CN101943642B - 基于红外热成像技术的脐橙表面烘干监控方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于红外热成像技术的脐橙烘干监控方法及装置。它由烘干箱1，辊子9、10，调速电机7、8，电阻丝4，鼓风机5，控制器6，红外热像仪2，计算机3以及图像处理软件构成。脐橙经清洗涂蜡后送入烘干箱，在辊子带动下，脐橙一边不断翻滚一边受到外部加热系统激励；采用红外热像仪监测脐橙表面的红外辐射信息，经过图像处理及曲线拟合后，由计算机精确调控驱动及加热装置，使待烘干样品表面温度更加均匀。本发明将基于热红外的光学检测及温度监测手段引入应用到脐橙烘干监测控制过程中，能防止脐橙表面出现过热损伤或水分残留现象，为脐橙后续的标准化分级创造了条件。本发明适合脐橙的产后烘干监控处理，也适合其它水果的产后烘干监控处理。

Description

基于红外热成像技术的脐橙表面烘干监控方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于红外热成像技术的脐橙表面烘干监控方法及装置，属农林产品产后处理控制技术领域。

背景技术

脐橙品质优良、无籽多汁、色泽鲜艳、营养丰富、含有人体所必需的各类营养成份，是世界各国竞相栽培的柑桔良种。脐橙生产对气候要求严格，全世界能生产脐橙的地方十分有限，主要集中在地中海气候类型的美国加州、欧洲的西班牙、南半球的南非和澳大利亚、中国的湘南—桂北—赣南等地。

脐橙在进入流通前，一般要进行科学的检测、严格的清洗、打蜡、烘干、筛选、分级、规范化包装等商品化处理手段，以提高外观质量和贮藏保鲜能力。事实上，科学的产后处理措施可以大大增强脐橙的市场竞争能力和适时销售的潜力。以我国著名脐橙——赣南脐橙为例，与美国脐橙相比，其可溶性固形物含量高1-2个百分点，与日本脐橙相比，其可溶性固形物含量高1-3个百分点，由于品质优良，风味浓郁，富有香气，深受欢迎。然而从香港的脐橙价格可以看出我国脐橙的价格劣势：2002年初，我国脐橙经过包装运输达到香港后大约为5.4元/公斤，而美国的脐橙到香港后达到10元/公斤以上。我国脐橙采后处理技术与世界水平还有相当大的差距，面对入世后国外水果的冲击，迫切需要提高我国柑桔类水果的产后处理技术，改善柑桔类水果表面质量，以提高产业竞争力。

目前在国内，水果产后处理手段相对落后。特别是在脐橙分选之前打蜡抛光后的表面烘干技术一直被人们忽视。目前常用到的烘干箱由于对箱体内部的水果缺乏有效的状态监控，常常造成部分水果表面出现过热损伤甚至出现异味现象，而部分水果表面却依旧有大量水分残留，蜡质层不完整继而引起腐烂，对脐橙日后的存储及销售造成极大的隐患。因此，对脐橙表面烘干进行实时精确监控是脐橙品质检测前一项很有必要的内容。

红外热成像技术对温度具有高敏感性，是一种非接触、不破坏、实时、快速检测监控方法，能检测小于0.1℃的温度变化。针对目前脐橙表面烘干过程中出现过热损伤或水分残留蜡质不全等现象，运用高分辨率的红外热像仪，快速准确测定脐橙表面温度变化，并同步监测环境因子(温度、气流)和脐橙表面烘干状况，及时发现异常区域，以调整环境因子，从而达到均匀无损伤的烘干目的。

本发明申请人曾公开了一种基于红外热成像技术的水果表面早期缺陷检测方法及装置(公开号CN101713747A)，该发明将水果表面信息转换为一维温度信息，并结合图像信息，能很好地实现水果表面早期缺陷的检测，为水果的精细分级创造了条件。

发明内容

本发明的目的是，根据现有的水果烘干设备在精确烘干及过程监控等方面的不足，本发明提供一种基于红外热成像技术的脐橙表面监控方法和装置，在两对带有螺旋槽且旋向相反的辊子带动下，脐橙一边翻滚一边受到外部热空气激励，采用红外热像仪获取脐橙表面的红外辐射信息，经过图像处理及曲线拟合后，由计算机精确调控驱动及加热装置，使待烘干样品表面温度更加均匀，以防止脐橙表面过热损伤或水分残留，有利于脐橙后续的标准化分级。

