一種基于光譜原理的自動(dòng)淀粉含水量檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

張?zhí)焯?邵安晨

摘要：傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室烘干稱重法檢測(cè)淀粉含水量過程復(fù)雜，檢測(cè)周期長(zhǎng)，而電阻或電容式水分檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)精度又不高。針對(duì)這些問題，利用可見光譜技術(shù)，結(jié)合自動(dòng)控制原理對(duì)淀粉含水量檢測(cè)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)出一種基于光譜原理的自動(dòng)淀粉含水量檢測(cè)裝置。相比于傳統(tǒng)的淀粉含水量檢測(cè)方法，該基于光譜原理的自動(dòng)淀粉含水量檢測(cè)裝置不僅可以實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)，其檢測(cè)精度也要顯著高于傳統(tǒng)的阻容式含水量測(cè)量?jī)x。通過可見光譜傳感器收集對(duì)淀粉含水量敏感波段的光譜反射率數(shù)據(jù)，經(jīng)單片機(jī)中的相關(guān)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算可快速得到淀粉含水量相關(guān)的數(shù)據(jù)，對(duì)提高當(dāng)下淀粉及相關(guān)糧食產(chǎn)品的含水量檢測(cè)效率與精度具有重要意義。

關(guān)鍵詞：淀粉含水量;檢測(cè)周期;檢測(cè)精度;可見光譜技術(shù);自動(dòng)控制原理

Abstract：The traditional laboratory drying and weighing method to detect the moisture content of starch has complex process and long detection cycle， and the detection accuracy of resistance or capacitance moisture detection equipment is not high.In order to solve these problems， the visible spectrum technology and the automatic control principle were used to study the detection of starch water content， and an automatic starch water content detection device based on the spectrum principle was designed.Compared with the traditional starch moisture content detection method， the automatic starch moisture content detection device based on spectral principle can not only realize rapid detection， but also has higher detection accuracy than the traditional resistance capacitance moisture content meter.The spectral reflectance data of starch water content sensitive band is collected by visible spectrum sensor， and the data related to starch water content can be quickly obtained by calculating the relevant mathematical model in single chip microcomputer， which is of great significance to improve the detection efficiency and accuracy of starch and related food products.

Key words：Water content of starch; Detection cycle; Detection accuracy; Visible spectrum technology; Principle of automatic control

淀粉是工業(yè)生產(chǎn)中的重要原料，被廣泛用作上漿劑，粘接劑和各種食品增稠劑。淀粉不僅是是糖膠、葡萄糖和其它變性淀粉的原料，在造紙業(yè)中也作為上漿劑和涂覆劑使用，以增加紙張強(qiáng)度[1]。淀粉含水量不僅關(guān)系著物料成本和其保質(zhì)期，同時(shí)還影響漿液濃度和上漿率。當(dāng)前對(duì)于淀粉含水量檢測(cè)最常用的方法有烘干法和電容法。其中烘干法具有簡(jiǎn)單、直觀、檢測(cè)精度高的優(yōu)點(diǎn)，但該方法需要采集樣本送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)，有檢測(cè)周期長(zhǎng)，不能快速得出數(shù)據(jù)等缺點(diǎn)。電容法則是利用淀粉的介電特性、容積密度等因素對(duì)其進(jìn)行含水量檢測(cè)。電容式水分檢測(cè)儀具有體積小，檢測(cè)速度快的特點(diǎn)[2]。操作簡(jiǎn)單，便于攜帶，在農(nóng)村地區(qū)糧食收購(gòu)等場(chǎng)合被廣泛使用。但其檢測(cè)精度不如烘干法高，誤差較大，不能用于工業(yè)中更高精度的淀粉含水量檢測(cè)。本文針對(duì)傳統(tǒng)淀粉含水量檢測(cè)方法中存在的不足，設(shè)計(jì)出一種基于光譜原理的自動(dòng)淀粉含水量檢測(cè)裝置，在快速檢測(cè)的同時(shí)，保證其精度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)淀粉含水量的快速、精確檢測(cè)。

