مدل¬سازی میزان غلظت نیترات در محصول پیاز با استفاده از طیف سنجیNIR

عنوان

شماره صفحه

1-1 مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

2

1-2 هدف …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

3

2 -1 نیترات ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

5

2-1-1  نقش نیترات در گیاه………………………………………………………………………………………………………………………………………………

5

2-1-2  نیترات از دیدگاه محیط زیست……………………………………………………………………………………………………………………………….

5

2-1-3 نیترات و محصولات کشاورزی…………………………………………………………………………………………………………………………………

6

2-1-4 ورود نیترات به زنجیره غذایی…………………………………………………………………………………………………………………………………

7

2-2 حد مجاز نیترات در سبزی­های مختلف……………………………………………………………………………………………………………………….

8

2-3 روش­های اندازه­گیری نیترات………………………………………………………………………………………………………………………………………..

8

2-3-1روشسولفوسالیسیک – اسید……………………………………………………………………………………………………………………………………..

8

3-2-2 روش خشک کردن……………………………………………………………………………………………………………………………………………………

8

3-2-3 استفاده از دستگاه یون آنالیزر………………………………………………………………………………………………………………………………….

9

3-2-4 استفاده از دستکاه آیون سلکتیو……………………………………………………………………………………………………………………………….

9

3-2-5 دستگاه اندازه­گیری نیترات برای اندازه­گیری نیترات دمبرگ………………………………………………………………………………….

10

4-2 طیف نزدیک مادون قرمز ……………………………………………………………………………………………………………………………………………..

10

2-5 کاربرد طیف سنجی NIR ……………………………………………………………………………………………………………………………………………

12

2-5-1  داروسازی…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

12

2-5-2 پتروشیمی………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

13

2-5-3 صنایع شیمی……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

14

2-5-4  کشاورزی…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

14

2-6  مزایای NIR………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

15

2-7 محدودیت استفاده از NIR…………………………………………………………………………………………………………………………………………..

16

2-8طیف سنجی NIR…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

16

2-8-1 روش اندازه­گیری طیف بازتابی…………………………………………………………………………………………………………………………………

16

10-8-2روش اندازه­گیری طیف عبوری……………………………………………………………………………………………………………………………….

18

2-8-2-1 روش اندازه­گیری طیف عبوری کامل…………………………………………………………………………………………………………………..

18

2-8-2-2 روش اندازه­گیری نصف طیف عبوری…………………………………………………………………………………………………………………..

19

2-9 پیش پردازش داده­ها……………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

20

2-9-1 تصحیح پراکنش افزاینده…………………………………………………………………………………………………………………………………………..

20

2-9-2 واریانس نرمال استاندارد و دترندینگ……………………………………………………………………………………………………………………..

21

2-9-3 مشتق………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

22

2- 10ساختار جامعه…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

23

2-11تاثیر دما بر نتایج مدل…………………………………………………………………………………………………………………………………………………

23

2-12 تحلیل چند متغیره……………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

24

2-12-1 اندازه­گیری و آزمون فاصله­های چند متغیره…………………………………………………………………………………………………………

24

2-12-2 فاصله­های بین داده­های انفرادی……………………………………………………………………………………………………………………………

24

2-12-3 فاصله­های بین جمعیت و نمونه­ها………………………………………………………………………………………………………………………….

25

  2-12-4 تحلیل مولفه­های اصلی……………………………………………………………………………………………………………………………………….

26

2-12-5حداقل مربعات جزیی………………………………………………………………………………………………………………………………………………

27

2-13 حذف داده­های پرت …………………………………………………………………………………………………………………………………………………

27

2-14 شبکه عصبی مغز انسان……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

28

2-14-1 شبکه­های عصبی مصنوعی……………………………………………………………………………………………………………………………………

29

2-14-2 ویژگی­های شبکه عصبی مصنوعی……………………………………………………………………………………………………………………………

29

2-14-3 مدل نرون…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

29

2-14-4 تابع فعالیت………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

2-14-5 فرآیند یادگیری    ………….  ……………………………………………………………………………………………………………………………………..

30

30

2-14-6 معماری شبکه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

30

2-14-7 شبکه چند لایه………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

30

2-15 اندازه­گیری کارآیی مدل کالیبراسیون…………………………………………………………………………………………………………………………..

31

2-16 مروری بر تحقیقات گذشته………………………………………………………………………………………………………………………………………..

33

 فصل سوم: مواد و روش­ها

مواد و روش ها………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

47

3-1تهیه نمونه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

47

3-2طیف سنجی…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

47

3-2-1تجهیزات مورد نیاز برای طیف­سنجی………………………………………………………………………………………………………………………..

