基于TDLAS的批量種子活力檢測裝置設(shè)計

徐云杰，沈 俞，胡 飛，賈良權(quán)，祁亨年

（1.湖州師范學(xué)院工學(xué)院，浙江 湖州 313000；2.湖州市機械工程學(xué)會，浙江 湖州 313000）

各類作物的種子在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)重要地位，如何快速、準(zhǔn)確地篩選出符合要求的高品質(zhì)種子一直是種子分選的關(guān)鍵。研究種子活力檢測技術(shù)對保障農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義［1］。目前，國內(nèi)外學(xué)者對種子活力檢測技術(shù)的研究較多，但對檢測裝置的研究相對較少［2］。某些發(fā)達國家的種子公司，如美國孟山都公司、法國利馬格蘭公司和德國科沃施公司等，均利用批量檢測裝置對商品種子進行活力篩選，但國內(nèi)目前仍沒有商品化的批量種子活力檢測裝置［3］。

研究表明，種子的活力與其呼吸強度存在正相關(guān)性。在種子的呼吸過程中，其消耗的氧氣（O2）和產(chǎn)生的二氧化碳（CO2）可有效地反映種子的活力水平［4］。將種子置于密閉容器中，利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS）技術(shù)快速測得容器內(nèi)CO2的濃度變化，從而測定種子活力［5］。

鑒于傳統(tǒng)檢測方法可能會對種子樣品造成不可逆的損傷，以及我國的種子動態(tài)實時檢測與精準(zhǔn)分級裝置尚不完善［6］，筆者提出了一種基于TDLAS技術(shù)的批量種子活力無損檢測方法，并設(shè)計了相應(yīng)的檢測裝置，旨在彌補我國在商品種子活力批量檢測裝置自主創(chuàng)新上的不足。所設(shè)計的裝置每次可檢測一整盒種子（質(zhì)量在1 kg以內(nèi)）。檢測出的高活力種子盒可直接作為商品種子出售；檢測出的中活力種子盒須進行二次檢測，即采用基于高光譜檢測技術(shù)的氣動吸附式種子活力分選機對種子進行逐粒檢測［7］，以確保分選出高活力種子，去除破損種子和雜質(zhì)；檢測出的低活力種子盒不可作為商品種子出售。

1 檢測裝置的整機結(jié)構(gòu)和工藝流程

1.1 整機結(jié)構(gòu)

批量種子活力檢測裝置主要由機架、上料機構(gòu)、種子盒、檢測機構(gòu)、傳送帶和分選機構(gòu)等組成，其整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)種子批量大小，該檢測裝置可多臺并行，組成檢測分選線。

圖1 批量種子活力檢測裝置整機結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of vigor detection device for batch seeds

1.2 工藝流程

批量種子活力無損檢測的工藝流程具體如下：

1）上料。上料機構(gòu)由下而上將種子盒運輸?shù)街付ǜ叨龋?dāng)位置傳感器感應(yīng)到種子盒后，將信號傳遞給PLC（programmable logic controller，可編程邏輯控制器），PLC通過控制送料氣缸將種子盒送出。

2）檢測。當(dāng)位置傳感器感應(yīng)到種子盒進入檢測區(qū)域時，傳送帶停止運行，夾緊氣缸工作，以固定種子盒；檢測機構(gòu)中的激光發(fā)射器和光電傳感器開始工作，并將檢測結(jié)果以電信號的形式發(fā)送給PLC。

3）分選。PLC接收到來自檢測機構(gòu)的信號后，按照檢測結(jié)果控制分選機構(gòu)中的送料氣缸工作，將種子盒推入高、中、低三個活力等級的料倉。

4）復(fù)位。分選工作結(jié)束后，送料氣缸歸位，傳送帶繼續(xù)運行。

2 檢測裝置關(guān)鍵部件設(shè)計

批量種子活力無損檢測工藝的核心環(huán)節(jié)是檢測，而基于TDLAS技術(shù)的種子盒是決定檢測質(zhì)量和速度的關(guān)鍵部件。種子盒的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其分為上、下兩層：上層為種子呼吸腔，用于放置待測種子樣品；下層為光學(xué)吸收池，用于檢測、判定種子的呼吸強度。呼吸腔和光學(xué)吸收池用1層布滿細密小孔的不銹鋼過濾網(wǎng)隔開，以保證雜質(zhì)無法進入光學(xué)吸收池，從而避免光學(xué)吸收池受到污染。光學(xué)吸收池內(nèi)部有1套反射鏡片組，激光通過鏡片組多次反射后射出；種子盒的2個側(cè)面分別開有射入孔和射出孔，用于激光的射入和射出［8］。

圖2 種子盒結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of seed box structure

