工程设计学报

工程设计学报, 2022, 29(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

XU Yun-jie,,1,2, SHEN Yu1, HU Fei1, JIA Liang-quan1, QI Heng-nian,,1

1.School of Engineering, Huzhou University, Huzhou 313000, China

2.Huzhou Mechanical Engineering Society, Huzhou 313000, China

通讯作者: 祁亨年（1975—），男，甘肃镇原人，教授，博士，从事机器视觉、智能定位技术及其应用等研究，E-mail：02466@zjhu.edu.cn，https：//orcid.org/0000-0002-1927-7160祁亨年（1975—），男，甘肃镇原人，教授，博士，从事机器视觉、智能定位技术及其应用等研究，E-mail：02466@zjhu.edu.cn，https：//orcid.org/0000-0002-1927-7160

收稿日期: 2021-05-28   修回日期: 2021-06-10  

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

Received: 2021-05-28   Revised: 2021-06-10  

作者简介 About authors

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 , E-mail：02455@zjhu.edu.cn

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.

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

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本文引用格式

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. 工程设计学报[J], 2022, 29(2): 231-236 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.029

XU Yun-jie, SHEN Yu, HU Fei, JIA Liang-quan, QI Heng-nian. Design of vigor detection device for batch seeds based on TDLAS. Chinese Journal of Engineering Design[J], 2022, 29(2): 231-236 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.029

各类作物的种子在农业生产中占据重要地位，如何快速、准确地筛选出符合要求的高品质种子一直是种子分选的关键。研究种子活力检测技术对保障农业经济的稳定发展具有重要意义［1］。目前，国内外学者对种子活力检测技术的研究较多，但对检测装置的研究相对较少［2］。某些发达国家的种子公司，如美国孟山都公司、法国利马格兰公司和德国科沃施公司等，均利用批量检测装置对商品种子进行活力筛选，但国内目前仍没有商品化的批量种子活力检测装置［3］。

研究表明，种子的活力与其呼吸强度存在正相关性。在种子的呼吸过程中，其消耗的氧气（O2）和产生的二氧化碳（CO2）可有效地反映种子的活力水平［4］。将种子置于密闭容器中，利用可调谐半导体激光吸收光谱（tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS）技术快速测得容器内CO2的浓度变化，从而测定种子活力［5］。

鉴于传统检测方法可能会对种子样品造成不可逆的损伤，以及我国的种子动态实时检测与精准分级装置尚不完善［6］，笔者提出了一种基于TDLAS技术的批量种子活力无损检测方法，并设计了相应的检测装置，旨在弥补我国在商品种子活力批量检测装置自主创新上的不足。所设计的装置每次可检测一整盒种子（质量在1 kg以内）。检测出的高活力种子盒可直接作为商品种子出售；检测出的中活力种子盒须进行二次检测，即采用基于高光谱检测技术的气动吸附式种子活力分选机对种子进行逐粒检测［7］，以确保分选出高活力种子，去除破损种子和杂质；检测出的低活力种子盒不可作为商品种子出售。

1 检测装置的整机结构和工艺流程

1.1　整机结构

批量种子活力检测装置主要由机架、上料机构、种子盒、检测机构、传送带和分选机构等组成，其整机结构如图1所示。根据种子批量大小，该检测装置可多台并行，组成检测分选线。

图1

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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。

Fig.1   Overall structure of vigor detection device for batch seeds


1.2　工艺流程

批量种子活力无损检测的工艺流程具体如下：

1）上料。上料机构由下而上将种子盒运输到指定高度，当位置传感器感应到种子盒后，将信号传递给PLC（programmable logic controller，可编程逻辑控制器），PLC通过控制送料气缸将种子盒送出。

2）检测。当位置传感器感应到种子盒进入检测区域时，传送带停止运行，夹紧气缸工作，以固定种子盒；检测机构中的激光发射器和光电传感器开始工作，并将检测结果以电信号的形式发送给PLC。

3）分选。PLC接收到来自检测机构的信号后，按照检测结果控制分选机构中的送料气缸工作，将种子盒推入高、中、低三个活力等级的料仓。

4）复位。分选工作结束后，送料气缸归位，传送带继续运行。

2 检测装置关键部件设计

批量种子活力无损检测工艺的核心环节是检测，而基于TDLAS技术的种子盒是决定检测质量和速度的关键部件。种子盒的结构如图2所示，其分为上、下两层：上层为种子呼吸腔，用于放置待测种子样品；下层为光学吸收池，用于检测、判定种子的呼吸强度。呼吸腔和光学吸收池用1层布满细密小孔的不锈钢过滤网隔开，以保证杂质无法进入光学吸收池，从而避免光学吸收池受到污染。光学吸收池内部有1套反射镜片组，激光通过镜片组多次反射后射出；种子盒的2个侧面分别开有射入孔和射出孔，用于激光的射入和射出［8］。