47

3-2-1-1منابع نوری…………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………

47

3-2-1-2  محفظه طیف­سنجی…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

47

3-2-1-3 اسپکترومتر………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

48

3-2-2 ثبت داده­های اندازه­گیری طیف سنج…………………………………………………………………………………………………………………………………

49

3-3  اندازه­گیری مستقیم نیترات………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

50

3-3-1 روش سولفوسالیسیلیک- سود……………………………………………………………………………………………………………………………………………..

50

3-3-2تهیه استاندارد غلظت نیترات………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

51

3-4 مدل سازی……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

54

3-4-1 پیش­پردازش داده­ها .. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

55

3-4-1-1 فیلتر ساویزگی و گلی……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

55

3-4-1-2 مشتق اول و مشتق دوم …………………………………………………………………………………………………………………………………………………

56

3-4-1-2-1رابطه گاوسین…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

56

3-4-1-3 تصحیح پراکنش افزاینده…………………………………………………………………………………………………………………………………………………

57

3-4-3تدوین مدل……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

57

3-4-3-1 روش حداقل مربعات جزیی PLS………………………………………………………………………………………………………………………………..

57

3-4-3-2 روش تحلیل مولفه­های اصلی PCA…………………………………………………………………………………………………………………………….

58

3-4-3-3 میانگین گیری بازه­های طیفی………………………………………………………………………………………………………………………………………..

58

3-4-3-4 شبکه عصبی……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

58

3-5 ارزیابی مدل………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

59

فصل چهارم: بحث و نتایج

4 بحث و نتایج ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

61

4-1 تعیین میزان نیترات با روش اندازه­گیری مستقیم………………………………………………………………………………………………………………….

61

4-2  مدل­سازی…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

62

4-2-1 نرمال سازی……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

62

4-2-2 پیش­پردازش داده­ها و تدوین مدل………………………. ………………………………………………………………………………………………………….

62

4-2-2-1 مرحلهA………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

63

4-2-3 مراحل B وC………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

64

4-2-4مراحلD و E……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

65

4-2-5 مراحل F وG…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

65

4-5-6 مراحل H و I………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

66

4-5-7 مرحله J…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

67

4-5-8 مراحل  kوl……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

68

4-3 انتخاب مناسب­ترین روش پیش­پردازش………………………………………………………………………………………………………………………………….

69

4-4 مناسب­ترین روش تدوین مدل…………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

70

4-5تخمین نیترا با شبکه عصبی……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

71

4-6 ارزیابی مدل انتخابی با نمونه جامعه پیش­بینی………………………………………………………………………………………………………………………

4-7 ارزیابی مدل با استفاده از انحراف پیش­بینی باقیمانده…………………………………………………………………………………………………

فصل پنجم: نتیجه­گیری و پیشنهادها

5-1 نتیجه­گیری……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

5-2 پیشنهادها………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

فصل ششم: فهرست منابع

فهرست منابع……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

پیوست 1

71

72

73

74

75

شماره صفحه

فهرست شکل­ها

عنوان

6

شکل2-1 غلظت نیترات در سبزی­های غده­ای(طباطبایی و همکاران،1384)…………………………………………………….

11

شکل 2-2 محدوده­های طیف الکترو مغناطیسی………………………………………………………………………………………………….

17

شکل 2-3 روش بازتاب نور……………………………………………………………………………………………………………………………………

17

شکل2-4 دستگاه درجه بندی هلو با توجه به درصد قند…………………………………………………………………………………….

18

شکل 2-5 روش اندازه­گیری طیف عبوری کامل…………………………………………………………………………………………………..

19

شکل 2-6 نحوه­ی قرارگیری منبع نوری و دتکتور در درجه­بندی مرکبات سیستم ساخته شده توسط( NIAE)…..

19

شکل 2-7: روش اندازه­گیری نصف طیف عبوری…………………………………………………………………………………………………

24

شکل 2-8 فاصله اقلیدسی بین فرد i و j با دو متغیر……………………………………………………………………………………………

29

شکل 2-9 بخش­های  اصلی یک نرون بیولوژیک……………………………………………………………………………………………………..

33

شکل 2-10طرحواره­ی سیستم اندازه­گیری طیف بازتابی برای تشخیص میزان لهیدگی سیب گلدن دلشیز(جان و همکاران، 2006) …………………………………………………………………………………………………………………………..

35

شکل 2-11 طرح­واره سیستم مورد استفاده برای طیف سنجی طیف عبوری کیوی………………………………………….

38

شکل2-12چیدمان برای طیف سنجی سیب………………………………………………………………………………………………………

39

شکل2-13 نحوه­ی قرارگیری نمونه­ ها در  اندازه­گیری طیف عبوری هندوانه…………………………………………………….

