CN103575690A - 基于红外气体传感器的水果成熟度检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于红外气体传感器的水果成熟度检测系统，其包括水果气体收集装置以及气体检测装置；气体检测装置包括气体检测密封壳体，气体检测密封壳体内设有红外气体传感器；红外气体传感器与基板上的中央处理器电连接，中央处理器与显示模块连接，中央处理器根据红外气体传感器检测水果气体的信息判断水果的成熟度，并通过显示模块显示输出判断得到的水果成熟度状态。本发明系统结构简单，使用方便，尺寸小巧可便携，适用于多种不同水果的分别检测和同时检测；将水果气体收集装置和气体检测装置分离，继而可使同一气体检测装置与不同的气体收集装置配合使用，从而使检测系统具有了更高的可扩展性，也使检测成本进一步降低。

Description

基于红外气体传感器的水果成熟度检测系统

技术领域

本发明涉及一种水果成熟度检测系统，尤其是一种基于红外气体传感器的水果成熟度检测系统，属于信息技术以及农业的技术领域。

背景技术

水果作为一种重要的农产品，是人们日常的主要消费食品，其品质与人民的生活密切相关。随着国际市场的全球化以及生活水平的提高，消费者对水果的品质要求也越来越高。而水果的成熟度直接影响着水果的风味、硬度和果皮色泽等品质，未完全成熟或过于成熟的上市水果不被消费者青睐，继而导致市场流通不畅，造成果商和果农的经济损失。此外，水果的成熟度亦影响着采摘和储存等诸多环节，据统计，水果在采摘、包装、储存、运输和加工等作业环节中的损失率高达30%，造成损失的主要原因之一就是将不同成熟度的水果相互混杂。由此可见，对水果成熟度的检测与区分至关重要。

在区分成熟度的情况下，可根据水果的成熟度选择合适的采收期，进而有助于在后续的加工处理过程中延长水果的货架期，延缓其硬度下降、色泽变差和营养散失；另外，精准地判断水果的成熟度，可让果商更精确掌握水果入库和出库的时间，以及销售的期限，避免在储存和销售的过程中造成不必要的经济损失。更为重要的是，根据水果的成熟度对其进行区分与筛选，并及时地对其进行加工处理，对于改善水果品质，提升水果等级有着重要的意义。

一般地，判断水果的成熟度可以采用看外形、看色泽、闻香味和轻轻敲击水果表皮听声音等四种方法。这些方法无需借助仪器设备，较为方便快捷，然而当采用这四种方法时，个人主观意识对结果的影响非常大，因此其可信度往往遭受质疑。

现有的水果成熟度检测方法包括利用硬度计、糖度计和酸度计等来检测水果内部的硬度，可溶性糖，可滴定酸等一些与水果成熟度相关的指标。虽然，通过这些方法可以较为准确地判断成熟度，然而，这些方法在检测过程中都需要破坏水果的皮表组织甚至果实，属于有损检测，因此无法大规模地逐个检测，进而难以适用于现代果品的生产。

为了在完成检测的同时保证水果的完整性，基于水果气味的无损检测技术应运而生。许多水果具有怡人的香气。研究表明，水果的香气源自于酯类、醇类、酮类、醛类、萜类等芳香物质以及某些挥发性酚类物质。水果成熟前果实香气很少，随着果实的逐渐成熟，不饱和脂肪酸等的含量逐步增加，果实香气增多。

针对水果香味与芳香物质的检测一般采用气相色谱法和气相色谱-质谱联用技术，但这些检测方法所用气味成分都是样品经分离后的产物，需要把产物重组才可作对比，因此检测过程繁琐复杂，周期长，且费用昂贵。近年来兴起的电子鼻技术可以克服传统方法测定芳香物质和评价水果质量体系的一些不足。与传统分析仪器相比，电子鼻技术具有获得样品气体整体信息的能力，识别效果更好，不需要添加化学试剂，是一种绿色检测技术。

