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摘要：传统实验室烘干称重法检测淀粉含水量过程复杂，检测周期长，而电阻或电容式水分检测设备检测精度又不高。针对这些问题，利用可见光谱技术，结合自动控制原理对淀粉含水量检测进行了研究，设计出一种基于光谱原理的自动淀粉含水量检测装置。相比于传统的淀粉含水量检测方法，该基于光谱原理的自动淀粉含水量检测装置不仅可以实现快速检测，其检测精度也要显著高于传统的阻容式含水量测量仪。通过可见光谱传感器收集对淀粉含水量敏感波段的光谱反射率数据，经单片机中的相关数学模型进行计算可快速得到淀粉含水量相关的数据，对提高当下淀粉及相关粮食产品的含水量检测效率与精度具有重要意义。
关键词：淀粉含水量;检测周期;检测精度;可见光谱技术;自动控制原理
Abstract：The traditional laboratory drying and weighing method to detect the moisture content of starch has complex process and long detection cycle， and the detection accuracy of resistance or capacitance moisture detection equipment is not high.In order to solve these problems， the visible spectrum technology and the automatic control principle were used to study the detection of starch water content， and an automatic starch water content detection device based on the spectrum principle was designed.Compared with the traditional starch moisture content detection method， the automatic starch moisture content detection device based on spectral principle can not only realize rapid detection， but also has higher detection accuracy than the traditional resistance capacitance moisture content meter.The spectral reflectance data of starch water content sensitive band is collected by visible spectrum sensor， and the data related to starch water content can be quickly obtained by calculating the relevant mathematical model in single chip microcomputer， which is of great significance to improve the detection efficiency and accuracy of starch and related food products.
Key words：Water content of starch; Detection cycle; Detection accuracy; Visible spectrum technology; Principle of automatic control
淀粉是工业生产中的重要原料，被广泛用作上浆剂，粘接剂和各种食品增稠剂。淀粉不仅是是糖胶、葡萄糖和其它变性淀粉的原料，在造纸业中也作为上浆剂和涂覆剂使用，以增加纸张强度[1]。淀粉含水量不仅关系着物料成本和其保质期，同时还影响浆液浓度和上浆率。当前对于淀粉含水量检测最常用的方法有烘干法和电容法。其中烘干法具有简单、直观、检测精度高的优点，但该方法需要采集样本送至实验室进行检测，有检测周期长，不能快速得出数据等缺点。电容法则是利用淀粉的介电特性、容积密度等因素对其进行含水量检测。电容式水分检测仪具有体积小，检测速度快的特点[2]。操作简单，便于携带，在农村地区粮食收购等场合被广泛使用。但其检测精度不如烘干法高，误差较大，不能用于工業中更高精度的淀粉含水量检测。本文针对传统淀粉含水量检测方法中存在的不足，设计出一种基于光谱原理的自动淀粉含水量检测装置，在快速检测的同时，保证其精度，以实现对淀粉含水量的快速、精确检测。
