CN102866117B - 一种便携式水果内部质量无损检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种便携式水果内部质量无损检测装置及方法，具有一箱体结构，箱体结构内腔中容纳有凸环形灯罩、水果支撑台、风扇、准直透镜、隔板、光纤和触摸屏平板电脑；凸环形灯罩位于箱体内最上部，凸环形灯罩正下方是水果支撑台，水果支撑台上部上表面为锥形结构，锥形结构正上方支撑被检测水果；水果支撑台的内部设有位于被检测水果正下方的准直透镜，准直透镜经光纤连接光纤光谱仪，光纤光谱仪连接触摸屏平板电脑；箱体内下部设有A/D采集卡、电磁继电器、光纤光谱仪卤素灯电子变压器和风扇变压器，隔板上设有测量箱体内温度的温度传感器，箱体底部设有测量环境温度的温度传感器；以透射方式采集光谱，可适用于不同温度环境下的检测。

Description

一种便携式水果内部质量无损检测装置及方法

技术领域

本发明涉及利用可见/近红外光谱快速无损检测农产品内部品质信息技术，特指一种基于可见/近红外光谱技术便携式水果内部质量无损检测的装置及方法。

背景技术

近红外光谱已应用于苹果、梨、柑橘等水果内部品质信息的无损检测中，但近红外光谱检测技术的实用化程度不高，主要原因是近红外光谱技术抗干扰能力弱、检测设备成本高。光照系统是近红外光谱检测装置的重要部分，直接关系到光谱信号采集的可靠性。有的光照系统采用漫反射光纤检测探头，形状呈Y型，作为采样附件，能同时传输光源与接收光谱信号，但是这种漫反射光纤检测探头仅能对水果作单点采集，采集的信息只反映水果表层的局部信息，不能反映水果全部信息。

中国专利公开号为CN101799401A公开了一种水果内部品质检测的手持式近红外探头与探测方法，用4个水果特征波长的LED光源与检测光纤集合在一起检测，虽然解决了检测精度不足的问题，但仍然不能提供均匀的光照和足够的光谱信息。为解决此问题，有的检测装置使用卤素灯作为光源，这虽可提供足够的光谱信息，但其也有缺陷；就是在封闭环境内采用卤素灯透射采集光谱方式，卤素灯功率较大，使装置内部的温度升高，温度升高会影响到近红外光谱检测精度，使装置不能长时间稳定工作。

由于不同的检测现场环境差别大，检测样本的温度对近红外模型的预测结果影响很大，因此，需要对近红外模型作温度修正。而现有技术都是在常温下对水果内部质量进行检测，未考虑所处环境温度(即检测样本的温度)对其光谱检测结果的影响，这就降低了检测装置在各种温度环境下使用的适用性。

发明内容

鉴于目前对水果内部质量无损检测技术存在的不足，本发明提供一种基于可见/近红外光谱技术的便携式的水果内部质量检测装置及方法，通过装置内外温度来控制散热、光照的开关，能防止装置内部温度过高，并且能对检测样本的预测结果作温度校正，快速而准确地获得水果内部全部品质信息。

本发明的便携式水果内部质量检测装置采用的技术方案是：具有一箱体结构，箱体结构内腔中容纳有凸环形灯罩、水果支撑台、风扇、准直透镜、隔板、光纤和触摸屏平板电脑；凸环形灯罩位于箱体内的最上部，凸环形灯罩的正下方是水果支撑台，水果支撑台的上部上表面为锥形结构，所述锥形结构的正上方支撑被检测水果；凸环形灯罩和所述锥形结构之间是固定于箱体内壁上且均匀放置在所述锥形结构周围的多个卤素灯光源；水果支撑台的底部垂直固定连接隔板，隔板水平固定连接箱体内壁；水果支撑台的内部设有位于被检测水果正下方的准直透镜，准直透镜经光纤连接光纤光谱仪，光纤光谱仪连接触摸屏平板电脑；箱体内的下部设有A/D采集卡、电磁继电器、光纤光谱仪卤素灯电子变压器和变压器，隔板上设有测量箱体内温度的第一温度传感器，箱体底部设有测量环境温度的第二温度传感器；第一、第二温度传感器分别与A/D采集卡相连，A/D采集卡连接固定于箱体内一个侧壁上的触摸屏平板电脑；多个卤素灯光源均连接卤素灯电子变压器，风扇连接风扇变压器，卤素灯电子变压器和变压器分别经电磁继电器后连接外部220V AC电源，电磁继电器连接A/D采集卡，触摸屏平板电脑分别连接光纤光谱仪和A/D采集卡。

