糖果中硬度检测方案

美国 BRIMROSE 公司中国总代理/济南金宏利实业有限公司技术文件 使用 AOTF-NIR 光谱技术测量糖果的硬度 (济南金宏利实业有限公司应用报告#016) 1. 操作摘要 使用 Brimrose 公司的 Luminar 5030-731型便携手持式光谱仪(样机)采集糖果的光谱数据。然后利用硬度的参考数据和光谱数据创建校正模型。所得校正模型的结果很好，显示使用 Brimrose 光谱仪测量糖果的硬度是可行的。从所得到的样品中选取一些样品组成验证集。然后利用校正模型和验证集进行预测，预测的结果证实校正模型能获取很好的结果。 II.介绍 声光可调滤光器(AOTF) 的原理基于光在各向异性介质中的声折射。装置由固定在双折射晶体上的压电导层构成。当导层被应用的射频(RF)信号激发时，在晶体内产生声波。传导中的声波产生折射率的周期性调制，在特定条件下折射入射光束的部分。对于一个固定的声频，光频的-一个窄带满足相匹配条件，被累加折射。RF频率改变，光的带通中心相应改变以维持相匹配条件。 图1. AOTF的结构 电话：0531-88908933/88028728/88908915 传真：0531-88028728/88908915 E mail：jinhongli2001@sohu.com http：//www.jhlsoft.com 光谱的近红外范围从800nm 到2500 nm 延伸。在这个区域最突出的吸收谱带归因于中红外区域的基频振动的泛频和合频。是基态到第二激发态或第三激发态的能级跃迁。因为较高能级跃迁连续产生的概率较小，每个泛频的强度连续减弱。由于跃迁的第二或第三激发态所需的能量近似于第一级跃迁所需能量的二倍或三倍，吸收谱带产生在基频波长的一半和三分之一处。触简单的泛频以外，也产生合频。这些通常包括延伸加上一-个或多个振动方式的伸缩。大量不同合频是可能的，因而近红外区域复杂，有许多谱带彼此部分叠加。 现在，NIRS 被用作定量工具，它依赖化学计量学来发展校正组成的参照分析和近红外光谱的分析的关联。近红外数据的数学处理包括多元线性回归法(MLR)、主成分分析法(PCA)、主成分回归法(PCR)、偏最小二乘法(PLS)和识别分析。所有这些算法可以单独或联合使用来得到有价值组成的定性描述和定量预测。 Ⅲ.方法 我们得到了82个糖果样品，使用 Brimrose Luminar 5030 便携手持式光谱仪采集光谱数据，漫反射方式测量。直接把糖果样品以自然重力放置在仪器的检测口上，利用仪器进行光谱扫描，每一个样品采集2张光谱，每一张光谱都是200次扫描的平均结果。波长范围从1100nm 到2300nm， 2nm的数据间隔。光谱数据以透过方式采集并处理为一阶微分。使用化学计量学软件程序解译器把光谱数据和参考数据创建为校正模型。验证集从我们得到的样品中选取，利用校正模型对这些验证集样品进行预测。 IV.结果 1.光谱 ( 美国 BRIMROSE 公司中国总代理及技术支持中心 ) 济南金宏利实业有限公司 ( http：//www.jhlsoft.com ) ( 美国BRIMROSE 公司中国总代理及技术支持中心 ) ( 济南金宏利实业有限公司地址：中国.济南.洪楼西路智慧大厦 电话：0 5 31-88908933/88028728/88908915传真：0 5 31-88028728/88908915 ) 图3.糖果样品的一阶微分光谱 2.回归和模型化 利用偏最小二乘回归法对一阶微分光谱进行回归、建模。 ( 美国BRIMROSE 公司中国总代理及技术支持中心 ) 济南金宏利实业有限公司 ( 传真：0 5 31-88028728/88908915 ) hddx1， [Y-var， PC) (hardness，14) 图4.糖果的光谱数据和硬度间的回归系数 图5.糖果硬度的PLS1 回归模型 美国 BRIMROSE公司中国总代理及技术支持中心 BRIMROSE 济南金宏利实业有限公司 金宏利实业 PLS 1 回归模型关联糖果硬度与使用 Brimrose Luminar 光谱仪采集的光谱数据。回归系数指明哪个波长区域包含着用于模型的光谱信息。 3.预测 利用校正模型对验证集样品进行预测，预测值和参照值比较结果显示在下表中。 表1：糖果硬度的预测结果 样品号 预测值 参考值 偏差 96# 760 790 -30 97# 473 461 14 98# 664 638 26 99# 465 445 20 100# 913 951 -38 101# 361 388 -27 102# 654 622 32 表2：数据的重复性： 样品号 1 2 3 极差 98# 664 660 668 8 101# 361 370 365 9 V.结论和推荐 通过这次实验，我们可以得出这样的结论，即 Brimrose 公司的 AOTF-NIR光谱仪利用光谱数据和校正模型能够预测糖果的硬度。由于选用的样品数量比较少，模型的适应性不够好，因此预测偏差略大一些。根据以往的经验，如果有更大量的样品和数据支持，能够获得准确性更高、稳定性更好的模型。 如果作为实验室或现场检测应用，推荐选用 LUMINAR 5030-731便携手持式 AOTF 近红外光谱仪，该款仪器具有很好的灵活性和较高的性价比。 如果作为在线坚持应用，推荐选用 LUMINAR 4030微型(集成)过程自由空间式近红外光谱仪。该仪器能够很方便地安装在生产线上，进行实时动态检测。 ( 传真：0 5 31-88028728/88908915 ) BRiMROSE金宏利实业地址：中国.济南.洪楼西路智慧大厦电话：/真： mail：jinhonglisohu.com