近紅外光譜技術(shù)在籽棉回潮率檢測系統(tǒng)的應(yīng)用

畢新勝 賈金亮 王玉剛 李玉強 曾小輝 王 斌 李長玲

(石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院1，新疆 石河子 832000;新疆天鵝現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械裝備有限公司2，新疆 五家渠 831300)

近紅外光譜技術(shù)在籽棉回潮率檢測系統(tǒng)的應(yīng)用

畢新勝1賈金亮1王玉剛2李玉強2曾小輝1王 斌1李長玲2

(石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院1，新疆 石河子 832000;新疆天鵝現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械裝備有限公司2，新疆 五家渠 831300)

隨著科技的進步，近紅外技術(shù)在定量和定性分析的科學(xué)領(lǐng)域起著越來越重要的作用。在棉花的加工生產(chǎn)過程中，籽棉回潮率的實時在線檢測一直是一個難題。通過分析研究近紅外技術(shù)在物質(zhì)水分檢測過程中的技術(shù)特點，論述了近紅外法在籽棉回潮率在線檢測系統(tǒng)中應(yīng)用的實用性和優(yōu)越性，為籽棉回潮率的在線檢測提供了一個精確可行的方法。

近紅外技術(shù) 籽棉 回潮率 實時在線 光譜檢測 數(shù)據(jù)處理

0 引言

近年來，隨著新型近紅外儀器的出現(xiàn)和軟件的升級，近紅外光譜分析在理論和技術(shù)上已經(jīng)趨于成熟，在我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用越來越受到重視。我國是農(nóng)業(yè)大國，近紅外光譜分析技術(shù)有著巨大的潛在市場，在使用規(guī)模和數(shù)量上其他國家無法與我國相比，因此我國在發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的過程中大規(guī)模應(yīng)用和研究近紅外分析技術(shù)也是大勢所趨[1]。

棉花是關(guān)系到國計民生的重要戰(zhàn)略資源，也是我國重要的經(jīng)濟作物。如何提高棉花的產(chǎn)量和加工質(zhì)量，一直是棉花加工企業(yè)需要不斷解決的問題。籽棉回潮率是棉花加工和生產(chǎn)的重要影響因素，為了提高棉花的產(chǎn)量和加工質(zhì)量，需要在棉花的加工和生產(chǎn)過程中實時檢測棉花的回潮率信息，為棉花的烘干工程提供數(shù)據(jù)參考，以保證棉花的生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。文章通過對近紅外技術(shù)的研究和分析，論述了近紅外法在籽棉回潮率檢測系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)越性。

1 近紅外光譜技術(shù)的工作原理

1.1 近紅外光的產(chǎn)生機理

根據(jù)美國材料與實驗協(xié)會標(biāo)準(ASTM)的定義，近紅外光是指波長介于可見光區(qū)與中紅外光區(qū)的電磁波，其波長范圍為780～2 500 nm，波數(shù)范圍為12 500～ 4 000 cm-1，如圖1所示為電磁波波譜圖。

圖1 電磁波波譜圖

水分子是由一個氧原子和兩個氫原子結(jié)合形成的，這兩個氫原子與氧原子結(jié)合時形成了含氫原子團和一系列原子鍵的振動能級。這些振動能級的級差數(shù)值位于近紅外光光子能量范圍[2]。當(dāng)某波長紅外光子能量與水分子的某能級差相近時，最容易被水吸收而引起能態(tài)躍遷。這就是在近紅外波段上存在多個水吸收譜峰的原因。由于水對紅外吸收峰波段光子的吸收程度與被照射的水分子數(shù)量成正比，所以可以用這種位于吸收峰波段的近紅外光能測量物質(zhì)的含水量。液態(tài)水的譜帶較寬，純水的O-H伸縮振動的一級倍頻約為1 430 nm，二級倍頻為960 nm，還有兩個合頻分別位于1 940 nm和1 220 nm附近。

