CN103293188B - 一种基于介电频谱的小型西瓜成熟度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于介电频谱的小型西瓜成熟度检测方法，其包括步骤：将待测西瓜放置于由三组紧贴西瓜表面的电极组成的检测装置中，电极之间施加交变电动势，测量西瓜对交变电动势的介电响应信号，将所得介电频谱信号进行数据处理，通过聚类分析，对西瓜的成熟度进行判断；同时采集测试时的温度信息，并在数据分析过程中进行温度补偿。本发明提出的方法通过不同频率的介电谱来实现无损检测，克服因仅仅使用单一频率导致测量不准确的问题，同时由于从多个角度进行介电频谱扫描，降低了因个体差异性导致的测量误差；消除了电磁干扰、消除了激励电路对采集电路的高频干扰；增加了温度补偿算法，消除温度变化对测量准确度的影响。
Description
技术领域
本发明属于测量领域，具体涉及一种基于介电频谱的成熟度检测方法。
背景技术
西瓜的成熟度是确定西瓜的最佳采摘期及分级的重要依据，西瓜成熟度的无损检测，对提高西瓜的品质及经济价值具有非常重要的作用。目前瓜农对西瓜成数度的判断主要是凭经验根据敲击的声音和震动来判断，这种方法因为人的个体差异性而导致的误差比较大，判断正确率低，而且不能标准化。一种传统、公认、客观地描述西瓜成熟度的检验方法是测量其果汁的含糖量。但这种方法需要切开西瓜,是损坏性的,不可能大样本检测,更不能逐个检验。
有研究人员开发了基于声学(何东健.水果品质无损测定新技术及设备，粮油加工与食品机械，1992(6)：37-40；何东健等.西瓜打击音波特性的研究，西北农业大学学报，1994，22(3)：105-107.)或震动学（胡生喜.利用振动响应频谱测定西瓜成熟度的可行性探讨，八一农学院学报，1991，14(2)：73-75）的仪器来测量西瓜的成熟度，通过检测敲击西瓜后发出的声音频率或者震动频谱来检测成熟度，取得了一定的成果，但是这些方法受西瓜的生长状态的影响比较大，也有人通过介电常数法来检测西瓜的成熟度(Nelson S O，GuoWenchuan，Trabelsi S.Study of Fruit Permittivity Measurements forQuality Detection，IEEE Instrumentation and Measurement TechnologyConference.New Jersey：IEEE，2008：1009-1019.)，以可溶固体含量和糖度含量作为西瓜的质量指标，结果表明预测准确度并不高。可见/红外光谱也被用于研究西瓜坚实度和密度（田海清.西瓜品质可见/近红外光谱无损检测技术研究，浙江大学，2006.；田海清等，可见/近红外光谱漫透射技术检测西瓜坚实度的研究，光谱学与光谱分析，2007，27(6)：1113-1118.）以及含糖量（Tao Xuemei，Bao Yidan.Measurement of Sugar Content of Watermelon Using Near-InfraredReflectance Spectroscopy in Comparison with DielectricProperty[C]/Proceedings of the Society of Photo-Optical InstrumentationEngineerings(SPIE)：Spie-int SOC Opitcal Engineering，2006，6047：473-478.），从而判断西瓜的成熟度。也有人用近红外激光来探测西瓜成熟度和可溶性固体含量（Maruo T，Ito T，Shimamura S，et al.Nondestructive Evaluation of Ripeness and Soluble Solids Content inMelon and Watermelon Fruits Using Laser，Acta Horticulturae：International Society Horticultural Science，2002，(588)：373-376.），用含糖量和可溶固体含量综合评价西瓜的成熟度，核磁共振成像技术也被用于西瓜品质的检测（Saito K，et al.Application of MagneticResonance Imaging to Nondestructive Void Detection in Watermelon[J].Cryogenics，1996，36(12)：1027-1031）。