本发明的技术方案是，本发明方法通过基于红外热成像技术的水果近表缺陷在线检测装置来实现。

本发明所述的方法为：

(1)在两对带有螺旋槽且旋向相反的辊子带动下，脐橙一边翻滚一边受到外部热空气激励，在脐橙沿辊子边翻滚边被加热过程中，利用安置在辊子正上方的中红外热像仪获取脐橙表面特定区域的红外辐射信息，同时记录该区域的温度变化情况。

(2)对获取的脐橙热图像进行图像滤波、图像增强、图像分割后实现红外辐射异常区域的分离，对记录的特定点的温度值进行曲线拟合，得到脐橙圆周方向的温度轮廓曲线。

由于过热区域较正常区域的红外辐射强烈，反映在热图像上的特征是过热区的灰度明显偏大，可以通过图像滤波、图像增强、阈值分割来提取目标区域；反映到温度特征曲线上则是过热区域的温度值平均值、标准差值明显大于正常区域，由此在温度轮廓图上形成波峰。同理，水分残留区域由于处于欠烘干状态，其热图像的灰度稍低于正常区域，温度值也小于正常表面温度值，在温度轮廓线上容易形成波谷。

(3)由目标区域的热图像及温度轮廓线可以确定脐橙表面的烘干状态以及出现过热或欠烘干的区域大小和位置。

(4)计算机在识别脐橙表面热状态后，烘干箱内的温度调控是通过控制器调整辊子转速、电阻丝的电流以及鼓风机风速，使待烘干样品表面温度更加均匀，防止脐橙表面过热损伤或水分残留，最终达到均匀化烘干。

若脐橙过热，就提高辊子转速、减小通过电阻丝的电流，以使烘干箱内的温度降低；若脐橙表面有水分残留处于欠烘干状态，就降低辊子转速、增大通过电阻丝的电流、提高鼓风机送入的气流强度，以使烘干箱内的温度增加，最终实现均匀化烘干。

本发明所述的基于红外热成像技术的水果近表缺陷在线检测装置包括烘干箱，传动系统，加热系统，监控系统。传动系统的辊子安装在烘干箱中间，并且与调速电机相连，加热系统的电阻丝和鼓风机安放在辊子两侧，监控系统的红外热像仪固定在烘干箱顶部中央，其视场刚好覆盖4个水果，热像仪输出信号与计算机相连，在计算机内部装有图像处理软件。

所述装置中的烘干箱：烘干箱内壁全部附有黑色吸热棉，以降低进入红外热像仪光学镜头里的反射与散射中长波段的红外线；

所述装置中的传动系统包括辊子，调速电机，控制器。两对辊子带有螺旋槽且安装在烘干箱中间，其速度由调速电机控制，辊子的转向及旋向均相反，分别正对着左右两侧，水果靠辊皮及螺旋槽的摩擦力以一定的速度绕辊子轴旋转，同时向螺旋槽的旋向方向滚出烘干箱。

所述装置中的加热系统包括：电阻丝，鼓风机。电阻丝与鼓风机安放在辊子两侧；电阻丝为网状电阻丝，网状电阻丝通入电流后发热，再由鼓风机将热风吹入烘干箱。通过电阻丝的电流及鼓风机送入的热风流速由控制器调节。

所述装置中的监控系统包括红外热像仪，USB数据传输线，计算机，图像处理软件以及控制器。红外热像仪采用加拿大加创公司生产的IR970型中红外摄像机，其光谱范围为8μm-14μm，测温范围为-20℃至+400℃，热灵敏度为0.08℃在30℃时，能同时监测八个点的温度值。红外热像仪固定在烘干箱顶部中央，其视场刚好覆盖4个水果，其输出信号通过USB数据传输线与计算机相连，在计算机内部装有图像处理软件，控制器与计算机通过RS232串口线相连。

待烘干脐橙进入烘干箱，脐橙在传动系统上两对旋向相反的辊子带动下，脐橙缓慢均匀性翻滚前进接受烘干，加热系统将热风送至烘干箱，监控系统通过红外热像仪监测脐橙表面的红外辐射信息，并经过图像处理及曲线拟合后，由计算机精确调控加热装置，使待烘干样品表面温度更加均匀。

本发明与现有技术比较的有益效果是：采用红外热像仪实时监测脐橙表面的红外辐射信息，经过图像处理及曲线拟合后，由计算机精确调控加热装置，使待烘干样品表面温度更加均匀，能够防止脐橙表面出现过热损伤及水分残留等现象，为脐橙后续的标准化分级创造了条件。