1.2 波長的選擇

近紅外法測量籽棉回潮率是根據(jù)水分子對特定波長的近紅外線有強烈吸收特性的原理來實現(xiàn)的[3]。水對近紅外光有三個特性吸收峰：1 430 nm、1 940 nm和2 950 nm。通過對這三個波長的分析研究可知，1 430 nm波長對水的吸收范圍較大，一般用于濕度大于50%的物質(zhì)水分測量；2 950 nm波長對水的吸收范圍較窄，僅適用于高精度的測量。國標(biāo)規(guī)定的棉花回潮率是8.5%，回潮率的最高限度是10.5%，因此實驗選用1 940 nm波長的近紅外光作為對籽棉回潮率的檢測波長。為了獲得精確的實驗數(shù)據(jù)，還需要選擇波長為1 700 nm的近紅外光作為不被水分吸收的參考波長。

1.3 近紅外法分析樣品的物理過程

近紅外光譜檢測和分析物質(zhì)的過程：通過近紅外光的照射，近紅外光子與樣品的分子發(fā)生相互作用，樣品待測量的特征和數(shù)據(jù)信息被載入到檢測光中，形成樣品的數(shù)據(jù)分析光譜。近紅外光譜分析樣品信息的物理過程如圖2所示。

圖2 近紅外光譜分析樣品信息的物理過程圖

2 近紅外檢測的技術(shù)特點

近紅外光譜可以分為三個譜區(qū)：短波近紅外、中波近紅外和長波近紅外譜區(qū)。其中，長波近紅外譜區(qū)波長范圍在1 600～2 500 nm,主要承載的是C-H、N-H、O-H這些基團的合頻信息。系統(tǒng)主要選擇1 940 nm波長的近紅外光檢測籽棉的回潮率信息。

2.1 近紅外法檢測籽棉回潮率的方法

近紅外光譜的常規(guī)分析技術(shù)有透射光譜法(near infrared transmittance spectroscopy,NITS)和漫反射光譜法(near infrared diffuse reflectance spectroscopy,NIRDRS)兩大類。其中NITS是根據(jù)透射光與入射光光強的比例關(guān)系來獲得物質(zhì)的光譜信息，一般用于比較均勻透明的液體物質(zhì)的檢測分析。NIRDRS是根據(jù)反射光與入射光的光強的比例關(guān)系來獲得物質(zhì)的光譜信息，一般用于固體樣品(纖維、粉末或顆粒)在長波近紅外區(qū)的檢測分析。實驗選用漫反射法檢測籽棉的回潮率信息。由于纖維狀樣品的測量難度較大，在籽棉的生產(chǎn)加工過程中，在生產(chǎn)線上籽棉的傳輸速度較快，采用非接觸式的測量方法可以提高生產(chǎn)效率。但是由于測量的信號較弱，影響測量精度，因此在被測籽棉的底層放置漫反射的反射物，可以有效加強光的反射強度，提高籽棉的檢測精度，降低系統(tǒng)的檢測誤差。

2.2 近紅外法檢測籽棉回潮率的技術(shù)要點

近紅外光譜法在檢測樣品的過程中，根據(jù)不同樣品的檢測依據(jù)，檢測方法和檢測的性能有著不同的技術(shù)方法和分析流程。

系統(tǒng)選用漫反射法檢測籽棉的回潮率信息。近紅外漫反射檢測過程的一般流程通常包括建模和預(yù)測兩個部分[1]。建模的流程如圖3所示。

圖3 近紅外檢測建模流程圖

首先選取一定量的籽棉樣品，采用常規(guī)方法測量出籽棉的回潮率標(biāo)準值；并用檢測系統(tǒng)測量出樣品的近紅外光譜信號。再用各種定性分析方法剔除異常樣品，把保留下的樣品分為預(yù)測集和校正集，通過校正集的光譜信號和回潮率數(shù)值的關(guān)系利用多元校正方法建立校正模型。如果預(yù)測值的誤差在允許范圍內(nèi)就輸出校正模型，否則重新劃分校正集和預(yù)測集，再次建立校正模型，直到校正模型滿足要求為止。

