CN104777129A - 基于可见近红外光谱的柑橘类水果内部品质在线检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可见近红外光谱的柑橘类水果内部品质在线检测装置。光照箱底部中间横向开通槽，输送机构穿过光照箱的底部，光谱采集单元安装在光照箱底部中心的两侧，位置传感单元安装在光照箱输送入口的两侧，光谱采集单元和位置传感单元都呈左右安装在输送机构的两边；光照箱顶部向下安装有纵向固定杆，纵向固定杆底部连接有自动暗场以及参比采集单元，光谱采集单元和位置传感单元均经光谱仪与工业计算机连接。本发明能够实现暗场和参比的自动采集，各部件的调节方便，同时能够减少能量的损失。

Description

基于可见近红外光谱的柑橘类水果内部品质在线检测装置

技术领域

本发明涉及一种农产品检测装置，尤其是涉及一种基于可见近红外光谱的柑橘类水果内部品质(糖度)在线检测装置。

背景技术

我国是一个柑橘生产大国，由国际柑橘学会数据统计知，我国柑橘种植面积和产量在2007年均跃居世界第一。柑橘含有丰富的钾、B族维生素、维生素C及抗氧化成分、抗癌成分、抗过敏成分，还含有丰富的类黄酮、多酚、类胡萝卜素等多种化合物群，具有很高的营养价值和食疗保健作用。但是柑橘内部品质很难大批量检测，目前通常是通过抽样法进行破坏性检测；还有就是根据外表来进行评估分级，但是这种分级方法不准确。柑橘内部品质快速无损检测可以实现柑橘大批量检测和分级，可以提高生产效率和效益，为广大种植户、厂商以及消费者减少损失。因而开发基于快速无损检测技术的柑橘内部品质检测方法，确定柑橘品质等级就显得尤为必要而迫切。

可见近红外光谱检测技术由于具有快速、无损的特点，已成为一种非常受欢迎的检测技术，它适用于规模化、自动化的工业生产，可用于农产品的在线检测，实现农产品的自动分级。在现有的技术中已存在一些利用可见近红外光谱检测的装置，如：

在美国专利US7295318B2中，描述了一种可见近红外的检测装置。一种是通过在传送带一边设置多盏卤钨灯，而在另一边安放检测器，中间通过一块黑色挡板隔开；另一种是在传送带上方安装光源，该光源可以调节发光体的个数，在传送带下方安装检测器。这两种方法都采用了透射的方法，但是部件的位置可调性不够，而且暗场和参比的采集都是手动实现的，这样实行起来可操作性不好，效率低。

并且，透光率T的计算公式：

$T=\frac{I_S-I_D}{I_R-I_D}\×100\%---\left(1\right)$

其中，I_S为样品的光强度，I_R为参比的光强度，I_D为暗场的光强度。如果暗场和参比都是手动采集的，这样不能保证每次采集到的I_R、I_D的值差异尽可能小，从而影响实验数据准确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用可见近红外的柑橘内部品质在线检测的方法和装置，通过理化实验获得柑橘的内部品质(糖度)，通过光谱检测单元获取柑橘的有效光谱信息，将两者信息融合后，形成有效的柑橘内部品质检测模型，实现柑橘内部品质的在线无损检测。

本发明采用的技术方案如下：

本发明包括用于输送水果的输送机构、光谱采集单元、自动暗场以及参比采集单元、位置传感单元、光照箱、光谱仪和工业计算机；输送机构穿过光照箱的底部，光谱采集单元安装在光照箱底部中心的两侧，位置传感单元安装在光照箱输送入口的两侧；光照箱顶部向下安装有纵向固定杆，纵向固定杆底部连接有自动暗场以及参比采集单元，自动暗场以及参比采集单元位于输送机构正上方，光谱采集单元和位置传感单元均经光谱仪与工业计算机连接。

所述的输送机构包括链条、滚子支架、滚子和导轨；两个滚子平行相对称安装，水果放置在两个滚子之间，滚子安装在滚子支架上，滚子支架上装有链条，两个滚子支架分别安装在导轨两侧通过链条带动沿导轨移动。

所述的光谱采集单元：包括光源、光源光纤、光纤支架、升降台、检测探头和检测光纤；两个光纤支架分别通过螺栓固定在输送机构两侧的升降台上，两个光纤支架分别位于在水果对称的两侧，光源光纤一端与光源相连，光源光纤另一端固定在水果一侧的光纤支架上，检测探头经检测光纤与光谱仪相连，检测探头通过锁紧螺母固定在水果另一侧的光纤支架上；光源发射的光束通过光源光纤照射到位于两个滚子间的水果，另一边的检测探头能检测到透过水果后的光信号，再经检测光纤传输给光谱仪，最后再传给工业计算机。