40

شکل 2-14طرح­واره سیستم اندازه­گیری طیف بازتابی گوجه فرنگی…………………………………………………………………

42

شکل 2-15 a) سیستم بازتابی b) انترنس (احمد و مهد 2013)……………………………………………………………………….

   43

شکل 2-16 شماتیک دستگاهNIR FT-.(لیو و همکاران. 2007)………………………………………………………………………..

43

شکل 2-17 نمونه­ای از نمودارهای جذبی با فاصله­های مختلف نمونه تا دتکتور……………………………………………….

46

شکل2-18 روش­های طیف سنجی برای میوه کیوی………………………………………………………………………………………….

48

شکل 3-1 طرح­واره محفظه طیف­سنجی……………………………………………………………………………………………………………..

48

شکل3-2 اسپکترومتر فیبر نوریUSB4000……………………………………………………………………………………………………..

49

شکل3-3 محیط نرم افزار ocean view…………………………………………………………………………………………………………..

50

شکل 3-4 شدت نور بازتابی از یک نمونه پیاز……………………………………………………………………………………………………..

52

شکل 3-5 .ترازوی استفاده شده برای اندازه­گیری وزن نمونه……………………………………………………………………………..

52

شکل 3-6. هاون چینی و ترازو با دقت 001/.0……………………………………………………………………………………………………

53

شکل 3-7.شیکر استفاده شده …………………………………………………………………………………………………………………………….

53

شکل 3-8  صاف کردن محلول نمونه…………………………………………………………………………………………………………………..

55

شکل 3-9 :میزان جذب برای 3 نمونه پیاز بر حسب طول موج…………………………………………………………………………..

61

شکل 4-1 رابطه بین درصد جذب و غلظت نیترات……………………………………………………………………………………………..

62

شکل 4-2 نمونه طیف­سنجی شدت و طول موج…………………………………………………………………………………………………

62

شکل 4-3 : نرمال­سازی محدوده­ی یک نمونه طیفی…………………………………………………………………………………………..

63

شکل 4-4 مراحل مختلف پیش­پردازش……………………………………………………………………………………………………………..

64

شکل 4-5:طیف جذبی یک نمونه با داده­های خام و داده­های مرحله A……………………………………………………………..

64

شکل 4-6:طیف جذبی یک نمونه با داده­های مراحلB و C ………………………………………………………………………………..

65

شکل 4-7:طیف جذبی یک نمونه با داده­های مراحل D وE ………………………………………………………………………………

66

شکل 4-8:طیف جذبی یک نمونه با داده­ مرحله F………………………………………………………………………………………………

66

شکل 4-9:طیف جذبی یک نمونه با داده­ مرحله G……………………………………………………………………………………………..

67

شکل 4-10:طیف جذبی یک نمونه با داده­ مرحلهH……………………………………………………………………………………………

67

شکل 4-11:طیف جذبی یک نمونه با داده­ مرحله I……………………………………………………………………………………………..

68

شکل 4-12:طیف جذبی یک نمونه با داده­­های مرحله J………………………………………………………………………………………

68

شکل 4-13:طیف جذبی یک نمونه با داده­های مرحله k…………………………………………………………………………………….

69

شکل 4-14:طیف جذبی یک نمونه با داده­های مرحله L……………………………………………………………………………………

70

شکل4-15 ریشه میانگین توان­های دوم خطای کالیبراسیون مدل­های مرحله K…………………………………………….

72

شکل 4-16 مقادیر نیترات پیش­بینی شده با بهترین مدل………………………………………………………………………………….

فهرست جدول­ها

شماره صفحه

عنوان

32

جدول 2-1 جدول ضرایب اعتبارسنجی………………………………………………………………………………………………………………

35

جدول 2-2 مقایسه­ی نتایج آماری  تاثیر پیش­پردازش در پیش­بینی درصد مواد جامد محلول کیوی……………….

36

جدول 2-3 نتایج اعتبار سنجی……………………………………………………………………………………………………………………………..

37

جدول 2-4 نتایج مدلPLS……………………………………………………………………………………………………………………………………

38

جدول 2-5 نتایج مدل siPLS …………………………………………………………………………………………………………………………….

39

جدول2-6 نتایج آماری برای تخمین سفتی و مواد جامد محلول سیب……………………………………………………………….

41

جدول 2-7نتایج آماری تخمین پارامترهای کیفی سیب………………………………………………………………………………………

69

جدول 4-1 ضرایب تبیین مدل­های تدوین شده…………………………………………………………………………………………………..

71

71

جدول 4-2 نتایج شبکه عصبی با قانون یادگیریMomentum………………………………………………………………………

جدول 4-3 نتایج شبکه عصبی با قانون یادگیریLevenbergMarqardt………………………………………………………