CN104034674B - 便携式厚皮类水果内部品质光学检测探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式厚皮类水果内部品质光学检测探头。包括同轴安装的光谱发射装置和光谱接收装置；通风罩内装有散热灯罩，散热灯罩与外筒之间贴合装有卤钨灯，外筒内装有平面镜和光谱接收装置；平面镜粘在内筒盖顶部正对卤钨灯中心，内筒内镜座与内筒盖连接，椭圆平面镜粘在镜座斜面上；内筒中部外侧圆柱上的三个内固定圆柱孔与外筒中部外侧圆柱上的三个外固定通孔各自相对安装使得内筒和外筒同轴固定，内筒的光纤接口与外筒的光纤通孔相对接安装有光纤。本发明将卤钨灯光源集成到探头上，能对尤其是厚皮类水果内部品质进行光学检测，能够获取有效的水果内部品质信息，为厚皮类水果内部品质无损检测提供光谱基础。

Description

便携式厚皮类水果内部品质光学检测探头

技术领域

本发明涉及一种水果品质检测装置，尤其是涉及一种便携式厚皮类水果内部品质光学检测探头。

背景技术

随着生活水平的提高，消费者对鲜果质量要求越来越高，不仅要求果实外观好看，而且对内部品质如糖度和酸度的要求也越来越高。瓜果在采摘时的成熟度是决定其内部品质的重要因素。采收过早，瓜果产品器官还未达到成熟的标准，单果重量小，产量低、品质差，管过产品本身的色、香、味不能得到充分表现，耐贮也差；采收过晚，果实已经成熟，接近衰老阶段，采后必然不耐贮藏和运输，导致腐烂率的增加。在此环境下，水果品质检测及成熟度判别技术受到了国内外学者及相关企业的重视，相关的无损检测设备也被频频报道。目前水果成熟度判别主要有人工辨识和机械无损检测。人工辨识主要依靠瓜果生长周期、目测、敲击等方法，检测精度较低、劳动量大；机械无损检测主要是利用瓜果的物理性质，如力学性质、电学性质、光学性质和声学性质对其品质进行检测并判断其成熟度，近年来无损检测得到了大量研究和应用。其中光谱检测具有检测时间短、可直接检测、环境友好无污染等优点，被认为在水果品质无损检测方面最具潜力。

目前基于可见光/近红外光谱的便携式水果品质检测仪器已有应用，如日本Kubota公司的K-BA100R和我国聚光科技公司的SupNIR-110型便携式检测仪。上述便携式检测仪的探头均为漫反射型探头，同专利CN202928947U所描述的环形光源类似，卤钨灯光源置于主机内，通过光纤引导至检测探头形成环形光源。此类型探头在检测时照射到水果表面的光强较弱，只适用于检测薄皮类水果如苹果、桃等。专利200910186328.6中所描述的基于LED的组合光源探头同样为环形光源，且LED光源置于探头中，检测时直接照射水果，但LED本身功率较低，无法检测厚皮类水果，而且该专利所采用的LED灯只包含620nm、850nm、880nm和940nm四个波长，只能针对特定水果检测，应用范围较窄。厚皮类水果如橙、甜瓜、西瓜在我国也属于大宗消费水果，其成熟度检测和适收期的判别也是农业工程领域亟待解决的问题。所以有必要针对厚皮类水果研制便携式光学检测探头，以用于田间等场合的成熟度检测。

发明内容

为了克服背景中漫反射环形光源探头光强较弱或覆盖波长较少而导致无法检测厚皮类水果的问题，本发明的目的在于提供一种便携式厚皮类水果内部品质光学检测探头，以用于田间等场合厚皮类水果品质的检测。本发明将卤钨灯光源集成到探头上，内外筒的结构形式将卤钨灯发射的光分隔成环形光源，增大了照射到水果表面的有效光强，同时内外遮光罩能够避免环境光的影响，使入射光能够穿透果皮并与果肉进行有效的相互作用后出射，进而携带足够有效的瓜果内部品质信息，为厚皮类水果内部品质无损检测提供光谱基础。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括同轴安装的光谱发射装置和光谱接收装置；

