谷物成分传感器和谷物成分分析装置的制作方法

1.本发明涉及通过分光法来分析谷物中包括的成分的谷物成分传感器和谷物成分分析装置。


背景技术：

2.已知一种以谷物为测定对象来光学地对谷物中包括的成分进行分析的分析装置。
3.在近年来的农业机械、例如联合收割机等中，搭载gnss传感器，能够得到作业中的重型机械的位置信息。
4.将谷物成分分析装置搭载在农业机械上，实时地取得收获中的谷物的蛋白质/水分含有率这样的品质数据，将所取得的数据与田地的位置信息相关联，由此，能够进行肥料的散布量的调整或土壤的改良，能够有益于用于高效且高品质地制作一定品质的作物的耕作计划。
5.因此，在农业机械上搭载谷物成分分析装置对农业的发展是有用的。
6.以往，作为谷物成分分析装置，存在如下那样的谷物成分分析装置：对谷物照射近红外光，检测构成水分子、蛋白质的分子特有的波长带中的光吸收量，测定水分含有率、蛋白质含有率。
7.如图6所示那样，以往的谷物成分分析装置具备光源部30、测定光学系统31、分光器32，使用卤素灯作为发光源。
8.由光源部30(卤素灯)发光的光由光纤33引导到测定光学系统31，作为测定光34从该测定光学系统31照射到测定对象(未图示)。被测定对象反射的测定光34(反射测距光34
′
)由上述测定光学系统31接收，经由光纤35入射到分光器32。在该分光器32中，对反射测距光34
′
进行光分析，检测特定波长带中的光吸收量，测定谷物的蛋白质/水分含有率。
9.上述谷物成分分析装置中使用的卤素灯由于是高发热量、高功耗的，所以，需要高热遮断的构造、散热构造，以使得不会对测定造成发热的影响，光源部30与测定光学系统31、分光器32为分离独立的结构，各单元间通过上述光纤33、35连结。因此，存在谷物成分分析装置的小型化困难这样的问题。
10.进而，卤素灯昂贵并且寿命短，也存在必须频繁更换这样的问题，成为维护费、运行成本的上升的主要原因。


技术实现要素：

11.本发明的目的在于提供一种小型且能够降低维护费、运行成本的谷物成分传感器和谷物成分分析装置。
12.为了达到上述目的，本实施例的谷物成分传感器被构成为具有：白色led，作为发光源发出白色光；试样保持器，填充有试样；分光器，接收来自所述试样的反射光并进行分光分析；以及光学滤波器，设置在所述白色led与所述试样保持器之间的光路上，该光学滤波器具有在950nm～1100nm的波长带处的透射率为大致100％并且将可见光范围的光切断
为大致0％的光学特性，从所述白色led发出的光透射所述光学滤波器，作为950nm～1100nm的波长带的检测光而照射到所述试样，来自该试样的漫射反射光由聚光透镜聚光，入射到所述分光器。
13.此外，优选实施例的谷物成分传感器被构成为：在所述光学滤波器中的反射光轴上设置有光吸收板，吸收由所述光学滤波器反射的光。
14.此外，优选实施例的谷物成分传感器还具备校准部，该校准部包括标准白色反射板、白色板拆装部，该白色板拆装部被构成为能够向所述光学滤波器和所述试样保持器之间的光路上拆装所述标准白色反射板。
15.此外，在优选实施例的谷物成分传感器中，所述发光源、所述分光器、所述光学滤波器、所述校准部被收纳在传感器壳体中，所述试样保持器能够装卸到所述传感器壳体。
16.进而，此外，本发明的谷物成分分析装置被构成为具备：上述任一个的谷物成分传感器；以及控制部、存储部、显示部、电源部，该电源部向所述谷物成分传感器、所述控制部、所述存储部、所述显示部供应电力，所述控制部基于储存在所述存储部中的程序来执行所述谷物成分传感器的分光测量，基于所得到的分光数据来取得反射漫射光谱，将反射漫射光谱、分光数据、运算结果显示在所述显示部中。