1研究背景

1.1淀粉含水量檢測(cè)的意義

工業(yè)中的淀粉生產(chǎn)是一個(gè)由濕淀粉經(jīng)干燥系統(tǒng)干燥后變?yōu)楦傻矸鄣倪^程。對(duì)于市面上銷售的淀粉，國(guó)家規(guī)定其含水量不得超過14%。在工業(yè)生產(chǎn)中，淀粉的干燥過程嚴(yán)密且復(fù)雜，對(duì)其含水量的時(shí)事監(jiān)測(cè)就顯得尤為重要。

自2016年起，我國(guó)的淀粉糖產(chǎn)業(yè)，造紙業(yè)蓬勃發(fā)展，淀粉需求量迅速增長(zhǎng)。為滿足我國(guó)快速增長(zhǎng)的淀粉需求，工業(yè)用淀粉生產(chǎn)，尤其是玉米淀粉的生產(chǎn)發(fā)展迅速，產(chǎn)量大幅提升。當(dāng)前我國(guó)市場(chǎng)淀粉含水量指標(biāo)為13.5%-14%，在滿足該指標(biāo)的前提下，淀粉含水量越高，單位原料的淀粉產(chǎn)量就越高，因此為了提高工廠利潤(rùn)，需要在符合國(guó)家指標(biāo)的前提下，盡可能地提高淀粉的含水量。例如：某淀粉廠每日淀粉產(chǎn)量可達(dá)2000噸，若其淀粉含水量為13.5%，其中水的質(zhì)量為270噸。若將其淀粉含水量控制在14%，則其中水的質(zhì)量可達(dá)280噸。因此，由于生產(chǎn)出的淀粉含水量不同，在原料質(zhì)量相同的前提下，一年中淀粉生產(chǎn)質(zhì)量最多可相差3600多噸。

除此之外，淀粉含水量也影響著淀粉在運(yùn)輸于儲(chǔ)存過程中穩(wěn)定性，可見能夠快速，準(zhǔn)確的檢測(cè)淀粉含水量，對(duì)于工業(yè)中淀粉的生產(chǎn)過程，產(chǎn)量，運(yùn)輸存儲(chǔ)等都具有重要意義。

1.2淀粉含水量檢測(cè)方法比較

當(dāng)前應(yīng)用最多的淀粉含水量檢測(cè)方法主要有兩種。一種是把待測(cè)樣本送入實(shí)驗(yàn)室，通過加熱法或烘干法去除水分，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)水含水量的檢測(cè)。另一種是通過便攜式水分檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)。

實(shí)驗(yàn)室中使用的淀粉含水量檢測(cè)方法主要包括，烘箱法、紅外線加熱干燥法和微波加熱法。其中，紅外線加熱干燥法是通過紅外輻射，產(chǎn)生與水的吸收峰值波長(zhǎng)相匹配的波長(zhǎng)，加速水分子運(yùn)動(dòng)速率從而加速水分蒸發(fā)。微波加熱法則是利用超高頻率的微波，使水分子產(chǎn)生快速振蕩和摩擦來去除水分。這三種方法都是通過樣本加熱干燥前后的質(zhì)量差值來計(jì)算樣本的含水量的，其中紅外線加熱干燥法和微波加熱法向?qū)τ趥鹘y(tǒng)烘箱法干燥速度更快[3]。實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)淀粉含水量，檢測(cè)周期長(zhǎng)，但檢測(cè)精度很高，通常用作其他水分檢驗(yàn)方法的標(biāo)定，無法進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。

便攜式水分測(cè)量?jī)x通常是通過電容法進(jìn)行水分含量檢測(cè)的。常溫下，淀粉的介電常數(shù)接近于谷物的介電常數(shù)，通常為2～5，水的介電常數(shù)為81左右[4]。淀粉含水量的變化會(huì)造成其介電常數(shù)的變化，進(jìn)而通過傳感器影響電容變化，根據(jù)電容變化情況可以找出其所對(duì)應(yīng)的淀粉含水量。其中電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)集成電路如圖1所示。

