发霉变。水分含量偏低，稻谷的有机结构会因细胞水分缺失遭受损害，使加工产出的大米的口感难以保证，从而导致稻谷加工的精米率降低。因此，检测稻谷水分含量对指导粮食存储具有重要意义。

目前谷物水分含量检测方法主要集中在烘干法和介电测量法，而光电检测方法因快速、无损、准确等优点广泛应用于谷物水分含量检测领域。由于在可见-近红外光谱中有特征吸收峰与待测样本的水分含量相关，因此应用光电检测方法检测谷物水分含量具有可行性。虽然光电检测方法具有独特的检测优势，但光谱仪存在成本高体积大且需要结合上位机使用等局限性，致使光电检测技术应用在谷物水分含量检测的现场环境时面临成本高和便捷性不佳的挑战。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，为了能够实现快速无损、操作简单的稻谷水分含量检测，本发明提出了能够在现场环境下的谷物水分检测装置及方法。

本发明所采用的技术方案如下：

一种稻谷水分含量快速无损检测装置，包括检测探头、载样盒、主控板，所述检测探头内设有聚光杯、检测板、光源板、LED光源、宽带滤光片；

检测板位于聚光杯的出射端，且在检测板上安装有光电传感器，光电传感器位于聚光杯出射端的中心位置；

光源板位于聚光杯的入射端，且光源板上设有通光孔，通光孔位于聚光杯入射端的中心位置，光源板上还设有LED光源；

光源板和宽带滤光片之间设置空腔，LED光源通过光导材料引入空腔内且朝向宽带滤光片的中心设置；

载样盒上设有标准反射白板、标准吸收黑板和载样腔；

主控板设置在检测探头上，主控板上设置有单片机、电源充放电模块、A/D采样模块、光照强度调节模块、FLASH存储模块、电源开关、按键和OLED显示屏；各单元之间电性连接。

进一步，检测板上还设有放大滤波模块，放大滤波模块用于信号连接主控板和光电传感器。

进一步，通光孔正对聚光杯的入射端，且光电传感器、聚光杯和通光孔处于同一中心轴线上。

进一步，载样盒上设有标准反射白板和标准吸收黑板，用于检测探头的黑白校准。

进一步，电源充放电模块的充电端与外置的USB-micro充电接口1电性连接，电源充放电模块的电源端与锂电池电性连接，电源充放电模块的负载端分别与光源板、检测板和主控板上的其他模块电性连接。

进一步，所述A/D采样模块信号连接检测板的放大滤波模块和单片机，FLASH存储模块信号连接单片机，OLED显示屏信号连接单片机，光照强度调节模块光照强度调节模块，按键提供指令控制，提供指令控制。

进一步，LED光源包括850nm参比光源、960nm检测光源和910nm检测光源，960nm检测光源和910nm检测光源分别位于LED光源850nm参比光源的两侧。

进一步，LED光源设置两组，两组在光源板上相对布置，两组LED光源在圆柱状空腔内壁对称环状分布。

一种稻谷水分含量快速无损检测方法，包括以下步骤：

步骤1，黑白校准：打开电源开关，将检测探头对准标准反射白板，960nm光源、910nm光源和850nm光源依次点亮，反射光信号通过宽带滤光片和聚光杯，最后被光电传感器接收，单片机记录白光谱值；同理记录黑光谱值；

步骤2，取样检测：将待测稻谷置入载样盒，使检测探头紧贴稻谷表面，记录样本光谱值；

步骤3，信号处理：将白光谱值、黑光谱值和样本光谱值进行处理，最终得到稻谷的水分含量值；

步骤4，重复检测：更换新的待测稻谷，重复步骤2和步骤3，得到新的稻谷水分含量值，完成稻谷水分含量的检测。

进一步，白光谱值表示为：W＝{W

黑光谱值表示为：B＝{B

根据白光谱值、黑光谱值和样本光谱值计算三个波段下的样本反射率值，记录为数组R,表示为：

其中，B

将

本发明的有益效果：

1、本装置易携带，可实现现场快速检测，无需专业人员进行操作。

2、本装置采用两个检测波长和一个参比波长的光电检测方法，结合双端对称环状光源，降低稻谷间隙、温湿度和光照方向等因素干扰，在低成本条件下提高了装置的检测精度。

3、本装置相较于实验室光谱仪测量水分方法简化了检测流程，提高了检测效率。

附图说明

图1是本发明检测装置的结构透视图；

图2是本发明检测装置中探头的结构图；

图3是本发明检测装置中光源分布示意图；

图4是本发明检测装置中载样盒的结构图；

图5是本发明检测装置的外观；

图6是本发明检测装置中探头的原理框图；

图7是本发明检测装置的工作流程图；

图中，1、USB-micro充电接口，2、白校准按键，3、黑校准按键，4、检测按键，5、切换按键，6、光电传感器，7、OLED显示屏，8、主控板，9、检测板，10、电源开关，11、聚光杯，12、通光孔，13、960nm光源，14、850nm参比光源，15、910nm光源，16、光源板，17、载样盒，18、宽带滤光片，19、检测探头，20、标准反射白板，21、标准吸收黑板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