本发明适合脐橙的产后烘干监控处理，也适合其它水果的产后烘干监控处理。

附图说明

图1是本发明的监控装置示意图；

图2是本发明中辊子的外形图；

图3是部分待测样品的监视热图像；

图4是脐橙表面烘干检测控制流程图；

图中：1、烘干箱；2、红外热像仪；3、计算机；4、电阻丝；5、鼓风机；6、控制器；7、调速电机；8、调速电机；9、顺时针旋转辊子；10、逆时针旋转辊子；11、脐橙；12、过热区；13、残留区。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如图1所示，本发明实施例基于红外热成像技术的水果近表缺陷在线检测装置包括烘干箱1，辊子(9、10)，调速电机(7、8)，电阻丝4，鼓风机5，控制器6，红外热像仪2，计算机3以及图像处理软件构成。烘干箱1内壁附有黑色吸热棉，以降低进入红外热像仪光学镜头中的反射与散射中长波段的红外线。两对带螺旋槽的辊子(9、10)的转向及旋向均相反，分别正对着左右两侧，脐橙11靠辊皮及螺旋槽的摩擦力以一定的速度绕辊子轴旋转，同时向螺旋槽的旋向方向滚出烘干箱，其速率可以通过调速电机(7、8)调节。电阻丝4与鼓风机5安放在辊子两侧，通过电阻丝4的电流及鼓风机5送入的热流强度由控制器6调节。固定在烘干箱1顶部中央的红外热像仪2采用加拿大加创公司生产的IR970型中红外摄像机，其光谱范围为8μm-14μm，测温范围为-20℃至+400℃，热灵敏度为0.08℃在30℃时，能同时监测八个点的温度值。红外热像仪2输出信号通过USB数据传输线与计算机3相连，在计算机3内部装有图像处理软件，控制器6与计算机3通过RS232串口线相连。

本发明对柑桔类的水果具有通用性，现以江西特色水果赣南脐橙表面烘干为例说明实施过程：

1)脐橙在经清洗涂蜡抛光后，沿带螺旋槽的辊子进入烘干箱内。

2)在两对旋向相反的辊子带动下，脐橙缓慢均匀性翻滚。烘干箱两侧的鼓风机吹向通电加热后的网状电阻丝，正对着脐橙旋转方向将热风吹入烘干箱内。

3)固定在烘干箱顶部且视场刚好覆盖4个水果的红外热像仪获取脐橙不同滚动时刻对应的热图像以及记录每一时刻对应的样品表面温度值。

4)计算机对获取的脐橙热图像进行图像滤波、图像增强、图像分割后实现红外辐射异常区域的分离，对记录的特定点的温度值进行曲线拟合，得到脐橙圆周方向的温度轮廓线。

5)脐橙表面过热或欠烘干状态的热图像与正常部位的灰度值不一样，反映在温度轮廓上也会呈现波峰或波谷情况。

6)结合二者信息，计算机自动推理判断脐橙表面是否存在过热损伤或欠烘干水分残留，并由此向控制器发出控制指令，调节相应控制参数。若脐橙过热，调高辊子转速、减小通过电阻丝的电流，以使烘干箱内的温度降低；若脐橙表面有水分残留处于欠烘干状态，调低辊子转速、增大通过电阻丝的电流、提高鼓风机送入的气流强度，以使烘干箱内的温度增加，最终达到均匀化烘干的目的。

7)在待烘干样品表面温度值趋于稳定达到设定值后，沿带螺旋槽的辊子滚出箱体，进入下一道工序。

Claims (1)

1.一种基于红外热成像技术的脐橙表面烘干监控方法，其特征在于，所述方法包括：

(1)在两对带有螺旋槽且旋向相反的辊子带动下，脐橙一边翻滚一边受到外部热空气激励，在脐橙沿辊子边翻滚边被加热过程中，利用安置在辊子正上方的中红外热像仪获取脐橙表面特定区域的红外辐射信息，同时记录该区域的温度变化情况；

(2)对获取的脐橙热图像进行图像滤波、图像增强、图像分割后实现红外辐射异常区域的分离，对记录的特定点的温度值进行曲线拟合，得到脐橙圆周方向的温度轮廓曲线；

(3)由目标区域的热图像及温度轮廓线可以确定脐橙表面的烘干状态以及出现过热或欠烘干的区域大小和位置；

(4)计算机在识别脐橙表面热状态后，烘干箱内的温度调控是通过控制器调整辊子转速、电阻丝的电流以及鼓风机风速，使待烘干样品表面温度更加均匀，防止脐橙表面过热损伤或水分残留，最终达到均匀化烘干。

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