光谱发射装置：包括同轴依次安装的网罩、风扇、通风罩、外筒和外遮光罩；通风罩内装有散热灯罩，散热灯罩与外筒之间装有卤钨灯，散热灯罩与卤钨灯贴合安装，外筒内装有平面镜和光谱接收装置；

光谱接收装置：包括同轴安装的内筒盖、内筒和内遮光罩；平面镜粘在内筒盖顶部，平面镜的镜面正对卤钨灯中心位置，内筒内同轴安装有镜座、椭圆平面镜，镜座与内筒盖螺纹连接，椭圆平面镜粘在镜座的斜面上；

外筒中部外侧圆柱面的同一圆周上间隔均布开有三个外固定通孔，三个外固定通孔其中一个外固定通孔沿轴向方向附近开有光纤通孔；内筒一端外侧圆柱面的同一圆周上间隔均布开有三个突出的内固定圆柱孔，三个内固定圆柱孔其中一个内固定圆柱孔沿轴向方向附近开有光纤接口；三个内固定圆柱孔与三个外固定通孔各自相互对应安装，通过螺栓连接使得内筒和外筒同轴固定，内筒的光纤接口与外筒的光纤通孔相互对接安装有光纤，镜座的斜面中心在光纤接口的中心轴线上。

所述的外筒和内筒的两端均开有内螺纹，外筒的内侧圆柱面抛光处理，内筒内、外两侧圆柱面均抛光处理。

所述的散热灯罩与卤钨灯贴合面为圆弧球面。

所述的散热灯罩中心开有腰形孔，与卤钨灯贴合面相反一侧的散热灯罩的腰形孔周围沿圆周间隔均布有散热片，散热片均沿径向布置。

所述的镜座为圆筒状，一端开有外螺纹，另一端的斜面与轴线的夹角为45°。

本发明具有的有益效果是：

本发明将卤钨灯光源集成到探头上，内外筒的结构形式将卤钨灯发射的光分隔成环形光，增大了照射到水果表面的有效光强，同时内外遮光罩能够避免环境光的影响，入射光能够穿透果皮并与果肉进行有效的相互作用后出射，进而携带足够有效的水果内部品质信息，为厚皮类水果内部品质无损检测提供光谱基础。

附图说明

图1是本发明的分解图。

图2是光谱发射装置装配示意图。

图3是光谱接收装置装配示意图。

图4是外筒外观图。

图5是内筒外观图。

图6是散热灯罩外观图。

图7是镜座外观图。

图8是工作原理图。

图9是本发明实施例的效果图。

图中：1、网罩，2、风扇，3、通风罩，4、散热灯罩，5、卤钨灯，6、平面镜，7、内筒盖，8、镜座，9、椭圆平面镜，10、内筒，11、内遮光罩，12、外筒，13、外遮光罩，14、手柄，15、内固定圆柱孔，16、光纤接口，17、外固定通孔，18、光纤通孔，19、光纤，20、水果。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例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所示，本发明包括同轴安装的光谱发射装置和光谱接收装置；

如图1、图2所示，光谱发射装置：包括同轴依次安装的网罩1、风扇2、通风罩3、外筒12和外遮光罩13；通风罩3内装有散热灯罩4，散热灯罩4与外筒12之间装有卤钨灯5，散热灯罩4与卤钨灯5贴合安装，外筒12内装有平面镜6和光谱接收装置；风扇2和网罩1与通风罩3通过螺栓固定；平面镜6粘在内筒盖7顶部，镜面正对卤钨灯5中心位置，用于反射卤钨灯直接照射到内筒10的光；外遮光罩13通过螺纹与外筒12远离外固定通孔17的一端固定，用于阻挡环境杂散光；手柄14中空与外筒12通过焊接固定，固定位置为外筒12设有外固定通孔17和光纤通孔18的位置，固定时将上述两口盖住。通风罩3的圆柱面上开有若干通孔，用于通风散热；网罩1与通风罩3均为标准件；卤钨灯5为标准件，根据实际需要选用合适的功率。

