基于<strong>TDLAS</strong>的批量种子活力检测装置设计

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.029

工程设计学报

2022, Vol. 29

Issue (2): 231-236 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.029

整机和系统设计

基于TDLAS的批量种子活力检测装置设计

徐云杰^1,²(

),沈俞¹,胡飞¹,贾良权¹,祁亨年¹(

)

^1.湖州师范学院工学院，浙江湖州 313000
^2.湖州市机械工程学会，浙江湖州 313000

Design of vigor detection device for batch seeds based on TDLAS

Yun-jie XU^1,²(

),Yu SHEN¹,Fei HU¹,Liang-quan JIA¹,Heng-nian QI¹(

)

^1.School of Engineering, Huzhou University, Huzhou 313000, China
^2.Huzhou Mechanical Engineering Society, Huzhou 313000, China

全文: PDF(2674 KB) HTML

摘要：

针对我国缺乏对批量种子活力检测装置的研究，以及传统检测方法可能会对种子样品造成不可逆损伤的问题，提出了一种通过可调谐半导体激光吸收光谱（tunable diode laser absorption spectroscopy， TDLAS）技术检测种子呼吸强度来判定其活力等级的无损检测方法，并设计了相应的检测装置，以实现对种子活力的批量检测。首先，从整体上设计了批量种子活力检测装置的结构，确定了上料—检测—分选—复位的工艺流程和要求。然后，对该检测装置的关键部件——种子盒进行了结构设计，同时对其内部光路进行了理论设计，并结合Zemax光学设计软件对内部光路进行了仿真分析。接着，对该检测装置控制系统的软、硬件进行了设计。最后，搭建了检测装置样机，并开展了上料、检测和分选试验。试验结果表明，所设计的批量种子活力检测装置样机的稳定性较好，其综合成功率达96.67%。研究结果可为批量种子活力检测装置的商品化和市场化提供参考。

关键词： 可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术; 种子活力; 批量检测; 光学设计

Abstract:

In view of the lack of research on vigor detection device for batch seeds in China and the irreversible damage to seed samples caused by traditional detecting methods, a non-destructive detecting method using tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) technology to detect seed respiration intensity to determine its vigor level was proposed, and a detection device was designed to realize the batch detection of seed vigor. Firstly, the overall structure of the vigor detection device for batch seeds was designed, and the process flow and requirements of feeding?detection?sorting?reset were determined. Then, the structural design of the key component, the seed box, was carried out, at the same time, its internal optical path was theoretically designed, and the optical path was simulated and analyzed by the Zemax optical design software. And then, the software and hardware design for the detection device control system was carried out. Finally, a detection device prototype was built up, and the feeding, detecting and sorting tests were conducted. The test results showed that the designed vigor detection device prototype for batch seeds had good stability, and its comprehensive success rate was 96.67%. The research result can provide a reference for the commercialization and marketization of the vigor detection device for batch seeds.

Key words: tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) technology seed vigor batch detection optical design

收稿日期: 2021-05-28 出版日期: 2022-05-06

CLC:

TH 122

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(31701512);浙江省重点研发项目(2019C02013);湖州市公益性应用研究项目(2019GZ15);浙江省公益技术研究计划资助项目(LGN21C160008);湖州师范学院校级科研项目(2021XJKJ02)

通讯作者: 祁亨年 E-mail: 02455@zjhu.edu.cn;02466@zjhu.edu.cn

作者简介: 徐云杰（1976—），男，内蒙古赤峰人，副教授，博士，从事机电一体化研究，E-mail：02455@zjhu.edu.cn，https：//orcid.org/0000-0001-6514-7773

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徐云杰,沈俞,胡飞,贾良权,祁亨年. 基于TDLAS的批量种子活力检测装置设计[J]. 工程设计学报, 2022, 29(2): 231-236.