1研究背景
1.1淀粉含水量检测的意义
工业中的淀粉生产是一个由湿淀粉经干燥系统干燥后变为干淀粉的过程。对于市面上销售的淀粉，国家规定其含水量不得超过14%。在工业生产中，淀粉的干燥过程严密且复杂，对其含水量的时事监测就显得尤为重要。
自2016年起，我国的淀粉糖产业，造纸业蓬勃发展，淀粉需求量迅速增长。为满足我国快速增长的淀粉需求，工业用淀粉生产，尤其是玉米淀粉的生产发展迅速，产量大幅提升。当前我国市场淀粉含水量指标为13.5%-14%，在满足该指标的前提下，淀粉含水量越高，单位原料的淀粉产量就越高，因此为了提高工厂利润，需要在符合国家指标的前提下，尽可能地提高淀粉的含水量。例如：某淀粉厂每日淀粉产量可达2000吨，若其淀粉含水量为13.5%，其中水的质量为270吨。若将其淀粉含水量控制在14%，则其中水的质量可达280吨。因此，由于生产出的淀粉含水量不同，在原料质量相同的前提下，一年中淀粉生产质量最多可相差3600多吨。 除此之外，淀粉含水量也影响着淀粉在运输于储存过程中稳定性，可见能够快速，准确的检测淀粉含水量，对于工业中淀粉的生产过程，产量，运输存储等都具有重要意义。
1.2淀粉含水量检测方法比较
当前应用最多的淀粉含水量检测方法主要有两种。一种是把待测样本送入实验室，通过加热法或烘干法去除水分，实现点水含水量的检测。另一种是通过便携式水分检测仪进行检测。
实验室中使用的淀粉含水量检测方法主要包括，烘箱法、红外线加热干燥法和微波加热法。其中，红外线加热干燥法是通过红外辐射，产生与水的吸收峰值波长相匹配的波长，加速水分子运动速率从而加速水分蒸发。微波加热法则是利用超高频率的微波，使水分子产生快速振荡和摩擦来去除水分。这三种方法都是通过样本加热干燥前后的质量差值来计算样本的含水量的，其中紅外线加热干燥法和微波加热法向对于传统烘箱法干燥速度更快[3]。实验室检测淀粉含水量，检测周期长，但检测精度很高，通常用作其他水分检验方法的标定，无法进行实时检测。
便携式水分测量仪通常是通过电容法进行水分含量检测的。常温下，淀粉的介电常数接近于谷物的介电常数，通常为2～5，水的介电常数为81左右[4]。淀粉含水量的变化会造成其介电常数的变化，进而通过传感器影响电容变化，根据电容变化情况可以找出其所对应的淀粉含水量。其中电容信号转换为电压信号集成电路如图1所示。
用电容法检测淀粉含水量，具有设备便携，维护方便，价格便宜的优点[5]。可以快速得出结果，可用于实时检测。但检测过程中受到样本密度，环境温湿度的影响较大，难以实现精确测量。
2利用光谱技术检测淀粉含水量的方法
现代光谱分析技术综合了光谱学、计算机科学和化学计量学等学科的成果，其分析速度快，效率高，成本合理的特点，被越来越多的领域于学科用作定性或定量分析[6]。在制药业，食品业，石油工业等领域被广泛使用。
利用光谱技术实现对淀粉含水量的检测，首先需要找出光谱中对于水分含量敏感的波段[7]。将每份采集的样本分成A、B两份，A组通过烘干法检测其含水量。B组送至光谱实验室测定光谱。计算各波段光谱数据于淀粉含水量的相关系数，找出其中对淀粉含水量最敏感的波段。
在找出对淀粉含水量最敏感的波段后，需要找出该波段光谱数据与淀粉含水量之间的数学关系，建立一元回归模型。以对淀粉含水量敏感波段的光谱数据为横坐标，淀粉含水量为纵坐标，在坐标系中描下各个点。根据宋韬等[8]的成果，可知含水量与光谱数据之间的数学模型如下
Y=0.00498e3.9304X （1）
式中：X为对淀粉含水量敏感的波段处经过预处理后的光谱反射率数据，Y为淀粉含水量。
在得出淀粉含水量与对淀粉含水量敏感的波段处的光谱反射率数据的一元回归模型后，需要对该一元回归模型显著性检验。对模型进行F检验，对模型参数进行t检验。若各项检验参数都远远大于检验临界值，则该模型拥有高度的显著水平。检验该数学模型的预测效果，可以把未用作数学建模的样本的光谱数据带入数学模型中，得出预测结果后，将预测结果与实测结果进行相关性分析，求出二者的拟合回归方程。通过计算模型的预测相关系数r和预测均方根误差RMSEP可以检验模型的预测精度，其中计算公式如下
3.基于光谱原理的自动淀粉含水量检测装置