種子在種子盒上層呼吸腔內(nèi)自主呼吸時產(chǎn)生CO2，然后CO2透過不銹鋼過濾網(wǎng)自動沉入下層光學(xué)吸收池［9］。利用TDLAS技術(shù)對光學(xué)吸收池內(nèi)CO2的濃度進行檢測，從而實現(xiàn)對種子活力的檢測。

2.1 TDLAS檢測原理

TDLAS檢測原理為：將一束可調(diào)諧激光射入光學(xué)吸收池，激光在光學(xué)吸收池內(nèi)經(jīng)多次反射后射出，由于光學(xué)吸收池內(nèi)氣體的吸收作用，激光射出時光強降低，通過檢測激光入射前后光強的衰減程度，計算得到光學(xué)吸收池內(nèi)氣體的濃度［10-12］。

根據(jù)比爾-郎伯定律（Beer-Lambert law）可得：

式中：Iv為激光射出后的光強；Iv0為激光射入時的光強；v為激光射出后的頻率；v0為激光射入時的頻率；P為所測氣體的壓強，通常為1個大氣壓；ρ為所測氣體的濃度；L為激光束的光程長度，即穿過被測氣體的總長度，也稱為吸收路徑的長度；g（v-v0）為氣體吸收光譜的線型函數(shù)，不同氣體的吸收光譜線型函數(shù)不同，且環(huán)境溫度、壓強等因素均會對線型函數(shù)的形態(tài)造成影響；S（T）為吸收譜線的強度，其值受熱力學(xué)溫度的影響。

由式（1）可推導(dǎo)得到所測氣體的濃度：

由式（2）可知，在其他條件不變的情況下，激光束的光程長度L與氣體濃度ρ呈反比，即激光束光程越長，氣體濃度檢測限越低。因此，在有限的尺寸范圍內(nèi)，應(yīng)設(shè)計足夠的光程，以滿足檢測需要，盡可能提高檢測精度。在本文中，光程長度L由激光在種子盒光學(xué)吸收池內(nèi)鏡片組中的反射次數(shù)決定。

2.2 光學(xué)吸收池光路設(shè)計

目前主流的光學(xué)吸收池是基于傳統(tǒng)的赫里奧特（Herriott）池和懷特（White）池進行改進設(shè)計的［13-14］。其中：赫里奧特池的光點只集中在鏡面邊緣處，導(dǎo)致鏡面利用率不高，且其激光射入點和射出點通常在同一孔位［15］，且需繞光軸傾斜5°左右射入和射出，無法滿足批量檢測所要求的激光光線應(yīng)盡可能平行地對準(zhǔn)射入孔和射出孔；懷特池的射入孔和射出孔為不同孔位，可滿足批量檢測的要求。本文選用懷特池作為種子盒內(nèi)光學(xué)吸收池的基本原型。

懷特池的反射原理（見圖3）為［16-17］：將3面具有相同曲率半徑的凹球面鏡放置在同一水平面上，其中凹球面鏡A、B放在同一側(cè)，凹球面鏡C放在另一側(cè)；凹球面鏡A、B的曲率中心位于凹球面鏡C的前表面中心，凹球面鏡C的曲率中心位于凹球面鏡A、B的前表面中心；激光從光源處射到凹球面鏡A上后，從凹球面鏡A反射到凹球面鏡C的點1處，再反射回凹球面鏡B，然后反射到凹球面鏡C的點2處，再反射回凹球面鏡A，之后再反射到凹球面鏡C的點3處，如此往復(fù)后射出。但是，懷特池的缺點是3面凹球面鏡的曲率半徑必須嚴格相等［18-19］。

圖3 懷特池反射原理示意Fig.3 Schematic diagram of reflection principle of White pool

基于懷特池的反射原理，在種子盒的光學(xué)吸收池內(nèi)放置1面大凹球面鏡、2面小凹球面鏡和2面平面反射鏡；所有凹球面鏡各用2～3個鏡夾固定在鏡架上，鏡架與光學(xué)吸收池腔體側(cè)面用螺釘緊固；所有凹球面鏡的凹面均朝里放置。為了在有限的空間內(nèi)既避免光斑重疊，又實現(xiàn)較多的反射次數(shù)，在設(shè)計時，小凹球面鏡的曲率中心水平面較大凹球面鏡低4 mm，以使光斑錯位成2排，從而實現(xiàn)更長的光程。本文種子盒中光學(xué)吸收池內(nèi)部光路的反射如圖4所示。

圖4 種子盒光學(xué)吸收池內(nèi)部光路反射示意Fig.4 Schematic diagram of internal optical path reflection of optical absorption cell in seed box

