近紅外光譜 (NIRS) 廣泛用於(yu) 水果和蔬菜的質量評估，通常是在收獲後進行。 特別是，水分含量是決(jue) 定国产欧美在线質量、加工階段（例如幹燥過程）和質量的關(guan) 鍵參數。 和經濟價(jia) 值。NIRS 方法非常適合實驗室實踐，其中樣本準備得當並且測量條件得到良好控製。 另一方麵，眾(zhong) 所周知，現場 NIRS 測量存在一些困難，因為(wei) 許多影響變量，例如機械振動、電氣和光學幹擾以及一般的灰塵或汙垢，都會(hui) 影響光譜測量。 在本文中，我們(men) 提出了基於(yu) NIRS 的測量係統的設計並展示了原型，用於(yu) 快速測定捆包的水分含量。 新係統采用鹵素燈光源和德國insion国产黄色在线观看的NIR 1.7近紅外光譜儀(yi) 來覆蓋900-1700 nm範圍內(nei) 的水吸收光譜數據。緊湊的不鏽鋼機身使儀(yi) 器便攜且易於(yu) 運輸，以進行快速的現場水分測量。 在實驗室環境中對原型係統進行了表征並對其性能進行了廣泛評估。 zui後，進行了初步測試，使用偏zui小二乘（PLS）回歸方法測量了12個(ge) 新收獲的農(nong) 作物樣品的水分含量。結果表明，我們(men) 的原型係統可以預測苜蓿水分含量信息，確定係數R2為(wei) 0.985，預測均方根相對誤差為(wei) 7.1%。
用於(yu) 現場苜蓿水分測量的近紅外光譜係統的設計和性能評估
一， 介紹
近年來，人們(men) 在農(nong) 国产欧美在线物理特性評價(jia) 技術的研究和開發方麵做出了巨大努力。 例如，作物的水分含量 (MC) 是定義(yi) 正確儲(chu) 存過程的重要物理參數，應在收獲和儲(chu) 存過程中進行監測。在不合適的條件下儲(chu) 存農(nong) 作物可能會(hui) 導致可怕的後果，包括火災。因此，有必要在儲(chu) 存前和儲(chu) 存期間測量濕度水平。 靜態（即儲(chu) 存）和動態（即收獲）條件下的濕度測量顯然存在不同程度的難度。
在儲(chu) 存期間，水分測量可以通過取樣並使用水分分析儀(yi) 進行分析來進行，或者使用濕度測試儀(yi) 進行不太準確的分析。 由於(yu) 必須執行測量的操作條件，收獲期間的水分測量要困難得多。首先，獲取信息的時間是有限的，並且取決(jue) 於(yu) 收割機。其次，許多有影響的變量，例如機械振動、電氣和光學幹擾以及一般的灰塵或汙垢，都會(hui) 嚴(yan) 重影響測量。此外，為(wei) 了不妨礙和/或減慢收割機的操作，水分測量應在農(nong) 作物捆運動時進行，非接觸式測量方法將是可取的。
（圖片來自網絡）
迄今為(wei) 止，有兩(liang) 種技術可以實現非接觸式水分測量：微波衰減和近紅外光譜 (NIRS)。di一種技術提供了比第二種技術更大的檢查深度來檢查樣品的可能性，但是它對電磁環境和鐵磁結構的存在非常敏感。
來自摩德納·雷焦·艾米利亞(ya) 大學的Luigi Rovati和Giovanni Gibertoni在2022年發表了一篇論文中評估了NIRS方法進行水分測量的可行性。作者設計了一種新型便攜式半自動近紅外光譜係統，該係統可用於(yu) 收割機。並且對測量係統的性能進行了評估，其中介紹了校準、反射靈敏度、預熱以及重複性測試。苜蓿草中的水分可以通過利用水在近紅外光譜區域的吸收峰來評估，並且設計並實現了田間作物水分測量原型。
二，係統描述
左上角橙色區域為(wei) 光學部件外殼，右側(ce) 藍色區域為(wei) 電子部件外殼。裏麵包含鹵素燈光源，INSION近紅外光譜儀(yi) ，光學快門，藍寶石漫反射窗口和控製單片機，散熱風扇等
圖1.近紅外光譜測量係統的組成和結構
係統框圖
所開發的測量係統的框圖功能圖如圖 2 所示。藍寶石光學窗口放置在非常靠近采集加工線上的待測樣品 (SUT) 表麵的位置，可保護光學元件免受灰塵和外部環境汙染。 此外，可打開和關(guan) 閉的翻板機構允許控製三個(ge) 不同的測量階段（暗背景測量，參考光譜測量和樣品光譜測量）。微控製器單元用於(yu) 收集和預處理光譜數據，zui終將這些數據發送到 PC，在 PC 上，LabVIEW GUI 可以監視和控製采集過程。
圖2. 所開發的測量係統的框圖功能圖
1.1 光源照明部分
該係統采用 20 W 鹵素燈 DECOSTAR 51 ALU（OSRAM）。 該裝置除了保證低成本外，還具有足夠長的平均壽命，即4000小時。 選擇鹵素燈和光學窗口之間的距離，以保證樣品表麵上的zui大輻照度和足夠的照明均勻度。
1.2 光譜儀(yi) 部分