籽棉回潮率預(yù)測流程圖如圖4所示。首先，在相同的環(huán)境和條件下測量籽棉樣品的近紅外光譜信號，并采用與建模時相同的處理算法。然后，選用適當(dāng)?shù)男ＵＰ蚚4]進行模型的適應(yīng)度檢測，根據(jù)模型與籽棉樣品的近紅外光譜信號預(yù)測出未知樣品的回潮率數(shù)據(jù)。

圖4 近紅外檢測未知樣品的預(yù)測流程圖

2.3 近紅外光譜檢測法的特征和優(yōu)勢

近紅外光譜區(qū)的信息主要是若干個不同基頻的倍頻和合頻譜帶的組合，近紅外光譜具有以下幾個特征[1]。

(1) 信息范圍：近紅外區(qū)主要吸收的是分子或原子振動基頻在2 000 cm-1以上即波長在2 500 nm以下的倍頻或合頻。

(2) 信息量大：近紅外光譜區(qū)包括許多不同組合形式的合頻吸收，因此譜帶復(fù)雜，信息豐富。

(3) 信息強度弱：倍頻與合頻躍遷的概率比基頻躍遷小得多，因此近紅外譜區(qū)的吸收強度低。

(4) 譜峰重疊度高：由于分子的倍頻尤其是合頻

吸收的組合方式很多，因此近紅外區(qū)的譜帶嚴重重疊，難以用常規(guī)方法解析圖譜。

近紅外光譜檢測有如下優(yōu)勢。

(1) 測試簡單，不需要前處理和化學(xué)反應(yīng)過程；

(2) 測試速度快，測試過程一般在1 min內(nèi)完成，縮短了測試周期；

(3) 測試效率高，對操作人員無專業(yè)化要求，單人即可完成多個化學(xué)指標(biāo)的大量測試；

(4) 測試過程無污染，檢測成本低；

(5) 測試精度不斷提高，模型不斷優(yōu)化，重復(fù)性好；

(6) 適用樣品范圍廣，可以直接測量樣品，測試方便；

(7) 對待測樣品沒有損傷；

(8) 具有良好的傳輸特性，有利于實現(xiàn)在線分析。

3 系統(tǒng)工作過程

3.1 系統(tǒng)的工作流程

首先，由光電二極管提供近紅外光，經(jīng)過準直鏡將發(fā)散的光線整合成平行的光線，平行光線經(jīng)過斬光輪上的兩個濾波片過濾透射1 940 nm檢測波長和1 700 nm參考波長的近紅外光，得到的光線照射到待測籽棉上。然后，經(jīng)過準直鏡透射到光電傳感器，即得到實驗所需的檢測信號。通過待測籽棉反射得到的光學(xué)信號經(jīng)過光電傳感器轉(zhuǎn)換成電信號后需要經(jīng)過電路處理和控制系統(tǒng)的處理[5]。光電傳感器輸出的電信號是一個不穩(wěn)定的信號，在經(jīng)過一系列濾波、放大、整形之后才可以獲得相對穩(wěn)定的信號。系統(tǒng)得到的穩(wěn)定電信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換后輸入到單片機[7]，通過單片機的計算處理得到籽棉的回潮率參數(shù)，進而通過計算機的運算控制對后續(xù)籽棉的烘干處理提供可靠的數(shù)據(jù)參考。

系統(tǒng)的工作過程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)的工作過程圖

3.2 近紅外檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理過程

比爾-郎伯定律[8]為近紅外光譜的定量分析奠定了基礎(chǔ)，通過儀器測得的數(shù)據(jù)可以得到與籽棉回潮率有一定關(guān)聯(lián)關(guān)系的計算公式，即：

Aλ=ελcl

(1)

式中：Aλ為籽棉在檢測波長下的吸光度；ελ為籽棉在檢測波長下的吸光系數(shù)；c為籽棉的回潮率大小；l為光程，即光用過樣品的行程。

近紅外漫反射光譜法利用籽棉對長波近紅外區(qū)的光吸光系數(shù)大、吸光度強以及光的穿透能力弱的特點來檢測籽棉的回潮率大小。由于漫反射法是近紅外光線與籽棉的分子內(nèi)部的作用，因此漫反射法的定量分析遵守Kubelka-Munk方程，其表達式為：