Yun-jie XU,Yu SHEN,Fei HU,Liang-quan JIA,Heng-nian QI. Design of vigor detection device for batch seeds based on TDLAS[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2022, 29(2): 231-236.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.029 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2022/V29/I2/231

图1 批量种子活力检测装置整机结构1—机架；2—上料机构；3—种子盒；4—检测机构；5—传送带；6—分选机构。

图2 种子盒结构示意1—盖板；2—呼吸腔；3—过滤网；4—反射镜片组；5—光学吸收池。

图3 怀特池反射原理示意

图4 种子盒光学吸收池内部光路反射示意

图5 激光反射40次后在大凹球面镜上产生的光斑

图6 批量种子活力检测装置气动控制系统原理

表1 批量种子活力检测装置控制系统的I/O分配情况

图7 批量种子活力检测装置控制系统的硬件接线情况

图8 批量种子活力检测装置控制系统PLC程序的顺序功能图

图9 批量种子活力检测装置样机

1	曹祥练，潘威，秦明松.种子无损分选新技术研究进展［J］.种子，2016，35（1）：44-47. doi：10.16590/j.cnki.1001-4705.2016.01.044 CAO Xiang-lian， PAN Wei， QIN Ming-song. Development of the non-destructive technology of seed upgrading and sorting［J］. Seed， 2016， 35（1）： 44-47. doi: 10.16590/j.cnki.1001-4705.2016.01.044
2	瞿志杰，贾良权，祁亨年.种子活力无损检测方法研究进展［J］.浙江农林大学学报，2020，37（2）：382-390. doi：10.11833/j.issn.2095-0756.2020.02.025 QU Zhi-jie， JIA Liang-quan， QI Heng-nian. Research advances in non-destructive detection methods of seed vigor［J］. Journal of Zhejiang A & F University， 2020， 37（2）： 382-390. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2020.02.025
3	袁俊，郑雯，祁亨年，等.种子活力光学无损检测技术研究进展［J］.作物杂志，2020（5）：9-16. doi：10.16035/j.issn.1001-7283.2020.05.002 YUAN Jun， ZHENG Wen， QI Heng-nian，et al. Progress in research of optical non-destructive test technology for seed vigor［J］. Crops， 2020（5）： 9-16. doi: 10.16035/j.issn.1001-7283.2020.05.002
4	潘威，杜景诚，乔雨.基于氧传感技术测定烟草种子活力的初步研究［J］.种子，2018，37（6）：72-75. doi：10.16590/j.cnki.1001-4705.2018.06.072 PAN Wei， DU Jing-cheng， QIAO Yu. Preliminary study on seed vigor testing of tobacco seeds based on oxygen sensing technology［J］. Seed， 2018， 37（6）： 72-75. doi: 10.16590/j.cnki.1001-4705.2018.06.072
5	贾良权，祁亨年，胡文军，等.采用TDLAS技术的玉米种子活力快速无损分级检测［J］.中国激光，2019，46（9）：297-305. doi：10.3788/cjl201946.0911002 JIA Liang-quan， QI Heng-nian， HU Wen-jun， et al. Rapid nondestructive grading detection of maize seed vigor using TDLAS technique［J］. Chinese Journal of Lasers， 2019， 46（9）： 297-305. doi: 10.3788/cjl201946.0911002
6	王亚丽，彭彦昆，赵鑫龙，等.玉米种子活力逐粒无损检测与分级装置研究［J］.农业机械学报，2020，51（2）：350-356. doi：10.6041/j.issn.1000-1298.2020.02.038 WANG Ya-li， PENG Yan-kun， ZHAO Xin-long， et al. Design and experiment of non-destructive testing and grading device for corn seed vigor［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2020， 51（2）： 350-356. doi: 10.6041/j.issn.1000-1298.2020.02.038
7	徐云杰，胡飞，胡晓军，等.一种气动吸附式种子活力分选机：CN110419292A［P］.2019-11-08. XU Yun-jie， HU Fei， HU Xiao-jun， et al. A apneumatic adsorption type seed vitality sorter： CN110419292A［P］. 2019-11-08.
8	王燕，张锐.光电探测器特性在TDLAS气体检测中的影响［J］.光学学报，2016，36（2）：288-294. doi：10.3788/aos201636.0230002 WANG Yan， ZHANG Rui. Photo detector characteristics effect on TDLAS gas detection［J］. Acta Optica Sinica， 2016， 36（2）： 288-294. doi: 10.3788/aos201636.0230002
9	洪光烈，张寅超，谭锟，等.基于参量振荡探测对流层CO2的差分吸收雷达［J］.光电工程，2005，32（3）：9-12. doi：10.3969/j.issn.1003-501X.2005.03.003 HONG Guang-lie， ZHANG Yin-chao， TAN Kun， et al. Optical parametric oscillator-based differential absorption lidar for detecting carbon dioxide in troposphere［J］. Opto-Electronic Engineering， 2005， 32（3）： 9-12. doi: 10.3969/j.issn.1003-501X.2005.03.003