17.根据本实施例，被构成为具有：白色led，作为发光源发出白色光；试样保持器，填充有试样；分光器，接收来自所述试样的反射光并进行分光分析；以及光学滤波器，设置在所述白色led与所述试样保持器之间的光路上，该光学滤波器具有在950nm～1100nm的波长带处的透射率为大致100％并且将可见光范围的光切断为大致0％的光学特性，从所述白色led发出的光透射所述光学滤波器，作为950nm～1100nm的波长带的检测光而照射到所述试样，来自该试样的漫射反射光由聚光透镜聚光，入射到所述分光器，因此，可谋求发光源的小型化，进而可谋求谷物成分分析装置的小型化、省电力化、长寿命化，维护费、运行成本降低。
附图说明
18.图1是本发明的实施例的谷物成分分析装置的概略结构图。
19.图2是示出本实施例的光学滤波器的光学特性(波长透射特性)的图形。
20.图3是示出该光学滤波器的减光作用的图形。
21.图4是示出校准时的反射分光数据和实测时的反射分光数据的图。
22.图5是示出本实施例的分析数据和以往型的分析数据的图形。
23.图6是以往的谷物成分分析装置的概略图。
具体实施方式
24.以下，参照附图来说明本发明的实施例。
25.图1示出本实施例的谷物成分分析装置1的概略结构。
26.在图1中，2是框体，在该框体2的内部设置有成分检测传感器3、控制部4、存储部5、电源部6、显示部7等。该电源部6向上述成分检测传感器3、上述控制部4、上述显示部7等供应电力。
27.在上述存储部5中储存有用于上述谷物成分分析装置1执行分光测量的各种程序、
基于通过分光测量得到的分光数据来运算水、蛋白质的含有率等的程序，此外，在上述存储部5中储存有通过分光测量得到的分光数据、含有率等的运算结果。
28.上述控制部4执行储存在上述存储部5中的程序，针对分光器11(后述)、校准部14(后述)、驱动器18(后述)等，以所需的定时进行所需的控制。
29.再有，作为上述存储部5，使用ram、rom、flashrom、dram等半导体存储器、hdd等磁记录存储器。此外，作为上述控制部4，使用本实施例专用的cpu或通用性cpu、嵌入cpu、微处理器等。
30.在上述成分检测传感器3上设置有试样保持器8。该试样保持器8既可以固定地设置于上述成分检测传感器3，也可以可装卸地设置于上述成分检测传感器3。
31.在上述试样保持器8中填充有测定对象(试样)9，在上述试样保持器8固定地设置于上述成分检测传感器3的情况下，能够将试样9从上述谷物成分分析装置1的外部向上述试样保持器8填充，此外，能够从上述试样保持器8中排出。
32.此外，在上述试样保持器8对于上述成分检测传感器3可装卸的情况下，在测定开始时将填充有试样9的上述试样保持器8安装于上述成分检测传感器3，在测定完成时从上述成分检测传感器3取下上述试样保持器8。
33.此外，如果预先准备多个填充了试样9的上述试样保持器8并且在每次测定完成时更换该试样保持器8，则能够高效率地进行测定。
34.上述试样保持器8具有用于检测光入射的入射窗10，该入射窗10由玻璃板等透明的板密闭。或者，上述试样保持器8的整体由透明材料构成也可以。
35.接着，对上述成分检测传感器3进行说明。
36.该成分检测传感器3主要具备上述分光器11、光源部12、受光部13、上述校准部14。也可以将上述分光器11、上述光源部12、上述受光部13、上述校准部14收纳在传感器壳体15中，将上述成分检测传感器3单元化。在该情况下，上述试样保持器8既可以对于上述传感器壳体15可装卸，或者也可以对于框体2可装卸。
37.从上述电源部6向上述分光器11、上述光源部12、上述受光部13、上述校准部14分别供应电力。
38.上述分光器11具有使用了si单晶的能量分散型的si检测器作为检测元件，对检测元件接收到的光进行分光分析。此外，由si检测器可分析的范围为1100nm以下的波长的近红外光。
39.上述光源部12具有作为发光源发出白色光的白色led17、和使该白色led17发光的驱动器18，从上述电源部6向该驱动器18供应电力，由上述控制部4控制发光。再有，虽然示出了发光源和上述驱动器18一体地构成的情况，但也可以是分离的结构。