如图1、图3所示，光谱接收装置：包括同轴安装的内筒盖7、内筒10和内遮光罩11；内筒10内同轴安装有镜座8、椭圆平面镜9，镜座8与内筒盖7螺纹连接，椭圆平面镜9粘在镜座8的斜面上；椭圆平面镜9用于将从水果内部出射到内筒10的光反射到光纤接口16方向；内遮光罩11与内筒10远离内固定圆柱孔15的一端通过螺纹联接，防止入射光通过水果表面直接镜面反射到内筒10内部。

如图4、图5所示，外筒12中部外侧圆柱面的同一圆周上间隔均布开有三个外固定通孔17，三个外固定通孔17其中一个外固定通孔17沿轴向方向附近开有光纤通孔18；如图3、图5所示，内筒10一端外侧圆柱的同一圆周上间隔均布开有三个突出的内固定圆柱孔15，三个内固定圆柱孔15其中一个内固定圆柱孔15沿轴向方向靠近内遮光罩11一侧附近开有光纤接口16；三个内固定圆柱孔15与三个外固定通孔17各自相互对应安装通过螺栓连接使得内筒10和外筒12同轴固定，光纤接口16轴线到同一母线上内固定圆柱孔15轴线的距离与外筒12上外固定通孔17到同一母线上光纤通孔18的距离相等，使得内筒10的光纤接口16与外筒12的光纤通孔18相互对接安装有光纤19，如图7所示，镜座8一端为斜面，镜座8的斜面中心在光纤接口16的中心轴线上。外筒12和内筒10的两端均开有内螺纹，外筒12的内侧圆柱面抛光处理，以增加照射到水果表面的入射光照；内筒10的内、外两侧圆柱面均抛光处理，以增加入射光光强和光纤19接收到的出射光光强。

外遮光罩13与外筒12通过螺纹连接，内筒10与内筒盖7的外螺纹连接，镜座8与内筒盖7的内螺纹连接。

如图6所示，散热灯罩4与卤钨灯5贴合面为圆弧球面。

如图6所示，散热灯罩4中心开有腰形孔，用于安装卤钨灯5电源座；与卤钨灯5贴合面相反一侧的散热灯罩4的腰形孔周围沿圆周间隔均布有散热片，散热片均沿径向布置，便于通风，散热片与腰形孔之间留有间隙。

如图7所示，镜座8为圆筒状，一端开有外螺纹，另一端的斜面与轴线的夹角为45°。

本发明中需加工的部件通风罩3、散热灯罩4、内筒盖7、镜座8、内筒10、外筒12、手柄14材质为铝合金，内遮光罩11、外遮光罩13为橡胶材质，整个装置装配后重量较轻，可直接手持手柄14使用。

检测时，水果20放置在外筒12和内筒10连接遮光罩的一侧，因水果表面为弧面，其中外筒12靠近放置水果20一端的长度大于内筒10靠近放置水果20一端的长度，使得水果20压紧外遮光罩13和内遮光罩11后弧面能贴合外筒12和内筒10的边缘。

