CN102928357B - 基于近红外/可见光的水果品质快速无损在线检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于近红外/可见光的水果品质快速无损在线检测系统。目的是提供的系统能够快速无损的分析出水果的内部品质，从而实现水果按品质分级。技术方案是：基于近红外/可见光的水果品质快速无损在线检测系统，其特征在于系统包括机械输送装置、光照装置、检测装置，其中：机械输送装置：包括两条位于传动轴两个中径部位的输送平带，两输送平带的机架上固定有限位板；两传动轴之间的机架上固定有一支撑板，该支撑板上开有矩形孔；光照装置：包括光照箱及至少两个灯组，光照箱位于矩形孔上方，光照箱开设有开口；光照箱的底板的每个光学平台上分别至少安装有一个灯组；检测装置：包括计算机、光谱仪、出射光纤、光信号接收器及至少两个传感器。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用光学手段来测试和分析材料的系统，尤其是涉及一种基于近红外/可见光的水果品质快速无损在线检测装置。
背景技术
我国是世界水果生产大国，栽培历史悠久，资源丰富。水果在国内已成为继粮食、蔬菜之后的第三大种植业。自1993年以来，我国已连续15年稳居世界第一水果生产大国的地位。我国苹果、梨、桃、李和柿子的产量均为世界前5位。我国苹果、梨分别占世界总产量的22.8%和36%，均居世界首位。然而，我国水果储藏能力只有10%，烂果率高达25%。中国苹果产量虽然居世界第一，但其出口量只占总产量的1.46%，与发达国家还有相当程度的差距。这主要是由于我国水果产后处理的水平比较低。发达国家对即将上市的水果要进行精选、分级、清洗、打蜡、防腐保鲜、包装等商品化处理，而我国由于检测和分选技术落后，导致同一批水果良莠不齐，缺乏市场竞争力。传统的人工分拣方法，效率低、劳动强度大，准确率不高。因此，发展水果品质快速无损在线检测系统成为了水果产业的迫切需求。
水果品质的无损检测技术综合运用了计算机和光电传感器等高新技术，目前已引起了国内外相关领域的高度重视，特别是在农产品品质检测中的应用，迄今为止已经出现了诸如声学检测、X射线检测、光谱检测以及机器视觉等技术。
无论是国际市场还是国内市场，消费者对鲜果质量要求越来越高，不仅要求果实外观好看，而且要求内在质量好、果实无污染，消费者在购买水果时考虑的指标中水果糖度占47.3%。许多国家为了提高水果的市场竞争力及其商品附加值，研究和开发水果内部品质（主要为糖度）在线检测系统已成为近10年来的研究热点。到目前为止，大部分的应用还局限于实验室环境条件下的试验研究，只有极少部分国家报道有产品推向市场，如日本的Mitsui Kinzoku公司、澳大利亚的CVS（MAF/RODA集团子公司）、荷兰的AWETA、新西兰的TasteMark和意大利的Sacmi等公司，但相关的科学报道很少。
在我国，台湾大学生物产业机电工程学系于2007年成功开发了线上型光电水果品质分级系统，分级速度可达90个/分钟以上，相关系数为0.84。国内西北农林科技大学何东健分别于1992和2000年介绍了日本近红外光谱分析技术及其在水果内部品质无损检测中的应用并进行了可行性试验研究；北京蔬菜研究中心金同铭于1994年将近红外光谱分析技术用于苹果糖度的无损检测；浙江大学应义斌等于2002年开始研究基于近红外光谱技术的水果内部品质无损检测研究，于2006年推出了一套基于机器视觉（外部品质）的水果品质无损检测系统；江苏大学的赵杰文等于2004年开始进行水果内部品质检测的研究。但目前水果内部品质的在线实时检测生产线还没有见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于近红外/可见光的水果品质快速无损在线检测系统，应用近红外/可见光光谱检测技术，结合化学计量学方法和计算机技术，能够快速无损的分析出水果的内部品质，从而实现水果按品质分级，而且该系统具有自动化程度高、检测效率高、使用方便、结构简单的特点。
本发明提出的技术方案是：
基于近红外/可见光的水果品质快速无损在线检测系统，其特征在于，所述系统包括机械输送装置、光照装置、检测装置，其中：