3.1控制原理分析
本自动光谱水分检测装置采用AS7341可见光谱传感器收集光谱数据，以stm32f103C8T6的32位单片机进行信号处理。设备启动后，先进行初始化。然后需向系统中输入用于检测淀粉含水量的数学模型，其中数学模型的搭建方法与模型预测精确度的检验方法在第二章已详细介绍。若未输入检测用数学模型，则系统无法继续运行，且会显示“请输入数学模型”。检测用数学模型输入成功后，开启光谱传感器，检测被测对象的光谱数据。检测到的光谱数据经放大处理后被单片机带入淀粉含水量检测用数学模型中，得出检测结果。检测结果通过显示屏显示并被存储于单片机中。程序判断是否需要再次检测，若需要，则再次开启光谱传感器，重复检测过程。为满足多样本检测需要，该基于光谱原理的淀粉含水量检测装置一次最多可存储二十个检测数据。若不需要再次检测，则继续判断是否结束程序，若是，则程序结束，若否，继续判断是否进行下一次检测，指导受到再次检测或结束程序的指令。其中该基于光谱原理的淀粉含水量检测装置控制程序流程如图2所示。
3.2基于光谱原理的自动淀粉含水量检测装置的优势
传统的实验室淀粉含水量检测方法，不管是用烘箱加热还是通过红外线或微波加热，都避免不了将样本加热这一步骤，为了确保检测的准确性，还需要控制所采集样本的质量。而本文中的基于光谱原理的自动淀粉含水量检测装置完全省略了将样本送往实验室加热这一步骤，可以直接检测并快速得出结果。可用于流水线上快速检测，检测速度与检测精度都要高于工人凭借经验进行的含水量检测。
电容式谷物水分检测仪不仅受环境因素影响更大，在检测时，需要将检测装置的两根金属探头插入待检样本中，需要待检样本具有较大的质量和体积。在需要检测小质量，小体积样本的场合，电容式含水量检测装置无法使用。而基于光谱原理的自动淀粉含水量检测装置利用光谱中对含水量最敏感的波段的光谱反射率来对淀粉含水量进行检测，比通过待检样本的介电常数确定其含水量的方法要更精确。基于光谱原理的自动淀粉含水量检测装置在检测淀粉含水量时不需要传感器与淀粉直接接触，待检样本的质量多少和体积大小不影响其检测精度与检测速度。各中含水量检测方式对比如表1所示。 4结语
本文设计的基于光谱原理的自动淀粉含水量检测装置可以实现工业中淀粉含水量的准确、快速检测。克服了传统的通过实验室检测淀粉含水量与电容法检测淀粉含水量的缺点。即有很好的检测精度，也有很高的检测效率。在淀粉生产，运输储存过程中都可应用，对于在满足国家标准要求的前提下，提高淀粉含水量，保证工厂效益具有重要意义。除此之外，通过更改用于檢测的数学模型，该装置可以用于检测其他物质的含水量。该基于光谱原理的自动淀粉含水量检测装置结构简单，应用广泛，性价比高，适合在工业生产中大规模推广。
参考文献
[1]韩伟.淀粉水分在线测量系统的研究与设计[D].天津职业技术师范大学，2021.
[2]张勇，孙震宇，薛程雄，解祯，朱艳军，李茂杰.基于介电常数法的润滑油水含量测量装置设计[J].中国测试，2020，46（04）：86-90.
[3]樊成孝，李志刚，苑严伟，赵博，刘阳春，周利明.基于电容法的自走式玉米青饲机质量流量在线检测[J].中国农机化学报，2020，41（07）：137-142.
[4]罗承铭.基于电容法的谷物水分检测系统研究与设计[D].西北农林科技大学，2011.
[5]李泽峰，金诚谦，刘政，杨腾祥，陈满，蔡泽宇.谷物联合收获机水分在线检测装置设计与标定[J].中国农机化学报，2019，40（06）：145-151.
[6]Nakawajana Natrapee，Lerdwattanakitti Patchara，Saechua Wanphut， Posom Jetsada，Saengprachatanarug Khwantri，Wongpichet Seree. A Low- Cost System for Moisture Content Detection of Bagasse upon a Conveyor Belt with Multispectral Image and Various Machine Learning Methods[J]. Processes，2021，9（5）.
[7]Wei Yuzhen，He Yong，Li Xiaoli. Tea moisture content detection with multispectral and depth images[J]. Computers and Electronics in Agriculture， 2021，183.