电子鼻技术的核心器件是气体传感器，目前广泛应用于电子鼻的气体传感器多采用金属氧化物类型，该传感器又以金属氧化物气敏材料为关键部件。在特定的工作温度下，被测气体到达气敏材料表面并与吸附在表面的氧发生化学反应，由此引起电荷的转移继而使电阻发生变化。金属氧化物型气体传感器制作方法简单、成本低廉、响应速度快以及对可燃性气体和某些有毒气体具有较高的灵敏度等优点。但是，由于敏感材料本身并不具有良好的识别气体的能力，对混合气体中多种气体成分的选择性差，难以满足检测要求。此外，金属半导体型气体传感器在气体敏感过程中需要经历气体的吸附和解吸附两个阶段，不完全的解吸附将对传感器的探测灵敏度造成影响，某些情况下，检测结果存在严重的漂移，甚至不可用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于红外气体传感器的水果成熟度检测系统，其利用水果在成熟过程中所释放气体具有各自不同的红外吸收特性，且不同成熟度阶段所释放气体浓度不同的特点，通过测试气体的浓度，进而判断该水果所处的成熟度阶段，为果农提供合理的采摘和储藏时间，也可为消费者是否购买提供评判依据。该检测系统结构简单，使用方便，尺寸小巧可便携，且因红外气体传感器可进行阵列式制备，因而该系统适用于多种不同水果的分别检测和同时检测；该检测将水果气体收集装置和气体检测装置分离，继而可使同一气体检测装置与不同的气体收集装置配合使用，从而使检测系统具有了更高的可扩展性，也使检测成本进一步降低。

按照本发明提供的技术方案，所述基于红外气体传感器的水果成熟度检测系统，包括用于收集水果气体的水果气体收集装置以及与所述水果气体收集装置连接的气体检测装置；所述气体检测装置包括用于连接水果气体收集装置并收纳水果气体收集装置内气体的气体检测密封壳体，所述气体检测密封壳体内设有红外气体传感器；气体检测密封壳体及红外气体传感器均安装于基板上；红外气体传感器与基板上的中央处理器电连接，中央处理器与显示模块连接，中央处理器根据红外气体传感器检测水果气体的信息判断水果的成熟度，并通过显示模块显示输出判断得到的水果成熟度状态。

所述水果气体收集装置包括用于收纳水果并与水果形状相适应的气体收集密封腔体外壳，所述气体收集密封腔体外壳内形成气体收集密封腔体，所述气体收集密封腔体外壳内设有贯通气体收集密封腔体外壳的气孔以及用于密封所述气孔的塞合卡片，所述塞合卡片能在气体收集密封腔体内运动。

所述气体收集密封腔体外壳包括下壳体以及与所述下壳体对应的上壳体，上壳体与下壳体相铰接；上壳体与下壳体的结合部设置果蒂穿过孔，气孔位于下壳体的底部；下壳体外的下部设置连接支架。

所述气体检测密封壳体的顶端设置支架连接卡槽，气体收集密封腔体外壳通过连接支架与支架连接卡槽匹配后安装在气体检测密封壳体上；气体检测密封壳体的顶端设置气体穿通滤网以及位于所述气体穿通滤网上的顶针。

所述红外气体传感器包括红外探测器以及红外光源。

所述红外探测器通过探测器支撑导电柱安装于气体检测密封腔体内，红外探测器通过探测器支撑导电柱固定在基板上；红外光源通过光源支撑导电柱安装于气体检测密封腔体内，且红外光源通过光源支撑导电柱固定于基板上。

所述基板上还设置有放大电路模块、滤波电路模块及模数转换电路模块；红外气体传感器依次连接放大电路模块、滤波电路模块及模数转换电路模块后与中央处理器电连接。

所述红外探测器包括双光窗的双单元探测器或多光窗的多单元探测器。所述气体穿通滤网的孔径为100nm-100μm。

所述气体检测装置检测的水果包括榴莲、桔子、苹果、甜瓜、香蕉、柚子、猕猴桃、石榴或梨。

本发明的优点：利用水果在成熟过程中所释放气体具有各自不同的红外吸收特性，且不同成熟度阶段所释放气体浓度不同的特点，通过测试气体的浓度，进而判断该水果所处的成熟度阶段，为果农提供合理的采摘和储藏时间，也可为消费者是否购买提供评判依据。该检测系统结构简单，使用方便，尺寸小巧可便携，且因红外气体传感器可进行阵列式制备，因而该系统适用于多种不同水果的分别检测和同时检测；该检测将水果气体收集装置和气体检测装置分离，继而可使同一气体检测装置与不同的气体收集装置配合使用，从而使检测系统具有了更高的可扩展性，也使检测成本进一步降低。