本发明的便携式水果内部质量检测装置的检测方法采用的技术方案是：包括如下步骤：1）卤素灯光源通过卤素灯电子变压器将220V交流电降压稳压后，输出稳定的光照强度信息，光线汇聚并反射到被检测水果的表面，部分光线进入水果内部组织从水果下方出射，成为透射光谱信号；2）透射光谱利用准直透镜汇聚后，由光纤传至光纤光谱仪，光纤光谱仪将透射光谱信号数字化后传到触摸屏平板电脑；3）通过第一、第二温度传感器与A/D采集卡分别获得箱体内温度与箱体外环境温度，温度信息经过A/D采集卡转化为数字信号后传给触摸屏平板电脑，若二者温度的差值大于5℃，控制风扇开启，若箱体内温度高于二者温度的差值10℃时，关闭卤素灯光源。

本发明采用上述技术方案后具有以下优点：

1、整个检测部分以及显示部分都内置在一个箱体内，在箱体上设有拉手，便于携带。装置体积小、质量轻，具有温度检测模块，可适用于不同温度环境下的检测，采用光纤光谱仪使便携装置的成本大大减少。

2、该便携检测装置采用均匀的环形分布光照，可以均匀地照射到水果的表面，与内部组织作用后，以透射方式采集光谱，透射光谱包含丰富的水果内部光谱信息，克服了现有技术中漫反射检测光纤探头的采集方式的单点检测、仅能获取水果表层信息的不足。

3、该便携式检测装置的光照系统，将发散的光线反射到检测水果的整个检测面，充分利用了光源的光照；阻断了高亮度的光线向外发散避免其影响以及损害操作者的眼睛；卤素灯光源能够发出丰富的连续波段的光谱，可充分反映与水果内部组织的作用。

4、卤素灯光源的外侧有风扇和通风孔。卤素灯灯杯可以将80%的热量向后扩散，以及灯杯带有前罩盖可阻碍光源热量向前扩散。装置内的温度传感器可以实时监测内部的温度，使风扇有间隙地运行，通过通风孔将热量排出，解决热散问题，防止装置内部温度过高。

5、针对不同的检测环境将会有较大的温度差异，在装置底部安装温度传感器，可实时监测环境温度，即检测样本的温度，同时依据温度的变化，对样本的检测结果进行相应的温度修正，能适应水果所在环境温度的变化。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明检测装置的外观视图；

 图2是图1所示检测装置的放大的内部结构主视图；

 图3是图2的左视图；

图4是图2和图3所示检测装置的电路连接图；

图5是本发明检测装置在检测时依据温度变化对近红外光谱预测和控制的流程图。

图中：1、凸环形灯罩；2、卤素灯光源；3、环形软垫圈；4、水果支撑台；5、风扇；6、准直透镜；7、隔板；8、A/D采集卡；9、第一温度传感器；10、电磁继电器；11、光纤；12、光纤光谱仪；13、卤素灯电子变压器；14、风扇变压器；15、第二温度传感器；16、光纤光谱仪数据线；17、A/D采集卡数据线；18、触摸屏平板电脑；19、滑动槽；20、通风口；21、扣锁；22、拉手。

具体实施方式

参见图1，本发明检测装置的外部是一箱体结构，箱体结构上方是箱盖，箱盖通过扣锁21实现开合，在箱盖顶面上固定设置拉手22，便于携带；在箱体下方侧壁上开通风口20，便于箱体内部的通风散热。

参见图2和图3，在箱体结构内腔中容纳有凸环形灯罩1、水果支撑台4、风扇5、准直透镜6、隔板7、光纤11、触摸屏平板电脑18等。

凸环形灯罩1位于箱体内的最上部，凸环形灯罩1的内壁光滑弧面，内壁上涂有反光材料，能够将卤素灯光源2发散的光线进行汇聚，并反射到检测水果的表面；凸环形灯罩1的材质为铝，能减轻装置的重量，同时还具备很好的散热能力。凸环形灯罩1的最上部边缘和最下部边缘的截面均是圆形，最下部边缘的直径为30cm，最上部边缘的直径为15cm。

