近紅外光譜儀器已經(jīng)成為谷物質(zhì)量監(jiān)控領(lǐng)域種不可或缺的重要分析手段之一。谷倉(cāng)監(jiān)測(cè)的當(dāng)?shù)姆椒?，通常從每個(gè)谷倉(cāng)中抽取一定數(shù)量的樣品，拿回到實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)光譜分析儀器做分析，無(wú)法做到多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)自動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析。
目前，絕大多數(shù)的光譜傳感器都是工業(yè)級(jí)的，價(jià)格昂貴，只適用于大型的儀器中，無(wú)法做成低成本的消費(fèi)類級(jí)別的微型光譜設(shè)備。
隨著傳感器芯片（半導(dǎo)體）技術(shù)的不斷發(fā)展和市場(chǎng)的需求，艾邁斯半導(dǎo)體推出了小尺寸，低成本，且面向消費(fèi)類的光譜傳感器，可以在谷倉(cāng)中搭建多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)谷物品質(zhì)。作為消費(fèi)產(chǎn)品傳感器芯片制造商，艾邁斯半導(dǎo)體對(duì)谷物品質(zhì)監(jiān)測(cè)的未來(lái)有著獨(dú)特的認(rèn)識(shí)。
本文介紹了艾邁斯半導(dǎo)體如何在未來(lái)的谷物品質(zhì)監(jiān)測(cè)中部署傳感器。
太陽(yáng)光中包含了紫外光、可見(jiàn)光、紅外光以及微波。每種物質(zhì)被光輻照后，會(huì)反射回帶有其特定且唯一的光譜特征信息，而大部分的有機(jī)分子的特征吸收譜帶，主要集中在紅外區(qū)域。艾邁斯半導(dǎo)體在原有的光學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了兩款消費(fèi)類級(jí)別的紅外光譜傳感器AS7420和AS7520，分別覆蓋了750~1050nm波段和1350~2150nm波段，可以用于物質(zhì)的定性分析。
圖1：全光譜圖。（圖片來(lái)源：艾邁斯半導(dǎo)體）
艾邁斯半導(dǎo)體提供了一個(gè)完全集成的光譜模塊，由一個(gè)近紅外光源和一個(gè)探測(cè)器組成，可對(duì)待測(cè)物質(zhì)做定性測(cè)量。首先要保證該物質(zhì)的紅外特征光譜是在近紅外光源的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，光源打到待測(cè)物質(zhì)表面，會(huì)有一個(gè)反射回來(lái)的紅外光，帶有該物質(zhì)的吸收特性的光譜信息，并被光譜傳感器的探測(cè)器接收，經(jīng)過(guò)處理器或是云端服務(wù)器做數(shù)據(jù)分析處理，與存放在數(shù)據(jù)庫(kù)的被測(cè)物質(zhì)成分的參考光譜做匹配，從而得到具體的物質(zhì)成分信息。
圖2：光譜模塊測(cè)試流程。（圖片來(lái)源：艾邁斯半導(dǎo)體）
AS7024的探測(cè)器和光源包含在一個(gè)6.6x6x2.2mm3的模塊中。探測(cè)器由64個(gè)硅光電二極管構(gòu)成，帶有帶通濾波器。每一個(gè)光電二極管濾波器都在750nm到1050nm之間傳輸一定的波長(zhǎng)，所有通道在這個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)均勻分布，峰與峰相隔5nm，F(xiàn)WHM是10nm。
AS7520是一個(gè)基于單像素InGaAs的探測(cè)器，且?guī)V波器可調(diào)。有三組波段供選擇，1350-1650nm、1550~1850nm、1750~2150nm。帶通濾波器可以以1nm為步長(zhǎng)進(jìn)行掃描，F(xiàn)WHM為8nm.
