第七章農(nóng)業(yè)物料的光學特性

1、第七章第七章 農(nóng)業(yè)物料的光學特性農(nóng)業(yè)物料的光學特性教學內(nèi)容教學內(nèi)容：1 1 光在農(nóng)業(yè)物料中的傳播及其相互作用光在農(nóng)業(yè)物料中的傳播及其相互作用 2 2 農(nóng)業(yè)物料的光學特性農(nóng)業(yè)物料的光學特性 3 3 在農(nóng)業(yè)工程中的應用在農(nóng)業(yè)工程中的應用學習要求學習要求：1 1 掌握農(nóng)業(yè)物料的光學特性包括哪些內(nèi)容掌握農(nóng)業(yè)物料的光學特性包括哪些內(nèi)容 2 2了解光學特性在農(nóng)業(yè)工程中的應用了解光學特性在農(nóng)業(yè)工程中的應用 反射、吸收、透光和發(fā)反射、吸收、透光和發(fā)光等構(gòu)成了農(nóng)業(yè)物料的光等構(gòu)成了農(nóng)業(yè)物料的光學特性。光學特性。這些射線能量的大小與這些射線能量的大小與物體特性及入射能大小物體特性及入射能大小有關(guān)。有關(guān)。第一節(jié)第一節(jié)

2、 光在農(nóng)業(yè)物料中的傳播光在農(nóng)業(yè)物料中的傳播及其相互作用及其相互作用圖 光在農(nóng)業(yè)物料中的傳播熒光熒光是在一定波長內(nèi)一種物料被能量是在一定波長內(nèi)一種物料被能量激發(fā)激發(fā)而放射出的而放射出的光能，它的波長不同于激發(fā)能的波長。光能，它的波長不同于激發(fā)能的波長。延遲發(fā)光是在延遲發(fā)光是在除去光源除去光源后由物料發(fā)射出來的光。后由物料發(fā)射出來的光。研究農(nóng)業(yè)物料的光學特性可了解它們的一些研究農(nóng)業(yè)物料的光學特性可了解它們的一些其他特征，例如成熟度、內(nèi)部缺陷、組成物其他特征，例如成熟度、內(nèi)部缺陷、組成物含量等含量等。本章主要討論諸如反射率和透光率以及它們在農(nóng)業(yè)本章主要討論諸如反射率和透光率以及它們在農(nóng)業(yè)工程中的實際

3、應用工程中的實際應用, ,簡要介紹延遲發(fā)光特性簡要介紹延遲發(fā)光特性. .反射光提供了農(nóng)產(chǎn)品表面特征的信息，如顏色、表反射光提供了農(nóng)產(chǎn)品表面特征的信息，如顏色、表面缺陷、病變和損傷等。面缺陷、病變和損傷等。光的吸收和透射則是農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成、內(nèi)部顏光的吸收和透射則是農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成、內(nèi)部顏色和缺陷等信息的載體。對這些量的分析可以判斷色和缺陷等信息的載體。對這些量的分析可以判斷農(nóng)業(yè)物料的不同顏色、區(qū)分質(zhì)量優(yōu)劣、指示成熟與農(nóng)業(yè)物料的不同顏色、區(qū)分質(zhì)量優(yōu)劣、指示成熟與否，從而可以對農(nóng)產(chǎn)品進行分選和質(zhì)量分析。否，從而可以對農(nóng)產(chǎn)品進行分選和質(zhì)量分析。一、光的反射特性一、光的反射特性 當一束平行光照射到

4、農(nóng)業(yè)物料表面時，如果入射光當一束平行光照射到農(nóng)業(yè)物料表面時，如果入射光強度為強度為I IO O，反射光強度為，反射光強度為I IR R，則光的反射率，則光的反射率R R為被為被物料反射回來的光波強度物料反射回來的光波強度I IR R與射向物料總光波強度與射向物料總光波強度I IO O之百分比，即之百分比，即R=（ IR / IO ） 100%第二節(jié)第二節(jié) 農(nóng)業(yè)物料的光學特性農(nóng)業(yè)物料的光學特性 隨著檸檬成熟度提高、表皮逐隨著檸檬成熟度提高、表皮逐漸由綠變黃，標志波長反射率逐漸由綠變黃，標志波長反射率逐漸提高。如圖漸提高。如圖影響農(nóng)業(yè)物料光反射的因素主要有：影響農(nóng)業(yè)物料光反射的因素主要有： (1)

5、 (1)物料類型；物料類型； (2) (2)不同發(fā)育成熟階段。不同發(fā)育成熟階段。 用透射率用透射率 T T 表示，是通過物料的光波強度表示，是通過物料的光波強度 I IT T 與射向物與射向物料光波強度料光波強度 I Io o 的百分比：的百分比： T= T= （ I IT T /I /Io o ） 100% 100% 吸光度：吸光度：OD=lg(1/T) OD=lg(1/T) 二、光的透過特性二、光的透過特性 OD OD 不僅反映物料（水果、蔬菜的外表特性），還能顯不僅反映物料（水果、蔬菜的外表特性），還能顯示其內(nèi)部特性。示其內(nèi)部特性。 物料的致密度和厚度對吸光度都有很大影響。此外，物物料的