在本实施例中，一种稻谷水分含量无损检测装置，包括检测探头19、载样盒17、主控板8，检测探头19内设有聚光杯11、检测板9、光源板16、LED光源、宽带滤光片18。

更具体地，检测板9位于聚光杯11的出射端，且在检测板9上安装有光电传感器6，光电传感器6位于聚光杯11出射端的中心位置；检测板9上还设有放大滤波模块，放大滤波模块用于信号连接主控板8和光电传感器6，实现光电转换、降噪和放大信号。

光源板16位于聚光杯11的入射端，且光源板16上设有通光孔12，通光孔12位于聚光杯11入射端的中心位置，通光孔12正对聚光杯11的入射端，且光电传感器6、聚光杯11和通光孔12处于同一中心轴线上。光源板16上还设有LED光源，LED光源由单片机通过三极管驱动，且工作功率受光照强度调节模块控制。

光源板16和宽带滤光片18之间设置空腔，LED光源通过光导材料引入空腔内，且均以45°入射角朝向宽带滤光片18的中心设置。

载样盒17上设有标准反射白板20和标准吸收黑板21。更具体地，如图4所示的载样盒17分为正侧和反侧，正侧为样本装入侧，且在正侧的底部设置有标准反射白板20，反侧的底部设置有标准吸收黑板21，黑、白板用于完成探头的黑白校准。

如图6，主控板8上设置有单片机、电源充放电模块、A/D采样模块、光照强度调节模块、FLASH存储模块、电源开关10、按键和OLED显示屏7。电源充放电模块的充电端与外置的USB-micro充电接口1电性连接，电源充放电模块的电源端与锂电池电性连接，电源充放电模块的负载端分别与光源板16、检测板9和主控板8上的其他模块电性连接。当装置处于USB-micro电源线直接供电状态时，锂电池处于充电状态，同时当电源线断开时，装置依靠锂电池供电继续工作。

A/D采样模块信号连接检测板9的放大滤波模块和单片机，主控板8对经过放大滤波模块处理后的信号进行A/D采样，再通过单片机计算处理采样的信号。

FLASH存储模块信号连接单片机，FLASH存储模块保存数据和预测模型。

OLED显示屏7信号连接单片机，用于输出检测结果。

光照强度调节模块光照强度调节模块，对LED光源的工作功率进行控制。

按键提供指令控制，提供指令控制。如图5，按键包括白校准按键2、黑校准按键3、检测按键4、切换按键5、电源开关10，用于启动相应的功能。

在本实施例中，LED光源包括850nm参比光源14、960nm检测光源13和910nm检测光源15，960nm检测光源13和910nm检测光源15分别位于LED光源850nm参比光源14的两侧。

在本实施例中，LED光源设置两组，两组在光源板16上相对布置，两组LED光源在圆柱状空腔内壁对称环状分布。

在本实施例中，如图1和2所示，在探头内部检测板9通过长管支架水平固定。

如图7所示，基于上述稻谷水分含量无损检测装置，本发明还提出了一种稻谷水分含量无损检测方法，包括以下步骤：

步骤1，打开电源开关，将检测探头19的探头检测区域贴合标准反射白板20，按下白校准按键2，960nm光源、910nm光源和850nm光源依次点亮，反射光信号通过宽带滤光片(18)和聚光杯(11)，最后被光电传感器(6)接收，光电传感器6接收反射的光信号并转换为电压信号，单片机记录白光谱值；此时装置分别测量三个波段光源照射下的电压值，代表装置的白光谱值，记录为数组W，表达式为：

W＝{W

其中W

同理，将检测探头19的探头检测区域贴合标准吸收黑板21，按下黑校准按键3，同上，此时装置分别测量三个波段光源照射下的电压值，代表装置的黑光谱值，记录为数组B，表达式为：

B＝{B

其中B

步骤2，将待检测的稻谷样本装入载样盒17中，探头贴合稻谷表面，按下检测按键4，此时装置分别测量三个波段光源照射下的电压值，代表装置测量的样本光谱值，记录为数组S，表达式为：

S＝{S

其中S

步骤3，单片机根据白光谱值、黑光谱值和样本光谱值计算三个波段下的样本反射率值，记录为数组R,计算表达式为：

其中R

根据测量-参比方法理论，在FLASH存储模块中移植稻谷水分含量预测模型，预测模型以

预测模型的表达式为：

步骤4，在载样盒17中替换新的稻谷样本，将探头贴合稻谷表面，按下检测按键4，装置得到新的水分测量值，当按下切换按键时，输出结果切换为最近三次测量值的平均值。当完成检测工作后，关闭电源开关，将探头朝下并用载样盒17盖住，完成装置的收容。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。