CN101799401B

CN101799401B - 用于水果内部品质无损检测的手持式近红外探头及探测方法

Info

Publication number: CN101799401B
Application number: CN2010101505170A
Authority: CN
Inventors: 刘燕德; 高荣杰; 潘圆媛; 孙旭东; 刘伟; 欧阳爱国
Original assignee: East China Jiaotong University
Current assignee: East China Jiaotong University
Priority date: 2010-04-19
Filing date: 2010-04-19
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2030-04-19
Also published as: CN101799401A

Abstract

本发明涉及一种用于水果内部品质无损检测的手持式近红外探头。该光纤探头由四个不同波长的LED光源、检测光纤、自动采样控制系统、光源稳定电路、数字温湿度传感器、圆形凸台、遮光圈、软橡胶圈、开关、线路盒和外壳构成。这种探头具有稳定性高，结构简单，成本低以及其采谱可控性的特点，可广泛用于水果在线监测和现场采样。通过语音系统和无线传输系统来实现设备的人性化及易操作性，更加拓展了应用空间。

Description

用于水果内部品质无损检测的手持式近红外探头及探测方法

技术领域：

本发明涉及一种水果内部品质无损坏的检测方式，特别是用于水果内部品质无损检测的手持式近红外探头及探测方法。

背景技术：

水果作为人类生活重要的食品资源，其品质的优劣对提高人民生活水平具有重要意义。随着人们生活质量的提高，消费者在购买水果时除了注重大小、颜色、外观形状等外部品质之外，对于内部品质如口感、糖酸度、和维生素含量等也是看重的指标。

随着光谱分析技术的发展在农业生产中的广泛应用，以光纤传感器为探头的光纤光度分析仪器作为一种新型分析测试技术，以其可以屏蔽外界杂散光、减少电磁干扰、充分聚集微区信号、高灵敏度等优点，正越来越广泛地应用在农产品品质无损检测中。

目前有一种已经商业化的漫反射光纤探头，它是采用光纤束技术。多根光纤用于传输来自光源的光，照射到待测物上，多根光纤用于接收漫反射光，并传回光谱仪。该类探头由于采用光纤束，光能量衰减严重，传输距离不宜过长。另外一种是环形冷光源光纤探头，在国外近红外仪器上得到广泛应用，如Foss公司生产的Model 6500和KUBOTA公司生产的K-BA100R。该类探头光源内置，透过环形沟槽发光，与样品发生作用的光是光源发射出的连续光，稳定性高，但是其使用受环境温湿度限制且价格昂贵，限制了其推广应用。

此前曾有专利CN 2546846Y提出一种二维光纤传感探头，能实现反射体的一个自转的自由度和一个唯一的自由度的二维探测。但是该发明应用于水果检测时也仍有不足：照射到水果表面的是个很小的光斑，无法得到完整的水果成分含量信息，直接导致仪器不稳定。

本发明将四个不同波长的LED光源与检测光纤集为一体，有效的解决了光能量衰减问题，结构简单，降低成本。既考虑光源稳定性控制，又考虑使用中采样的自动控制。采用DC/DC变换器控制光源的稳定性，采用单次脉冲发生器控制光谱采样，通过温湿度传感器实时传输作业环境参数，实现数据处理中的温湿度补偿，使其可广泛用于水果在线监测和现场采样。另外本发明通过语音系统和无线传输系统来实现设备的人性化及易操作性，更加拓展了应用空间。

发明内容：

鉴于现有技术存在的不足，本发明提供一种用于水果内部品质检测的手持式近红外探头。

手持式近红外探头类似手电筒的结构，因此绝大多数部件都设置在类似手电筒的壳体内，大多数部件的安装方式和安装的部位均类似手电筒的结构，但四个LED光源8与光纤12之间的相对位置与夹角是提高检测效率的关键。

采用不同波段的LED光源，有利于收集更多的信息，提高最终检测效率。

为实现上述目的，本发明所采用技术方案如下：

本发明是将光源与检测光纤集为一体，利用波长分别为810nm、840nm、880nm和940nm的LED组合光源作为LED光源，呈十字排列均匀围绕与检测光纤周围。在检测光纤端部装有聚焦镜，使携带有水果内部品质信息的漫反射光线尽可能多的被光纤传递。将凸台结构体由螺钉固定于探头端面，对应的检测光纤和LED光源位置处转有通孔。在凸台结构与探头本体接触面上，遮光圈装配在围绕检测光纤留有的沟槽内。这种凸台结构和遮光圈结构阻隔了光源和检测光线间的直接光路，避免了水果表面的反射光和外部光线的干扰。

本发明探头光源和光纤的结构布置实现了光从四周不同的方向照射在水果上，探头中心的检测光纤负责收集与样品作用产生的光，采集的光谱基本包含了水果内部品质的全部信息，有力增强了仪器的稳定性。

本发明通过对比不同夹角放置时探头的实验效果(如表1)，确定四个光源和探头中心线成8度的夹角放置，使LED光源更充分的照射在待测水果表面。

表一采用的技术参数如下：四个LED光源8采用波段为810nm、840nm、880nm、940nm，四个LED光源8和聚焦镜9中心线成8度的夹角放置。

表一：四个光源和探头中心线成不同夹角时检测效果对比：

表二：四个LED光源8和聚焦镜9中心线成8度的夹角放置的效果：

注：r表示预测集相关系数和SEP表示预测标准差如下：

预测标准偏差(SEP)：预测集样品的近红外预测值与参考值的标准偏差。

SEP = \sqrt{\frac{1}{n_{p}} Σ_{i = 1}^{n_{c}} (y_{i} - {\hat{y}}_{i})}

相关系数(r)：用来描述近红外测量值于参考值之间的线性相关程度。

r = \sqrt{1 - \frac{Σ_{i = 1}^{n} (y_{i} - {\hat{y}}_{i})}{Σ_{i = 1}^{n} (y_{i} - {\overset{&OverBar;}{y}}_{i})}}

yi-第i个样品的参考值(实际测量值)

nc-建模集的样品数量

np-预测集的样品数量

n-建模集和预测集的样品数量总和

本发明的电源稳定性控制是通过DC/DC转换器来实现的。直流有不稳定性，DC/DC转换电路的主要作用是稳压，稳流，控制功率，保护直流线路(LED)。

本发明采用单次脉冲发生电路实现光谱采样的可控性，通过开关作用，是电路中产生一高电平信号至光谱仪的触发管角，完成一次采样。电路中采用了防抖动电路，所以输出电平时无抖动的，有效的防止发生光谱仪误触发。