40.在上述白色led17的光路(光轴)上配设有光学滤波器21。如后述那样，该光学滤波器21具有如下的光学特性：对可见光范围的光进行遮断或减光，透射成分检测所需的波长带。
41.上述白色led17能够使用市售的白色led，将发光元件和透镜一体化，以来自上述发光元件的光线成为平行光或规定的扩展角的方式进行设定。此外，在本实施例中，由于能够缩短到试样9为止的投射距离，所以，能够将从上述白色led17发出的光不经由透镜等光学系统而直接照射到上述试样9。因此，在本实施例中，能够省略投射光学系统。
42.接着，在本实施例中，通过分光解析来检测上述试样9中含有的水分子、构成蛋白质的分子。
43.水在1940nm、1450nm、1190nm、970nm和760nm处示出比较强的吸收。此外，蛋白质虽然示出由各种官能团进行的吸收发生重叠的复杂光谱，但知晓在2180nm、2050nm处具有特征性的吸收带。
44.因此，在近红外分光中优选使用1000nm以上的长波长，但在该波长带中，必须使用昂贵的ingaas检测器。因此，在本实施例中，利用波长1100nm以下的波长范围来进行近红外分光，能够使用si检测器。
45.从上述白色led17发出白色光，在白色光中包括大致整个范围的波长带。优选遮断成分检测所需的波长带之外的光。此外，作为白色led的特征，与红外范围(900nm)相比长波长范围的输出大幅地小于可见光范围(例如1/10)，因此，必须避免分光灵敏度在可见光范围中饱和。
46.图2是示出上述光学滤波器21的光学特性的图形，纵轴示出透射率，横轴示出波长。
47.此外，在图2中，曲线a是本实施例中要求的波长/透射率曲线，曲线b是本实施例中使用的实际的上述光学滤波器21的波长/透射率曲线。
48.曲线a、曲线b大致一致，上述光学滤波器21在本实施例中使用的950nm～1100nm的波长带中的透射率大致为100％。
49.即，上述光学滤波器21具有大致100％透射波长1100nm～950nm的波长范围并将950nm以下的波长范围(可见光范围)的光切断为大致0％的光学特性。
50.再有，在本实施例中，将上述光学滤波器21的光学特性设为可见光范围透射率2.5％、红外范围的透射率大致为100％。也允许可见光范围的光透射2.5％，由此，如后述那样，能够对水分子、蛋白质分子之外的分子进行分光分析。
51.再有，考虑到上述光学滤波器21的最佳的透射率根据所使用的白色led17而不同，而不限定于上述透射率。
52.因此，照射到上述试样9的光成为波长1100nm～950nm的波长范围。通过将照射的光限定于成分检测所需的波长带，从而检测结果的s/n提高。此外，也能够避免分光灵敏度在可见光范围中饱和。
53.从上述白色led17发出的光20透射上述光学滤波器21，进而透过上述入射窗10，照射到上述试样9。
54.上述光学滤波器21、上述入射窗10相对于上述白色led17的光轴倾斜规定的角度。由上述光学滤波器21、上述入射窗10反射的光不进入上述白色led17，防止上述白色led17中的发光状态变得不稳定。再有，在图示中，上述光学滤波器21、上述入射窗10分别相对于光轴倾斜45
°
，但不限定于该角度。
55.在上述光学滤波器21中，透射波长1100nm以下的波长，但同时由上述光学滤波器21的表面反射白色光。在本实施例中，在该白色光的反射光轴上设置有光吸收板23。该光吸收板23吸收来自上述光学滤波器21的反射光。该光吸收板23防止由上述光学滤波器21反射的光在上述框体2的内部漫反射而对由上述分光器11所得的检测结果造成影响。
56.被上述试样9反射并透射了上述入射窗10的漫射反射光由聚光透镜24聚光，入射
到上述分光器11。
57.该分光器11对入射的反射光进行分光分析，将分光数据输出到上述控制部4。