下面结合图1~图3、图8~图9具体说明工作过程：

可根据不同需求选配不同功率的卤钨灯或调节卤钨灯功率，以厚皮甜瓜为例，选用100W卤钨灯。工作时给探头通电，散热风扇2开始运行对探头进行强制散热，空气从通风罩3的通风孔进入散热灯罩4散热片的间隙，带走热量后被散热风扇2吸走。卤钨灯5发出的光在灯罩弧面的反射下射向前方，一部分光直接通过外筒12和内筒10之间的圆环空间照射到厚皮甜瓜表面，平面镜6正对区域的光照射到平面镜6上，经平面镜6和卤钨灯5自身灯罩弧面多次反射，大部分光也进入外筒12和内筒10之间的圆环空间进而照射到甜瓜表面。从光谱发射装置照射到甜瓜表面的光为入射光，入射光照射到甜瓜表面后，一部分直接镜面反射，另一部分则穿透果皮发生折射进入甜瓜内部。有研究表明，光在生物组织内部主要产生散射和吸收现象，吸收现象主要是分子内含氢基团如C-H、O-H和N-H的振动吸收产生。进入到甜瓜内部的光在与甜瓜内部组织进行充分作用后一部分被吸收，另一部分则从甜瓜不同部位出射，其中一部分出射光在内遮光罩11覆盖的圆形区域出射，此区域离环形入射区域较近，所能收集的出射光强也较大。圆形区域内的出射光在遇到45°安装的椭圆平面镜9后发生镜面反射，一部分反射光被固定在光纤接口16处的光纤19接收，进而传播至光谱仪，完成光谱采集，图9即为使用本发明采集的110个厚皮甜瓜的吸光度光谱图。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种便携式厚皮类水果内部品质光学检测探头，其特征在于：包括同轴安装的光谱发射装置和光谱接收装置；

光谱发射装置：包括同轴依次安装的网罩（1）、风扇（2）、通风罩（3）、外筒（12）和外遮光罩（13）；通风罩（3）内装有散热灯罩（4），散热灯罩（4）与外筒（12）之间装有卤钨灯（5），散热灯罩（4）与卤钨灯（5）贴合安装，外筒（12）内装有平面镜（6）和光谱接收装置；

光谱接收装置：包括同轴安装的内筒盖（7）、内筒（10）和内遮光罩（11）；平面镜（6）粘在内筒盖（7）顶部，平面镜（6）的镜面正对卤钨灯（5）中心位置，内筒（10）内同轴安装有镜座（8）、椭圆平面镜（9），镜座（8）与内筒盖（7）螺纹连接，椭圆平面镜（9）粘在镜座（8）的斜面上；

外筒（12）中部外侧圆柱面的同一圆周上间隔均布开有三个外固定通孔（17），三个外固定通孔（17）其中一个外固定通孔（17）沿轴向方向附近开有光纤通孔（18）；内筒（10）一端外侧圆柱面的同一圆周上间隔均布开有三个突出的内固定圆柱孔（15），三个内固定圆柱孔（15）其中一个内固定圆柱孔（15）沿轴向方向附近开有光纤接口（16）；三个内固定圆柱孔（15）与三个外固定通孔（17）各自相互对应安装，通过螺栓连接使得内筒（10）和外筒（12）同轴固定，内筒（10）的光纤接口（16）与外筒（12）的光纤通孔（18）相互对接安装有光纤（19），镜座（8）的斜面中心在光纤接口（16）的中心轴线上。

2.根据权利要求1所述的一种便携式厚皮类水果内部品质光学检测探头，其特征在于：所述的外筒（12）和内筒（10）的两端均开有内螺纹，外筒（12）的内侧圆柱面抛光处理，内筒（10）内、外两侧圆柱面均抛光处理。

3.根据权利要求1所述的一种便携式厚皮类水果内部品质光学检测探头，其特征在于：所述的散热灯罩（4）与卤钨灯（5）贴合面为圆弧球面。

4.根据权利要求1所述的一种便携式厚皮类水果内部品质光学检测探头，其特征在于：所述的散热灯罩（4）中心开有腰形孔，与卤钨灯（5）贴合面相反一侧的散热灯罩（4）的腰形孔周围沿圆周间隔均布有散热片，散热片均沿径向布置。

5.根据权利要求1所述的一种便携式厚皮类水果内部品质光学检测探头，其特征在于：所述的镜座（8）为圆筒状，一端开有外螺纹，另一端的斜面与轴线的夹角为45°。