开题报告毕业论文

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1、 XXXX 中 北 大 学毕业设计(论文)开题报告学学 生生 姓姓 名：名：翟柱辉翟柱辉 XXXXXXXX学学 号：号：0202440223XXXXXXXX学学 院院、系系 ：机械工程机械工程与自动化学院与自动化学院专专 业业 ： 包装工程包装工程设计设计(论文论文)题目题目：近红外光谱信号有效提取方法研究近红外光谱信号有效提取方法研究指指 导导 教教 师师:XXXXXXXX 陆辉山陆辉山XXXX2007 年 XX3 月 XX29 日毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）开文）开 题题 报报 告告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述：文文 献献

2、综综 述述一、一、1.11.1 近红外光谱分析技术近红外光谱分析技术1.1.11.1.11 1、近红外光谱简介近红外光谱简介 近红外(Near Infrared 简称NIR) 光是波长范围介于可见光(VIS)与中红外(MIR) 区之间的电磁波,波长范围为7802526nm ,波数范围128203959cm- 1 。该谱区是 1800 年Herschel 发现的,由于分子在NIR 谱区的倍频和合频吸收信号弱,谱带相互重 叠多,信息量大,解析复杂,受当时计算分析条件的限制,一直“冷落”至20 世纪50 年 代末,60 年代后随着计算机技术的发展,近红外光谱分析技术得到迅速发展,应用领域 不断扩大,

3、在农业、医药、石油化工、纺织、化妆品、烟草、宝石鉴定等很多领域得到 广泛应用。 近红外光谱分析技术是综合光谱学、化学计量学(Chemometrics)和计算机应用等 多学科知识的现代分析技术，分析过程的高效和绿色化又使其具有典型的现代分析特 征，因而成为近年来发展较快、引人注目的光谱分析技术之一。 2 2、近红外光谱的发展、近红外光谱的发展 1800 年， William Herschel 首次发现了红外区4。在19 世纪后期，Abney 和 Festing 就今天的红外光谱学领域作了第一个极其重要的工作。用一个最原始的分光 光度仪，记录下许多物质吸收的光谱，同时表明特定的原子群吸收特定的波长

4、。通过 对这些波长的观测，就能识别物质中的某种化学成分5。1928 年Brackett 测得第一 张高分辨率的NIR 图，并对有关基团的光谱特征进行了解释6。上世纪50 年代，由 Karl Norris 负责的美国农业部仪器研究实验室很深地介入对农产品的光学分析领域。 Norris 和他的同事们将快速发展的电子光学应用于大量的农产品，如土豆、西红柿、 苹果，直至各类粮食的分析中。利用计算机的相关技术，Norris 设法想选定一套波长 的近红外光，利用对其被吸收和反射值的测定，不但能避免干扰，而且能测定这些成 分的含量。掀起了近红外光谱应用的一个小高潮，近红外光谱分析技术在测定农副产 品的品质方

5、面得到了广泛使用7。从1800 年发现红外光到20 世纪80 年代大量成熟 的近红外光谱分析仪的出现，历经了较长的研究过程。随着光学、电子学和计算机技 术的发展，使近红外分析仪，尤其是与定量检测相关的技术，在近20 年得到迅猛发展。3 3、近红外光谱工作原理近红外光谱工作原理 近红外光谱主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的。近红外光谱记录的是分子中单个化学键的基频振动的倍频和合频信息,它常常受含氢基团 X H(X C、N、O) 的倍频和合频的重叠主导,所以在近红外光谱范围内,测量的主要是含氢基团 XH 振动的倍频和合频吸收。近红外光谱根据其检测对象的不同分成近红外反

6、射光谱(NIR) 和近红外透射光谱(NIT) 两种。由于倍频和合频跃迁几率低,而有机物质在 NIR 光谱区为倍频与合频吸收,所以消光系数弱,谱带重叠严重。因此从近红外光谱中提取有用信息属于弱信息和多元信息,需要充分利用现有的光机技术、电子技术和计算机技术进行处理。计算机技术主要包括光谱数据处理和数据关联技术。光谱数据处理是消除仪器因素(灯及测量方式等),环境因素(如温度等) 和样品物态(如颜色、形态等) 等对光谱的影响。常采用的方法有平滑、微分、基线漂移扣减、多元散射校正(MSC) 和有限脉冲响应滤波( FIR) 等,也可以用小波变换来进行部分处理。数据关联技术主要是化学计量学方法。在近红外光

