CN103207216A - 一种球形水果糖度无损检测方法与检测装置 - Google Patents

一种球形水果糖度无损检测方法与检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种球形水果糖度无损检测方法与检测装置。在金属圆管内装有两块平行极板，待测水果放置于导电橡胶托盘中并位于两块平行极板间，控制器分别与平行极板、导电橡胶托盘、金属圆管和精密电容测试仪连接，控制器和精密电容测试仪通过串口进行数据传递。通过测量水果和金属圆管之间的同轴电容CV，平行极板之间的等效电容C，根据给定的预测模型可以计算出水果的糖度值。本发明装置简单可靠，操作方便，成本较低，能进行水果糖度快速无损检测；平板电极与水果之间非接触，消除了空气间隙的影响，提高测量精度。

Description

一种球形水果糖度无损检测方法与检测装置
技术领域
本发明涉及一种水果糖度无损检测方法与检测装置，尤其是涉及一种球形水果糖度无损检测方法与检测装置。
背景技术
随着人们生活水准的不断提高，人们在购买水果时，越来越注重水果的内部品质。糖度是水果重要的品质指标之一，其含量的高低直接决定了水果的口感，决定了水果的销售价格和销量。现有的检测方法分为两大类：有损检测和无损检测。有损检测方法包括蒽酮比色法、探针穿刺法、糖度计或折光计法，这些方法都需要事先将水果榨汁，提取果汁进行检测，对水果的外观造成损伤。目前国内外针对水果内部品质检测的研究重点均放在无损检测上。无损检测包括近红外光谱法、电子鼻法、机器视觉法、振动脉冲响应法等，这些方法共同的优点是在不需要破坏水果外观、不改变水果风味的前提下通过水果的光谱特性、气味、动力学特性等对水果实现内部品质的检测。
目前国内外在水果的品质无损检测上已开发了一些仪器装置进行水果成熟度、新鲜度、缺陷和损伤的检测，但由于测试精度低、装置成本高而使得推广困难。机器视觉法仅能对水果的外观指标进行检测，装置体积大，成本较高。近红外光谱法能检测水果的许多内部品质，如水分、糖度、糖酸比等，但穿透距离小，仅能做局部品质检测，影响检测的准确度。电子鼻法针对水果成熟时发出的特定气味来判断内部品质，检测的精度和适用水果种类受到了限制。振动脉冲响应法受到外部环境的干扰较大，精度不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种球形水果糖度无损检测方法与检测装置，从而解决因极板与水果接触带来的检测不便和精度过低的缺陷。
本发明采用的技术方案是：
一、一种球形水果糖度无损检测方法，它包括以下几个步骤：
步骤1）：在
Figure BDA00002983114200011
内装有两块平行极板，待测水果放置于导电橡胶托盘中并位于两块平行极板间，控制器分别与平行极板、导电橡胶托盘、
Figure BDA00002983114200012
和精密电容测试仪连接，控制器和精密电容测试仪通过串口进行数据传递；
步骤2）：由精密电容测试仪测试出水果与
Figure BDA00002983114200013
之间的电容CV；由精密电容测试仪测试出两块平行极板之间的电容C；
步骤3）：将步骤2）中获得的电容CV通过公式V∝CV计算出水果的体积V；
步骤4）：视水果为球形，将步骤3）中得到的水果体积V代入公式
Figure BDA00002983114200021
获得水果的半径r；
步骤5）：将步骤4）中得到的半径r、步骤2）中得到的电容C、已知的极板的面积S、极板间距D代入公式
Figure BDA00002983114200022
算出消除极板间空气间隙后测得的水果的等效电容Cx;
其中，CS＝ε0·4πr2/(D-2r)为与水果串联的空气的等效电容；
Figure BDA00002983114200023
为与水果并联的空气的等效电容；
ε0为真空介电常数；
步骤6）：根据给定的水果糖度与电容Cx之间的数学模型，计算出相应的糖度指标，并显示在液晶显示器上。
二、一种球形水果糖度无损检测装置：
本发明在
Figure BDA00002983114200024
内装有两块平行极板，待测水果放置于导电橡胶托盘中并位于两块平行极板间，控制器的第一端与一块极板连接，控制器的第二端与导电橡胶托盘连接，控制器的第三端与
Figure BDA00002983114200025
连接，控制器的第四端与另一块极板连接，控制器的第五端和第六端分别与精密电容测试仪连接，控制器和精密电容测试仪通过串口进行数据传递。
所述的控制器，包括微处理器、液晶显示器、按键和继电器驱动电路；微处理器分别与液晶显示器、按键和继电器驱动电路连接。