用電容法檢測(cè)淀粉含水量，具有設(shè)備便攜，維護(hù)方便，價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)[5]。可以快速得出結(jié)果，可用于實(shí)時(shí)檢測(cè)。但檢測(cè)過程中受到樣本密度，環(huán)境溫濕度的影響較大，難以實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。

2利用光譜技術(shù)檢測(cè)淀粉含水量的方法

現(xiàn)代光譜分析技術(shù)綜合了光譜學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和化學(xué)計(jì)量學(xué)等學(xué)科的成果，其分析速度快，效率高，成本合理的特點(diǎn)，被越來越多的領(lǐng)域于學(xué)科用作定性或定量分析[6]。在制藥業(yè)，食品業(yè)，石油工業(yè)等領(lǐng)域被廣泛使用。

利用光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)淀粉含水量的檢測(cè)，首先需要找出光譜中對(duì)于水分含量敏感的波段[7]。將每份采集的樣本分成A、B兩份，A組通過烘干法檢測(cè)其含水量。B組送至光譜實(shí)驗(yàn)室測(cè)定光譜。計(jì)算各波段光譜數(shù)據(jù)于淀粉含水量的相關(guān)系數(shù)，找出其中對(duì)淀粉含水量最敏感的波段。

在找出對(duì)淀粉含水量最敏感的波段后，需要找出該波段光譜數(shù)據(jù)與淀粉含水量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，建立一元回歸模型。以對(duì)淀粉含水量敏感波段的光譜數(shù)據(jù)為橫坐標(biāo)，淀粉含水量為縱坐標(biāo)，在坐標(biāo)系中描下各個(gè)點(diǎn)。根據(jù)宋韜等[8]的成果，可知含水量與光譜數(shù)據(jù)之間的數(shù)學(xué)模型如下

Y=0.00498e3.9304X ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：X為對(duì)淀粉含水量敏感的波段處經(jīng)過預(yù)處理后的光譜反射率數(shù)據(jù)，Y為淀粉含水量。

在得出淀粉含水量與對(duì)淀粉含水量敏感的波段處的光譜反射率數(shù)據(jù)的一元回歸模型后，需要對(duì)該一元回歸模型顯著性檢驗(yàn)。對(duì)模型進(jìn)行F檢驗(yàn)，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行t檢驗(yàn)。若各項(xiàng)檢驗(yàn)參數(shù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于檢驗(yàn)臨界值，則該模型擁有高度的顯著水平。檢驗(yàn)該數(shù)學(xué)模型的預(yù)測(cè)效果，可以把未用作數(shù)學(xué)建模的樣本的光譜數(shù)據(jù)帶入數(shù)學(xué)模型中，得出預(yù)測(cè)結(jié)果后，將預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，求出二者的擬合回歸方程。通過計(jì)算模型的預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)r和預(yù)測(cè)均方根誤差RMSEP可以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)精度，其中計(jì)算公式如下