目前对西瓜成熟度的检测主要根据西瓜的声学特性、振动特性、介电常数、光谱特性和磁共振特性等来进行。还没有利用介电频谱实现西瓜成熟度无损检测的报道，介电频谱是介电常数在不同频率变化的电磁场中的变化情况，此方法比单一频率下的介电常数方法包含更多的信息，通过频谱分析，综合考虑各个频段的介电谱特征，能够精确的得到西瓜的成熟度。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的无损检测西瓜成熟度的方法和装置。本发明是根据介电频谱来测量西瓜成熟度的方法和装置，通过扫描不同频率电磁场下的西瓜的介电频谱，然后对频谱进行特征提取，结合多个特征综合分析，确定西瓜成熟度。本发明集成了温度补偿算法，消除了温度对西瓜介电特性的影响，克服以往方法测量的不稳定性和不准确性。为西瓜的分级提供具体的数据依据和可行方法。
实现本发明目的的技术方案为：
一种基于介电频谱的西瓜成熟度检测方法，其包括步骤：
设置三组相对的金属电极，将待测西瓜放置于三组电极之间，分别从上下左右前后三个方向上相对的组成电极电路，电极板贴在西瓜表面，记录此时三组电极位置参数；
然后把西瓜取出，依次在三组电极的激发板上施加交变电动势，在接收板上测量没有被测物体时接收板对交变电动势的响应信号作为背景信号，储存背景信号；
将被测西瓜放入电极中间，保持电极位置信息不变，然后在激发板上再次施加交变电动势激励，测量此时接收板上的响应信号，将此响应信号传送到计算机，经过数据预处理扣除背景，进行聚类分析，通过观察分析结果落入的成熟度区间，从而判断出被测西瓜的成熟度。
其中，所述三组金属电极设置为圆弧形，且所对角度可以调整，以方便贴近西瓜表面。
所述西瓜为小型西瓜，即重量1.5-2.5kg的西瓜，西瓜皮较薄，皮厚为2-6mm。
其中，所述电极以相对的两块为一组（上下，左右，前后三组），两块电极分别为激发板和接收板，检测时三组分别施加激励并独立记录每组响应信号。
同时采集测试时的温度信号，进行数据处理；
其中，所述交变电动势的频率为1MHz-2000MHz，共800-1500个频率点。
其中，所述数据预处理包括基线校正、矢量归一化和平滑去噪。
检测原理是两块金属板电极构成电容器，被测物体放入两电极之间，等效于等效电阻R和电容C的并联网络，当两极板间施加一个交变电动势时，等效并联网络上会有电流流过。测量两极板间没有待测物体时电容量为C0，施加一个频率为ω的交变电动势ε，电容器产生的交变电流为I，则
I＝jωC0ε(ε'ω-jε''ω)
其中：ε'ω和ε''ω分别对应介电常数的实部和虚部。
本发明采集的所述激励信号频段的响应频谱数据，将所述将所得响应信号进行数据预处理，包括基线校正、矢量归一化和平滑去噪。然后用聚类分析方法，对采集频谱信号进行分析，以判断西瓜的成熟度。
本发明提出检测方法，在进行检测时平板电极外部设置有金属屏蔽。
一种检测西瓜成熟度的装置，其包括屏蔽装置，激发板3，接收板4，系统基板5，信号发生模块6，信号采集模块7，电源驱动模块8，计算机处理系统9和温度传感器10；
所述屏蔽装置为五面密封的金属材料立方体，放置在激发板3和接收板4外部；
所述激发板3和接收板4通过数据线与信号发生模块6和信号采集模块7连接；
所述信号发生模块6，信号采集模块7，电源驱动模块8，计算机处理系统9和温度传感器10设置在系统基板5上。
其中，所述金属材料为金属网、金属箔或金属板。金属可采用常规的金属，例如铜、铝、不锈钢。
其中，所述激发板有3个，接收板有3个，激发板3和接收板4相对设置，激发板和接收板的位置相对一一固定。本系统使用三对电极板对三个相互垂直方向上的介电谱进行分别测量，全面了解西瓜的品质情况，消除因为西瓜外形不规整或者特殊形体引起的测量误差。
本发明的有益效果在于：
1、通过不同频率的介电谱来检测西瓜成熟度的方法；
2、采集相互垂直的三个方向上的介电频谱，降低因西瓜形体差异性导致的测量误差；
3、对采集到的介电频谱进行多个特征提取，综合分析西瓜的品质，克服因仅仅使用单一频率下的介电常数导致的测量不准确；
4、对检测部分进行外界电磁屏蔽，消除外界环境电磁干扰；
5、信号发生模块和数据采集模块分开设计，消除激励电路对采集电路的高频干扰；
6、增加了温度补偿算法，消除温度变化对测量准确度的影响。
附图说明
图1为本发明实施例1的检测装置的结构图。
图中，1、金属屏蔽网；2、西瓜；3、激发板；4、接收板；5、系统基板；6、信号发生模块；7、信号采集模块；8、电源驱动模块；9、计算机处理系统；10、温度传感器。
具体实施方式
现以以下实施例来说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中使用的手段，如无特别说明，均使用本领域常规的手段。
实施例：
如图1所示，检测装置包括金属屏蔽网1，激发板3，接收板4，系统基板5，信号发生模块6，信号采集模块7，电源驱动模块8，计算机处理系统9和温度传感器10。其中，金属屏蔽网1的作用是屏蔽外界电磁环境的干扰，消除因为外界电磁场的扰动而引起的测量结果的波动或漂移，此屏蔽网是采用五面封闭的铜网焊接而成；侧面板上的孔用于穿过数据线。