所述的继电器驱动电路，包括电阻R1与光耦芯片U1的输入端组成的隔离电路；光耦芯片U1的输出端与二极管D1、双刀双掷继电器K1组成继电器驱动放大电路。
所述的微处理器为51系列单片机、PIC单片机、AVR单片机或ARM处理器中的任意一种。
本发明具有的有益效果是：
1、装置简单可靠，操作方便，成本较低，能进行水果糖度快速无损检测。
2、平板电极与水果之间非接触，消除了空气间隙的影响，提高测量精度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明控制器原理框图。
图3是本发明的继电器驱动电路的电路原理图。
图4是本发明的等效电路模型结构图。
图5是本发明的水果等效电容计算过程示意图。
图中：1、精密电容测试仪，2、控制器，3、导电橡胶托盘，4、平行极板，5、，6、接线柱，7、屏蔽双绞线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本发明在
Figure BDA00002983114200032
5内装有两块平行极板4，待测水果放置于导电橡胶托盘中3并位于两块平行极板间，控制器2的第一端a通过屏蔽双绞线7与一块平行极板4连接，控制器2的第二端b通过屏蔽双绞线7与导电橡胶托盘3连接，控制器2的第三端c通过屏蔽双绞线7与
Figure BDA00002983114200033
5连接，控制器2的第四端d通过屏蔽双绞线7与一块平行极板连接，控制器2的第五端e和第六端f分别通过屏蔽双绞线7与精密电容测试仪1连接，控制器2和精密电容测试仪1通过串口进行数据传递。
测试前将水果放置于导电橡胶托盘上，调节两块平行极板和导电橡胶托盘的高度，使两块平行极板正对且与金属圆管的轴线垂直，水果球心与金属圆管轴线重合。
如图2所示，控制器，包括微处理器、液晶显示器、按键和继电器驱动电路；微处理器分别与液晶显示器、按键和继电器驱动电路连接。
本发明的控制器的工作原理为：按键按下后，微处理器开始糖度的测量，发出低电平信号通过精密电容测试仪测出水果与金属圆管间的同轴电容CV，然后发出高电平信号测量出平行极板间的电容C，精密电容测试仪通过串行通信总线将两次测量得到的电容数据传送给微处理器，微处理器经过计算处理后将糖度测试结果在液晶显示器上显示。
如图3所示，继电器驱动电路，包括电阻R1与光耦芯片U1的输入端组成的隔离电路；光耦芯片U1的输出端与二极管D1、双刀双掷继电器K1组成继电器驱动放大电路。
本发明的继电器驱动电路的工作原理为：首先由微处理器通过导线g发出低电平信号，使得光耦芯片U1饱和导通，电流由+5V电源流过双刀双掷继电器K1的线圈，然后继电器的触点动作使导线b和导线c分别与导线e和导线f连通，微控制器通过串行总线发送控制指令,由精密电容测试仪测出导电橡胶托盘内水果与金属圆管之间的同轴电容CV，再通过串行总线将CV读入微控制器；然后微控制器通过导线g发出高电平信号，使得光耦芯片U1截止，继电器线圈电流消失，触点动作使导线a和d分别与导线e和导线f连通，导线b与导线c与导线e和导线f之间的连接断开，微控制器通过串行总线发送控制指令,由精密电容测试仪测出平行极板间的电容C。二极管D1应采用续流二极管，起到保护继电器K1线圈的作用。
图3中测试得到的电容CV与水果的体积成正比，即V∝CV，将水果假想为球体，算出水果的半径r。
如图4所示，是本发明的等效电路模型结构图，包括与水果并联的空气的等效电容CP，与水果串联的空气等效电容CS以及水果的等效电容Cx构成。水果的等效电容Cx与水果串联的空气等效电容CS串联，串联后的等效电容再与水果并联的空气的等效电容CP并联。
所述的球形水果为类球形水果，如苹果、橙子、梨子等种类的水果。
如图5所示，是本发明的水果等效电容Cx计算过程示意图，将球形水果假想为为一个边长r的正方体，水果等效电容Cx近似与假想正方体在平行极板间的电容相等。根据图4建立的等效电路模型，电容CS、电容CP、电容C与电容Cx应满足
Figure BDA00002983114200041
可计算出水果的等效电容Cx。其中电容CS＝ε0·4πr2/(D-2r)，
Figure BDA00002983114200042
ε0为真空介电常数，D为极板间距、S为极板面积、r为水果半径。
根据事先测得的水果的等效电容Cx与糖度之间的预测模型，可以测出水果的糖度。
所述的微处理器为51系列单片机、PIC单片机、AVR单片机或ARM处理器中的任意一种。
图2中所用的液晶显示器可用LCD1602液晶显示屏,图3中的光耦采用TLP521,双刀双掷继电器选用ATQ209。