附图说明

图1为本发明水果气体收集装置的结构示意图。

图2为本发明水果气体收集装置打开的结构示意图。

图3为本发明气体检测装置的结构示意图。

图4为本发明的结构示意图。

附图标记说明：1-气体收集密封腔体、2-气体收集密封腔体外壳、3-果蒂穿过孔、4-连接柱、5-连接支架、6-气孔、7-塞合卡片、8-基板、9-供电电源、10-气体检测密封壳体、11-气体检测密封腔体、12-支架连接卡槽、13-气体穿通滤网、14-顶针、15-红外探测器、16-探测器支撑导电柱、17-红外光源、18-光源支撑导电柱、19-放大电路模块、20-滤波电路模块、21-模数转换电路模块、22-中央处理器及23-显示模块。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图4所示：为了能够对水果实现快速有效的无损检测，降低检测成本，本发明包括用于收集水果气体的水果气体收集装置以及与所述水果气体收集装置连接的气体检测装置；所述气体检测装置包括用于连接水果气体收集装置并收纳水果气体收集装置内气体的气体检测密封壳体10，所述气体检测密封壳体10内设有红外气体传感器；气体检测密封壳体10及红外气体传感器均安装于基板8上；红外气体传感器与基板8上的中央处理器22电连接，中央处理器22与显示模块23连接，中央处理器22根据红外气体传感器检测水果气体的信息判断水果的成熟度，并通过显示模块23显示输出判断得到的水果成熟度状态。

具体地，所述气体检测装置检测的水果包括榴莲、桔子、苹果、甜瓜、香蕉、柚子、猕猴桃、石榴或梨等常见的消费型水果。水果气体收集装置与气体检测装置间采用可拆卸分离的结构，可以通过不同的水果气体收集装置来收集不同水果的气体，然后在同一个气体检测装置上进行水果成熟度的检测。所述成熟度状态包括水果的成熟等级、最佳口感时间等信息。

如图1和图2所示：所述水果气体收集装置包括用于收纳水果并与水果形状相适应的气体收集密封腔体外壳2，所述气体收集密封腔体外壳2内形成气体收集密封腔体1，所述气体收集密封腔体外壳2内设有贯通气体收集密封腔体外壳2的气孔6以及用于密封所述气孔6的塞合卡片7，所述塞合卡片7能在气体收集密封腔体1内运动。本发明实施例中，气体收集密封腔体1呈球形，塞合卡片7的形状呈弧状，塞合卡片7能够密封气体收集密封腔体外壳2底部的气孔6。

进一步地，所述塞合卡片7的两端还可以设置复位弹簧，塞合卡片7通过复位弹簧安装定位在气体收集密封腔体外壳2内；当顶针14顶住塞合卡片7后，塞合卡片7通过复位弹簧能复位后密封住气孔6，便于进行后续的气体收集操作。

所述气体收集密封腔体外壳2包括下壳体以及与所述下壳体对应的上壳体，上壳体与下壳体相铰接；上壳体与下壳体的结合部设置果蒂穿过孔3，气孔6位于下壳体的底部；下壳体外的下部设置连接支架5。

所述上壳体与下壳体的形状相适应，从而能形成气体收集密封腔体外壳2。上壳体与下壳体相铰接，从而能使得整个气体收集密封腔体外壳2打开，上壳体与下壳体间的张开角度可以达到150度。当通过上壳体或下壳体打开所述气体收集密封腔体外壳2后，能将被检测的水果放置在气体收集密封腔体外壳2内，水果的果蒂能通过果蒂穿过孔3伸出。为了提高气体收集的效果，还可以采用不透气的薄膜等塞住果蒂穿过孔3的果蒂周围。连接支架5包括连接柱4，连接柱4的一端与下壳体2的底部固定连接，连接柱4的另一端与气体检测装置配合连接。