[8]宋韬，鲍一丹，何勇.利用光谱数据快速检测土壤含水量的方法研究[J].光谱学与光谱分析，2009，29（03）：675-677.
作者简介
张天惕，男，1985年出生，本科，从事淀粉、淀粉糖，发酵等生产线的自动化控制和设计等工作。
关键词：淀粉含水量;检测周期;检测精度;可见光谱技术;自动控制原理
Abstract：The traditional laboratory drying and weighing method to detect the moisture content of starch has complex process and long detection cycle， and the detection accuracy of resistance or capacitance moisture detection equipment is not high.In order to solve these problems， the visible spectrum technology and the automatic control principle were used to study the detection of starch water content， and an automatic starch water content detection device based on the spectrum principle was designed.Compared with the traditional starch moisture content detection method， the automatic starch moisture content detection device based on spectral principle can not only realize rapid detection， but also has higher detection accuracy than the traditional resistance capacitance moisture content meter.The spectral reflectance data of starch water content sensitive band is collected by visible spectrum sensor， and the data related to starch water content can be quickly obtained by calculating the relevant mathematical model in single chip microcomputer， which is of great significance to improve the detection efficiency and accuracy of starch and related food products.
Key words：Water content of starch; Detection cycle; Detection accuracy; Visible spectrum technology; Principle of automatic control
淀粉是工业生产中的重要原料，被广泛用作上浆剂，粘接剂和各种食品增稠剂。淀粉不仅是是糖胶、葡萄糖和其它变性淀粉的原料，在造纸业中也作为上浆剂和涂覆剂使用，以增加纸张强度[1]。淀粉含水量不仅关系着物料成本和其保质期，同时还影响浆液浓度和上浆率。当前对于淀粉含水量检测最常用的方法有烘干法和电容法。其中烘干法具有简单、直观、检测精度高的优点，但该方法需要采集样本送至实验室进行检测，有检测周期长，不能快速得出数据等缺点。电容法则是利用淀粉的介电特性、容积密度等因素对其进行含水量检测。电容式水分检测仪具有体积小，检测速度快的特点[2]。操作简单，便于携带，在农村地区粮食收购等场合被广泛使用。但其检测精度不如烘干法高，误差较大，不能用于工業中更高精度的淀粉含水量检测。本文针对传统淀粉含水量检测方法中存在的不足，设计出一种基于光谱原理的自动淀粉含水量检测装置，在快速检测的同时，保证其精度，以实现对淀粉含水量的快速、精确检测。
1研究背景
1.1淀粉含水量检测的意义