7、谱的应用中我们所关心的是被测样品的组成或各种物化性质,因此,如何提取这些有用信息是近红外光谱分析的技术核心。现在的许多研究与应用表明,利用化学计量学方法进行近红外光谱分析是非常有效的。化学计量学理论在近红外光谱仪器中的应用对仪器的实用化是非常关键的。在近红外光谱分析中,被测物质的近红外光谱取决于样品的组成和结构。样品的组成和结构和近红外光谱之间有着一定的函数关系。使用化学计量学方法确定出这些重要函数关系,即经过校正,就可以根据被测样品的近红外光谱,快速计算出各种数据。现在常用的校正方法主要有,多元线性回归(MLR) ,主成分分析(PCA) ,偏最小二乘法( PLS) ,人工神经网络(ANN)

8、和拓扑( Topological) 方法等4 4、近红外光谱分析的特点近红外光谱分析的特点 近红外光谱技术之所以成为一种快速、高效、适合过程在线分析的有利工具,是由其技术特点决定的。近红外光谱分析的主要技术特点如下:(1) 分析速度快,测量过程大多可在 1min 内完成。(2) 分析效率高,通过一次光谱测量和已建立的相应校正模型,可同时对样品的多个组分或性质进行测定,提供定性、定量结果。(3) 适用的样品范围广,通过相应的测样器件可以直接测量液体、固体、半固体和胶状体等不同物态的样品,光谱测量方便。(4) 样品一般不需要预处理,不需要使用化学试剂或高温、高压、大电流等测试条件,分析后不会产生化

9、学、生物或电磁污染。(5) 分析成本较低(无需繁杂预处理,可多组分同时检测) 。(6) 测试重现性好。(7) 对样品无损伤,可以在活体分析和医药临床领域广泛应用。(8) 近红外光在普通光纤中具有良好的传输特性,便于实现在线分析。(9) 对操作人员的要求不苛刻,经过简单的培训就可胜任工作。5 5、近红外分析技术操作流程近红外分析技术操作流程 近红外光谱定量分析的原理主要是利用在近红外区用漫反射光谱作定量分析,决定物质品质的主要成份。近红外技术是依据某一化学成分对近红外区光谱的吸收特性而进行的定量测定，所以应用 NIR 光谱进行检测的技术关键就是在两者之间建立一种定量的函数关系，依靠这种关系，就能

10、从未知样品的光谱中求出样品的成分和含量。近红外光谱分析技术,其实就是一种间接的相对分析,通过收集大量具有代表性的标准样本,通过严格细致的化学分析测出必要的数据,再通过计算机建立数学模型,即定标,以最大限度反应被测样本群体常态分布规律,然后再通过该数学模型或定标方程,预测未知样品的所需数据。近红外光对物质的穿透能力较强,所以近红外分析不需对样品作任何预处理。近红外光子的能量比可见光低, 不会对人体造成伤害, 而且整个分析过程不会对环境造成任何污染, 属于绿色分析技术。近红外分析技术可在数分钟内完成多项参数的测定, 分析速度可提高上百倍, 分析成本可降低数十倍, 充分体现了快速、高效的特点。 二、

11、二、研究目的和意义研究目的和意义 我国的水果产量居世界第一，我国水果产量已占世界总产量的14。据农业部所 提供的材料显示，我国的果园面积已占世界果园总面积的21.3，成为我国种植业中 位列粮食、蔬菜之后的第三大产业。目前，我国果园面积达847万公顷，产量达7500万 吨。我国水果生产在世界占有举足轻重的地位，但消费市场主要在国内，对水果业的 国际贸易影响不大。从1993年开始，我国果品总产量和果树栽培面积均居世界第一位。 苹果和梨的产量均居世界各国之首，柑桔产量列世界第三位。但是水果出口量仅占总 产量的1%左右，绝大部分在国内消费。分析其原因，就水果品质质量方面：目前，我 国水果的外观质量和内