图2

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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。

Fig.2   Schematic diagram of seed box structure


种子在种子盒上层呼吸腔内自主呼吸时产生CO2，然后CO2透过不锈钢过滤网自动沉入下层光学吸收池［9］。利用TDLAS技术对光学吸收池内CO2的浓度进行检测，从而实现对种子活力的检测。

2.1　TDLAS检测原理

TDLAS检测原理为：将一束可调谐激光射入光学吸收池，激光在光学吸收池内经多次反射后射出，由于光学吸收池内气体的吸收作用，激光射出时光强降低，通过检测激光入射前后光强的衰减程度，计算得到光学吸收池内气体的浓度［10-12］。

根据比尔-郎伯定律（Beer-Lambert law）可得：

Iv=Iv0exp-STgv-v0PρL
(1)

式中：Iv 为激光射出后的光强；Iv0为激光射入时的光强；v为激光射出后的频率；v0为激光射入时的频率；P为所测气体的压强，通常为1个大气压；ρ为所测气体的浓度；L为激光束的光程长度，即穿过被测气体的总长度，也称为吸收路径的长度；g（v-v0）为气体吸收光谱的线型函数，不同气体的吸收光谱线型函数不同，且环境温度、压强等因素均会对线型函数的形态造成影响；S（T）为吸收谱线的强度，其值受热力学温度的影响。

由式（1）可推导得到所测气体的浓度：

ρ=-ln(Iv/Iv0)-STgv-v0PL   
（2）

由式（2）可知，在其他条件不变的情况下，激光束的光程长度L与气体浓度ρ呈反比，即激光束光程越长，气体浓度检测限越低。因此，在有限的尺寸范围内，应设计足够的光程，以满足检测需要，尽可能提高检测精度。在本文中，光程长度L由激光在种子盒光学吸收池内镜片组中的反射次数决定。

2.2　光学吸收池光路设计

目前主流的光学吸收池是基于传统的赫里奥特（Herriott）池和怀特（White）池进行改进设计的［13-14］。其中：赫里奥特池的光点只集中在镜面边缘处，导致镜面利用率不高，且其激光射入点和射出点通常在同一孔位［15］，且需绕光轴倾斜5°左右射入和射出，无法满足批量检测所要求的激光光线应尽可能平行地对准射入孔和射出孔；怀特池的射入孔和射出孔为不同孔位，可满足批量检测的要求。本文选用怀特池作为种子盒内光学吸收池的基本原型。

怀特池的反射原理（见图3）为［16-17］：将3面具有相同曲率半径的凹球面镜放置在同一水平面上，其中凹球面镜A、B放在同一侧，凹球面镜C放在另一侧；凹球面镜A、B的曲率中心位于凹球面镜C的前表面中心，凹球面镜C的曲率中心位于凹球面镜A、B的前表面中心；激光从光源处射到凹球面镜A上后，从凹球面镜A反射到凹球面镜C的点1处，再反射回凹球面镜B，然后反射到凹球面镜C的点2处，再反射回凹球面镜A，之后再反射到凹球面镜C的点3处，如此往复后射出。但是，怀特池的缺点是3面凹球面镜的曲率半径必须严格相等［18-19］。

图3

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图3   怀特池反射原理示意

Fig.3   Schematic diagram of reflection principle of White pool


基于怀特池的反射原理，在种子盒的光学吸收池内放置1面大凹球面镜、2面小凹球面镜和2面平面反射镜；所有凹球面镜各用2~3个镜夹固定在镜架上，镜架与光学吸收池腔体侧面用螺钉紧固；所有凹球面镜的凹面均朝里放置。为了在有限的空间内既避免光斑重叠，又实现较多的反射次数，在设计时，小凹球面镜的曲率中心水平面较大凹球面镜低4 mm，以使光斑错位成2排，从而实现更长的光程。本文种子盒中光学吸收池内部光路的反射如图4所示。

图4

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图4   种子盒光学吸收池内部光路反射示意

Fig.4   Schematic diagram of internal optical path reflection of optical absorption cell in seed box


