[发明专利]基于近红外光谱技术的生物质基础特性在线检测方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物质基础特性在线检测方法及装置，具体涉及一种基于近红外光谱技术的生物质基础特性在线检测方法及装置。

背景技术

生物质储量大、分布广泛，是仅次于煤、石油、天然气的第四大能源，同时也是安全、可再生、零污染的清洁能源。通过化学、物理和生物转化方法，可以实现生物质能源化、饲料化、基料化、材料化、肥料化的综合高效利用。在生物质综合利用过程中，其基础特性的检测必不可少。传统的实验室化学检测方法费时费力，最重要的是无法实现在线检测，远远无法满足生物质综合高效利用中的快速高效检测需求。

近红外光谱技术(Near Infrared Spectroscopy，简称NIRS)是一种快速、高效、无损、绿色和适合在线分析的检测方法，近红外光谱主要反映了样品中有机分子含氢基团(C-H、O-H、N-H、S-H等)的特征信息。相关研究表明，近红外光谱技术可以对生物质的基础特性，如水分、灰分、挥发分、固定碳、纤维素、半纤维素、木质素、粗蛋白、可溶性糖、热值等进行有效预测，但现有研究还停留在实验室研究阶段。因此有必要研制出一种基于近红外光谱分析技术的生物质基础特性在线检测方法和装置，以满足生物质综合高效利用规模化发展的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于近红外光谱技术的生物质基础特性在线检测方法及装置，本发明通过对待测生物质进行近红外光谱扫描，由检测器接收的光谱信号传入至电脑，然后将这些含有待测生物质基础特性信息的光谱信号输入已建立的相关模型，可快速、实时得到被检测生物质的水分、灰分、挥发分、固定碳、纤维素、半纤维素、木质素、粗蛋白、可溶性糖、热值等基础特性数据，以实现生物质基础特性的在线检测。

本发明所提供的生物质基础特性的近红外光谱在线检测方法，包括如下步骤：

采集至少50个生物质样品的近红外光谱；按照标准化理化方法，测定所述生物质样品的基础特性，得到各基础特性的值；然后利用最小二乘法建立生物质样品的近红外光谱信号与基础特性之间的校正模型；

在与建立所述校正模型相同的光谱条件下，对待测生物质进行光谱扫描，采集待测生物质的近红外光谱；将获得的近红外光谱信号输入至所述近红外光谱信号与基础特性之间的校正模型，即得到待测生物质的基础特性。

上述的近红外光谱在线检测方法中，所述生物质为农作物秸秆，所述农作物秸秆为玉米秸秆、小麦秸秆或水稻秸秆等。

上述的近红外光谱在线检测方法中，所述基础特性包括水分、灰分、挥发分、固定碳、纤维素、半纤维素、木质素、粗蛋白、可溶性糖和热值等。

本发明近红外光谱检测方法中，在波数为4000～12000cm^-1的光谱范围内采集待测生物质的近红外光谱，需要对采集参数进行优化，包括样品传送速度、采集窗口到样品表面的距离、扫描次数等；建模过程包括对光谱数据和各基础特性值进行预处理，如15点平滑、一阶导数(2,3)、自动标尺缩放等优化处理。

本发明近红外光谱在线检测方法中，所述校正模型对于近红外光谱信号和生物质基础特性参数指标之间具有高度相关性。

本发明近红外光谱在线检测方法中，所采用的理化方法为现有技术中各种基础特性的标准化理化方法，如测定可溶性糖的蒽酮硫酸比色法、水分的热风干燥法(ASTM E1756-08)、粗蛋白的凯氏定氮法等。

本发明同时提供了实现上述检测方法的检测装置，它包括光谱采集系统和计算机；

所述光谱采集系统包括近红外光谱仪、传送带、传送带支架和检测探头支架；所述传送带设于所述传送带支架上；所述检测探头支架用于固定所述近红外光谱仪的检测探头，所述检测探头用于采集所述传送带上运输的待测样品的近红外光谱，并将采集得到的近红外光谱信号通过所述近红外光谱仪的主机传输至所述计算机中；

所述计算机中设有所述近红外光谱信号与基础特性之间的校正模型，所述校正模型是按照如下步骤得到的：采集至少50个生物质样品的近红外光谱；按照理化方法，测定所述生物质样品的基础特性，得到各基础特性的值；然后利用最小二乘法建立生物质样品的近红外光谱信号与基础特性之间的校正模型。

所述的近红外光谱在线检测装置中，所述近红外光谱仪的检测探头和主机之间通过光纤束传输光谱信号。

所述的近红外光谱在线检测装置中，所述主机包括依次连接的分光仪、检测器和电子系统，

所述分光仪，用于把复合光分解为单一波长的单色光；

所述检测器，用于接收光谱仪的光谱信号，并将近红外光信号转变为电信号，再通过A/D转变为数字信号输入计算机；