基于短波近红外透射光栅的整粒谷物成分含量测量装置及方法

1.一种基于短波近红外透射光栅的整粒谷物成分含量测量装置，其特征在于，包括料仓，用于放置待测的整粒谷物样品；所述料仓两侧开设有供光信号通过的窗口；所述料仓一侧且与窗口匹配位置设置有光源模块，所述光源模块用于出射检测光信号；所述光源选择大面积光源，且选用经过线性稳压后的电源进行供电；所述光源模块与窗口之间还设置有光程调节模块，用于根据待测的整粒谷物样品种类调节适配的样品仓；所述光程调节模块上还配置有白板；所述光源模块包括光源、滤光片、第一平凸透镜和第二平凸透镜；其中，所述第一平凸透镜和第二平凸透镜的凸面相对设置；所述光源出射的检测光信号依次经过滤光片、第一平凸透镜和第二平凸透镜后，经光程调节模块入射至料仓中的待测整粒谷物样品；所述光程调节模块包括若干配置有不同光程范围的样品仓，所述光程范围包括27-30mm、17-20mm、22-25mm、4-7mm、8-11mm；所述料仓另一侧且与窗口匹配位置设置有基于短波近红外透射光栅的光谱仪，用于接收整粒谷物样品的吸收光谱；所述光谱仪的输出端连接有数据处理单元，用于对采集的光谱数据进行光谱区间选择和/或异常光谱数据剔除后，根据预设的成分含量计算方法生成样品的成分含量值；其中，首先根据待测的整粒谷物样品种类，通过光程调节模块调节适配的样品仓移动至所述光源模块与窗口之间；所述光源模块出射的检测光信号依次经过样品仓和整粒谷物样品后通过光谱仪进行光谱数据采集；所述料仓中的整粒谷物样品被缓慢放料，所述光谱仪对经过窗口的整粒谷物样品进行设定次数的光谱采集，直至所有整粒谷物样品完成卸料；所述光程调节模块将白板移动至所述光源模块与窗口之间，所述光谱仪采集当前的白板光谱数据，供数据处理单元对采集的光谱数据进行光谱区间选择和/或异常光谱数据剔除；所述数据处理单元完成光谱数据的处理后，输出样品的成分含量值；所述数据处理单元对采集的光谱数据进行光谱区间选择过程中，对于大豆的成分含量测量，选用所述光程调节模块中光程为27-30mm的样品仓，保留波长范围为800~1080nm的光谱数据；对于玉米的成分含量测量，选用所述光程调节模块中光程为27-30mm的样品仓，保留波长范围为805~1055nm的光谱数据；对于小麦的成分含量测量，选用所述光程调节模块中光程为17-20mm的样品仓，保留波长范围为815~1075nm的光谱数据；对于稻谷的成分含量测量，选用所述光程调节模块中光程为17-20mm的样品仓，保留波长范围为810~1070nm的光谱数据；对于大米的成分含量测量，选用所述光程调节模块中光程为22-25mm的样品仓，保留波长范围为825~1065nm的光谱数据；对于糙米的成分含量测量，选用所述光程调节模块中光程为22-25mm的样品仓，保留波长范围为845~1075nm的光谱数据；对于面粉的成分含量测量，选用所述光程调节模块中光程为4-7mm的样品仓，保留波长范围为805~1075nm的光谱数据；对于生豆粉的成分含量测量，选用所述光程调节模块中光程为4-7mm的样品仓，保留波长范围为830~1065nm的光谱数据；对于油菜籽的成分含量测量，选用所述光程调节模块中光程为8-11mm的样品仓，保留波长范围为835~1060nm的光谱数据；所述数据处理单元还配置有校正模型，用于对根据预设的成分含量计算方法生成的成分含量值进行校正；其中，根据采集的具有代表性浓度或性质变化范围的校正样品经光谱仪采集后，分别测定校正样品的浓度或性质参考值，再将采集的光谱数据与相应的浓度或性质参考值进行关联，通过矩阵计算将光谱矩阵和浓度或性质参考值进行关联，构建得到所述校正模型；待测谷物样品为大豆，待测成分为蛋白质、水分或者脂肪时，使用多元校正方法MLR建立校正模型；待测谷物样品为玉米，待测成分为蛋白质、水分、脂肪或者淀粉时，使用多元校正方法PCR建立校正模型；待测谷物样品为小麦，待测成分为蛋白质或者水分时，使用多元校正方法PLS建立校正模型；待测谷物样品为稻谷，待测成分为蛋白质或者水分时，使用多元校正方法MLR建立校正模型；待测谷物样品为大米，待测成分为蛋白质或者水分时，使用多元校正方法PLS建立校正模型。 