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。谷倉監(jiān)測的當(dāng)?shù)姆椒ǎǔ拿總€谷倉中抽取一定數(shù)量的樣品，拿回到實(shí)驗(yàn)室，通過光譜分析儀器做分析，無法做到多個監(jiān)測點(diǎn)自動上報數(shù)據(jù)實(shí)時分析。
目前，絕大多數(shù)的光譜傳感器都是工業(yè)級的，價格昂貴，只適用于大型的儀器中，無法做成低成本的消費(fèi)類級別的微型光譜設(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，可以在谷倉中搭建多個監(jiān)測點(diǎn)，并實(shí)時的監(jiān)測谷物品質(zhì)。作為消費(fèi)產(chǎn)品傳感器芯片制造商，艾邁斯半導(dǎo)體對谷物品質(zhì)監(jiān)測的未來有著獨(dú)特的認(rèn)識。
本文介紹了艾邁斯半導(dǎo)體如何在未來的谷物品質(zhì)監(jiān)測中部署傳感器。
太陽光中包含了紫外光、可見光、紅外光以及微波。每種物質(zhì)被光輻照后，會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，開發(fā)了兩款消費(fèi)類級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。（圖片來源：艾邁斯半導(dǎo)體）
艾邁斯半導(dǎo)體提供了一個完全集成的光譜模塊，由一個近紅外光源和一個探測器組成，可對待測物質(zhì)做定性測量。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范圍內(nèi)，光源打到待測物質(zhì)表面，會有一個反射回來的紅外光，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器接收，經(jīng)過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)庫的被測物質(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：光譜模塊測試流程。（圖片來源：艾邁斯半導(dǎo)體）
AS7024的探測器和光源包含在一個6.6x6x2.2mm3的模塊中。探測器由64個硅光電二極管構(gòu)成，帶有帶通濾波器。每一個光電二極管濾波器都在750nm到1050nm之間傳輸一定的波長，所有通道在這個波長范圍內(nèi)均勻分布，峰與峰相隔5nm，F(xiàn)WHM是10nm。
AS7520是一個基于單像素InGaAs的探測器，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為步長進(jìn)行掃描，F(xiàn)WHM為8nm.
圖3：AS7420的光譜響應(yīng)曲線。（圖片來源：艾邁斯半導(dǎo)體）
為了提高紅外光譜傳感器的測量精度，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)，每個產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，光路等因素會影響產(chǎn)品的測量精度。通過艾邁斯半導(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)算法處理來更好的解決物質(zhì)間光譜特征的微小變化。如圖4測試的大米，小米的光譜特征曲線相似，但是經(jīng)過一階導(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)過二階導(dǎo)數(shù)處理后的曲線。（圖片來源：艾邁斯半導(dǎo)體）
糧食品質(zhì)檢測的相關(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，且使無人工，低成本，實(shí)時的多點(diǎn)監(jiān)測成為可能。
除上述的主要物質(zhì)參數(shù)外，谷倉的溫度也需要被監(jiān)測，因?yàn)闇囟仁怯绊懝任锩棺兊囊蛩刂唬梢源钆浒~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,測量功耗6uA,且無需校準(zhǔn)即可準(zhǔn)確測量溫度，支持的工作溫度-40°~125°，支持多個I2C地址，大小只有1.5x1mm，還可以設(shè)置溫度門限值，超過門限值就會發(fā)出警告信號。
表1：高精度溫度傳感器的型號比較。
艾邁斯半導(dǎo)體對光譜傳感技術(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)測糧倉中谷物質(zhì)量，通過如NB-IOT、LoRa等無線技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)無人工，多點(diǎn)，且實(shí)時的監(jiān)測，并能根據(jù)當(dāng)前的測試數(shù)據(jù)預(yù)估糧食質(zhì)量的變化趨勢。
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