所述的自动暗场以及参比采集单元：包括步进电机、弹性联轴器、暗场挡板、套筒、参比板、锁紧螺母、丝杆、控制器和驱动器；丝杆和步进电机通过弹性联轴器连接，丝杆上向外依次装有参比板、套筒和暗场挡板后通过锁紧螺母锁紧，暗场挡板和参比板均为长方形板并呈90°相互垂直安装，暗场挡板和参比板均安装在靠近光谱采集单元接收端的一侧，即靠近检测探头的一侧；步进电机安装连接在纵向固定杆上，控制器经步进电机驱动器与步进电机连接进行控制，步进电机带动丝杆转动从而带动暗场挡板和参比板转动。

所述装置在初始使用状态下，暗场挡板处于水平方向，参比板处于竖直方向。

所述的位置传感单元：包括传感器支架和光电传感器；所述光照箱内输送机构的两侧均设有横向固定杆，两个传感器支架通过螺栓固定在两侧的横向固定杆上，传感器支架上固定有光电传感器，两侧的光电传感器均与光谱仪相连。

本发明具有的有益效果是：

本发明能够采集运动柑橘的光谱信息，并于柑橘的糖度信息进行建模，利用模型对柑橘内部品质进行预测；另外本发明能够实现暗场和参比的自动采集，提升了操作效率；同时本发明的各安装部件之间都留有安装空隙，各部件的安装位置可以方便调节，具有很强的适应性。

附图说明

图1是本发明装置的整体示意图。

图2是光谱采集单元与输送机构的安装结构示意图。

图3是自动暗场以及参比采集单元的结构示意图。

图4是位置传感单元与输送机构的安装结构示意图。

图5是输送机构的结构示意图。

图6是光纤支架和传感器支架的示意图。

图中：1、光谱采集单元；2、输送机构；3、柑橘；4、自动暗场以及参比采集单元；5、位置传感单元；6、光照箱；7、工业计算机；8、纵向固定杆；9、横向固定杆，101、光源；102、光源光纤；103、光纤支架；104、升降台；105、检测探头；106、检测光纤；107、光谱仪；201、链条；202、滚子支架；203、滚子；204、导轨；401、步进电机；402、弹性联轴器；403、暗场挡板；404、套筒；405、参比板；406、锁紧螺母；407、丝杆；408、控制器；409、驱动器；501、传感器支架；502、光电传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明包括用于输送水果的输送机构2、光谱采集单元1、自动暗场以及参比采集单元4、位置传感单元5、光照箱6、光谱仪107和工业计算机7；光照箱6底部中间横向开通槽，输送机构2穿过光照箱6的底部，输送机构2上置有水果，光谱采集单元1安装在光照箱6底部中心的两侧，位置传感单元5安装在光照箱6输送入口的两侧，光谱采集单元1和位置传感单元5都呈左右安装在输送机构2的两边；光照箱6顶部向下安装有纵向固定杆8，纵向固定杆8底部连接有自动暗场以及参比采集单元4，自动暗场以及参比采集单元4位于输送机构2正上方，光谱采集单元1和位置传感单元5均经光谱仪107与工业计算机7连接。

如图5所示，输送机构2包括链条201、滚子支架202、滚子203和导轨204；两个滚子203平行相对称安装，水果放置在两个滚子203之间，滚子203安装在滚子支架202上，滚子支架202上装有链条201，两个滚子支架202分别安装在导轨204两侧通过链条201带动沿导轨204移动。

如图2所示，光谱采集单元1：包括光源101、光源光纤102、光纤支架103、升降台104、检测探头105和检测光纤106；两个光纤支架103分别通过螺栓固定在输送机构2两侧的升降台104上，两个光纤支架103分别位于在水果对称的两侧，光源光纤102一端与光源101相连，光源光纤102另一端通过锁紧螺母固定在水果一侧的光纤支架103上，检测探头105经检测光纤106与光谱仪107相连，检测探头105通过锁紧螺母固定在水果另一侧的光纤支架103上；光源101发射的光束通过光源光纤102照射到位于两个滚子203间的水果，另一边的检测探头105能检测到透过水果后的光信号，再经检测光纤106传输给光谱仪107，光谱仪将光谱信号转换为数字信号并传给计算机，最后再传给工业计算机7。