机械输送装置：包括并排安装在机架上部的传动轴上的两条输送平带，两输送平带分别位于传动轴两个中径部位，两输送平带之间通过两传动轴的大径部位隔离出一定间距，两输送平带左侧以及右侧的机架上分别固定有一沿输送平带伸展的限位板；所述传动轴由电机驱动，两传动轴之间的机架上水平固定有一用于支撑所述输送平带的支撑板，该支撑板上开设有一用于透光的矩形孔；
光照装置：包括光照箱及安装在其内部的至少两个灯组，光照箱位于前述支撑板的矩形孔上方，光照箱的前面板下部、后面板下部以及底板分别开设与所述输送平带相适应的开口以利于输送平带及水果通过；光照箱的底板由前述开口分成左右对称布置的两个光学平台，每个光学平台上分别至少安装有一个灯组，所述灯组朝向输送平带布置；
检测装置：包括计算机、光谱仪、出射光纤、光信号接收器以及至少两个传感器；光谱仪与计算机连接；光信号接收器安装在支撑板的矩形孔下方，并通过出射光纤与光谱仪相连；所述传感器分别固定在前述两个光学平台上，每个传感器分别通过信号调理电路与光谱仪连接。
所述的传动轴，按轴径尺寸分为大、中、小三种轴径，小径部位位于传动轴的两端，大径部位位于传动轴的中部，大径部位与两个小径部位之间为两个中径部位，两条输送平带分别安装在两个中径部位，中径部位的圆周方向开有一圈凹槽，小径部位装入过盈配合在机架上的轴承内。
所述的输送平带，在与传动轴配合的一面、宽度方向的中间处制有凸起，安装时此凸起与传动轴中径部位相应的凹槽配合。
所述的灯组包括灯架、盖板、灯筒组合以及散热风扇；盖板与灯架配合，盖板上开有均布的散热孔；灯筒组合安装在灯架的圆孔内，灯架两端装有散热风扇。
所述的灯筒组合，包括散热风扇、灯筒、内套筒、内散热套筒、灯杯以及外散热套筒；散热风扇安装在灯筒的尾部，灯筒内部开有内螺纹，两个内套筒通过前述内螺纹固定在灯筒内部，两内套筒之间夹住内散热套筒和灯杯，内散热套筒与灯杯尾部接触，灯筒头部的外壁开有外螺纹，外散热套筒通过外螺纹安装在灯筒头部。
所述的光信号接收器，包括上盒、下盒、透镜筒、透镜以及透镜内套筒；上盒顶面中心和下盒底面中心开有圆孔，上下盒之间通过螺钉固定；透镜筒为圆柱状，固定在上下盒的圆孔处，与上下盒的圆孔同轴，其顶面与上盒的顶面平齐；透镜通过两个透镜内套筒固定在透镜筒顶部。
本发明具有的有益效果是：本发明的输送装置通过调节电机的速度，以适应不同水果的检测要求；光信号接收器也可以根据不同水果的检测要求移动或进行更换，实现了功能器件的互换性；灯组在光学平台上位置可调，照射角度也可调，灯组呈弧状，灯光能够较均匀的照射在水果表面，提高检测精度。总之，本发明能够快速、无损、实时的检测水果的内部品质（如糖度、酸度等），而且自动化程度高、检测效率高、使用方便、结构简单。
附图说明
图1是本发明的主视结构示意图（拆除箱体面板）。
图2是本发明的左视结构示意图。
图3是本发明的俯视结构示意图。
图4是本发明的立体结构示意图。
图5是本发明的原理图。
图6是本发明中灯组的立体结构示意图。
图7是图6拆除盖板后的结构示意图。
图8是图6中盖板的结构示意图。
图9是图6中灯筒组合的分解图。
图10是图9中灯筒的立体结构示意图。
图11是图9中外散热套筒的立体结构示意图。
图12是图9中内套筒的立体结构示意图。
图13是图9中内散热套筒的立体结构示意图。
图14是本发明中光信号接收器的立体结构示意图。
图15是本发明中光信号接收器的分解图。
图16是本发明中支撑板的立体结构示意图。
图17是图16中D部的放大示意图。
图18是本发明中传动轴的立体结构示意图。
图19是本发明中输送平带的横截面示意图。
图20是本发明中下支脚的立体结构示意图。
图21是本发明中上支脚的立体结构示意图。
图22是本发明中传感器支架的立体结构示意图。
图23是本发明中光学平台的立体结构示意图。
注：图中对各部件进行了不同程度的放大。
图中：A、机械输送装置，B、光照装置，C、检测装置，1、机架，2、电动机，3、输送平带，3-1、凸起，4、传动轴，4-1、大径部位，4-2、中径部位，4-3小径部位，4-4，凹槽，5、限位板，6、支撑板，6-1、矩形孔，6-2、钣金结构，7、计算机，8、光谱仪，9、出射光纤，10、光信号接收器，11、散热大风扇，12、上面板，13、前面板，14、侧面板，15、灯组，16、传感器支架，16-1、槽，18、上支脚，19、下支脚，19-1、弧形槽，20、光学平台，21、光照箱，10-1、上盒，10-2、透镜筒，10-3、下盒，10-4、透镜，10-5、透镜内套筒，15-1、盖板，15-2、灯架，15-3、散热风扇，15-4、灯筒，15-5、外散热套筒、15-6、内套筒，15-7、灯杯，15-8、内散热套筒，15-9矩形槽，15-10、圆孔。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1-图5所示，本发明所述的基于近红外/可见光的水果品质快速无损在线检测系统包括机械输送装置A、光照装置B、检测装置C。