58.该控制部4基于分光数据，取得反射漫射光谱，进而，运算水分、蛋白质的含有量，将反射漫射光谱、分光数据、蛋白质含有率、水分含有率等的运算结果等显示在上述显示部7中。
59.接着，在本实施例中，为了保证测定精度，具备上述校准部14。
60.该校准部14至少具有标准白色反射板25和白色板拆装部26。
61.上述白色板拆装部26向从上述白色led17发出的光的光路中拆装上述标准白色反射板25。在上述试样9的成分分析的前后、或前后中的任一个、或每隔规定时间，将上述标准白色反射板25插入到上述光学滤波器21与上述试样保持器8之间的光路上，对该标准白色反射板25照射上述光20，将来自该标准白色反射板25的反射光作为校准用的基准光，通过上述分光器11检测。此外，上述白色板拆装部26的驱动、驱动的定时由上述控制部4控制。
62.接着，对上述光学滤波器21和上述标准白色反射板25的关系进行说明。
63.如上述那样，在本实施例中，需要950nm～1100nm的波长范围(特别是1000nm～1100nm)的光线，当以使得该带的波长的光强度适于测定的方式使上述白色led17发光时，可见光范围的波长(950nm以下的波长)下的光强度变强，上述分光器11的受光检测器饱和。
64.图3示出将上述标准白色反射板25插入到光路中而得到的该标准白色反射板25的反射分光数据。在图3中，纵轴示出受光信号的强度，横轴示出波长。此外，在图中，曲线a是在没有上述光学滤波器21的状态下的反射分光数据，受光检测器在950nm以下的波长下饱和。
65.接着，曲线b示出透过上述光学滤波器21而照射了上述光20的情况下的上述标准白色反射板25的反射分光数据。示出了如下的情况：设置上述光学滤波器21，由此，能够在整个波长范围中不饱和的情况下取得反射分光数据。
66.图4示出了设置有上述光学滤波器21的状态下的、将标准白色反射板的反射分光数据作为曲线a并且将来自上述试样9(在本实施例中为小麦)的反射分光数据作为曲线b的情况。在图4中，纵轴示出受光信号的强度，横轴示出波长。
67.曲线a示出校准状态的反射分光数据。
68.曲线b示出在整个波长范围内来自试样的反射光也能够得到测量所需的光强度，示出了上述光学滤波器21的有效性。因此，通过上述白色led17和上述光学滤波器21的组合，也能够对谷物之外的测定对象进行成分分析。
69.通过校准的执行，能够检测上述光源部12的发光状态、测定状态的异常等。
70.图5示出使用了卤素灯的以往型的谷物成分分析装置和本实施例的谷物成分分析装置的测定结果。在图5中，纵轴示出相对反射率，横轴示出波长。在此，相对反射率是指，用％表示从测色计放射的光能量相对于从参照面的反射从试验面以什么程度反射而返回。
71.将测定对象设为小麦，曲线a为以往型的谷物成分分析装置的分析数据，曲线b示出本实施例的谷物成分分析装置的分析数据。
72.测定时期、试样不同，难以单纯地进行比较，但曲线的形状大致一致，可知利用本实施例的谷物成分分析装置所进行的测定是有用的。
73.如上述那样，在本实施例中，使用白色led17作为光源部，所使用的白色led17的外
形形状大致小到5
×5×
5.5(mm)，进而，功耗为2.3w。此外，作为寿命，大体为40000hr。
74.再有，作为卤素灯的功耗，是100w，进而，考虑了卤素灯的散热的电源部的大小大致为φ50
×
45mm，卤素灯的寿命为1000hr左右。
75.因此，在本实施例中，由于发光源本身很小，此外，功耗为2.3w，发热量大幅变小，此外，不需要采用特别的散热构造，因此，能够使光源部显著地小型化。进而，由于不需要将分光器11、控制部4、存储部5、显示部7分离，能够一体化，所以，能够实现谷物成分分析装置1的小型化、轻量化。
76.此外，上述白色led17的寿命与卤素灯相比显著较长，因此可谋求维护费、运行成本的降低。
77.在本实施例中，由于能够实现谷物成分传感器、谷物成分分析装置的小型轻量化且一体化，进而是小功耗，所以，容易搭载在农业机械等移动机械上。