基于近红外法的籽棉回潮率在线测量系统及其测量方法技术方案

基于近红外法的籽棉回潮率在线测量系统，包括红外光源一侧设有的入射狭缝；入射狭缝出口设有准直透镜；准直透镜的一侧设有单色分光仪器；单色分光仪器的一侧设有数字微镜器件DMD；数字微镜器件DMD的一侧设有会聚透镜；会聚透镜的一侧设有光探测器；数字微镜器件DMD与单片机相连；光探测器通过模拟信号处理电路与单片机相连；单片机与显示器相连；步骤为：红外光源发出红外光照射籽棉，籽棉中的水分吸收对水分子敏感的红外光，剩余的红外光反射到分光仪器上，经过单色仪器的分光，照射到光探测器上；通过接收、转换和数学模型的计算处理，显示被测籽棉的回潮率；具有非接触、连续测量、速度快及精度高的优点。

On line measurement system and method of moisture regain of seed cotton based on near infrared method

On line measurement system of moisture regain of seed cotton based on near-infrared method, including incidence slit on one side of infrared light source; collimating lens at the exit of incidence slit; monochromatic spectrophotometer on one side of collimating lens; digital micromirror device DMD on one side of monochromatic spectrophotometer; converging lens on one side of digital micromirror device DMD; photodetector on one side of converging lens; digital micromirror device DMD The micro mirror device DMD is connected with the single chip microcomputer; the light detector is connected with the single chip microcomputer through the analog signal processing circuit; the single chip microcomputer is connected with the display; the steps are as follows: the infrared light is emitted by the infrared light source to irradiate the seed cotton, the moisture in the seed cotton absorbs the infrared light sensitive to the water molecules, the remaining infrared light is reflected on the light dividing instrument, and irradiates the light detector through the light dividing of the monochromatic instrument; and Receiving, conversion and calculation of mathematical model show the moisture regain of tested seed cotton, which has the advantages of non-contact, continuous measurement, fast speed and high precision.