為(wei) 了檢測漫反射光譜，該儀(yi) 器采用德國INSION国产黄色在线观看的微型近紅外光譜儀(yi) NIR1.7，其測量範圍為(wei) 900 nm~ 1700 nm，像素分辨率為(wei) 8 nm（光學分辨率16nm）。 該光譜儀(yi) 基於(yu) InGaAs陣列探測器（128像元）和預集成讀出電子器件，在精度、靈敏度和信噪比 (SNR) 方麵提供高性能。 光譜儀(yi) 的所有參數都可以由用戶設置和優(you) 化，以滿足不同国产成人在线观看免费网站的具體(ti) 要求。NIR1.7 OEM模塊包括基於(yu) 16位分辨率的模數轉換器的讀出電子器件 (BIM-NIRP)。 光譜分析通過空腔波導設計進行，無任何移動部件，出廠後無需再校準。 如圖 3 所示，光通過光纖耦合到光譜儀(yi) ，直至光譜儀(yi) 入口狹縫。
圖3. Insion近紅外光譜儀(yi) NIR1.7 S OEM光譜儀(yi) 模塊
三，係統性能
係統組裝完成後，各功能模塊的功能和作用對整個(ge) 係統進行了驗證。之後，對該係統進行了仔細校準，並在以下方麵進行了表征:(i)預熱，(ii)線性，(iii)可重複性。通過將測量的反射率與(yu) 經認證的反射率標準目標進行比較來執行校準和表征程序。在預熱期間，係統測得的平均反射率下降，近似呈指數衰減（R2 = 0.9876）。 觀察到的平均反射率降低約為(wei) 1.4%，衰減常數為(wei) 13.6 S。瞬態結束時，測量誤差為(wei) 0.6%。以測量值相對於(yu) 參考值的均方根偏差計算的積分線性誤差為(wei) 0.93%。重複性驗證如下圖：
圖4, 重複性測試在 13 小時的時間內(nei) 進行。 * 藍色標記代表 S050 反射率測量。 紅色點劃線是平均反射率值，淺綠色區域對應於(yu) 整個(ge) 集合的標準差界定的區域。
測量結果顯示平均值為(wei) 49.76%，樣本標準偏差為(wei) 0.71%。
四，現場結果
對采集的數據進行預處理後，確定了待測樣品水分預測的光譜帶 BOI。 通過分析參考變量（即待測樣品水分和密度 ρ）與(yu) 預測變量（即 LASUT(λ) 的一階導數）之間的係數來選擇相關(guan) 波長。圖5顯示了獲得的水分和ρ係數相關(guan) 性作為(wei) 輻射波長的函數。
圖5，參考變量(即待測樣本水分和ρ)與(yu) 預測變量(即LASUT(λ)的一階導數)之間的相關(guan) 係數。虛線與(yu) 測樣本水分有關(guan) ，橙色虛線與(yu) 待測樣品ρ有關(guan) 。淺藍色區域定義(yi) 了感興(xing) 趣的光譜帶(BOI)，其中LASUT的一階導數(λ)與(yu) SUT MC的相關(guan) 性zui大，與(yu) 待測樣品ρ的相關(guan) 性zui小。
圖 6 顯示了從(cong) 校準中獲得的 PLS 響應變量作為(wei) 水分參考值的函數，而從(cong) 驗證數據集獲得的結果如圖 10 所示。為(wei) 了完整起見，每個(ge) 圖都顯示了 PLS 響應變量，即水分的對數變換(ln(MC(%)) (a)，以及線性標度中水分的相應值 (b)。表 1 報告了開發的 PLS 模型的統計數據，而圖 8 顯示了水分的均方根相對誤差估計 Er (MC)%。
盡管我們(men) 對少量樣本進行了分析，但結果令人鼓舞，表明該儀(yi) 器如何能夠以 7.1% 的平均相對誤差估計作物的水分。開發的PLS模型利用了 NIRS 吸收光譜的對數變換，該相對誤差在擬合範圍內(nei) 保持相當恒定。
圖6，校準 PLS 響應變量作為(wei) 參考值的函數 (a)。校準數據集的預測水分含量與(yu) 參考水分含量 (b)
圖7，參考值函數的 PLS 響應變量的驗證 (a)。驗證數據集的預測水分含量與(yu) 參考水分含量 (b)。
圖8，水分估計的均方根相對誤差。 (a) 為(wei) 校準數據集獲得的結果，(b) 為(wei) 驗證數據集獲得的結果。 紅色虛點線是單次測量的平均值：(a) 中的 C_MEAN_ERR 和 V_MEAN_ERR。
表1 PLS模型的統計結果。C-RMSE和C-R2是指校準數據集的均方根誤差和R平方值； V-RMSE 和 V-R2請參閱驗證數據集的等效項。 C_MEAN_ERR 和 V_MEAN_ERR 分別是校準和驗證數據集的平均相對誤差。
五，結論
用於(yu) 田間作物水分測量的 NIRS 測量係統已經開發出來，並對新鮮收獲的苜蓿樣品進行了初步測試。該係統的設計和實現非常謹慎，必須能夠在作物收獲階段在田間運行。
未來的實驗階段應包括將儀(yi) 器直接組裝在收割機上。這將使我們(men) 能夠直接對農(nong) 作物捆進行水分測量。
六，国产成人在线观看免费网站
Insion光譜儀(yi) 以其抗振性和穩定性等特點，已經在多種農(nong) 業(ye) 機械中有国产成人在线观看免费网站，比較典型的是青貯收割和飼料搬運鏟車等，不但可以有效的檢測農(nong) 作物，農(nong) 国产欧美在线，飼料的水分信息，還可以同步檢測纖維，澱粉，粗蛋白等含量給到機械作業(ye) 工人，機械作業(ye) 工人會(hui) 根據即時檢測的信息判斷收割，搬運農(nong) 国产欧美在线/農(nong) 作物的品質信息，實現精細化，智能化的管控。
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