概要
一家大型工業(yè)食品制造商想知道如何增加面包副產(chǎn)品（如面包屑）中的水分。 需要精確測(cè)量水分含量，以最大程度地提高經(jīng)濟(jì)價(jià)值，并確保一方面產(chǎn)品不會(huì)太脆和干，而另一方面又不能太濕和發(fā)霉。
以下測(cè)試結(jié)果是使用Brimrose Luminar 5030生成的，對(duì)于離線(xiàn)測(cè)試，客戶(hù)可以接受。 這些測(cè)試向潛在客戶(hù)提供了有關(guān)Brimrose光譜儀的準(zhǔn)確性和真實(shí)性的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，從而為精確的成分測(cè)量提供了可靠的數(shù)據(jù)。
但是，由于此處顯示的成功測(cè)試結(jié)果大部分來(lái)自客戶(hù)，因此客戶(hù)現(xiàn)在將Brimrose Luminar 4030用于實(shí)際的在線(xiàn)應(yīng)用程序。 Brimrose Luminar 4030連接到可編程邏輯控制單元或PLC。 光譜儀將面包屑從烤箱中出來(lái)時(shí)所包含的水分百分比傳遞給PLC，然后PLC將烤箱中的溫度調(diào)節(jié)到下一批的最佳設(shè)置。 結(jié)果是來(lái)自光譜儀的實(shí)時(shí)NIR數(shù)據(jù)控制了烤箱的溫度，從而實(shí)現(xiàn)了最佳的質(zhì)量控制并節(jié)省了成本。

介紹
堅(jiān)固 – 可靠 – 準(zhǔn)確
?? 極快（16,000個(gè)波長(zhǎng)/秒=最多30掃描/秒）
?? 不受環(huán)境光和振動(dòng)的影響
?? 固態(tài)，無(wú)活動(dòng)部件
?? 實(shí)時(shí)雙光束參考（無(wú)漂移）

近紅外原理可以將近紅外（NIR）區(qū)域定義為700至2500 nm的波長(zhǎng)區(qū)域。 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，不同的化學(xué)鍵（如O-H，C-H和N-H）的振動(dòng)強(qiáng)度和能量會(huì)發(fā)生變化，并且在光譜中可以看作是在不同波長(zhǎng)下的一系列吸收。 在特定波長(zhǎng)下識(shí)別這些“峰值”提供了測(cè)量樣品中特定分子數(shù)量的機(jī)會(huì)。
但是，如果不使用數(shù)據(jù)處理和化學(xué)計(jì)量軟件，則很難解釋NIR光譜。 分析通常分為四個(gè)階段：
1.? 數(shù)據(jù)收集-使用選定的光譜儀和方法（即透射率，反射率，透反射率）進(jìn)行樣品光譜和測(cè)量
2.? 數(shù)據(jù)處理–包括信號(hào)處理以準(zhǔn)備用于化學(xué)計(jì)量學(xué)的樣品
3.? 校準(zhǔn)–化學(xué)計(jì)量學(xué)，它使用多種方法來(lái)建立用于分析的“模型”
4.? 預(yù)測(cè)–使用化學(xué)計(jì)量學(xué)模型準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未知樣品

Brimrose AOTF-NIR 有多種NIR技術(shù)，包括傅立葉變換（FT），單色儀，多色儀（二極管陣列）和濾波器。 FT使用移動(dòng)鏡，因此對(duì)振動(dòng)敏感。使用衍射光柵的單色儀需要小心處理和頻繁校準(zhǔn)。 二極管陣列比其他技術(shù)具有更低的分辨率和信噪比。 濾光片的波長(zhǎng)范圍非常有限，只能用于水分等單組分測(cè)量。
但是，Brimrose聲光可調(diào)濾波器（AOTF）技術(shù)非常適合實(shí)驗(yàn)室，在線(xiàn)尤其是在線(xiàn)的大多數(shù)應(yīng)用。 以下是相對(duì)于其他NIR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：
?? 固態(tài)–無(wú)活動(dòng)部件，因此不受環(huán)境振動(dòng)的影響
?? 更快–能夠每秒掃描多達(dá)16,000個(gè)波長(zhǎng)，因此在整個(gè)波長(zhǎng)范圍（1100-2300 nm）中每秒可以進(jìn)行多達(dá)30次掃描
?? 靈敏–更高分辨率，具有出色的信噪比
?? 不受環(huán)境光的影響–無(wú)需阻擋樣品的環(huán)境光
?? 實(shí)時(shí)雙光束參考-無(wú)漂移，出色的波長(zhǎng)重復(fù)性，無(wú)需重新校準(zhǔn)設(shè)備
Brimrose AOTF-NIR光譜儀結(jié)合使用二氧化碲（TeO2）晶體和RF發(fā)生器。 白光源（鎢）提供給晶體。 RF產(chǎn)生聲波，該聲波傳播通過(guò)晶體并允許晶體衍射一個(gè)波長(zhǎng)的光。 輕松快速地更改RF頻率可以使不同的波長(zhǎng)快速通過(guò)。 然后將各個(gè)波長(zhǎng)分成2束光束。 “參考”通道包含5％的光，并轉(zhuǎn)移到聚苯乙烯參考檢測(cè)器。 其余的光是“樣品”通道，傳遞到樣品并返回InGaAs檢測(cè)器。 樣品反射的（或透射的）光被參考除以創(chuàng)建一個(gè)真正的光譜用于分析，不需要操作員的干預(yù)。

