近红外谷物成分分析仪的制作方法
【专利摘要】近红外谷物成分分析仪，属于谷物产品成分及含量分析领域，解决了现有日本食味值探测器的测量结果不可靠影响谷物成分分析的问题，包括样品室、近红外光路系统、透射光收集系统、上位机系统和控制模块，采用铝合金制成的滤光片盘与第一步进电机电连接，第二、第三步进电机分别与阀门和滚轮电连接，控制模块接收上位机系统指令控制第一步进电机带动滤光片盘旋转并设置其滤光波长，控制第二步进电机开关阀门下料，控制第三步进电机带动滚轮转动出料；近红外光对样品透射，透射光收集系统接收处理光谱弱信号，控制模块将光谱数据输送至上位机系统并利用光谱处理分析软件进行分析处理。本实用新型测得的光谱数据稳定精准，有效避免了误动作。
【专利说明】近红外谷物成分分析仪
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及谷物产品成分及含量分析【技术领域】，具体涉及一种近红外谷物成分分析仪。
【背景技术】
[0002]在测量谷物成分及含量时，通常采用简单的物理方法或者较为复杂的化学检测方法，化学检测方法测量时间长，且费时费力，物理方法需要破坏样本，容易造成环境污染，为弥补这一缺陷，国内外已经相继开发出了许多检测仪器，如远红外、中红外、近红外光谱检测仪等，通过监测红外光照射下样本粒子产生的振动光谱，分析确定谷物成分及含量，具有不破坏样品，不用试剂，不污染环境，便于操作等特点，现已广泛应用于食品检测领域。与本发明最接近的现有检测设备是日本的食味值探测器，该探测器中的滤光片盘为塑料材质，易变形，且易受振动影响，严重影响输出结果的稳定性；样品检测时，该探测器的下料方式为电磁铁控制，功率大，热量高，容易引起样品室及周围检测器件温度的升高，严重影响器件性能及检测结果的稳定性。
实用新型内容
[0003]为了解决现有的日本食味值探测器存在的测量结果不可靠从而影响谷物成分分析的问题，本实用新型提供一种近红外谷物成分分析仪。
[0004]本实用新型为解决技术问题所采用的技术方案如下:
[0005]近红外谷物成分分析仪，包括:样品室，安装在样品室上下端的阀门和滚轮，分别靠近样品室前窗口和后窗口设置的近红外光路系统和透射光收集系统，上位机系统，与上位机系统电连接的控制模块；所述透射光收集系统与控制模块电连接；
[0006]还包括:与所述近红外光路系统中的采用铝合金制成的滤光片盘电连接的第一步进电机，分别与阀门和滚轮电连接的第二步进电机和第三步进电机；
[0007]所述第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机均与控制模块电连接，所述控制模块接收上位机系统指令控制第一步进电机带动滤光片盘旋转并设置其滤光波长，控制第二步进电机开启和关闭阀门进行下料，控制第三步进电机带动滚轮转动进行出料；
[0008]所述近红外光路系统中的近红外光通过样品室前窗口进入样品室对样品进行透射，透射光收集系统通过样品室后窗口接收光谱弱信号并对其处理后输送至控制模块，控制模块将采集到的光谱数据输送至上位机系统中，利用上位机系统中的光谱处理分析软件对光谱数据进行分析处理。
[0009]所述近红外光路系统还包括:光源、准直透镜、有色玻璃、汇聚透镜和毛玻璃，所述光源的光线依次经准直透镜准直、有色玻璃过滤、汇聚透镜汇聚调整、滤光片盘滤波、毛玻璃调整强度后通过样品室前窗口进入样品室。
[0010]所述光源采用卤素灯，光源与控制模块电连接，控制模块接收上位机系统指令控制光源的开关并对光源的光强大小进行调节。[0011]所述透射光收集系统包括:靠近样品室后窗口设置的探测器、与探测器电连接的三级放大器和与三级放大器电连接的A/D转换器；所述A/D转换器与控制模块电连接，所述探测器接收近红外光对样品进行透射后携带样品信息的光谱弱信号并将光谱弱信号转换为电信号，三级放大器对电信号进行运算放大后传入A/D转换器，A/D转换器将模拟信号转换为数字信号后将其传入控制模块。
[0012]所述探测器为硅探测器。
[0013]所述三级放大器采用AD820芯片、AD526芯片和AD526芯片联用对光谱弱信号进行三级运算放大。