系统的基板5是对整个系统的承载体，系统各功能模块都安装在基板上；信号发生模块6是能够产生激励信号的电路，产生的激励信号为正弦波信号，频率范围覆盖1MHz—2000MHz，激励信号产生以后被加载到激发板上，激发板3与接收板4相对设置，形成一个电容，当激发信号以不同频率扫描时，在接收板上会得到相应的响应信号，而作为介质的不同的被测物存在于电容中，会对响应信号产生不同的影响，根据对不同频率下的响应信号的记录处理，就可以知道被测物的介电特性。
信号采集模块7与接收板4相连，用于采集接收板上的介电响应频谱，并将频谱数据发送到后续的计算机处理系统9中进行处理，由于环境温度对西瓜介电特性影响比较大，因此采集模块同时还会通过基板上的温度传感器10来采集外界环境的温度信息，计算机处理系统9分析西瓜介电谱的多种特征成分，对西瓜的品质综合分析，结合温度补偿算法，最后预测出西瓜的成熟度。
待测的西瓜2为京阑，单瓜重2Kg左右，皮厚3-4mm，放置在激发板3与接收板4之间。分别从上下左右前后三个方向上相对的组成电极电路，激发板3与接收板4贴在西瓜表面，记录此时三组电极位置参数，分别为间距16cm、17cm和16cm；
然后把西瓜取出，固定电极间距16cm、17cm和16cm，依次在三组电极的激发板上施加交变电动势，在接收板上测量没有被测物体时接收板对交变电动势的响应信号作为背景信号，储存背景信号；
将被测西瓜放入电极中间，保持电极位置不变，然后在激发板上再次施加交变电动势激励，测量此时接收板上的响应信号，将此响应信号传送到计算机，经过数据预处理扣除背景，进行聚类分析，通过观察分析结果落入哪个成熟度类别中，从而得到被测西瓜成熟度。同时测定温度值。
其对频率范围1MHz—2000MHz的电动势响应信号有1000点，响应信号经过频谱仪扫描，采集到的频谱在计算机系统中经过包括基线校正、矢量归一化和平滑去噪等数据预处理，然后利用聚类分析的方法对其进行分类。分析时采用不同成熟度的圆形西瓜的响应频谱通过主成分分析（PCA，Principal Component Analysis）方法建模，建模数据包括各温度条件下前后、左右、上下三个方向上的信号响应板采集到的频谱，被测西瓜的验证集数据也选择上下、前后、左右三个方向上频谱数据并根据当前温度条件下的PCA模型进行归类分析，看所分析的西瓜介电频谱落在哪个成熟度模型区间内，就说明被测西瓜属于此成熟度。
以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于介电频谱的西瓜成熟度检测方法，其特征在于，包括步骤：
设置三组相对的金属电极，将待测西瓜放置于三组电极之间，分别从上下、左右、前后三个方向上相对的组成电极电路，电极板贴在西瓜表面，记录此时三组电极位置参数；所述金属电极以相对的两块为一组，两块金属电极分别为激发板和接收板，检测时三组分别施加交变电动势激励并独立记录每组响应信号；
然后把西瓜取出，依次在三组电极中的激发板上施加交变电动势，在接收板上测量没有被测物体时接收板对交变电动势的响应信号作为背景信号；
储存背景信号后，将被测西瓜放入电极中间，保持电极位置参数不变，然后在激发板上再次施加交变电动势激励，测量此时接收板上的响应信号，将此响应信号传送到计算机，经过数据预处理扣除背景信号，进行聚类分析，通过观察分析结果落入的成熟度区间，从而判断被测西瓜成熟度。
2.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述三组相对的金属电极均设置为圆弧形，且所对角度可以调整。
3.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述交变电动势的频率为1MHz-2000MHz，共800-1500个频率点。
4.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述数据预处理包括基线校正、矢量归一化和平滑去噪。
5.如权利要求1-4任一所述的检测方法，其特征在于，在进行检测时金属电极外部设置有金属屏蔽。
6.一种检测西瓜成熟度的装置，其特征在于，包括屏蔽装置，激发板(3)，接收板(4)，系统基板(5)，信号发生模块(6)，信号采集模块(7)，电源驱动模块(8)，计算机处理系统(9)和温度传感器(10)；
所述屏蔽装置为五面密封的金属材料立方体，放置在激发板(3)和接收板(4)外部；所述激发板(3)为3个，接收板(4)为3个，激发板(3)和接收板(4)均为圆弧形，激发板和接收板相对设置并一一固定；
所述激发板(3)和接收板(4)通过数据线与信号发生模块(6)和信号采集模块(7)连接；
所述信号发生模块(6)，信号采集模块(7)，电源驱动模块(8)，计算机处理系统(9)和温度传感器(10)设置在系统基板(5)上。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述金属材料为金属网、金属箔或金属板。
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