在凸环形灯罩1的正下方是水果支撑台4，水果支撑台4用于支撑被检测的水果和反射光线。水果支撑台4的底部垂直固定安装在隔板7上，隔板7水平固定在箱体内壁上。水果支撑台4上部上表面为锥形结构，锥角为60°，即该锥形上表面与隔板7呈30°倾斜。在水果支撑台4上部锥形结构的正上方支撑被检测水果，位于水果支撑台4的锥形结构部位安置不透光的环形软垫圈3，使环形软垫圈3与被检测水果的表面紧密接触，可消除水果漏光现象。水果支撑台4的锥形结构与凸环形灯罩1的内表面相面对，且两者之间留有足够的空间可以安装卤素灯光源2，能够将卤素灯2射出的光线反射到检测水果的表面。

卤素灯光源2固定于箱体的内壁上，并且位于凸环形灯罩1和水果支撑台4的锥形结构之间，卤素灯光源2的中心轴线与水果支撑台的中心轴线交于一点，且与水平的隔板7之间具有夹角，即卤素灯光源2呈仰角、向内摆放。本发明采用多个卤素灯光源2均匀放置在水果支撑台4的锥形结构的周围，使卤素灯光源2呈圆形分布，圆形分布的光源可以使得光照更为均匀，减小水果轴向摆放位置的差异带来的影响。经过测试，本发明卤素灯光源2的仰角为20°时效果最好，卤素灯光源2的数量综合考虑其散热情况，数量为5只时性能最佳。在箱体内的侧壁上安装风扇5，可将风扇5安装在卤素灯光源2的后方，风扇5工作时，可对箱体内进行快速散热。

在水果支撑台4的内部设置准直透镜6，使准直透镜6位于被检测水果的正下方，准直透镜6经过光纤11连接光纤光谱仪12，水果透射信号经过准直透镜6汇聚后，经光纤11传导至光纤光谱仪12，透射信号经过光纤光谱仪12检测后，转化为数字信号，经过光纤光谱仪数据线16传至触摸屏平板电脑18。光纤光谱仪12可安装在隔板7的下方，并且固定在箱体内的下部。隔板7存在小孔，用于光纤11的穿通。

在隔板7上安装第一温度传感器9，第一温度传感器9用于测量箱体内的温度。在箱体底部安装第二温度传感器15，用于测量环境温度，即水果检测样本的温度。在箱体内的下部还设置A/D采集卡8、电磁继电器10、光纤光谱仪12、卤素灯电子变压器13、风扇变压器14等，第一温度传感器9 、第二温度传感器15分别与A/D采集卡8相连，A/D采集卡8经A/D采集卡数据线17连接触摸屏平板电脑18。触摸屏平板电脑18固定在箱体内的一个侧壁上，固定时，可在箱体内的一个侧壁上设置滑动槽19，用于安装触摸屏平板电脑18，使触摸屏平板电脑18可在箱体内上下滑动。

再参见图4所示，将多个卤素灯光源2均连接卤素灯电子变压器13，风扇5连接风扇变压器14，卤素灯电子变压器13和风扇变压器14分别经电磁继电器10后连接外部220V AC电源。电磁继电器10与A/D采集卡8的I/O口连接。触摸屏平板电脑18经光纤光谱仪数据线16连接光纤光谱仪12，触摸屏平板电脑18经A/D采集卡数据线17连接A/D采集卡8。光纤光谱仪数据线16与A/D采集卡数据线17均是通过USB接口与触摸屏平板电脑18相连接。卤素灯光源2和风扇5的电源通过卤素灯电子变压器13、变压器14降压后，分别由与A/D采集卡8的I/O口相连的电磁继电器10控制。

图1-4所示出的检测装置便于携带，能够对水果内部品质信息进行全面的无损检测，图5为装置实施流程，具体的检测方法如下：

水果检测前，将便携装置水平放置在工作台上，勿靠近热源并保持周边空旷。检测水果时，要保持工作平台平稳。打开检测装置的扣锁21，向上抽出触摸屏平板电脑18，触摸屏平板电脑18沿滑动槽19向上移动到扣点，然后接通电源启动软件。该软件首先会发出相关指令到A/D采集卡8控制电磁继电器10，接通卤素灯光源2的电源开关。将水果放置在水果支撑台4上，水果重心处于准直透镜6的正上方，水果的表面与环形软垫圈3紧密接触，减小漏光因素的影响。