如图3和图4所示：所述气体检测密封壳体10的顶端设置支架连接卡槽12，气体收集密封腔体外壳2通过连接支架5与支架连接卡槽12匹配后安装在气体检测密封壳体10上；气体检测密封壳体10的顶端设置气体穿通滤网13以及位于所述气体穿通滤网13上的顶针14。

所述气体检测密封壳体10顶端的支架连接卡槽12与连接支架5的形状相吻合，连接支架5能嵌置在支架连接卡槽12内，从而使得水果气体收集装置与气体检测装置连接成一体。气体检测密封壳体10的顶端还设有盖板，盖板上设置气体穿通滤网13，气体穿通滤网13与气体检测密封壳体10内的气体检测密封腔体11相连通，以便于通过气体穿通滤网13将气体收集密封腔体1内的收集气体进入气体检测密封腔体11内。所述气体穿通滤网13的孔径为100nm-100μm，以便于滤除气体中的颗粒物质。

所述红外气体传感器包括红外探测器15以及红外光源17。所述红外探测器15通过探测器支撑导电柱16安装于气体检测密封腔体11内，红外探测器15通过探测器支撑导电柱16固定在基板8上；红外光源17通过光源支撑导电柱18安装于气体检测密封腔体11内，且红外光源17通过光源支撑导电柱18固定于基板8上。

本发明实施例中，红外探测器15通过探测支撑导电柱16与中央处理器22电连接，红外光源17通过光源支撑导电柱18与基板8上的供电电源9电连接。

所述基板8上还设置有放大电路模块19、滤波电路模块20及模数转换电路模块21；红外气体传感器依次连接放大电路模块19、滤波电路模块20及模数转换电路模块21后与中央处理器22电连接。基板8采用PCB板，放大电路模块19用于将红外气体传感器检测的信号进行放大，滤波电路模块20用于进行滤波，模数转换电路模块21用于将放大、滤波后的信号转换为数字信号，以便中央处理器22进行处理。中央处理器22可以采用单片机等常用的微处理芯片，放大电路模块19、滤波电路模块20以及模数转换模块21均可以采用常规的电路，显示电路23可以采用显示屏。

所述构成红外气体传感器的红外探测器15可以采用双光窗的双单元探测器，也可采用多光窗的多单元探测器阵列；所述由多光窗的多单元探测器阵列构成的红外气体传感器可同时检测多种气体，进而可用于不同水果的检测，也可用于多种水果的同时检测。所述红外光源17和红外探测器15正面相互对准放置。

进一步地，当需要增大红外光的光程时，所述红外光源17和红外探测器15的正面的朝向可以根据红外光的多次反射角度进行调整，此时所述气体检测密封壳体10的内表面可以涂覆金属镀层，以提高其对红外光的反射效率。所述多光窗的多单元探测器阵列所采用的多个探测器单元相互可以一致，在对阵列器件进行封装时，对每个探测器单元采用不同波长的滤波片，以达到探测器阵列中不同单元之间相互区别的目的。

如图1~图4所示，工作时，将水果放置于水果气体收集装置的气体收集密封腔体1内，一小时~二十四小时之后，将水果气体收集装置和气体检测装置通过连接支架5和支架连接卡槽12之间的配合装配到一起，利用气体检测装置上的顶针14顶起气体收集装置底部的塞合卡片7，继而使气体收集装置中的气体通过气孔6到达气体检测装置的气体检测密封腔体11中，并使气体在两个密封腔体中的扩散达到平衡。

利用基板8上的供电电源9为红外光源17供电，使红外光源17发出红外光。所述红外光直接照射到红外探测器15的正面，或经过多次反射后照射到红外探测器15的正面。红外光经所述气体检测密封腔体11中气体的吸收后到达红外探测器15正面的滤光片，经所述滤光片分光后，不同波长的红外光分别到达不同敏感元的红外吸收区，并被转化为电压信号连同参比元的电压信号，共同输出给检测系统的测试处理电路。经所述测试处理电路的放大电路模块19、滤波电路模块20、模数转换电路模块21和中央处理器22处理后，在显示模块23中显示出各种气体的浓度，被测水果的成熟度等级，最佳口感时间，最佳采摘、销售时间等信息。

