目前，绝大多数的光谱传感器都是工业级的，价格昂贵，只适用于大型的仪器中，无法做成低成本的消费类级别的微型光谱设备。随着传感器芯片（半导体）技术的不断发展和市场的需求，艾迈斯半导体推出了小尺寸，低成本，且面向消费类的光谱传感器，可以在谷仓中搭建多个监测点，并实时的监测谷物品质。作为消费产品传感器芯片制造商，艾迈斯半导体对谷物品质监测的未来有着独特的认识。

 

 

本文介绍了艾迈斯半导体如何在未来的谷物品质监测中部署传感器。

 

多通道的红外光谱传感器

 

太阳光中包含了紫外光、可见光、红外光以及微波。每种物质被光辐照后，会反射回带有其特定且唯一的光谱特征信息，而大部分的有机分子的特征吸收谱带，主要集中在红外区域。艾迈斯半导体在原有的光学技术基础上，开发了两款消费类级别的红外光谱传感器AS7420和AS7520，分别覆盖了750——1050nm波段和1350——2150nm波段，可以用于物质的定性分析。

 

图1：全光谱图

 

艾迈斯半导体提供了一个完全集成的光谱模块，由一个近红外光源和一个探测器组成，可对待测物质做定性测量。首先要保证该物质的红外特征光谱是在近红外光源的波长范围内，光源打到待测物质表面，会有一个反射回来的红外光，带有该物质的吸收特性的光谱信息，并被光谱传感器的探测器接收，经过处理器或是云端服务器做数据分析处理，与存放在数据库的被测物质成分的参考光谱做匹配，从而得到具体的物质成分信息。

 

图2：光谱模块测试流程

 

AS7024的探测器和光源包含在一个6.6mm x 6mm x 2.2mm的模块中。探测器由64个硅光电二极管构成，带有带通滤波器。每一个光电二极管滤波器都在750nm到1050nm之间传输一定的波长，所有通道在这个波长范围内均匀分布，峰与峰相隔5nm，FWHM是10nm。

 

AS7520是一个基于单像素InGaAs的探测器，且带通滤波器可调。有三组波段供选择，1350-1650nm、1550——1850nm、1750——2150nm。带通滤波器可以以1nm为步长进行扫描，FWHM为8nm。

 

图3：AS7420的光谱响应曲线

 

为了提高红外光谱传感器的测量精度，传感器和相应的终端设备需要正确校准。艾迈斯半导体会在芯片出厂前做基本的初始校准，以消除制造公差。此外，传感器配备了补偿模型，可以用于补偿环境条件的变化。

 

将光谱传感器集成到终端设备中后，有必要进行第二次校准，每个产品的结构，光路等因素会影响产品的测量精度。通过艾迈斯半导体提供的软件，将校准结果与初始的校准结果合并。

 

在较低的近红外波长区域，吸收光谱比较宽，这使得区分不同物质特征非常困难。因此，需要额外的数据算法处理来更好的解决物质间光谱特征的微小变化。如图4测试的大米，小米的光谱特征曲线相似，但是经过一阶导数或是二阶导的算法处理，得到曲线上的变化斜率，从而区分出了相似的原始光谱曲线，准确的分辨出具体的物质。

 

图4：大米和小米的光谱响应曲线以及经过二阶导数处理后的曲线

 

谷物品质的监控参数

 

粮食品质检测的相关参数主要有：

 

1. 霉变程度：轻度霉变，中度霉变和重度霉变，霉菌的响应光谱一般在1000nm——2000nm。

 

2. 蛋白质含量：蛋白质的响应光谱一般在1200nm——1700nm之间。

 

3. 脂肪酸含量：脂肪酸的光谱吸收峰大概在2000nm左右。

 

4. 淀粉含量：淀粉的光谱吸收峰大概在1400——1500nm左右。

 

5. 水分含量：水的光谱吸收最大峰在940nm左右。

 

以上的物质的特征光谱都是在红外波段比较明显，且基本是在2000nm以内，完全可以用艾迈斯半导体的红外光谱传感器进行检测，且使无人工，低成本，实时的多点监测成为可能。

 

谷仓的温度监控

 

除上述的主要物质参数外，谷仓的温度也需要被监测，因为温度是影响谷物霉变的因素之一，可以搭配艾迈斯半导体的高精度温度传感器AS62XX，最高精度可以到+/-0.2°，休眠功耗只有0.1uA,测量功耗6uA,且无需校准即可准确测量温度，支持的工作温度-40°——125°，支持多个I2C地址，大小只有1.5mm x 1mm，还可以设置温度门限值，超过门限值就会发出警告信号。

 

表1：高精度温度传感器的型号比较

 

艾迈斯半导体对光谱传感技术的不断创新，最新研发的面向消费类的近红外光谱传感器AS7520和AS7420可以覆盖750nm——1050nm和1350——2150nm的红外波段，可以检测大部分的有机化合物，搭配高精度的温度传感器AS62XX，可以监测粮仓中谷物质量，通过如NB-IOT、LoRa等无线技术，可以实现无人工，多点，且实时的监测，并能根据当前的测试数据预估粮食质量的变化趋势。

 

 

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