[0014]所述有色玻璃为截止滤光片，用于消除近红外光路系统中的二极光谱。
[0015]所述滤光片盘采用滤光片式分光模式，过滤可见光后再进行特定波长的选择，并将复合光转换为单色光。
[0016]还包括设置在所述阀门上端的进料漏斗和设置在所述滚轮下端的出料漏斗。
[0017]所述控制模块为微控芯片。
[0018]发明原理:近红外光谱属于分子振动光谱的倍频和主频吸收光谱，主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的，近红外光谱记录的是分子中单个化学键的基频振动的倍频和合频信息，它常常受含氢基团X— H (XC、N、O)的倍频和合频的重叠主导，在近红外光谱范围内，测量的主要是含氢基团X— H振动的倍频和合频吸收。
[0019]本实用新型的有益效果是:
[0020]1、本实用新型中的滤光片盘采用铝合金材料加工而成，与现有塑料材质的滤光片盘相比，具有更强的抗震性，且不易变形，结构稳定，不易受振动影响，使最终测得的光谱数据更加稳定和精准；
[0021]2、本实用新型在对样品进行检测时，选择的下料方式和出料方式均为步进电机，即通过第二步进电机控制阀门实现下料，通过第三步进电机控制滚轮实现出料，控制模块接收上位机系统的实时信号控制这两个步进电机转动，与现有的电磁铁控制阀门开合的方式相比，本发明的线路中的产生的热量较低，避免了大电流产生热量使仪器的内部温度升高从而影响器件性能及测量结果稳定性等问题，实现了系统各器件间的实时通讯以及下料和出料的精确控制，周围检测器件的性能及检测结果较为稳定；
[0022]3、本实用新型通过控制模块实时监测，并接收上位机系统的控制指令，有效避免了电磁铁器件带来的误动作问题；
[0023]4、本实用新型的近红外谷物成分分析仪是一台智能化高精密分析仪器，可同时定量定性分析多种成分，透射深度大，可通过玻璃或石英等介质而不易被吸收等特点，尤其对谷物粮油等关系民生的重点行业提供了坚实可靠的检测支持。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本实用新型的近红外谷物成分分析仪的结构示意图；
[0025]图2为实施例1中定标样品中的水分散点示意图；
[0026]图3为实施例1中定标样品中的蛋白质散点不意图；
[0027]图4为实施例1中定标样品中的湿面筋散点示意图；[0028]图5为实施例2中定标样品中的水分散点示意图；
[0029]图6为实施例2中定标样品中的蛋白质散点不意图；
[0030]图7为实施例2中定标样品中的湿面筋散点示意图。
[0031]图中:1、光源，2、准直透镜，3、有色玻璃，4、汇聚透镜，5、滤光片盘，6、第一步进电机，7、毛玻璃，8、样品室，9、第二步进电机，10、阀门，11、进料漏斗，12、滚轮，13、出料漏斗，14、第三步进电机，15、探测器，16、三级放大器，17、A/D转换器，18、控制模块，19、上位机系统。
【具体实施方式】
[0032]以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
[0033]如图1所示，本实用新型的近红外谷物成分分析仪，包括光路系统、样品进出系统、透射光收集系统、控制模块18和上位机系统19，控制模块18与上位机系统19电连接，控制模块18接收上位机系统19的控制指令，光路系统由光源1、准直透镜2、有色玻璃3、汇聚透镜4、滤光片盘5、第一步进电机6和毛玻璃7组成，光源I采用卤素灯，光源I与控制模块18电连接，控制模块18接收上位机系统19的控制指令控制光源I的开启和关闭并对光源I的光强大小进行调节，第一步进电机6分别与滤光片盘5和控制模块18电连接，控制模块18接收上位机系统19的控制指令控制第一步进电机6转动，控制模块18可以根据上位机系统19的实时信号调整第一步进电机6的转动方式，并通过控制第一步进电机6带动滤光片盘5旋转并对滤光片盘5的滤光波长进行精确设置；光源I发出的光线经过准直透镜2的准直后形成平行入射光路，平行光入射至有色玻璃3上，有色玻璃3作为截止滤光片用于消除光路系统中的二极光谱，平行光经过有色玻璃3的过滤后入射至汇聚透镜4上，经过汇聚透镜4的汇聚调整后入射至滤光片盘5上，汇聚光经过滤光片盘5的滤波后转换为近红外光入射至毛玻璃7上，近红外光经过毛玻璃7的强度调整后通过样品室8的前窗口进入样品室8。