Claims (5)

1.一种球形水果糖度无损检测方法，其特征在于，它包括以下几个步骤：
步骤1）：在
Figure FDA00002983114100014
内装有两块平行极板，待测水果放置于导电橡胶托盘中并位于两块平行极板间，控制器分别与平行极板、导电橡胶托盘、
Figure FDA00002983114100015
和精密电容测试仪连接，控制器和精密电容测试仪通过串口进行数据传递；
步骤2）：由精密电容测试仪测试出水果与
Figure FDA00002983114100016
之间的电容CV；由精密电容测试仪测试出两块平行极板之间的电容C；
步骤3）：将步骤2）中获得的电容CV通过公式V∝CV计算出水果的体积V；
步骤4）：视水果为球形，将步骤3）中得到的水果体积V代入公式
Figure FDA00002983114100011
获得水果的半径r；
步骤5）：将步骤4）中得到的半径r、步骤2）中得到的电容C、已知的极板的面积S、极板间距D代入公式
Figure FDA00002983114100012
算出消除极板间空气间隙后测得的水果的等效电容Cx；
其中，CS＝ε0·4πr2/(D-2r)为与水果串联的空气等效电容；
Figure FDA00002983114100013
为与水果并联的空气等效电容；
ε0为真空介电常数；
步骤6）：根据给定的水果糖度与电容Cx之间的数学模型，计算出相应的糖度指标，并显示与液晶显示器上。
2.根据权利要求1所述方法的一种球形水果糖度无损检测装置，其特征在于：在
Figure FDA00002983114100017
（5）内装有两块平行极板（4），待测水果放置于导电橡胶托盘中（3）并位于两块平行极板间，控制器（2）的第一端与一块极板连接，控制器（2）的第二端与导电橡胶托盘（3）连接，控制器（2）的第三端与
Figure FDA00002983114100018
（5）连接，控制器（2）的第四端与另一块极板连接，控制器（2）的第五端和第六端分别与精密电容测试仪（1）连接，控制器（2）和精密电容测试仪（1）通过串口进行数据传递。
3.根据权利要求2所述的一种球形水果糖度无损检测装置，其特征在于：所述的控制器，包括微处理器、液晶显示器、按键和继电器驱动电路；微处理器分别与液晶显示器、按键和继电器驱动电路连接。
4.根据权利要求3所述的一种球形水果糖度无损检测装置，其特征在于：所述的继电器驱动电路，包括电阻R1与光耦芯片U1的输入端组成的隔离电路；光耦芯片U1的输出端与二极管D1、双刀双掷继电器K1组成继电器驱动放大电路。
5.根据权利要求3所述的一种球形水果糖度无损检测装置，其特征在于：所述的微处理器为51系列单片机、PIC单片机、AVR单片机或ARM处理器中的任意一种。
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