與其他光譜儀不同，由Brimrose設(shè)計(jì)和制造的AOTF-NIR光譜儀堅(jiān)固耐用，靈活且易于操作。

食品/農(nóng)業(yè)應(yīng)用? ? ?
典型的食品和農(nóng)業(yè)應(yīng)用包括水分，蛋白質(zhì)，脂肪和灰分的測(cè)量。 使用NIR不僅可以提高制成品的一致性和質(zhì)量。 它也可以用于：

?? 幫助確定何時(shí)收獲
?? 確定育種用種子
?? 注明假冒產(chǎn)品
?? 改善土壤管理和施肥實(shí)踐

化工行業(yè)使用NIR改進(jìn)其在線(xiàn)和在線(xiàn)分析，包括：
?? 反應(yīng)監(jiān)控-聚合
?? 過(guò)程監(jiān)控以了解材料成分
?? 識(shí)別添加劑和雜質(zhì)
?? 識(shí)別對(duì)應(yīng)于溫度的濁點(diǎn)

方法
這家食品加工公司從其制造的三種不同類(lèi)型的面包屑中平均提取了60個(gè)樣品。 從中，它選擇了八個(gè)要測(cè)試的驗(yàn)證樣本。
所使用的光譜儀是具有漫反射探頭的Brimrose AOTF-NIR Luminar 5030光譜儀。
Luminar 5030 Brimrose Luminar 5030 AOTF-NIR光譜儀在設(shè)計(jì)和制造時(shí)都考慮了靈活性。 5030具有鋁制外殼，可以按以下方式使用：
?? 手持
?? 實(shí)驗(yàn)室-使用實(shí)驗(yàn)室支架
?? 安裝在攪拌機(jī)上–使用安裝板； 當(dāng)不需要不銹鋼時(shí)
光譜范圍在1100nm和2300nm之間。 平均收集一百次掃描。 從校準(zhǔn)樣品中收集了十個(gè)光譜，從驗(yàn)證樣品中獲得了五個(gè)光譜。 驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)用于測(cè)試校準(zhǔn)。

結(jié)果
下面的圖顯示了從三種類(lèi)型的面包屑收集的光譜數(shù)據(jù)。 注意一個(gè)模型中所有三種類(lèi)型的數(shù)據(jù)的一致性。光譜數(shù)據(jù)清楚地表明了兩個(gè)水峰。

在下面的圖中，我們使用合并后的數(shù)據(jù)通過(guò)回歸分析比較了校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)為紅色，而驗(yàn)證數(shù)據(jù)為藍(lán)色。

下面的圖繪制了與校準(zhǔn)光譜相比的驗(yàn)證光譜。 注意相同的曲線(xiàn)和一致性。 兩個(gè)清晰的水峰再次明顯。

預(yù)測(cè)
下表顯示了經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的測(cè)量的準(zhǔn)確性。 平均絕對(duì)誤差為0.22％，或在可接受范圍內(nèi)。

結(jié)論與建議
這項(xiàng)研究清楚地證明了Brimrose AOTF-NIR Luminar 5030光譜儀可用于成功定量分析，以控制面包副產(chǎn)品的水分。 校準(zhǔn)和驗(yàn)證結(jié)果之間有很高的相關(guān)性。 絕對(duì)平均誤差非常低，完全在公司可以接受的范圍內(nèi)。
該光譜儀對(duì)于在線(xiàn)部署具有4-20 mA的I / O功能，以一致，可重復(fù)和長(zhǎng)期的方式控制烤箱，非常有效，從而消除了操作員的干擾。
從這些結(jié)果可以明顯看出，Brimrose Luminar 5030光譜儀（以及用于在線(xiàn)應(yīng)用的Brimrose Luminar 4030光譜儀）是一種用于測(cè)量面包或其他相關(guān)食品中水分（或其他關(guān)鍵成分）的高效工具。

聲光可調(diào)濾光器（AOTF）的原理
聲光可調(diào)諧濾光器（Acousto-optic tunable filter，簡(jiǎn)稱(chēng)AOTF）是一種電光調(diào)制器件。其工作原理主要是利用了聲波在各向異性介質(zhì)中傳播時(shí)對(duì)入射到傳播介質(zhì)中的光的布拉格衍射作用。
聲光可調(diào)諧濾光器組成是由單軸雙折射晶體（通常采用的材料為T(mén)eO2），粘合在單軸晶體一側(cè)的壓電換能器，以及作用于壓電換能器的高頻信號(hào)源組成。當(dāng)輸入一定頻率的射頻信號(hào)時(shí)，AOTF會(huì)對(duì)入射多色光進(jìn)行衍射，從中選出波長(zhǎng)為λ的單色光。單色光的波長(zhǎng)λ與射頻頻率f 有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，只要通過(guò)電信號(hào)的調(diào)諧即可快速、隨機(jī)改變輸出光的波長(zhǎng)。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?AOTF的分光原理圖

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?BRIMROSE 公司的AOTF 分光系統(tǒng)

美國(guó)BRIMROSE AOTF 近紅外光譜分析技術(shù)特點(diǎn)
美國(guó)Brimrose 的AOTF 近紅外光譜分析技術(shù)的獨(dú)特之處在于非常適合在線(xiàn)質(zhì)量控制和現(xiàn)場(chǎng)品質(zhì)檢測(cè)。AOTF 近紅外光譜分析技術(shù)具有掃描速度快而且不受外界環(huán)境如溫度、濕度、灰塵等影響的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。這是其他任何分光系統(tǒng)不可比擬的。

基于AOTF 近紅外技術(shù)的光譜儀與傳統(tǒng)機(jī)械調(diào)諧分光元件的光譜儀相比，無(wú)論是在定性、定量，還是對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量控制顯示了其明顯的優(yōu)勢(shì)。