[0034]本实施方式中的滤光片盘5米用滤光片式分光模式,滤光片盘5上有11个滤光片，波长分别是 825nm、850nm、875nm、900nm、925nm、950nm、975nm、lOOOnm、1025nm、1050nm、1075nm，光线经过滤光片盘5之后就只有这11个波长的光线能通过，其余波长的都被过滤掉，滤光片盘5将大部分可见光过滤后再进行特定波长的选择，完成将复合光转化为单色光的过程，这样做不仅不会影响近红外范围的光谱，而且还可以尽可能地减少杂散光的影响，使进入样品室8的入射光具有良好的稳定性，是本实用新型的近红外谷物成分分析仪的核心部件。
[0035]本实施方式中的滤光片盘5采用铝合金材料制成，与塑料材质的滤光片盘相比具有更强的抗震性，而且不易变形，使最终测得的光谱数据更加稳定和精准，且其具有结构简单、光谱能量强等特点，更有易于弱信号检测的准确性。
[0036]样品进出系统由样品室8、第二步进电机9、阀门10、进料漏斗11、滚轮12、出料漏斗13和第三步进电机14组成，样品室8的上端安装有阀门10，下端安装有滚轮12，阀门10上端设置有进料漏斗11，滚轮12下端设置有出料漏斗13，阀门10与第二步进电机9电连接，滚轮12与第三步进电机14电连接，第二步进电机9和第三步进电机14均与控制模块18电连接，控制模块18接收上位机系统19的控制指令控制第二步进电机9转动，控制模块18可以根据上位机系统19的实时信号调整第二步进电机9的转动方式，并通过控制第二步进电机9实时精确控制阀门10的开关状态，通过控制阀门10的开关状态控制每次检测的样品下料量，控制模块18接收上位机系统19的控制指令控制第三步进电机14转动，控制模块18可以根据上位机系统19的实时信号调整第三步进电机14的转动方式，并通过控制第三步进电机14控制滚轮12的转动，样品室8中的样品经过近红外光透射后随滚轮12的转动排出至出料漏斗13中。
[0037]透射光收集系统由探测器15、三级放大器16和A/D转换器17组成，探测器15设置在靠近样品室8的后窗口位置，有效避免其它杂散光对探测结果的影响，探测器15与三级放大器16电连接，三级放大器16与A/D转换器17电连接，A/D转换器17与控制模块18电连接，探测器15全面接收近红外光对样品进行透射后携带样品信息的光谱弱信号，探测器15将接收到的光谱弱信号转变为电信号，电信号经过三级放大器16的运算放大后传入A/D转换器17中，A/D转换器17将模拟信号转换为数字信号后，控制模块18采集数字信号并将其传送至上位机系统19中，利用上位机系统19中的光谱处理分析软件对接收到的光谱数据进行分析处理，实现定量分析。
[0038]本实施方式中的探测器15采用硅探测器，具有价格便宜、体积小、信噪比高、热影响小等特点。
[0039]本实施方式中的三级放大器16采用三级放大结构，即分别采用AD820芯片、AD526芯片和AD526芯片联用的形式对光谱弱信号进行三级运算放大，大幅提升信号放大倍数，提高信号辨识度。
[0040]本实施方式中的A/D转换器17采用LTC1609芯片，具有动态范围宽、信噪比高、位数宽等特点。
[0041]本实施方式中的控制模块18为微控芯片，具体采用STM32F103ZET6芯片。
[0042]本实施方式中的上位机系统19中存储定标参数，将分析处理后的光谱数据与定标参数进行对比分析，得到并显示最终的谷物成分分析的测量结果。
[0043]对于特定的样品体系，近红外光谱特征峰的差别并不明显，需要通过光谱的处理减少并消除各方面因素对光谱信息的干扰，再从差别甚微的光谱信息中提取样品的定量信肩、O
[0044]本实用新型的近红外谷物成分分析仪在进行谷物成分检测过程中，每批样品分别测量三次后计算出平均值再进行下一步分析处理，有效平衡了当样品分布不均，颗粒大小和形状发生变化等客观条件下出射光谱数据的差异，得到更为准确的测量结果。
[0045]实施例1