1）机械输送装置A：由变频器控制的三相异步电动机2提供动力，两条宽度相同的输送平带3与传动轴4的中径部位4-2配合，这样两输送平带3之间会有一段长度为传动轴4大径部位4-1轴向长度的距离，两平行传动轴4之间的机架上固定一支撑板6支撑输送平带3，支撑板6下方的适当部位可以安装导轮（图中未画出）支撑输送平带3，支撑板6和两条输送平带3构成了传送通道，两块限位板5位于传送通道两边的机架上，限位板沿输送平带长度方向水平伸展。
如图18所示，所述的传动轴4，按轴径尺寸分为大、中、小三种轴径，小径部位4-3位于传动轴的两端，大径部位4-1位于传动轴的中部，大径部位与两个小径部位之间为两个中径部位4-2，在中径部位合适位置的圆周方向开有一圈凹槽4-4。安装时小径部位装入过盈配合在机架1上的轴承内，输送平带3安装在中径部位。
如图19所示，所述的输送平带3，在与传动轴4配合的一面，其宽度方向的中间处有凸起3-1，安装时此凸起3-1与传动轴4中径部位相应的凹槽4-4配合，此种配合连同大径部位可以防止输送平带3跑偏。
如图16、17所示，所述的支撑板6，在长度方向约2/3处开有可透光的矩形孔6-1，矩形孔处的两侧焊接有钣金结构6-2。
2）光照装置B：光照装置B主要为光照箱21及其内部结构。光照箱位于前述支撑板的矩形孔上方，光照箱的前面板下部、后面板13下部以及底板分别开设与所述传送通道相适应的开口以利于输送平带及水果通过。光照箱上面板12适当位置开有两个圆孔，圆孔处装有两个散热大风扇11；光照箱的底板由前述开口以及传送通道分成左右对称布置的两个光学平台20；灯组15通过上支脚18、下支脚19固定在光学平台上，每个光学平台至少固定有一个灯组。
如图23所示，所述的光学平台20为光学仪器多孔均布面包板。如图21所示，所述的上支脚18为T型结构。如图20所示，所述的下支脚19头部开有用于调节的弧形槽19-1。
如图6-图8所示，所述的灯组15由灯架15-2、盖板15-1、灯筒组合、散热风扇15-3组成；灯架15-2呈圆弧状，根据实际需求设计角度和开孔数（本发明以6孔为例）；盖板15-1与灯架15-2配合，角度与灯架相同，盖板15-1上开有均布的散热孔；灯筒组合安装在灯架15-2的圆孔内，灯架15-2两端装有散热风扇15-3。
如图9-图13所示，所述的灯筒组合，包括散热风扇15-3、灯筒15-4、内套筒15-6、内散热套筒15-8、灯杯15-7、外散热套筒15-5；散热风扇15-3安装在灯筒15-4的尾部；灯筒15-4内部开有内螺纹，两个内套筒15-6通过自身的外螺纹与灯筒的内螺纹配合，固定在灯筒内，两个内套筒15-6之间夹住内散热套筒15-8和灯杯15-7（内散热套筒与灯杯尾部接触）；灯筒15-4头部的外壁开有外螺纹，外散热套筒15-5通过自身的内螺纹与该外螺纹配合，安装在灯筒15-4头部，灯筒15-4和外散热套筒15-5之间还可加装聚光透镜（如需要）；灯筒15-4从头部起约2/3长度开有4条在灯筒的圆周方向均布且沿灯筒长度方向伸展的矩形槽15-9，灯筒的尾部适当位置开有一个圆孔15-10；内散热套筒15-8的散热片为矩形形状，均布在圆环上，为轻质铝材；外散热套筒15-5的散热片呈弧形，不均布，为轻质铝材；
3）检测装置C：包括计算机7、光谱仪8、出射光纤9、光信号接收器10、传感器17及传感器支架16；光信号接收器10通过螺钉与支撑板6矩形孔处的钣金结构连接，从而固定在支撑板6的矩形孔处，光信号接收器10下方固定出射光纤9，出射光纤9另一端与光谱仪8相连；传感器支架16固定在光学平台20上，传感器17固定在传感器支架16上（每个光学平台固定一个传感器17），传感器17通过常规的信号调理电路与光谱仪8连接；光谱仪8与计算机7通过USB线连接。
如图22所示，所述的传感器支架16，上部开有一条宽度与传感器17直径相当的槽16-1。