10	房思超.TDLAS型CO2气体检测技术的仿真研究及系统研制［D］.长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2017：22-23. FANG Si-chao. The simulation research and development of carbon dioxide detection system based on TDLAS［D］. Changchun： Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， Chinese Academy of Sciences， 2017： 22-23.
11	瞿志杰.基于TDLAS技术的水稻种子活力无损检测初步研究［D］.杭州：浙江农林大学，2019：14-15. QU Zhi-jie. Preliminary study on nonderstructive detection of rice seed vigor based on TDLAS technology［D］. Hangzhou： Zhejiang A & F University， 2019： 14-15.
12	禹迎春，王晗，王志敏，等.基于QCL-TDLAS的NH3浓度测量仿真研究［J］.应用光学，2020，41（6）：1255-1261. doi：10.5768/JAO202041.0603006 YU Ying-chun， WANG Han， WANG Zhi-min， et al. Simulation study of NH3 concentration measurement based on QCL-TDLAS［J］. Journal of Applied Optics， 2020， 41（6）： 1255-1261. doi: 10.5768/JAO202041.0603006
13	王哲强，谢珊珊，李劲松.新型光学长程吸收池的仿真设计研究［J］.大学物理实验，2016，29（3）：74-79. doi：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.021 WANG Zhe-qiang， XIE Shan-shan， LI Jin-song. Study of new type optical multi-pass optical absorption cell［J］. Physical Experiment of College， 2016， 29（3）： 74-79. doi: 10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.021
14	HERRIOTT D， KOGELNIK H， KOMPFNER R. Off-axis paths in spherical mirror interferometers［J］. Applied Optics， 1964， 3（4）： 523-526. doi：10.1364/ao.3.000523 doi: 10.1364/ao.3.000523
15	杨牧，李传亮，魏计林.基于Herriott型长程池的光学设计的研究［J］.量子光学学报，2013，19（2）：189-194. YANG Mu， LI Chuan-liang， WEI Ji-lin. A novel design of multipass Herriott type cell［J］. Acta Sinica Quantum Optica， 2013， 19（2）： 189-194.
16	GUO Yin， SUN Li-qun. Biconic White multipass cell design based on a skew ray-tracing model［J］. Applied Optics， 2017， 56（27）： 7586-7595. doi：10.1364/ao.56.007586 doi: 10.1364/ao.56.007586
17	李洪刚，吴岩磊.基于Zemax的怀特池光学设计［J］.天津科技，2019，46（8）：41-42，45. doi：10.3969/j.issn.1006-8945.2019.08.012 LI Hong-gang， WU Yan-lei. Optical design of White cell based on Zemax［J］. Tianjin Science & Technology， 2019， 46（8）： 41-42， 45. doi: 10.3969/j.issn.1006-8945.2019.08.012
18	沈超，张玉钧，倪家正.光学气体吸收池在吸收光谱技术中的发展与应用［J］.红外，2012，33（12）：1-7. doi：10.3969/j.issn.1672-8785.2012.12.001 SHEN Chao， ZHANG Yu-jun， NI Jia-zheng. Development and applications of multipass optical gas cells in tunable diode laser absorption spectroscopy［J］. Infrared， 2012， 33（12）： 1-7. doi: 10.3969/j.issn.1672-8785.2012.12.001
19	王蕊.红外光谱仪长光程气体池的研究［D］.天津：天津大学，2006：11-14. WANG Rui. Research on the long-path cell of infrared spectrum instrument［D］.Tianjin： Tianjin University， 2006： 11-14.
20	贾良权，祁亨年，胡文军，等.种子呼吸CO2浓度检测系统［J］.光学精密工程，2019，27（6）：1397-1404. doi：10.3788/ope.20192706.1397 JIA Liang-quan， QI Heng-nian， HU Wen-jun， et al. CO2 concentration detection system for seed respiration［J］. Optics and Precision Engineering， 2019， 27（6）： 1397-1404. doi: 10.3788/ope.20192706.1397
21	刘怀海，魏玉兰，古志刚.液压与气压传动［M］.保定：河北大学出版社，2017：217-225. LIU Huai-hai， WEI Yu-lan， GU Zhi-gang. Hydraulic and pneumatic transmission［M］. Baoding： Hebei University Press， 2017： 217-225.

