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[高光谱成像技术]面粉无损检测
2021/06/16 15:13
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[高光谱成像技术]面粉无损检测
背景
面粉(小麦粉)是中国北方大部分地区的主食，用面粉制成的食物品种多样，如：面条、馒头、水饺等。生活中我们都是依据外包装上的高筋粉、中筋粉、低筋粉、全麦面粉等信息进行采购。很多人在购买面粉的时候会误以为"高筋面粉=高精面粉"，其实"高精"的意思简单说就是高级精制，它只表示小麦的加工工艺，并不能说明面粉的筋度，其蛋白质的含量，决定面粉的“筋度”，即高筋、中筋、低筋。同时，面粉中蛋白质、淀粉、脂肪、矿物质的含量会直接影响面粉的等级。
高光谱成像技术不仅有样品图像的信息，并且还可以获得图像上每个点的光谱数据，光谱可以反映特定波长的特征信息，从而获得更全面、更可靠的结果，以及更精确的信息，如糖、脂肪和蛋白质等等。
随着生活水平的提高及食品产业规模化，食品品质的提高和改良倍受关注。传统的化学检测手段、精度、效率都不高。亟需建立一种新的能够应用于面粉质量分级的快速无损检测方法。
实验设置
基于漫反射方式采集面粉的高光谱数据，我们用Camlin型号VNIR-HR(光谱范围400-1000nm)和NIR-HR+(光谱范围900-1700nm)范围内反射光谱，建数学模型，分析面粉种类、颜色、淀粉、蛋白质、脂肪含量等指标，实现对面粉品质的无损检测。
(1)VNIR高光谱相机下的测试结果
常规相机图像 | 高光谱图像和光谱曲线图像 |
| |
主成分分析图像
| |
通过测试用的是VNIR高光谱相机(波长范围400-1000nm)从光谱图中可以看到在580nm附近有特征峰。 | |
(2) NIR高光谱相机下的测试结果
|  |
常规相机图像 | 高光谱图像和光谱曲线图像 |
 | |
主成分分析图像 | |
通过测试用的是NIR高光谱相机(波长范围900-1700nm)从光谱图中可以看到在970nm、1300nm附近有特征峰。 | |
高光谱成像技术在本应用中的独特优点：
可以同时获取样品图像和光谱信息，该方法具有不破坏样本原貌，不使用化学试剂、检测快速等优点，避免了人工鉴别方法易受主观因素影响，属于在线快速检测和全检，实用性强，性价比高。
1. 无损快速检测
2. 全波段测试
3. 支持集成、二次开发
使用如下图所示的高光谱成像系统来测试面粉，该系统含有如下图所示的高速传送带装置。
下表中涂黄部分是此次测试过程中使用的高光谱相机的产品参数:
Spectral | VNIR-S | VNIR-HR | NIR-HR | NIR-HR+ | Units |
Spectral Range | 400 to 1000 | 900 to 1700 | nm | ||
Spectral Resolution | 8 | <3 | 5 | nm | |
Spectral Dispersion | 1 | 0.7 | 3 | 1.5 | nm |
Spectral Bands* | 892 / 446 / 223 | 830 / 415 / 208 | 250 | 500 | - |
Spatial pixels | 1400 | 1600 | 320 | 640 | pix |
Maximum line frame rate | 120 | 120 | 344 | 300 | lf/s |
Smile and Keystone error | Sub-pixel across the spectrograph output field | - | |||
Interface | GiGe | - | |||
结论：
通过采集面粉的高光谱图像和可见-近红外光谱信息，进一步建模型可分析出面粉中的蛋白质、淀粉、脂肪等的含量，跟国标和常规化学检测方法对比，结果可靠，可实现快速无损检测，且成本低。这能减少整个供应链的浪费，并提高消费者对产品感受的一致性。
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