工业中的淀粉生产是一个由湿淀粉经干燥系统干燥后变为干淀粉的过程。对于市面上销售的淀粉，国家规定其含水量不得超过14%。在工业生产中，淀粉的干燥过程严密且复杂，对其含水量的时事监测就显得尤为重要。
自2016年起，我国的淀粉糖产业，造纸业蓬勃发展，淀粉需求量迅速增长。为满足我国快速增长的淀粉需求，工业用淀粉生产，尤其是玉米淀粉的生产发展迅速，产量大幅提升。当前我国市场淀粉含水量指标为13.5%-14%，在满足该指标的前提下，淀粉含水量越高，单位原料的淀粉产量就越高，因此为了提高工厂利润，需要在符合国家指标的前提下，尽可能地提高淀粉的含水量。例如：某淀粉厂每日淀粉产量可达2000吨，若其淀粉含水量为13.5%，其中水的质量为270吨。若将其淀粉含水量控制在14%，则其中水的质量可达280吨。因此，由于生产出的淀粉含水量不同，在原料质量相同的前提下，一年中淀粉生产质量最多可相差3600多吨。 除此之外，淀粉含水量也影响着淀粉在运输于储存过程中稳定性，可见能够快速，准确的检测淀粉含水量，对于工业中淀粉的生产过程，产量，运输存储等都具有重要意义。
1.2淀粉含水量检测方法比较
当前应用最多的淀粉含水量检测方法主要有两种。一种是把待测样本送入实验室，通过加热法或烘干法去除水分，实现点水含水量的检测。另一种是通过便携式水分检测仪进行检测。
实验室中使用的淀粉含水量检测方法主要包括，烘箱法、红外线加热干燥法和微波加热法。其中，红外线加热干燥法是通过红外辐射，产生与水的吸收峰值波长相匹配的波长，加速水分子运动速率从而加速水分蒸发。微波加热法则是利用超高频率的微波，使水分子产生快速振荡和摩擦来去除水分。这三种方法都是通过样本加热干燥前后的质量差值来计算样本的含水量的，其中紅外线加热干燥法和微波加热法向对于传统烘箱法干燥速度更快[3]。实验室检测淀粉含水量，检测周期长，但检测精度很高，通常用作其他水分检验方法的标定，无法进行实时检测。
便携式水分测量仪通常是通过电容法进行水分含量检测的。常温下，淀粉的介电常数接近于谷物的介电常数，通常为2～5，水的介电常数为81左右[4]。淀粉含水量的变化会造成其介电常数的变化，进而通过传感器影响电容变化，根据电容变化情况可以找出其所对应的淀粉含水量。其中电容信号转换为电压信号集成电路如图1所示。
用电容法检测淀粉含水量，具有设备便携，维护方便，价格便宜的优点[5]。可以快速得出结果，可用于实时检测。但检测过程中受到样本密度，环境温湿度的影响较大，难以实现精确测量。
2利用光谱技术检测淀粉含水量的方法
现代光谱分析技术综合了光谱学、计算机科学和化学计量学等学科的成果，其分析速度快，效率高，成本合理的特点，被越来越多的领域于学科用作定性或定量分析[6]。在制药业，食品业，石油工业等领域被广泛使用。
利用光谱技术实现对淀粉含水量的检测，首先需要找出光谱中对于水分含量敏感的波段[7]。将每份采集的样本分成A、B两份，A组通过烘干法检测其含水量。B组送至光谱实验室测定光谱。计算各波段光谱数据于淀粉含水量的相关系数，找出其中对淀粉含水量最敏感的波段。
在找出对淀粉含水量最敏感的波段后，需要找出该波段光谱数据与淀粉含水量之间的数学关系，建立一元回归模型。以对淀粉含水量敏感波段的光谱数据为横坐标，淀粉含水量为纵坐标，在坐标系中描下各个点。根据宋韬等[8]的成果，可知含水量与光谱数据之间的数学模型如下
Y=0.00498e3.9304X （1）
式中：X为对淀粉含水量敏感的波段处经过预处理后的光谱反射率数据，Y为淀粉含水量。
在得出淀粉含水量与对淀粉含水量敏感的波段处的光谱反射率数据的一元回归模型后，需要对该一元回归模型显著性检验。对模型进行F检验，对模型参数进行t检验。若各项检验参数都远远大于检验临界值，则该模型拥有高度的显著水平。检验该数学模型的预测效果，可以把未用作数学建模的样本的光谱数据带入数学模型中，得出预测结果后，将预测结果与实测结果进行相关性分析，求出二者的拟合回归方程。通过计算模型的预测相关系数r和预测均方根误差RMSEP可以检验模型的预测精度，其中计算公式如下
3.基于光谱原理的自动淀粉含水量检测装置
3.1控制原理分析