2.根据权利要求1所述的整粒谷物成分含量测量装置，其特征在于，所述光源包括卤素灯。 3.一种基于短波近红外透射光栅的整粒谷物成分含量测量方法，应用于权利要求1~2任一项所述的整粒谷物成分含量测量装置，其特征在于，包括以下步骤：S1、将待测的整粒谷物样品放入料仓中，并根据待测的整粒谷物样品种类，通过光程调节模块调节适配的样品仓移动至所述光源模块与窗口之间；所述光源模块出射检测光信号；S2、所述料仓中的整粒谷物样品被缓慢放料，所述光谱仪对经过窗口的整粒谷物样品进行设定次数的光谱采集并传输至数据处理单元，直至所有整粒谷物样品完成卸料；S3、所述光程调节模块将白板移动至所述光源模块与窗口之间，所述光谱仪采集当前的白板光谱数据后传输至数据处理单元；S4、所述数据处理单元根据接收的样品光谱数据和白板光谱数据进行数据处理，对采集的样品光谱数据进行光谱区间选择和/或异常光谱数据剔除后，通过预设的特定算法计算出样品的成分含量值并输出。 4.根据权利要求3所述的整粒谷物成分含量测量方法，其特征在于，所述光程调节模块中包括若干不同光程范围的样品仓；所述S1步骤中，根据待测的整粒谷物样品种类选择适配的光程范围相应的样品仓并移动至所述光源模块与窗口之间；所述光程范围包括27-30mm、17-20mm、22-25mm、4-7mm、8-11mm。 5.根据权利要求4所述的整粒谷物成分含量测量方法，其特征在于，所述S4步骤中，对采集的样品光谱数据进行光谱区间选择和/或异常光谱数据剔除的步骤包括：根据采集的样品光谱数据和白板光谱数据，按照应用需求进行光谱区间选择，留下需要的波长范围内的光谱数据；其中，对于大豆的成分含量测量，选用光程为27-30mm的样品仓，保留波长范围为800~1080nm的光谱数据；对于玉米的成分含量测量，保留光程为27-30mm的样品仓，保留波长范围为805~1055nm的光谱数据；对于小麦的成分含量测量，选用光程为17-20mm的样品仓，保留波长范围为815~1075nm的光谱数据；对于稻谷的成分含量测量，选用光程为17-20mm的样品仓，保留波长范围为810~1070nm的光谱数据；对于大米的成分含量测量，选用光程为22-25mm的样品仓，保留波长范围为825~1065nm的光谱数据；对于糙米的成分含量测量，选用光程为22-25mm的样品仓，保留波长范围为845~1075nm的光谱数据；对于面粉的成分含量测量，选用光程为4-7mm的样品仓，保留波长范围为805~1075nm的光谱数据；对于生豆粉的成分含量测量，选用光程为4-7mm的样品仓，保留波长范围为830~1065nm的光谱数据；对于油菜籽的成分含量测量，选用光程为8-11mm的样品仓，保留波长范围为835~1060nm的光谱数据；从保留的波长范围内的光谱数据中，将饱和光谱数据和无信号光谱数据剔除。 6.根据权利要求3~5任一项所述的整粒谷物成分含量测量方法，其特征在于，所述数据处理单元还配置有校正模型；则所述S4步骤中，还包括以下步骤：通过特定算法计算出样品的成分含量值后，将计算得到的成分含量值输入所述校正模型中进行校正，输出完成校正的样品的成分含量值；其中，所述校正模型的构建方法包括以下步骤：根据采集的具有代表性浓度或性质变化范围的校正样品经光谱仪采集后，分别测定校正样品的浓度或性质参考值，再将采集的光谱数据与相应的浓度或性质参考值进行关联，通过矩阵计算将光谱矩阵和浓度或性质参考值进行关联，采用多元校正方法构建得到所述校正模型。