基于圖4所示的內(nèi)部光路，利用Zemax光學(xué)設(shè)計軟件對種子盒光學(xué)吸收池內(nèi)部的光路反射進行仿真模擬。初始設(shè)定光學(xué)吸收池腔內(nèi)凹球面鏡的曲率半徑均為300 mm，大凹球面鏡和小凹球面鏡在水平方向上相距300 mm。通過模擬可得，激光在光學(xué)吸收池內(nèi)約反射40次，光程可達12 m，其在大凹球面鏡上共產(chǎn)生19個光斑（見圖5），光斑排布均勻。模擬結(jié)果表明，本文所設(shè)計的光學(xué)吸收池可以滿足TDLAS檢測要求，其理論檢測極限最高可達 2.27×10-6［20］。

圖5 激光反射40次后在大凹球面鏡上產(chǎn)生的光斑Fig.5 Spot produced on the large concave spherical mirror after 40 times of laser reflection

3 檢測裝置控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)總體方案

批量種子活力檢測裝置的主要動力元件為執(zhí)行氣缸，所有氣缸均由電磁閥控制［21］。該檢測裝置的氣動控制系統(tǒng)原理如圖6所示，其采用PLC實現(xiàn)對執(zhí)行氣缸的控制。PLC通過控制電磁閥的開合來控制氣缸在不同時間段內(nèi)執(zhí)行不同的動作，從而實現(xiàn)相應(yīng)的功能。在PLC的控制下，上料機構(gòu)通過氣缸伸縮完成種子盒的上料、送料；檢測機構(gòu)將種子活力等級檢測結(jié)果轉(zhuǎn)化為電信號傳送給分選機構(gòu)；分選機構(gòu)根據(jù)不同的活力等級信號指令對種子進行分選。

圖6 批量種子活力檢測裝置氣動控制系統(tǒng)原理Fig.6 Principle of pneumatic control system of vigor detection device for batch seeds

3.2 控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

根據(jù)批量種子活力檢測裝置控制系統(tǒng)的總體方案及其控制要求，共需要16個I/O（input/output，輸入/輸出）口，同時保留15%左右的備用口。故本文采用型號為FX1N-24MT的晶體管式PLC工控板。該檢測裝置控制系統(tǒng)的I/O分配情況如表1所示，硬件接線情況如圖7所示。

圖7 批量種子活力檢測裝置控制系統(tǒng)的硬件接線情況Fig.7 Hardware wiring of control system of vigor detection device for batch seeds

表1 批量種子活力檢測裝置控制系統(tǒng)的I/O分配情況Table 1 I/O distribution of control system of vigor detection device for batch seeds

按照批量種子活力無損檢測的工藝要求，在生產(chǎn)過程中，檢測裝置各執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)按工藝流程進行自動化作業(yè)，因此該裝置的PLC程序采用順序功能圖（sequential function chart，SFC）進行步進順序控制，如圖8所示。

圖8 批量種子活力檢測裝置控制系統(tǒng)PLC程序的順序功能圖Fig.8 PLC program sequential function chart of control system of vigor detection device for batch seeds

4 試驗與結(jié)果分析

為驗證批量種子活力檢測裝置設(shè)計方案的可行性，搭建了如圖9所示的樣機，并開展上料、檢測和分選試驗。整個檢測裝置按照預(yù)設(shè)工藝流程依次完成上料、檢測、分選和復(fù)位功能。

圖9 批量種子活力檢測裝置樣機Fig.9 Prototype of vigor detection device for batch seeds

利用所搭建的檢測裝置樣機對高、中、低三個活力等級的種子（整盒，各50盒）進行活力檢測，共進行150次試驗，統(tǒng)計結(jié)果并分析，以確定上料機構(gòu)、檢測機構(gòu)和分選機構(gòu)功能的有效性以及整個檢測裝置的可靠性。

試驗結(jié)果如下：上料機構(gòu)的成功率為96.67%，檢測機構(gòu)的成功率為100%，分選機構(gòu)的成功率為100%；整個檢測裝置的綜合成功率為96.67%。上料機構(gòu)成功率未達到100%的主要原因是樣機存在制造誤差以及上料機構(gòu)存在重復(fù)誤差。試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的批量種子活力檢測裝置切實可行，經(jīng)測試其可達到預(yù)期的技術(shù)要求，且能有效地節(jié)省人力成本，同時提高了工作效率。

此外，對于所設(shè)計的批量種子活力檢測裝置，可以根據(jù)實際需要改變其種子盒光學(xué)吸收池內(nèi)部的光路設(shè)計以及種子盒的整體尺寸，這可為裝置的商品化和市場化奠定基礎(chǔ)。研究結(jié)果可為我國批量種子活力檢測裝置的研發(fā)提供有益的幫助和借鑒。