【技术实现步骤摘要】
基于近红外法的籽棉回潮率在线测量系统及其测量方法
本专利技术属于棉籽棉回潮率检测
，具体涉及基于近红外法的籽棉回潮率在线测量系统及其测量方法，采用非接触式、基于近红外光谱技术原理的专业电子检测系统实现籽棉回潮率的在线检测。
技术介绍
棉花回潮率不仅是棉花贸易结算的重要依据，还是影响棉花安全储运、加工工艺系统稳定性及加工质量的重要因素。籽棉收购作为棉花产业链的重要环节，对于稳定棉花市场，保障市场供应有重要作用。籽棉回潮率是指籽棉中所含水分与干纤维重量的百分比。在存储环节，籽棉回潮率过高会直接导致棉花温度高，直接影响棉花的色泽和纤维强度，甚至引起棉花自燃。在加工环节，籽棉回潮率的高低在轧花过程中非常关键。籽棉回潮率过高，不仅影响风力输送，而且影响清杂和棉卷转动，有可能形成团块造成堵塞。损害轧花机或者使轧花过程完全停止。籽棉回潮率过低，将使籽棉粘附在金属表面，在纤维中产生静电，造成机械堵塞或停机。高温下干燥棉花可能会损伤棉纤维。干燥后，较低回潮率的棉花在踩压和打包时如果不提高其回潮率，很难理想的密度和包重。为满足清理和加工需要，将籽棉回潮率控制在一个理想的范围内对棉花储存、加工及交易环节非常重要。目前在棉花生产过程中对回潮率的检测，人工手持式籽棉回潮仪进行测量，存在以人力为主、测量数据误差大、测量方法不够规范、自动化程度低；基于电测法在线检测回潮率存在速度较慢、精度较低、受温度影响大等问题。本专利技术提出了基于红外光谱技术的棉花回潮率在线检测方法，用于籽棉加工过程中的回潮率检测，提高现有电测法测回潮率效率低，受温度影响大等问题。
技术实现思路
为克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供基于近红外法的籽棉回潮率在线测量系统及其测量方法，利用水分对特定波长(在该波长范围内对红外线的吸收能力强)的红外线吸收特性，通过对反射回来的光辐通量进行分析来计算出籽棉回潮率，再由显示模块显示，解决了现有的回潮率测量中的精度低、受环境影响大、不能连续在线测量等问题；能有效提高回潮率检测的精度和速度。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：基于近红外法的籽棉回潮率在线测量系统，包括有红外光源，红外光源一侧设有入射狭缝；入射狭缝出口设有准直透镜；准直透镜的一侧设有单色分光仪器；单色分光仪器的出光侧设有数字微镜器件DMD；数字微镜器件DMD的出光侧设有会聚透镜；会聚透镜的出光侧设有光探测器；数字微镜器件DMD6的输入输出端与单片机相连；光探测器的信号输出端通过模拟信号处理电路与单片机相连；单片机与显示器相连。所述的模拟信号处理电路，包括放大，滤波，限辐功能。所述的单色分光仪器采用分光棱镜。所述的数字微镜器件DMD采用数字化的空间光调制器，在一块芯片上应用微电子机械系统MEMS工艺集成上百万个铝合金材质的微小反射镜，利用旋转反射镜实现光开关的闭合，起到光谱选择的作用。所述的单片机与模拟信号处理电路之间设有A/D转换器。基于近红外法的籽棉回潮率在线测量方法，包括以下步骤：步骤1，由红外光源发出覆盖所需光谱波长的红外光，红外光经入射狭缝出射到准直透镜，经准直透镜准直后变为复色平行光，照射籽棉，籽棉中含有的水分会吸收一部分对水分子敏感的红外光；步骤2，照射籽棉后反射回的红外光反射到单色分光仪器上，经单色分光仪器分光后照射在数字微镜器件DMD表面上，通过控制数字微镜器件DMD表面不同位置的微镜翻转，选择特定波长的近红外光，再经会聚透镜会聚后照射到光探测器上；步骤3，反射到光探测器上的近红外光通过电学系统的接收、转换和数学模型的计算处理将被测籽棉的回潮率显示到屏幕上。步骤3所述的电学系统的接收、转换和数学模型的计算处理，具体做法是：光探测器将接收到的光信号转换为正比于输入幅通量的模拟电信号，模拟信号经前置放大后，通过滤波去除其中的干扰信号，然后再次放大，放大的模拟信号经过限辐后连接单片机，在单片机上实现A/D转换和数学模型计算处理；对测量模型进行数学建模及标定，通过传统电测法测得不同含水量籽棉的回潮率值与近红外系统测得的测量波长和参考波长光辐通量的比值，基于多元回归方法建立幅通量比值与回潮率之间的数学关系，建立电信号与回潮率数值的数学模型；同时基于精度校正样本进行回潮率准确度的修正，如果模型精度不够，加大建模数据样本量，直至回潮率精度达到拟定的精度要求。所述的测量波长和参考波长；其确定的依据为：籽棉中的O-H基团的振动频率或转动频率和红外光中的部分波长频率一样时，分子吸收红外辐射后发生跃迁，该处波长的光就被物质吸收；根据水分子在近红外区的吸收带，选择1.94μm处的水分吸收带作为水分敏感波段，为消除被测籽棉表面质地以及光源波动的影响又引入难以被水分吸收的1.78μm和2.1μm作为参考波段。所述的被测籽棉的回潮率，由红外光漫反射光幅通量计算回潮率，其计算方式为：当红外线在空气中传播时，空气中的水蒸气对红外辐射具有吸收作用，且服从朗伯-比尔定律，水蒸气对单色红外辐射的吸收效果由下式确定：p＝p0exp(-aλd)(1)式中，p是红外线通过吸收层后的出射光辐通量，p0是进入吸收层的入射光辐通量，d是均匀介质厚度，aλ是吸收百分数，称为线性吸收系数或线性衰减系数；比尔定律指出，均匀介质微小单元厚度对单色平行光的吸收与该介质的物质浓度c成正比，因此线性衰减系数可表示为式(2)：aλ＝Kλc(2)式中，c为物质浓度，比例系数Kλ为物质的吸收系数，它与光的波长及物质的性质有关，把式(2)带入式(1)式中得式(3)：p＝p0exp(-Kλcd)(3)实际工作中还经常使用吸光度的概念，吸光度常用a表示：由式(3)、式(4)可知：可知，物料的吸光度和物料的水分含量成正比，常用测量波段的光辐通量和参比波段的光辐通量来反映出射光强和入射光强，进而可以得到被测物料的含水率。所述的特定波长分为测量波长和参考波长；测量波长为1.94μm，参考波长为1.78μm和2.1μm。被测籽棉将被水分子吸收后剩余的红外光反射到DMD表面，再由DMD选择所需波长，经会聚透镜会聚后照射到光探测器上。光探测器将光信号转换为电信号，电信号和输入辐通量成正比。信号处理和A/D转换后从中提取有用信号完成信号探测，再由控制与信号处理系统将转换后的电信号后通过数学模型得到输出的回潮率数值，然后由显示器显示回潮率。该数学模型取决于所选光探测器的光电元件。当内光电效应发生时，材料中载流子数目增加，材料导电率增加。光照一定时，光敏电阻两端所加电压与光电流为线性关系。由此线性关系可以得到照射到光探测器上的幅通量，由朗伯-比尔定律得到幅通量与水分值的数学计算公式。棉花回潮率测量领域一般以烘箱法测量的数值作为标准回潮率，此处我们采用已经用烘箱法校准过的传统电测法回潮率在线量仪为标准。建立数学模型前，通过选取一定数量的、不同环境湿度下的籽棉，先使用红外水分仪测得其水分值，再用传统电测法测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于近红外法的籽棉回潮率在线测量系统，其特征在于，包括有红外光源(1)，红外光源(1)一侧设有入射狭缝(2)；入射狭缝(2)出口设有准直透镜(3)；准直透镜(3)的一侧设有单色分光仪器(5)；单色分光仪器(5)的出光侧设有数字微镜器件DMD(6)；数字微镜器件DMD(6)的出光侧设有会聚透镜(7)；会聚透镜(7)的出光侧设有光探测器(8)；数字微镜器件DMD(6)的输入输出端与单片机(9)相连；光探测器(8)的信号输出端通过模拟信号处理电路(11)与单片机相连；单片机与显示器(10)相连。/n