12、在品质都不高。一般表现为果实外观整齐度差，果面缺陷多， 着色不好；果实风味淡；农药残留量超标等，优质果率仅占水果总产量的30%左右，其 中高档果率不足5%。加入WTO后，国外水果大量涌入国内市场，造成我国国内水果销售 困难，而我国国际水果出口竞争相对变弱，我国面临日趋严重的竞争，同样有潜在的 机遇和挑战。就水果品质而言，无论国际市场还是国内市场，消费者对鲜果的质量要 求越来越高，不仅要求外观好看，而且要求果实无污染，其次水果内在品质也是一个 重要的评价因素，这使得优质高档水果不仅价格高、销路好、经济效益高，国际竞争 力也强。水果作为重要的农产品，其内在品质分级一直是农产品商品化处理中甚为关 键

13、的一步, 因为适当的内在品质分级不但可以延长产品的贮藏期限及选择合适的运输 方式，更重要的是可以增加水果产品的市场竞争力，提高其经济价值。随着水果产量 的不断增加和人们生活水平的不断提高，消费者在选购水果时除了注重大小、颜色、 外观形状等外部品质之外，对其内部品质，如口感、糖度、酸度和内部营养品质（如 维生素含量等）等，也是极为看重的指标。一般来说，口感是否够坚、脆，味道是否 够甜是消费者对于水果品质好坏的主要判断标准之一，而水果甜味取决于其含糖量的 高低, 糖份含量是决定品质的重要因素之一。目前对水果内部品质大多采用有损伤性 的化学方法测定，如水果糖度用蒽酮比色法或糖量计，这些方法均存在制样

14、烦琐、分 析时间长、检测成本高和检测精度低等问题。因此研究基于近红外光谱的水果内部品 质分析是实现水果产后商品化处理和品质快速分级的一项重要前期基础工作。在分析 水果光谱信息的采集、处理、提取与利用的全过程中，现代近红外光谱分析技术的策 略是运用硬件与软件技术两个手段，通过两方面来实现从复杂、重叠、变动的光谱中 提取微弱信息：一方面尽量开避并提高分析信号源(样品的近红外光谱)中的有效信息 率，建立完成近红外分析所需的数据集可称为“开源”；另一方面运用化学计量 学算法尽可能将样品近红外光谱中的有效信息提取出来，并将其表达为待gU测量可称为“节流”。因此图l中的本列又分成“开源”与“节流”两列：近

15、红外光谱分析 运用硬、软两个手段，通过两类措施来实现“开源”：一类措施是降低光谱中的干扰 信息与无效信息、可称为“去伪“；主要是指运用软件和硬件的滤波技术降低光谱(用 于分析的数据)中的两种误差，即随机误差与系统误差，以增加光谱的信噪比，降低光 谱的不确定性c另一类措施是增加光谱中的有效信息，充分采集与获取完成分析必需的 信息，可称为“存真”。近红外光谱分析主要通过两个数据群体，采集与获取复杂背 景和重叠光谱中的有效信息。（重新修改，没有仔细看）三、近红外光谱分析中应考虑的几个问题三、近红外光谱分析中应考虑的几个问题近红外光谱为分子振动光谱的倍频和合频吸收，谱带宽，谱带间重叠严重，消光系数低。

16、因此，现代 NIRS 分析中很少将其作为直接分析手段。作为间接分析仪器，首先要选择校正样品集，然后根据标准方法测定校正样品集的组成、性质，并测定其NIRS 光谱；第二步是通过计量学方法建立组成、性质与光谱间的相关关系建立预测模型；最后在测定位置样品的 NIR 光谱，通过预测模型获得其组成性质结果。由此看来，校正集样品中的组成、性质的数据分布范围，基础数据测量的准确与否都将直接影响最后分析结果的准确性。这一点在建立 NIRS 分析方法时要特别注意。另外，各种因素的变化将影响待测样品谱图的测量，在预测分析结果前，要作好谱图的校正，这样才能获得准确的分析结果。1.3 近红外光谱分析技术在水果内部品质检测中的应用毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）开文）开 题题 报报 告告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：一一、课题的任务和要求课题的任务和要求本课题是在掌握近红外光谱信号的数据格式和近红外光谱信号提取的一些方法的基础上，通过对近红外光谱信号有效提取方法研究和对比，应用不同的近红外