卤素灯光源2通过卤素灯电子变压器13将220V交流电降压稳压后，输出稳定的光照强度信息。多只卤素灯光源2呈圆形均匀分布，使水果的水平切面受到均匀的光照强度，不因水果轴向的转动而产生光照强度差异。将多个卤素灯光源2预热10min左右可使光照强度更加稳定。卤素灯光源2处于凸环形灯罩1与水果支撑台4的锥形面之间，可以将卤素灯光源发散的光线反射到检测水果的表面，照射到环形软垫圈3以上部分水果的全部表面。

光线照射到检测水果的表面后，部分光线会被水果表面反射出去，部分光线会进入水果内部组织。进入水果内部的部分光线多次与水果内部组织发生吸收、折射、散射等现象，最终有一小部分与内部组织作用后的光线从与环形软垫圈3接触的检测水果下方部位出射，成为透射光谱信号。该透射光谱信号包含照射到水果表面区域，即无数多点光谱信息的综合反映，同时光线在水果内部穿透光程长以及吸收等原因，使得透射光谱信号微弱，且出射的透射光谱信号方向一致性较差。利用水果支撑台4内部的准直透镜汇聚后，由光纤11传至光纤光谱仪12。光纤光谱仪12将此透射光谱信号数字化后，经过光纤光谱仪数据线16传到触摸屏平板电脑18，供软件分析。软件将依据检测水果的种类与品种，利用原先实验阶段建立好的近红外光谱预测模型对该水果的内部组分进行定性、定量分析。

参见图5，在检测水果的同时，通过第一温度传感器9、第二温度传感器15与A/D采集卡8分别获得箱体内的温度与箱体外的环境温度，经过A/D采集卡8转化为数字信号后由A/D采集卡数据线17将温度信息传给触摸屏平板电脑18，供软件分析。在分析检测水果透射光谱信号时，软件会自动依据第二温度传感器15获取的当前环境温度调整近红外光谱预测模型的相关参数，以适应不同环境温度检测的需要。

装置工作一段时间后，由于卤素灯光源2发热以及通风孔20排热能力有限等原因，装置内部温度容易升高。软件根据第一温度传感器9、第二温度传感器15获取的温度信息来判定当前箱内温度是否过高，若二者温度T1、T2的差值大于5℃时，软件将发出相应的指令到A/D采集卡8控制电磁继电器10开启风扇5的电源；若装置内部的温度降到某一温度后，软件便会发出指令关闭风扇5的电源；若风扇在运转的过程中，箱内温度仍高于二者温度T1、T2的差值10℃时，软件便会发出指令关闭卤素灯光源2的电源。

各个温度下的近红外光谱预测模型是由试验得到，由于近红外光谱信号受样本温度的影响较大，故将各个拟建模型的温度梯度差设为8℃，即上下波动4℃，试验阶段人为设置了五个拟建模型的温度，分别为2℃、10℃、18℃、26℃、34℃，在这五个温度下分别建立近红外光谱预测模型。通过便携装置底部的第二温度传感器15获取当前环境温度，也即样本温度。软件根据样本温度来选择最相近温度下近红外光谱预测模型，对样本进行预测并作温度补偿，得到最终的预测结果。

在卤素灯光源2预热时或更换检测水果时，并不需要遮住水果支撑台4的检测口，低角度的照射与凸环形灯罩1的设计，避免了光线及反射光直接照射到准直透镜6，可保证光纤光谱仪12不受到强光照射影响其寿命。

检测结束时，退出软件，软件将先后断开与光纤光谱仪12的通讯、发出指令到A/D采集卡8通过电磁继电器10切断风扇5、卤素灯光源2的电源；关闭触摸屏平板电脑18并顺着滑动槽19下移到底部。合上便携装置的箱盖，按上扣锁21，结束操作。

Claims (4)

