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光谱传感器改善谷仓中谷物品质监测

时间:2019-09-03 作者:赵智慧,艾迈斯半导体 阅读:
传统的谷物监测通常是从每个谷仓中抽取一定数量的样品,拿回实验室,通过光谱分析仪器进行分析,这样无法实现多个监测点自动上报数据实时分析。最新的光谱传感器可以通过NB-IOT、LoRa等无线技术,实现无人工、多点、实时的监测,并能根据当前的测试数据预估粮食质量的变化趋势。

近红外光谱仪器已经成为谷物质量监控领域种不可或缺的重要分析手段之一。谷仓监测的当的方法,通常从每个谷仓中抽取一定数量的样品,拿回到实验室,通过光谱分析仪器做分析,无法做到多个监测点自动上报数据实时分析。

目前,绝大多数的光谱传感器都是工业级的,价格昂贵,只适用于大型的仪器中,无法做成低成本的消费类级别的微型光谱设备。

随着传感器芯片(半导体)技术的不断发展和市场的需求,艾迈斯半导体推出了小尺寸,低成本,且面向消费类的光谱传感器,可以在谷仓中搭建多个监测点,并实时的监测谷物品质。作为消费产品传感器芯片制造商,艾迈斯半导体对谷物品质监测的未来有着独特的认识。

本文介绍了艾迈斯半导体如何在未来的谷物品质监测中部署传感器。

多通道的红外光谱传感器

太阳光中包含了紫外光、可见光、红外光以及微波。每种物质被光辐照后,会反射回带有其特定且唯一的光谱特征信息,而大部分的有机分子的特征吸收谱带,主要集中在红外区域。艾迈斯半导体在原有的光学技术基础上,开发了两款消费类级别的红外光谱传感器AS7420和AS7520,分别覆盖了750~1050nm波段和1350~2150nm波段,可以用于物质的定性分析。

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图1:全光谱图。(图片来源:艾迈斯半导体)

艾迈斯半导体提供了一个完全集成的光谱模块,由一个近红外光源和一个探测器组成,可对待测物质做定性测量。首先要保证该物质的红外特征光谱是在近红外光源的波长范围内,光源打到待测物质表面,会有一个反射回来的红外光,带有该物质的吸收特性的光谱信息,并被光谱传感器的探测器接收,经过处理器或是云端服务器做数据分析处理,与存放在数据库的被测物质成分的参考光谱做匹配,从而得到具体的物质成分信息。

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图2:光谱模块测试流程。(图片来源:艾迈斯半导体)

AS7024的探测器和光源包含在一个6.6x6x2.2mm³的模块中。探测器由64个硅光电二极管构成,带有带通滤波器。每一个光电二极管滤波器都在750nm到1050nm之间传输一定的波长,所有通道在这个波长范围内均匀分布,峰与峰相隔5nm,FWHM是10nm。

AS7520是一个基于单像素InGaAs的探测器,且带通滤波器可调。有三组波段供选择,1350-1650nm、1550~1850nm、1750~2150nm。带通滤波器可以以1nm为步长进行扫描,FWHM为8nm.

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图3:AS7420的光谱响应曲线。(图片来源:艾迈斯半导体)

为了提高红外光谱传感器的测量精度,传感器和相应的终端设备需要正确校准。艾迈斯半导体会在芯片出厂前做基本的初始校准,以消除制造公差。此外,传感器配备了补偿模型,可以用于补偿环境条件的变化。

将光谱传感器集成到终端设备中后,有必要进行第二次校准,每个产品的结构,光路等因素会影响产品的测量精度。通过艾迈斯半导体提供的软件,将校准结果与初始的校准结果合并。

在较低的近红外波长区域,吸收光谱比较宽,这使得区分不同物质特征非常困难。因此,需要额外的数据算法处理来更好的解决物质间光谱特征的微小变化。如图4测试的大米,小米的光谱特征曲线相似,但是经过一阶导数或是二阶导的算法处理,得到曲线上的变化斜率,从而区分出了相似的原始光谱曲线,准确的分辨出具体的物质。

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图4:大米和小米的光谱响应曲线以及经过二阶导数处理后的曲线。(图片来源:艾迈斯半导体)

谷物品质的监控参数

粮食品质检测的相关参数主要有:

1. 霉变程度:轻度霉变,中度霉变和重度霉变,霉菌的响应光谱一般在1000nm~2000nm。
2. 蛋白质含量:蛋白质的响应光谱一般在1200nm~1700nm之间。
3. 脂肪酸含量:脂肪酸的光谱吸收峰大概在2000nm左右
4. 淀粉含量:淀粉的光谱吸收峰大概在1400~1500nm左右
5. 水分含量:水的光谱吸收最大峰在940nm左右。

以上的物质的特征光谱都是在红外波段比较明显,且基本是在2000nm以内,完全可以用艾迈斯半导体的红外光谱传感器进行检测,且使无人工,低成本,实时的多点监测成为可能。

谷仓的温度监控

除上述的主要物质参数外,谷仓的温度也需要被监测,因为温度是影响谷物霉变的因素之一,可以搭配艾迈斯半导体的高精度温度传感器AS62XX,最高精度可以到+/-0.2°,休眠功耗只有0.1uA,测量功耗6uA,且无需校准即可准确测量温度,支持的工作温度-40°~125°,支持多个I2C地址,大小只有1.5x1mm,还可以设置温度门限值,超过门限值就会发出警告信号。

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表1:高精度温度传感器的型号比较。

总结

艾迈斯半导体对光谱传感技术的不断创新,最新研发的面向消费类的近红外光谱传感器AS7520和AS7420可以覆盖750nm~1050nm和1350~2150nm的红外波段,可以检测大部分的有机化合物,搭配高精度的温度传感器AS62XX,可以监测粮仓中谷物质量,通过如NB-IOT、LoRa等无线技术,可以实现无人工,多点,且实时的监测,并能根据当前的测试数据预估粮食质量的变化趋势。

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