[0046]取小麦样品55份，其中44份作为定标样品，其余11份作为验证样品，这两份样品涵盖了可能出现的各种成分含量取值范围，且在成分的整个含量范围内均匀分布，利用化学计量法测得44份小麦定标样品各成分含量的精确化学值，如表I所示，得到的各成分化学计量值，用于与本实用新型的近红外谷物成分分析仪测量出的结果进行对比。
[0047]表I
[0048]
【权利要求】
1.近红外谷物成分分析仪，包括:样品室(8)，安装在样品室(8)上下端的阀门(10)和滚轮(12)，分别靠近样品室(8)前窗口和后窗口设置的近红外光路系统和透射光收集系统，上位机系统(19)，与上位机系统(19)电连接的控制模块(18);所述透射光收集系统与控制模块(18)电连接； 其特征在于，还包括:与所述近红外光路系统中的采用铝合金制成的滤光片盘(5)电连接的第一步进电机(6)，分别与阀门(10)和滚轮(12)电连接的第二步进电机(9)和第三步进电机(14)； 所述第一步进电机(6)、第二步进电机(9)和第三步进电机(14)均与控制模块(18)电连接，所述控制模块(18)接收上位机系统(19)指令控制第一步进电机(6)带动滤光片盘(5)旋转并设置其滤光波长，控制第二步进电机(9)开启和关闭阀门(10)进行下料，控制第三步进电机(14)带动滚轮(12)转动进行出料； 所述近红外光路系统中的近红外光通过样品室(8)前窗口进入样品室(8)对样品进行透射，透射光收集系统通过样品室(8)后窗口接收光谱弱信号并对其处理后输送至控制模块(18)，控制模块(18)将采集到的光谱数据输送至上位机系统(19)中，利用上位机系统(19)中的光谱处理分析软件对光谱数据进行分析处理。
2.根据权利要求1所述的近红外谷物成分分析仪，其特征在于，所述近红外光路系统还包括:光源(I)、准直透镜(2)、有色玻璃(3)、汇聚透镜(4)和毛玻璃(7)，所述光源(I)的光线依次经准直透镜(2)准直、有色玻璃(3)过滤、汇聚透镜(4)汇聚调整、滤光片盘(5)滤波、毛玻璃(7)调整强度后通过样品室(8)前窗口进入样品室(8)。
3.根据权利要求2所述的近红外谷物成分分析仪，其特征在于，所述光源(I)采用卤素灯，光源(I)与控制模块(18)电连接，控制模块(18)接收上位机系统(19)指令控制光源(O的开关并对光源(I)的光强大小进行调节。
4.根据权利要求1所述的近红外谷物成分分析仪，其特征在于，所述透射光收集系统包括:靠近样品室(8)后窗口设置的探测器(15)、与探测器(15)电连接的三级放大器(16)和与三级放大器(16)电连接的A/D转换器(17);所述A/D转换器(17)与控制模块(18)电连接，所述探测器(15)接收近红外光对样品进行透射后携带样品信息的光谱弱信号并将光谱弱信号转换为电信号，三级放大器(16)对电信号进行运算放大后传入A/D转换器(17)，A/D转换器(17)将模拟信号转换为数字信号后将其传入控制模块(18)。
5.根据权利要求4所述的近红外谷物成分分析仪，其特征在于，所述探测器(15)为硅探测器。
6.根据权利要求4所述的近红外谷物成分分析仪，其特征在于，所述三级放大器(16)采用AD820芯片、AD526芯片和AD526芯片联用对光谱弱信号进行三级运算放大。
7.根据权利要求2所述的近红外谷物成分分析仪，其特征在于，所述有色玻璃(3)为截止滤光片，用于消除近红外光路系统中的二极光谱。
8.根据权利要求1所述的近红外谷物成分分析仪，其特征在于，所述滤光片盘(5)采用滤光片式分光模式，过滤可见光后再进行特定波长的选择，并将复合光转换为单色光。
9.根据权利要求1所述的近红外谷物成分分析仪，其特征在于，还包括设置在所述阀门(10)上端的进料漏斗(11)和设置在所述滚轮(12)下端的出料漏斗(13)。
10.根据权利要求1所述的近红外谷物成分分析仪，其特征在于，所述控制模块(18)为微控芯片。
【文档编号】G01N21/01GK203376253SQ201320460701
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年7月30日 优先权日:2013年7月30日
【发明者】朴仁官, 林新光 申请人:长春长光思博光谱技术有限公司