1.一种便携式水果内部质量无损检测装置，具有一箱体结构，其特征是：箱体结构内腔中容纳有凸环形灯罩（1）、水果支撑台（4）、风扇（5）、准直透镜（6）、隔板（7）、光纤（11）和触摸屏平板电脑（18）；凸环形灯罩（1）位于箱体内的最上部，凸环形灯罩（1）的正下方是水果支撑台（4），水果支撑台（4）的上部上表面为锥形结构，所述锥形结构的正上方支撑被检测水果；凸环形灯罩（1）的最上部边缘和最下部边缘的截面均是圆形，卤素灯光源（2）的中心轴线与水果支撑台（4）的中心轴线交于一点，水果支撑台（4）的锥形结构与凸环形灯罩（1）的内表面相面对，且两者之间留有足够的空间能够将卤素灯（2）射出的光线反射到检测水果的表面；凸环形灯罩（1）和所述锥形结构之间是固定于箱体内壁上且均匀放置在所述锥形结构周围的多个卤素灯光源（2），多个卤素灯光源（2）均匀放置在水果支撑台（4）的锥形结构的周围；水果支撑台（4）的底部垂直固定连接隔板（7），隔板（7）水平固定连接箱体内壁；水果支撑台（4）的内部设有位于被检测水果正下方的准直透镜（6），准直透镜（6）经光纤（11）连接光纤光谱仪（12），光纤光谱仪（12）连接触摸屏平板电脑（18）；箱体内的下部设有A/D采集卡（8）、电磁继电器（10）、光纤光谱仪（12）、卤素灯电子变压器（13）和变压器（14），隔板（7）上设有测量箱体内温度的第一温度传感器（9），箱体底部设有测量环境温度的第二温度传感器（15）；第一、第二温度传感器（9、15）分别与A/D采集卡（8）相连，A/D采集卡（8）连接固定于箱体内一个侧壁上的触摸屏平板电脑（18）；多个卤素灯光源（2）均连接卤素灯电子变压器（13），风扇（5）连接风扇变压器（14），卤素灯电子变压器（13）和变压器（14）分别经电磁继电器（10）后连接外部220V AC电源，电磁继电器（10）连接A/D采集卡（8），触摸屏平板电脑（18）分别连接光纤光谱仪（12）和A/D采集卡（8）；所述锥形结构上设有不透光的环形软垫圈（3），环形软垫圈（3）与被检测水果表面紧密接触；所述锥形结构的锥角为60°，所述锥形结构与凸环形灯罩（1）的内表面相面对；卤素灯光源（2）与水平的隔板（7）之间的仰角为20°；凸环形灯罩（1）的内壁光滑弧面，内壁上涂有反光材料，能将卤素灯光源（2）发散的光线进行汇聚，并反射到检测水果的表面。

2.根据权利要求1所述的一种便携式水果内部质量无损检测装置，其特征是：箱体内的侧壁上设有滑动槽（19），触摸屏平板电脑（18）通过滑动槽（19）固定连接箱体。

3.根据权利要求1所述的一种便携式水果内部质量无损检测装置，其特征是：所述箱体结构上方是通过扣锁（21）实现开合的箱盖，箱盖顶面上固定设置拉手（22），箱体下方侧壁上开有通风口（20）。

4.一种如权利要求1所述便携式水果内部质量无损检测装置的检测方法，其特征是包括如下步骤：

1）卤素灯光源（2）通过卤素灯电子变压器（13）将220V交流电降压稳压后，输出稳定的光照强度信息，光线汇聚并反射到被检测水果的表面，部分光线进入水果内部组织从水果下方出射，成为透射光谱信号；

2）透射光谱利用准直透镜（6）汇聚后，由光纤（11）传至光纤光谱仪（12），光纤光谱仪（12）将透射光谱信号数字化后传到触摸屏平板电脑（18）；

3）通过第一、第二温度传感器（9、15）与A/D采集卡（8）分别获得箱体内温度与箱体外环境温度，温度信息经过A/D采集卡（8）转化为数字信号后传给触摸屏平板电脑（18），触摸屏平板电脑（18）利用由试验得到的近红外光谱预测模型对该水果的内部组分进行定性、定量分析；在分析透射光谱信号时，触摸屏平板电脑（18）依据第二温度传感器（15）获取的当前环境温度来选择最相近温度下近红外光谱预测模型，调整近红外光谱预测模型的相关参数，以适应不同环境温度检测的需要并作温度补偿；若第一、第二温度传感器（9、15）二者温度的差值大于5℃，控制风扇（5）开启，若箱体内温度高于二者温度的差值10℃时，关闭卤素灯光源（2）。