本发明采用数字温湿度传感器实时传输作业环境参数，实现数据处理中的温湿度补偿，提高仪器的环境适应能力。

本发明通过外扩语音芯片控制系统、无线传输网络和GPS芯片实现模拟语音报数、远程协助和精准定区域检测。

本发明具有稳定性高，结构简单，成本低以及其采谱可控性的特点，可广泛用于水果在线监测和现场采样。

附图说明

图1是本发明的结构主视图；

图2是本发明的结构左视图；

图3是本发明的DC/DC转换电路图；

图4是本发明的自动采样控制电路图；

图5是本发明的工作过程示意图。

附图标记：

遮光圈1、数字温湿度传感器2、螺钉3、开关4、电线5、软橡胶圈6、圆形凸台7、LED光源8、聚焦镜9、手柄10、线路盒11、光纤12。

具体实施方式：

实施例1、用于水果内部品质无损检测的手持式近红外探头，其中：四个LED光源8采用波段为810-940nm，在探头检测端部LED光源8围绕光纤12，按上下、左右十字结构排列；LED光源8、聚焦镜9均位于壳体内；光纤12位于壳体的中轴线上。

实施例2、用于水果内部品质无损检测的手持式近红外探头，其中：四个LED光源8采用波段为810-940nm，在探头检测端部LED光源8围绕光纤12，按上下、左右十字结构排列；四个LED光源8和聚焦镜9中心线均成7-10度的夹角放置；LED光源8、聚焦镜9均位于壳体内；光纤12位于壳体的中轴线上。

实施例3、用于水果内部品质无损检测的手持式近红外探头，其中：四个LED光源8采用波段为810nm、840nm、880nm、940nm，四个LED光源8和聚焦镜9中心线成8度的夹角放置。其余同实施例2。

实施例4、用于水果内部品质无损检测的手持式近红外探头，其中：包括四个LED光源8、光纤12、自动采样控制系统、光源稳定电路、数字温湿度传感器2、圆形凸台7、遮光圈1、软橡胶圈6、开关4、线路盒11和外壳。其余同实施例2。

实施例5、用于水果内部品质无损检测的手持式近红外探头，其中：圆形凸台7由螺钉3固定于探头端面，对应的光纤12和LED光源8位置处钻有通孔；遮光圈1装配在圆形凸台7与探头接触面上的沟槽内。其余同实施例2或3。

实施例6、用于水果内部品质无损检测的手持式近红外探头，其中：数字温湿度传感器2装配于探头检测端部。实时记录作业温度和湿度，并且传输测量值于主机数据处理机构，实现了处理光谱数据时的温湿度补偿，提高仪器的环境适应能力。

其余同实施例4。

专业术语解释：

手持式近红外探头还包括LED光源8、聚焦镜9、光纤12之外其他部件，其他部件可以是遮光圈1、数字温湿度传感器2、螺钉3、开关4、电线5、软橡胶圈6、圆形凸台7、手柄10、线路盒11中的一种或数种。

下面结合附图1-5解释工作过程：

1、通过计算机设置好光源功率、积分时间、平均次数、窗口平滑宽度、光谱存储路径和光谱名称；预热光源20分钟。

2、手持探头靠近待测水果，直至水果表面贴上圆形凸台中心部位。

3、用握持探头的手指，轻轻触动探头手柄部的开关一次，则单次脉冲发生电路产生一正脉冲至光谱仪触发管角，完成一次采谱。与此同时，LED指示灯导通发光和模拟人声读出测量结果。

Claims

1.用于水果内部品质无损检测的手持式近红外探头，其特征在于：四个LED光源(8)采用波段为810-940nm，在探头检测端部LED光源(8)围绕光纤(12)，按上下、左右十字结构排列；四个LED光源(8)和聚焦镜(9)中心线均成7-10度的夹角放置；LED光源(8)、聚焦镜(9)均位于壳体内；光纤(12)位于壳体的中轴线上；四个LED光源(8)采用波段为810nm、840nm、880nm、940nm，四个LED光源(8)和聚焦镜(9)中心线成8度的夹角放置。

2.根据权利要求1所述的用于水果内部品质无损检测的手持式近红外探头，其特征在于：包括四个LED光源(8)、光纤(12)、自动采样控制系统、光源稳定电路、数字温湿度传感器(2)、圆形凸台(7)、遮光圈(1)、软橡胶圈(6)、开关(4)、线路盒(11)和壳体。

3.根据权利要求1所述的用于水果内部品质无损检测的手持式近红外探头，其特征在于：圆形凸台(7)由螺钉(3)固定于探头端面，对应的光纤(12)和LED光源(8)位置处钻有通孔；遮光圈(1)装配在圆形凸台(7)与探头接触面上的沟槽内。

4.根据权利要求2所述的用于水果内部品质无损检测的手持式近红外探头，其特征在于：数字温湿度传感器(2)装配于探头检测端部。