本发明将气体收集装置和气体检测装置相分离，继而在实际应用中，可将同一检测装置与针对不同水果的多个气体收集装置相互配合使用。该检测系统具有高度的可扩展性，用于构成红外气体传感器的红外探测器15可呈阵列式排布，可实现同一种水果中不同气体的检测，亦可实现不同种类水果气体的测试，甚至可实现多种水果的同时检测，可以实时获悉水果的成熟等级、最佳口感时间等信息，从而为水果的采摘、储藏、销售和生产制定更优化的时间节点，实现最优化的经济社会效益。

Claims (10)

1. 一种基于红外气体传感器的水果成熟度检测系统，其特征是：包括用于收集水果气体的水果气体收集装置以及与所述水果气体收集装置连接的气体检测装置；所述气体检测装置包括用于连接水果气体收集装置并收纳水果气体收集装置内气体的气体检测密封壳体（10），所述气体检测密封壳体（10）内设有红外气体传感器；气体检测密封壳体（10）及红外气体传感器均安装于基板（8）上；红外气体传感器与基板（8）上的中央处理器（22）电连接，中央处理器（22）与显示模块（23）连接，中央处理器（22）根据红外气体传感器检测水果气体的信息判断水果的成熟度，并通过显示模块（23）显示输出判断得到的水果成熟度状态。

2.根据权利要求1所述的基于红外气体传感器的水果成熟度检测系统，其特征是：所述水果气体收集装置包括用于收纳水果并与水果形状相适应的气体收集密封腔体外壳（2），所述气体收集密封腔体外壳（2）内形成气体收集密封腔体（1），所述气体收集密封腔体外壳（2）内设有贯通气体收集密封腔体外壳（2）的气孔（6）以及用于密封所述气孔（6）的塞合卡片（7），所述塞合卡片（7）能在气体收集密封腔体（1）内运动。

3.根据权利要求2所述的基于红外气体传感器的水果成熟度检测系统，其特征是：所述气体收集密封腔体外壳（2）包括下壳体以及与所述下壳体对应的上壳体，上壳体与下壳体相铰接；上壳体与下壳体的结合部设置果蒂穿过孔（3），气孔（6）位于下壳体的底部；下壳体外的下部设置连接支架（5）。

4.根据权利要求3所述的基于红外气体传感器的水果成熟度检测系统，其特征是：所述气体检测密封壳体（10）的顶端设置支架连接卡槽（12），气体收集密封腔体外壳（2）通过连接支架（5）与支架连接卡槽（12）匹配后安装在气体检测密封壳体（10）上；气体检测密封壳体（10）的顶端设置气体穿通滤网（13）以及位于所述气体穿通滤网（13）上的顶针（14）。

5.根据权利要求1所述的基于红外气体传感器的水果成熟度检测系统，其特征是：所述红外气体传感器包括红外探测器（15）以及红外光源（17）。

6.根据权利要求5所述的基于红外气体传感器的水果成熟度检测系统，其特征是：所述红外探测器（15）通过探测器支撑导电柱（16）安装于气体检测密封腔体（11）内，红外探测器（15）通过探测器支撑导电柱（16）固定在基板（8）上；红外光源（17）通过光源支撑导电柱（18）安装于气体检测密封腔体（11）内，且红外光源（17）通过光源支撑导电柱（18）固定于基板（8）上。

7.根据权利要求1所述的基于红外气体传感器的水果成熟度检测系统，其特征是：所述基板（8）上还设置有放大电路模块（19）、滤波电路模块（20）及模数转换电路模块（21）；红外气体传感器依次连接放大电路模块（19）、滤波电路模块（20）及模数转换电路模块（21）后与中央处理器（22）电连接。

8.根据权利要求5所述的基于红外气体传感器的水果成熟度检测系统，其特征是：所述红外探测器（15）包括双光窗的双单元探测器或多光窗的多单元探测器阵列。

9.根据权利要求4所述的基于红外气体传感器的水果成熟度检测系统，其特征是：所述气体穿通滤网（13）的孔径为100nm-100μm。

10.根据权利要求1所述的基于红外气体传感器的水果成熟度检测系统，其特征是：所述气体检测装置检测的水果包括榴莲、桔子、苹果、甜瓜、香蕉、柚子、猕猴桃、石榴或梨。

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