[1]	白仲航,艾琳璟. 基于功能表面驱动与可拓工具的产品人机工程问题确定方法研究[J]. 工程设计学报, 2023, 30(5): 531-544.
[2]	谢博伟,金莫辉,杨洲,段洁利,屈明宇,李锦辉. 3D打印TPU材料的力学性能及模型参数研究[J]. 工程设计学报, 2023, 30(4): 419-428.
[3]	杜雪林,易文慧,邹家华,周灿,毛立,邓利诗,刘颖. 多关节蛇形机器人的结构设计和运动实现[J]. 工程设计学报, 2023, 30(4): 438-448.
[4]	王金栋,谢宇鸿,陈燚,吴展扬. 基于河狸门齿的锤片式粉碎机锤片仿生设计[J]. 工程设计学报, 2023, 30(4): 476-484.
[5]	杨展,李其朋,唐威,秦可成,陈岁繁,王铠迪,刘阳,邹俊. 小型陆空变形两栖机器人的设计与分析[J]. 工程设计学报, 2023, 30(3): 325-333.
[6]	官俊,丁医华,葛青涛,赵帅,陆杨,张婕. 基于多材料3D打印技术的RFID天线快速制造[J]. 工程设计学报, 2023, 30(3): 288-296.
[7]	丁宇奇,杨超梁,芦烨,杨明,张佳贺,刘凯,卢宏. 基于多判别条件的储罐内爆弱顶性能评价分析[J]. 工程设计学报, 2023, 30(2): 144-153.
[8]	杨淦华,曾庆军,韩春伟,黄鑫,戴晓强. 人机交互遥操作机器人软体手位置跟踪设计与实现[J]. 工程设计学报, 2023, 30(2): 164-171.
[9]	孙光明,张大卫,孙铭泽,徐鹏飞,陈发泽,李志军. 精密机床直线进给系统误差均化机理研究[J]. 工程设计学报, 2023, 30(2): 200-211.
[10]	段韦婕,秦慧斌,刘荣,李中一,白绍平. 可重构变刚度柔性驱动器的设计与性能分析[J]. 工程设计学报, 2023, 30(2): 262-270.
[11]	徐诗洋,吴炳晖,纪冬梅,戴新宇. 电力隧道自动巡检机器人设计与运动仿真[J]. 工程设计学报, 2023, 30(1): 32-38.
[12]	李雪萍,冉琰. 多准则模糊关联的机械产品关键元动作识别[J]. 工程设计学报, 2022, 29(5): 527-536.
[13]	王晨,高波,杨旭. Stewart式六维力传感器轻量化设计[J]. 工程设计学报, 2022, 29(4): 419-429.
[14]	张嘉宁,张明路,李满宏,张坦. 面向灰库清理的超大伸缩比机械臂结构设计与刚度优化[J]. 工程设计学报, 2022, 29(4): 430-437.
[15]	王景良,朱天成,朱龙彪,许飞云. 连续体结构的变密度拓扑优化方法研究[J]. 工程设计学报, 2022, 29(3): 279-285.

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