圖3：AS7420的光譜響應(yīng)曲線。（圖片來(lái)源：艾邁斯半導(dǎo)體）
為了提高紅外光譜傳感器的測(cè)量精度，傳感器和相應(yīng)的終端設(shè)備需要正確校準(zhǔn)。艾邁斯半導(dǎo)體會(huì)在芯片出廠前做基本的初始校準(zhǔn)，以消除制造公差。此外，傳感器配備了補(bǔ)償模型，可以用于補(bǔ)償環(huán)境條件的變化。
將光譜傳感器集成到終端設(shè)備中后，有必要進(jìn)行第二次校準(zhǔn)，每個(gè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，光路等因素會(huì)影響產(chǎn)品的測(cè)量精度。通過(guò)艾邁斯半導(dǎo)體提供的軟件，將校準(zhǔn)結(jié)果與初始的校準(zhǔn)結(jié)果合并。
在較低的近紅外波長(zhǎng)區(qū)域，吸收光譜比較寬，這使得區(qū)分不同物質(zhì)特征非常困難。因此，需要額外的數(shù)據(jù)算法處理來(lái)更好的解決物質(zhì)間光譜特征的微小變化。如圖4測(cè)試的大米，小米的光譜特征曲線相似，但是經(jīng)過(guò)一階導(dǎo)數(shù)或是二階導(dǎo)的算法處理，得到曲線上的變化斜率，從而區(qū)分出了相似的原始光譜曲線，準(zhǔn)確的分辨出具體的物質(zhì)。
圖4：大米和小米的光譜響應(yīng)曲線以及經(jīng)過(guò)二階導(dǎo)數(shù)處理后的曲線。（圖片來(lái)源：艾邁斯半導(dǎo)體）
糧食品質(zhì)檢測(cè)的相關(guān)參數(shù)主要有：
1. 霉變程度：輕度霉變，中度霉變和重度霉變，霉菌的響應(yīng)光譜一般在1000nm~2000nm。 2. 蛋白質(zhì)含量：蛋白質(zhì)的響應(yīng)光譜一般在1200nm~1700nm之間。 3. 脂肪酸含量：脂肪酸的光譜吸收峰大概在2000nm左右 4. 淀粉含量：淀粉的光譜吸收峰大概在1400~1500nm左右 5. 水分含量：水的光譜吸收最大峰在940nm左右。
以上的物質(zhì)的特征光譜都是在紅外波段比較明顯，且基本是在2000nm以內(nèi)，完全可以用艾邁斯半導(dǎo)體的紅外光譜傳感器進(jìn)行檢測(cè)，且使無(wú)人工，低成本，實(shí)時(shí)的多點(diǎn)監(jiān)測(cè)成為可能。
除上述的主要物質(zhì)參數(shù)外，谷倉(cāng)的溫度也需要被監(jiān)測(cè)，因?yàn)闇囟仁怯绊懝任锩棺兊囊蛩刂?，可以搭配艾邁斯半導(dǎo)體的高精度溫度傳感器AS62XX，最高精度可以到+/-0.2°，休眠功耗只有0.1uA,測(cè)量功耗6uA,且無(wú)需校準(zhǔn)即可準(zhǔn)確測(cè)量溫度，支持的工作溫度-40°~125°，支持多個(gè)I2C地址，大小只有1.5x1mm，還可以設(shè)置溫度門限值，超過(guò)門限值就會(huì)發(fā)出警告信號(hào)。
表1：高精度溫度傳感器的型號(hào)比較。
艾邁斯半導(dǎo)體對(duì)光譜傳感技術(shù)的不斷創(chuàng)新，最新研發(fā)的面向消費(fèi)類的近紅外光譜傳感器AS7520和AS7420可以覆蓋750nm~1050nm和1350~2150nm的紅外波段，可以檢測(cè)大部分的有機(jī)化合物，搭配高精度的溫度傳感器AS62XX，可以監(jiān)測(cè)糧倉(cāng)中谷物質(zhì)量，通過(guò)如NB-IOT、LoRa等無(wú)線技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人工，多點(diǎn)，且實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，并能根據(jù)當(dāng)前的測(cè)試數(shù)據(jù)預(yù)估糧食質(zhì)量的變化趨勢(shì)。
文章來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)收集，犀靈機(jī)器人http://www.v9054.cn整理發(fā)布