【技术特征摘要】
1.基于近红外法的籽棉回潮率在线测量系统，其特征在于，包括有红外光源(1)，红外光源(1)一侧设有入射狭缝(2)；入射狭缝(2)出口设有准直透镜(3)；准直透镜(3)的一侧设有单色分光仪器(5)；单色分光仪器(5)的出光侧设有数字微镜器件DMD(6)；数字微镜器件DMD(6)的出光侧设有会聚透镜(7)；会聚透镜(7)的出光侧设有光探测器(8)；数字微镜器件DMD(6)的输入输出端与单片机(9)相连；光探测器(8)的信号输出端通过模拟信号处理电路(11)与单片机相连；单片机与显示器(10)相连。


2.根据权利要求1所述的基于近红外法的籽棉回潮率在线测量系统，其特征在于，所述的单色分光仪器(5)采用分光棱镜。


3.根据权利要求1所述的基于近红外法的籽棉回潮率在线测量系统的实现方法，其特征在于，所述的数字微镜器件DMD采用数字化的空间光调制器，在一块芯片上应用微电子机械系统MEMS工艺集成上百万个铝合金材质的微小反射镜，利用旋转反射镜实现光开关的闭合。


4.根据权利要求1所述的基于近红外法的籽棉回潮率在线测量系统，其特征在于，所述的单片机(9)与模拟信号处理电路(11)之间设有A/D转换器(12)。


5.基于近红外法的籽棉回潮率在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，由红外光源发出覆盖所需光谱波长的红外光，红外光经入射狭缝出射到准直透镜，经准直透镜准直后变为复色平行光，照射籽棉，籽棉中含有的水分会吸收一部分对水分子敏感的红外光；
步骤2，照射籽棉后反射回的红外光反射到单色分光仪器上，经单色分光仪器分光后照射在数字微镜器件DMD表面上，通过控制数字微镜器件DMD表面不同位置的微镜翻转，选择特定波长的近红外光，再经会聚透镜会聚后照射到光探测器上；
步骤3，反射到光探测器上的近红外光通过电学系统的接收、转换和数学模型的计算处理将被测籽棉的回潮率显示到屏幕上。


6.根据权利要求5所述的所述的基于近红外法的籽棉回潮率在线测量方法，其特征在于，步骤3所述的电学系统的接收、转换和数学模型的计算处理，具体做法是：
光探测器将接收到的光信号转换为正比于输入幅通量的模拟电信号，模拟信号经前置放大后，通过滤波去除其中的干扰信号，然后再次放大，放大的模拟信号经过限辐后连接单片机；在单片机上实现A/D转换和数学模型计算处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈亚军，杨舒涵，贺鹏，张二虎，陈万军，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61