6、致密度和厚度對吸光度都有很大影響。此外，物料對光的折射與散射等對透射率也起一定作用。料對光的折射與散射等對透射率也起一定作用。透射方式：透射方式：下圖表示番茄在不同成熟階段的透光率曲線。由圖可知，在下圖表示番茄在不同成熟階段的透光率曲線。由圖可知，在波長波長 675nm 675nm 附近有明顯吸收帶，隨著番茄不斷成熟，吸光度附近有明顯吸收帶，隨著番茄不斷成熟，吸光度逐漸下降逐漸下降。綠色的含有葉綠素的農(nóng)產(chǎn)品如番茄、桔子、柿子、綠色的含有葉綠素的農(nóng)產(chǎn)品如番茄、桔子、柿子、茶葉等在用光照射激勵后的若干秒內(nèi)其表面會發(fā)茶葉等在用光照射激勵后的若干秒內(nèi)其表面會發(fā)光，我們把這種現(xiàn)象稱作延遲發(fā)光。光，我們把

7、這種現(xiàn)象稱作延遲發(fā)光。延遲發(fā)光與光合作用的可逆性有關(guān)。延遲發(fā)光與光合作用的可逆性有關(guān)。延遲發(fā)光強度與農(nóng)產(chǎn)品葉綠素含量有明顯的相關(guān)延遲發(fā)光強度與農(nóng)產(chǎn)品葉綠素含量有明顯的相關(guān)性。隨著這些產(chǎn)品的成熟度不斷地提高。葉綠素性。隨著這些產(chǎn)品的成熟度不斷地提高。葉綠素含量不斷地下降，延遲發(fā)光強度也隨之下降。含量不斷地下降，延遲發(fā)光強度也隨之下降。三、物料的延遲發(fā)光特性三、物料的延遲發(fā)光特性 第三節(jié)第三節(jié) 在農(nóng)業(yè)工程中的應用在農(nóng)業(yè)工程中的應用顏色和成熟度檢測，如園藝產(chǎn)品成熟度、農(nóng)產(chǎn)品顏色顏色和成熟度檢測，如園藝產(chǎn)品成熟度、農(nóng)產(chǎn)品顏色評定等；評定等；成分分析，如谷物和肉產(chǎn)品的含水量、牛奶脂肪含量成分分析，如谷物

8、和肉產(chǎn)品的含水量、牛奶脂肪含量等。等。內(nèi)部缺陷檢測，如蘋果水心、馬鈴薯空心、雞蛋中血內(nèi)部缺陷檢測，如蘋果水心、馬鈴薯空心、雞蛋中血點和小麥黑穗病檢測等。點和小麥黑穗病檢測等。自動化分選，如馬鈴薯和土塊分離、顏色或成熟度自自動化分選，如馬鈴薯和土塊分離、顏色或成熟度自動分級等。動分級等。利用近紅外可以檢利用近紅外可以檢測豆?jié){的濃度，為測豆?jié){的濃度，為添加適量的凝固劑添加適量的凝固劑提供依據(jù)。提供依據(jù)。瓶瓶裝裝腐腐乳乳中中成成分分的的快快速速檢檢測測3.3.近紅外儀在蘋果糖度檢測上的應用近紅外儀在蘋果糖度檢測上的應用 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1000 150

9、0 2000Wavelength (nm)Absorbance水果品質(zhì)檢測實例水果品質(zhì)檢測實例可見可見/ /近紅外光譜分析的一般流程近紅外光譜分析的一般流程1 1、水果漫反射光譜采集系統(tǒng)、水果漫反射光譜采集系統(tǒng)例例1 西梅樣品近紅外漫反射光譜圖 2 2、水果、水果SSCSSC破壞性檢測破壞性檢測 (RMSEC=0.355；RMSEP=0.447)西梅SSC建模與預測結(jié)果 3 3、可溶性固形物含量檢測結(jié)果、可溶性固形物含量檢測結(jié)果例例21 1、漫透射光譜采集系統(tǒng)、漫透射光譜采集系統(tǒng) 2 2、光譜指標、光譜指標 吸收率吸收率 透過率透過率 ：波長為時樣品光譜強度； ：是波長為時暗場光譜的強度； ：

10、波長為時參比光譜的強度。)(log10DRDSA%100%DRDSTSDR3 3、光譜采集中主要需要注意的幾個問題、光譜采集中主要需要注意的幾個問題： 積分時間（integration time） 、離散光譜累計采集次數(shù)（Average）、廂車法平滑寬度（Boxcar）等。 樣品光譜圖4 4、品質(zhì)指標破壞性檢測方法及儀器、品質(zhì)指標破壞性檢測方法及儀器可溶性固形物含量(SSC)西瓜樣品的可見/近紅外光譜SSC檢測建模結(jié)果散點圖及預測結(jié)果散點圖 乙烯催熟瓜與正常成熟瓜分類試驗研究 近紅外光譜定性判別分析步驟：近紅外光譜定性判別分析步驟： 1 1）標準樣品集光譜建立；標準樣品集光譜建立； 2 2）光

11、譜校正及預處理；）光譜校正及預處理； 3 3）光譜特征提?。唬┕庾V特征提??； 4 4）定性判別模型的建立與評價；）定性判別模型的建立與評價； 5 5）未知樣品定性判別分析。）未知樣品定性判別分析。例例2 5.4.4 5.4.4 高濃度外源乙烯催熟瓜與正常成熟瓜分類試驗研究高濃度外源乙烯催熟瓜與正常成熟瓜分類試驗研究 試驗材料及方法試驗材料及方法 購置采摘前后均未使用乙烯利催熟的上海產(chǎn)“早春紅玉”西瓜150顆（其中50顆為人工挑選的未熟瓜），將濃度為40%的乙烯利水劑配制為濃度為0.05%的乙烯利溶液，均勻噴淋于50顆未熟西瓜表面，將所有西瓜困置于溫度為22的室內(nèi)60小時后，采用前述光譜采集系統(tǒng)進行漫透射光譜采集。 試驗結(jié)果試驗結(jié)果未經(jīng)乙烯處理和經(jīng)乙烯處理西瓜光譜對比圖 (1) 透過率之比判別