所述的光信号接收器10，包括上盒10-1、下盒10-3、透镜筒10-2、透镜10-4、透镜内套筒10-5；上盒10-1顶面中心开有圆孔，下盒10-3底面中心开有圆孔，上下盒通过螺钉固定；透镜筒10-2为圆柱状，轴径分为4段，透镜筒10-2固定在上下盒的圆孔处，与上下盒的圆孔同轴，其顶面与上盒10-1的顶面平齐；透镜10-4通过两个透镜内套筒10-5固定在透镜筒10-2顶部的合适位置。
下面以西瓜为例介绍介绍本发明实施例的工作过程：
启动系统，调节合适的输送速度、灯组位置角度、检测参数等，将西瓜放置在底部镂空的圆环状托盘上，然后将西瓜及托盘放到输送平带3上，托盘和西瓜沿输送通道方向运动，运动到传感器17处时，传感器17发出信号触发光谱仪8工作，此时西瓜已经运动到光信号接收器10上方，灯组15发出的光在西瓜两侧均匀的照射在西瓜赤道附近，部分光透过西瓜内部并携带西瓜的内部品质等信息从西瓜底部再输出，被光信号接收器10接收到，然后经过出射光纤9到达光谱仪8，光谱仪8经过信号处理便得到了该西瓜近红外/可见光光谱，将此光谱传输到计算机7内置的检测软件分析（检测软件由普通程序人员编写），便可得到该西瓜的内部品质（糖度、酸度等）信息，西瓜继续前行，一个水果检测完毕。
Claims (2)
1.基于近红外/可见光的水果品质快速无损在线检测系统，其特征在于，所述系统包括机械输送装置(A)、光照装置(B)、检测装置(C)，其中：
机械输送装置：包括并排安装在机架(1)上部的传动轴(4)上的两条输送平带(3)，两输送平带分别位于传动轴两个中径部位(4-2)，两输送平带之间通过两传动轴的大径部位(4-1)隔离出一定间距，两输送平带左侧以及右侧的机架上分别固定有一沿输送平带伸展的限位板(5)；所述传动轴由电机(2)驱动，两传动轴之间的机架上水平固定有一用于支撑所述输送平带的支撑板(6)，该支撑板上开设有一用于透光的矩形孔(6-1)；
所述的传动轴，按轴径尺寸分为大、中、小三种轴径，小径部位(4-3)位于传动轴的两端，大径部位(4-1)位于传动轴的中部，大径部位与两个小径部位之间为两个中径部位(4-2)，两条输送平带分别安装在两个中径部位，中径部位的圆周方向开有一圈凹槽(4-4)，小径部位装入过盈配合在机架上的轴承内；
光照装置：包括光照箱(21)及安装在其内部的至少两个灯组(15)，光照箱位于前述支撑板的矩形孔上方，光照箱的前面板下部、后面板(13)下部以及底板分别开设与所述输送平带相适应的开口以利于输送平带及水果通过；光照箱的底板由前述开口分成左右对称布置的两个光学平台(20)，每个光学平台上分别至少安装有一个所述灯组，所述灯组朝向输送平带布置；
检测装置：包括计算机(7)、光谱仪(8)、出射光纤(9)、光信号接收器(10)以及至少两个传感器(17)；光谱仪与计算机连接；光信号接收器安装在支撑板的矩形孔下方，并通过出射光纤与光谱仪相连；所述传感器分别固定在前述两个光学平台上，每个传感器分别通过信号调理电路与光谱仪连接；
所述的输送平带，在与传动轴配合的一面、宽度方向的中间处制有凸起(3-1)，安装时此凸起与传动轴中径部位相应的凹槽(4-4)配合；
所述的灯组包括灯架(15-2)、盖板(15-1)、灯筒组合以及散热风扇(15-3)；盖板与灯架配合，盖板上开有均布的散热孔；灯筒组合安装在灯架的圆孔内，灯架两端装有散热风扇；
所述的灯筒组合，包括散热风扇(15-3)、灯筒(15-4)、内套筒(15-6)、内散热套筒(15-8)、灯杯(15-7)以及外散热套筒(15-5)；散热风扇安装在灯筒的尾部，灯筒内部开有内螺纹，两个内套筒通过前述内螺纹固定在灯筒内部，两内套筒之间夹住内散热套筒和灯杯，内散热套筒与灯杯尾部接触，灯筒头部的外壁开有外螺纹，外散热套筒通过外螺纹安装在灯筒头部。
2.根据权利要求1所述的基于近红外/可见光的水果品质快速无损在线检测系统，其特征在于：所述的光信号接收器，包括上盒(10-1)、下盒(10-3)、透镜筒(10-2)、透镜(10-4)以及透镜内套筒(10-5)；上盒顶面中心和下盒底面中心开有圆孔，上下盒之间通过螺钉固定；透镜筒为圆柱状，固定在上下盒的圆孔处，与上下盒的圆孔同轴，其顶面与上盒的顶面平齐；透镜通过两个透镜内套筒固定在透镜筒顶部。
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