3.基于光譜原理的自動(dòng)淀粉含水量檢測(cè)裝置

3.1控制原理分析

本自動(dòng)光譜水分檢測(cè)裝置采用AS7341可見光譜傳感器收集光譜數(shù)據(jù)，以stm32f103C8T6的32位單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理。設(shè)備啟動(dòng)后，先進(jìn)行初始化。然后需向系統(tǒng)中輸入用于檢測(cè)淀粉含水量的數(shù)學(xué)模型，其中數(shù)學(xué)模型的搭建方法與模型預(yù)測(cè)精確度的檢驗(yàn)方法在第二章已詳細(xì)介紹。若未輸入檢測(cè)用數(shù)學(xué)模型，則系統(tǒng)無法繼續(xù)運(yùn)行，且會(huì)顯示“請(qǐng)輸入數(shù)學(xué)模型”。檢測(cè)用數(shù)學(xué)模型輸入成功后，開啟光譜傳感器，檢測(cè)被測(cè)對(duì)象的光譜數(shù)據(jù)。檢測(cè)到的光譜數(shù)據(jù)經(jīng)放大處理后被單片機(jī)帶入淀粉含水量檢測(cè)用數(shù)學(xué)模型中，得出檢測(cè)結(jié)果。檢測(cè)結(jié)果通過顯示屏顯示并被存儲(chǔ)于單片機(jī)中。程序判斷是否需要再次檢測(cè)，若需要，則再次開啟光譜傳感器，重復(fù)檢測(cè)過程。為滿足多樣本檢測(cè)需要，該基于光譜原理的淀粉含水量檢測(cè)裝置一次最多可存儲(chǔ)二十個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)。若不需要再次檢測(cè)，則繼續(xù)判斷是否結(jié)束程序，若是，則程序結(jié)束，若否，繼續(xù)判斷是否進(jìn)行下一次檢測(cè)，指導(dǎo)受到再次檢測(cè)或結(jié)束程序的指令。其中該基于光譜原理的淀粉含水量檢測(cè)裝置控制程序流程如圖2所示。

3.2基于光譜原理的自動(dòng)淀粉含水量檢測(cè)裝置的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室淀粉含水量檢測(cè)方法，不管是用烘箱加熱還是通過紅外線或微波加熱，都避免不了將樣本加熱這一步驟，為了確保檢測(cè)的準(zhǔn)確性，還需要控制所采集樣本的質(zhì)量。而本文中的基于光譜原理的自動(dòng)淀粉含水量檢測(cè)裝置完全省略了將樣本送往實(shí)驗(yàn)室加熱這一步驟，可以直接檢測(cè)并快速得出結(jié)果?？捎糜诹魉€上快速檢測(cè)，檢測(cè)速度與檢測(cè)精度都要高于工人憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的含水量檢測(cè)。

電容式谷物水分檢測(cè)儀不僅受環(huán)境因素影響更大，在檢測(cè)時(shí)，需要將檢測(cè)裝置的兩根金屬探頭插入待檢樣本中，需要待檢樣本具有較大的質(zhì)量和體積。在需要檢測(cè)小質(zhì)量，小體積樣本的場(chǎng)合，電容式含水量檢測(cè)裝置無法使用。而基于光譜原理的自動(dòng)淀粉含水量檢測(cè)裝置利用光譜中對(duì)含水量最敏感的波段的光譜反射率來對(duì)淀粉含水量進(jìn)行檢測(cè)，比通過待檢樣本的介電常數(shù)確定其含水量的方法要更精確?；诠庾V原理的自動(dòng)淀粉含水量檢測(cè)裝置在檢測(cè)淀粉含水量時(shí)不需要傳感器與淀粉直接接觸，待檢樣本的質(zhì)量多少和體積大小不影響其檢測(cè)精度與檢測(cè)速度。各中含水量檢測(cè)方式對(duì)比如表1所示。

4結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于光譜原理的自動(dòng)淀粉含水量檢測(cè)裝置可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)中淀粉含水量的準(zhǔn)確、快速檢測(cè)?？朔藗鹘y(tǒng)的通過實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)淀粉含水量與電容法檢測(cè)淀粉含水量的缺點(diǎn)。即有很好的檢測(cè)精度，也有很高的檢測(cè)效率。在淀粉生產(chǎn)，運(yùn)輸儲(chǔ)存過程中都可應(yīng)用，對(duì)于在滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，提高淀粉含水量，保證工廠效益具有重要意義。除此之外，通過更改用于檢測(cè)的數(shù)學(xué)模型，該裝置可以用于檢測(cè)其他物質(zhì)的含水量。該基于光譜原理的自動(dòng)淀粉含水量檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，性價(jià)比高，適合在工業(yè)生產(chǎn)中大規(guī)模推廣。

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作者簡(jiǎn)介

張?zhí)焯?，男?985年出生，本科，從事淀粉、淀粉糖，發(fā)酵等生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制和設(shè)計(jì)等工作。