基于图4所示的内部光路，利用Zemax光学设计软件对种子盒光学吸收池内部的光路反射进行仿真模拟。初始设定光学吸收池腔内凹球面镜的曲率半径均为300 mm，大凹球面镜和小凹球面镜在水平方向上相距300 mm。通过模拟可得，激光在光学吸收池内约反射40次，光程可达12 m，其在大凹球面镜上共产生19个光斑（见图5），光斑排布均匀。模拟结果表明，本文所设计的光学吸收池可以满足TDLAS检测要求，其理论检测极限最高可达2.27×10-6［20］。

图5

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图5   激光反射40次后在大凹球面镜上产生的光斑

Fig.5   Spot produced on the large concave spherical mirror after 40 times of laser reflection


3 检测装置控制系统设计

3.1　控制系统总体方案

批量种子活力检测装置的主要动力元件为执行气缸，所有气缸均由电磁阀控制［21］。该检测装置的气动控制系统原理如图6所示，其采用PLC实现对执行气缸的控制。PLC通过控制电磁阀的开合来控制气缸在不同时间段内执行不同的动作，从而实现相应的功能。在PLC的控制下，上料机构通过气缸伸缩完成种子盒的上料、送料；检测机构将种子活力等级检测结果转化为电信号传送给分选机构；分选机构根据不同的活力等级信号指令对种子进行分选。

图6

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图6   批量种子活力检测装置气动控制系统原理

Fig.6   Principle of pneumatic control system of vigor detection device for batch seeds


3.2　控制系统软硬件设计

根据批量种子活力检测装置控制系统的总体方案及其控制要求，共需要16个I/O（input/output，输入/输出）口，同时保留15%左右的备用口。故本文采用型号为FX1N-24MT的晶体管式PLC工控板。该检测装置控制系统的I/O分配情况如表1所示，硬件接线情况如图7所示。

表1   批量种子活力检测装置控制系统的I/O分配情况

Table 1  I/O distribution of control system of vigor detection device for batch seeds

输入地址信号输出地址信号
X0启动Y0传送带启动
X1停止Y1电磁阀YA5-分选机构分选
X2上料Y2电磁阀YA6-分选机构分选
X3检测Y3电磁阀YA1-上料机构上料
X4分选Y4电磁阀YA2-上料机构送料
X6活力等级信号Y5电磁阀YA3-检测机构夹紧
X7位置传感器-检测Y6电磁阀YA7-分选机构分选
X10位置传感器-上料Y7电磁阀YA4-检测机构限位

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图7

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图7   批量种子活力检测装置控制系统的硬件接线情况

Fig.7   Hardware wiring of control system of vigor detection device for batch seeds


按照批量种子活力无损检测的工艺要求，在生产过程中，检测装置各执行机构应按工艺流程进行自动化作业，因此该装置的PLC程序采用顺序功能图（sequential function chart，SFC）进行步进顺序控制，如图8所示。

图8

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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

Fig.8   PLC program sequential function chart of control system of vigor detection device for batch seeds


4 试验与结果分析

为验证批量种子活力检测装置设计方案的可行性，搭建了如图9所示的样机，并开展上料、检测和分选试验。整个检测装置按照预设工艺流程依次完成上料、检测、分选和复位功能。

图9

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图9   批量种子活力检测装置样机

Fig.9   Prototype of vigor detection device for batch seeds


利用所搭建的检测装置样机对高、中、低三个活力等级的种子（整盒，各50盒）进行活力检测，共进行150次试验，统计结果并分析，以确定上料机构、检测机构和分选机构功能的有效性以及整个检测装置的可靠性。

试验结果如下：上料机构的成功率为96.67%，检测机构的成功率为100%，分选机构的成功率为100%；整个检测装置的综合成功率为96.67%。上料机构成功率未达到100%的主要原因是样机存在制造误差以及上料机构存在重复误差。试验结果表明，所设计的批量种子活力检测装置切实可行，经测试其可达到预期的技术要求，且能有效地节省人力成本，同时提高了工作效率。

此外，对于所设计的批量种子活力检测装置，可以根据实际需要改变其种子盒光学吸收池内部的光路设计以及种子盒的整体尺寸，这可为装置的商品化和市场化奠定基础。研究结果可为我国批量种子活力检测装置的研发提供有益的帮助和借鉴。

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［D］.天津：天津大学，2006：11-14.

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WANG Rui.

Research on the long-path cell of infrared spectrum instrument

［D］.Tianjin： Tianjin University， 2006： 11-14.

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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

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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      [本文引用: 1]

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.

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LIU Huai-hai， WEI Yu-lan， GU Zhi-gang. Hydraulic and pneumatic transmission［M］. Baoding： Hebei University Press， 2017： 217-225.

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