本自动光谱水分检测装置采用AS7341可见光谱传感器收集光谱数据，以stm32f103C8T6的32位单片机进行信号处理。设备启动后，先进行初始化。然后需向系统中输入用于检测淀粉含水量的数学模型，其中数学模型的搭建方法与模型预测精确度的检验方法在第二章已详细介绍。若未输入检测用数学模型，则系统无法继续运行，且会显示“请输入数学模型”。检测用数学模型输入成功后，开启光谱传感器，检测被测对象的光谱数据。检测到的光谱数据经放大处理后被单片机带入淀粉含水量检测用数学模型中，得出检测结果。检测结果通过显示屏显示并被存储于单片机中。程序判断是否需要再次检测，若需要，则再次开启光谱传感器，重复检测过程。为满足多样本检测需要，该基于光谱原理的淀粉含水量检测装置一次最多可存储二十个检测数据。若不需要再次检测，则继续判断是否结束程序，若是，则程序结束，若否，继续判断是否进行下一次检测，指导受到再次检测或结束程序的指令。其中该基于光谱原理的淀粉含水量检测装置控制程序流程如图2所示。
3.2基于光谱原理的自动淀粉含水量检测装置的优势
传统的实验室淀粉含水量检测方法，不管是用烘箱加热还是通过红外线或微波加热，都避免不了将样本加热这一步骤，为了确保检测的准确性，还需要控制所采集样本的质量。而本文中的基于光谱原理的自动淀粉含水量检测装置完全省略了将样本送往实验室加热这一步骤，可以直接检测并快速得出结果。可用于流水线上快速检测，检测速度与检测精度都要高于工人凭借经验进行的含水量检测。
电容式谷物水分检测仪不仅受环境因素影响更大，在检测时，需要将检测装置的两根金属探头插入待检样本中，需要待检样本具有较大的质量和体积。在需要检测小质量，小体积样本的场合，电容式含水量检测装置无法使用。而基于光谱原理的自动淀粉含水量检测装置利用光谱中对含水量最敏感的波段的光谱反射率来对淀粉含水量进行检测，比通过待检样本的介电常数确定其含水量的方法要更精确。基于光谱原理的自动淀粉含水量检测装置在检测淀粉含水量时不需要传感器与淀粉直接接触，待检样本的质量多少和体积大小不影响其检测精度与检测速度。各中含水量检测方式对比如表1所示。 4结语
本文设计的基于光谱原理的自动淀粉含水量检测装置可以实现工业中淀粉含水量的准确、快速检测。克服了传统的通过实验室检测淀粉含水量与电容法检测淀粉含水量的缺点。即有很好的检测精度，也有很高的检测效率。在淀粉生产，运输储存过程中都可应用，对于在满足国家标准要求的前提下，提高淀粉含水量，保证工厂效益具有重要意义。除此之外，通过更改用于檢测的数学模型，该装置可以用于检测其他物质的含水量。该基于光谱原理的自动淀粉含水量检测装置结构简单，应用广泛，性价比高，适合在工业生产中大规模推广。
参考文献
[1]韩伟.淀粉水分在线测量系统的研究与设计[D].天津职业技术师范大学，2021.
[2]张勇，孙震宇，薛程雄，解祯，朱艳军，李茂杰.基于介电常数法的润滑油水含量测量装置设计[J].中国测试，2020，46（04）：86-90.
[3]樊成孝，李志刚，苑严伟，赵博，刘阳春，周利明.基于电容法的自走式玉米青饲机质量流量在线检测[J].中国农机化学报，2020，41（07）：137-142.
[4]罗承铭.基于电容法的谷物水分检测系统研究与设计[D].西北农林科技大学，2011.
[5]李泽峰，金诚谦，刘政，杨腾祥，陈满，蔡泽宇.谷物联合收获机水分在线检测装置设计与标定[J].中国农机化学报，2019，40（06）：145-151.
[6]Nakawajana Natrapee，Lerdwattanakitti Patchara，Saechua Wanphut， Posom Jetsada，Saengprachatanarug Khwantri，Wongpichet Seree. A Low- Cost System for Moisture Content Detection of Bagasse upon a Conveyor Belt with Multispectral Image and Various Machine Learning Methods[J]. Processes，2021，9（5）.
[7]Wei Yuzhen，He Yong，Li Xiaoli. Tea moisture content detection with multispectral and depth images[J]. Computers and Electronics in Agriculture， 2021，183.
[8]宋韬，鲍一丹，何勇.利用光谱数据快速检测土壤含水量的方法研究[J].光谱学与光谱分析，2009，29（03）：675-677.
作者简介
张天惕，男，1985年出生，本科，从事淀粉、淀粉糖，发酵等生产线的自动化控制和设计等工作。