式中：R∞為樣本厚度無窮大時的相對漫反射率；A為吸光度；K為籽棉的吸收系數(shù)；S為籽棉的散射系數(shù)。

對于只有一種組分的樣品，當(dāng)樣品的濃度不高時，吸光系數(shù)K與樣品濃度c成比例，即：

K=εc

(2)

式中：ε為摩爾吸光系數(shù)；c為籽棉的回潮率大小。

由式(2)可以看出，漫反射的吸光度與籽棉的回潮率大小呈線性關(guān)系，但是在漫反射光譜測量中，漫反射吸光度A與籽棉的回潮率大小的線性關(guān)系只有在散射系數(shù)S不變時才能成立，這是在近紅外漫反射從樣品制備到數(shù)據(jù)處理全過程必須要注意的[8]。

通過儀器的檢測和數(shù)據(jù)計算過程得到的回潮率數(shù)據(jù)為籽棉烘干過程提供可靠的數(shù)據(jù)保障，提高了棉花自動化加工過程，能夠?qū)崿F(xiàn)棉花生產(chǎn)加工過程的連續(xù)和實時的監(jiān)控，確保獲得高質(zhì)量的棉花產(chǎn)品。

4 結(jié)束語

現(xiàn)代近紅外光譜檢測分析技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了近半個世紀，在理論和技術(shù)上都逐漸趨于成熟。隨著新型近紅外儀器的出現(xiàn)，利用近紅外光譜技術(shù)檢測物質(zhì)水分的方法已經(jīng)在很多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，近紅外光譜技術(shù)在我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也出現(xiàn)了新局面，但是在籽棉回潮率的檢測方面還未能出現(xiàn)新的突破。本文通過介紹一些有關(guān)近紅外光譜檢測的工作原理和技術(shù)特點，設(shè)計出適合籽棉回潮率檢測方法和系統(tǒng)。近紅外光譜檢測籽棉回潮率的方法與常規(guī)的電阻法、烤箱法等檢測方法相比具有很大的優(yōu)勢。近紅外法檢測以其快速、無損檢測等諸多優(yōu)點，可以實現(xiàn)籽棉回潮率的在線實時快速檢測，能夠及時獲得籽棉的回潮率信息，為后續(xù)加工過程對籽棉的烘干控制提供數(shù)據(jù)保證。近紅外在線檢測籽棉回潮率系統(tǒng)的應(yīng)用能夠提高棉花的加工生產(chǎn)效率，促進棉花加工的自動化進程，能夠產(chǎn)生很大的經(jīng)濟效益和社會效益，具有廣闊的發(fā)展前景。

[1] 張小超，吳靜珠，徐云，等.近紅外光譜分析技術(shù)及其在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2] 劉兵輝.高精度近紅外水份儀的設(shè)計與應(yīng)用[D].長春：吉林大學(xué)，2006.

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[5] 童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社,2002.

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[7] 馮博琴.微型計算機原理與接口技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2002.

[8] 嚴衍祿，陳斌，朱大洲，等.近紅外光譜分析的原理、技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2013.

Application of Near Infrared Spectroscopy Technology in Detection System of Seed Cotton Moisture Regain

As technology advances, the near infrared technology has become increasingly important in scientific fields of quantitative and qualitative analysis. In cotton production processes, the real time and online detection of seed cotton moisture regain is always a difficult problem. Through analyzing and researching the technical characteristics of near infrared technology in detection process for moisture of substances, the practicality and superiority of applying near infrared method in online detection of seed cotton moisture regain are expounded. This provides a precise and feasible method for online detection of seed cotton moisture regain.

Near infrared technology Seed cotton Moisture regain Real time online Spectrometric detection Data processing

兵團高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新專項基金資助項目(編號：2012AC001)。

畢新勝(1971-)，男，2007年畢業(yè)于石河子大學(xué)農(nóng)機化工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，教授；主要從事農(nóng)業(yè)機械自動化控制與性能檢測方向的研究。

TP29

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201509018

修改稿收到日期：2015-01-09。