近紅外光譜儀器已經成為谷物質量監(jiān)控領域種不可或缺的重要分析手段之一。谷倉監(jiān)測的當的方法，通常從每個谷倉中抽取一定數量的樣品，拿回到實驗室，通過光譜分析儀器做分析，無法做到多個監(jiān)測點自動上報數據實時分析。
目前，絕大多數的光譜傳感器都是工業(yè)級的，價格昂貴，只適用于大型的儀器中，無法做成低成本的消費類級別的微型光譜設備。
隨著傳感器芯片（半導體）技術的不斷發(fā)展和市場的需求，艾邁斯半導體推出了小尺寸，低成本，且面向消費類的光譜傳感器，可以在谷倉中搭建多個監(jiān)測點，并實時的監(jiān)測谷物品質。作為消費產品傳感器芯片制造商，艾邁斯半導體對谷物品質監(jiān)測的未來有著獨特的認識。
本文介紹了艾邁斯半導體如何在未來的谷物品質監(jiān)測中部署傳感器。
太陽光中包含了紫外光、可見光、紅外光以及微波。每種物質被光輻照后，會反射回帶有其特定且唯一的光譜特征信息，而大部分的有機分子的特征吸收譜帶，主要集中在紅外區(qū)域。艾邁斯半導體在原有的光學技術基礎上，開發(fā)了兩款消費類級別的紅外光譜傳感器AS7420和AS7520，分別覆蓋了750~1050nm波段和1350~2150nm波段，可以用于物質的定性分析。
圖1：全光譜圖。（圖片來源：艾邁斯半導體）
艾邁斯半導體提供了一個完全集成的光譜模塊，由一個近紅外光源和一個探測器組成，可對待測物質做定性測量。首先要保證該物質的紅外特征光譜是在近紅外光源的波長范圍內，光源打到待測物質表面，會有一個反射回來的紅外光，帶有該物質的吸收特性的光譜信息，并被光譜傳感器的探測器接收，經過處理器或是云端服務器做數據分析處理，與存放在數據庫的被測物質成分的參考光譜做匹配，從而得到具體的物質成分信息。
圖2：光譜模塊測試流程。（圖片來源：艾邁斯半導體）
AS7024的探測器和光源包含在一個6.6x6x2.2mm3的模塊中。探測器由64個硅光電二極管構成，帶有帶通濾波器。每一個光電二極管濾波器都在750nm到1050nm之間傳輸一定的波長，所有通道在這個波長范圍內均勻分布，峰與峰相隔5nm，FWHM是10nm。
AS7520是一個基于單像素InGaAs的探測器，且?guī)V波器可調。有三組波段供選擇，1350-1650nm、1550~1850nm、1750~2150nm。帶通濾波器可以以1nm為步長進行掃描，FWHM為8nm.
圖3：AS7420的光譜響應曲線。（圖片來源：艾邁斯半導體）
為了提高紅外光譜傳感器的測量精度，傳感器和相應的終端設備需要正確校準。艾邁斯半導體會在芯片出廠前做基本的初始校準，以消除制造公差。此外，傳感器配備了補償模型，可以用于補償環(huán)境條件的變化。
將光譜傳感器集成到終端設備中后，有必要進行第二次校準，每個產品的結構，光路等因素會影響產品的測量精度。通過艾邁斯半導體提供的軟件，將校準結果與初始的校準結果合并。
在較低的近紅外波長區(qū)域，吸收光譜比較寬，這使得區(qū)分不同物質特征非常困難。因此，需要額外的數據算法處理來更好的解決物質間光譜特征的微小變化。如圖4測試的大米，小米的光譜特征曲線相似，但是經過一階導數或是二階導的算法處理，得到曲線上的變化斜率，從而區(qū)分出了相似的原始光譜曲線，準確的分辨出具體的物質。
圖4：大米和小米的光譜響應曲線以及經過二階導數處理后的曲線。（圖片來源：艾邁斯半導體）
糧食品質檢測的相關參數主要有：
1. 霉變程度：輕度霉變，中度霉變和重度霉變，霉菌的響應光譜一般在1000nm~2000nm。 2. 蛋白質含量：蛋白質的響應光譜一般在1200nm~1700nm之間。 3. 脂肪酸含量：脂肪酸的光譜吸收峰大概在2000nm左右 4. 淀粉含量：淀粉的光譜吸收峰大概在1400~1500nm左右 5. 水分含量：水的光譜吸收最大峰在940nm左右。
以上的物質的特征光譜都是在紅外波段比較明顯，且基本是在2000nm以內，完全可以用艾邁斯半導體的紅外光譜傳感器進行檢測，且使無人工，低成本，實時的多點監(jiān)測成為可能。
除上述的主要物質參數外，谷倉的溫度也需要被監(jiān)測，因為溫度是影響谷物霉變的因素之一，可以搭配艾邁斯半導體的高精度溫度傳感器AS62XX，最高精度可以到+/-0.2°，休眠功耗只有0.1uA,測量功耗6uA,且無需校準即可準確測量溫度，支持的工作溫度-40°~125°，支持多個I2C地址，大小只有1.5x1mm，還可以設置溫度門限值，超過門限值就會發(fā)出警告信號。
表1：高精度溫度傳感器的型號比較。
艾邁斯半導體對光譜傳感技術的不斷創(chuàng)新，最新研發(fā)的面向消費類的近紅外光譜傳感器AS7520和AS7420可以覆蓋750nm~1050nm和1350~2150nm的紅外波段，可以檢測大部分的有機化合物，搭配高精度的溫度傳感器AS62XX，可以監(jiān)測糧倉中谷物質量，通過如NB-IOT、LoRa等無線技術，可以實現無人工，多點，且實時的監(jiān)測，并能根據當前的測試數據預估糧食質量的變化趨勢。
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