如图3所示，自动暗场以及参比采集单元4：包括步进电机401、弹性联轴器402、暗场挡板403、套筒404、参比板405、锁紧螺母406、丝杆407、控制器408和驱动器409；丝杆407和步进电机401通过弹性联轴器402连接，丝杆407上向外依次装有参比板405、套筒404和暗场挡板403后通过锁紧螺母406锁紧，使得参比板405和暗场挡板403与丝杆407固定连接，暗场挡板403和参比板405均为长方形板并呈90°相互垂直安装，暗场挡板403和参比板405均安装在靠近光谱采集单元1接收端的一侧，即靠近检测探头105的一侧；步进电机安装连接在纵向固定杆8上，控制器408经步进电机驱动器409与步进电机401连接进行控制，步进电机401带动丝杆407转动从而带动暗场挡板403和参比板405转动。

装置在初始使用状态下，暗场挡板403处于水平方向，参比板405处于竖直方向。当暗场挡板403和参比板405处于水平方向，暗场挡板403和参比板405不会遮挡检测探头105的接收；当暗场挡板403和参比板405处于垂直方向，暗场挡板403和参比板405会置于检测探头105的正前方。

如图4所示，位置传感单元5：包括传感器支架501和光电传感器502；光照箱6内输送机构2的两侧均设有横向固定杆9，两个传感器支架501通过螺栓固定在两侧的横向固定杆9上，传感器支架501上固定有光电传感器502，传感器支架501在锁紧之前可以在横向固定杆9上任意平移，便于调整位置，两侧的光电传感器502均与光谱仪107相连。

光纤支架103和传感器支架501结构相同，均呈L形的支架结构，如图6所示。

本发明采用可见近红外透射检测方法，LED光源发射的光束透过柑橘类水果，被接收器接收，被接收的光束通过检测光纤进入光谱仪，光谱仪将光谱信号转化为数字信号并传递给计算机，通过计算机分析数字信号，最终得到柑橘类水果内部品质的信息，暗场和参比光谱采集可自动完成。

柑橘类水果通过滚子进入光照箱，光电传感器产生触发信号，触发信号控制光谱仪采集光谱，采集到的光谱信息传递给计算机；然后将柑橘类水果进行理化实验，测出每个柑橘类水果的糖度，利用计算机将光谱信息和糖度信息建立模型，此模型就可以用于后续的柑橘类水果内部品质(糖度)的检测。

本发明的光谱信息其波长范围是400-1100nm，通过组合LED光源发射。光谱信息是柑橘类水果在光源照射下，在光谱检测积分时间内，柑橘类水果在滚子上翻转的行程内被采集的光谱信息。

上述糖度信息是将每个柑橘类水果榨汁，然后利用糖度仪测出汁液的糖度百分比。

本发明的具体操作过程如下：

具体实施中，控制器408可采用的是南荣自动化设备公司生产的单轴控制器，步进电机驱动器409可采用的是SH-203A，光谱仪107可采用的是QE65Pro，糖度仪可采用的是PR-101α，光源可采用LED光源。

在柑橘未进入的测试前，接通电源，启动设备后，在工业计算机7上点击暗场采集按钮，同时按下控制器408上的按钮，然后执行步进电机控制器408上的程序，驱动器409产生反向脉冲800个，这时候步进电机401会逆时针旋转90°，将暗场挡板403置于光源光纤头102和检测探头106中间，这是光谱仪工作在自由采集模式，延时2秒采集，工业计算机7会自动记下光谱。

接着继续点击参比采集按钮，同时按下步进电机控制器408上的按钮，驱动器409产生反向脉冲800个，这时步进电机会继续逆时针旋转90°，使参比板405位于光源光纤头102和检测探头105中间，光谱仪延时2秒采集光谱，会自动记下参比的光谱信息；采完暗场和参比光谱之后点击复位按钮，同时按下控制器408上的按钮，驱动器409产生正向脉冲1600个，步进电机401就会自动恢复到初始状态，光谱仪采集方式切换为触发采集，触发信号由光电传感器产生，接下来就可以进行样品光谱的采集。

柑橘3上料到输送机构2后，柑橘3随着滚子203向前匀速前进并在两滚子203间翻转，当柑橘3进入光谱采集单元1时，光电传感器502会产生触发信号，并控制光谱仪107采集透射过柑橘的光谱，然后光谱仪107将光谱信号传递给工业计算机7并记录。

对采集光谱后的柑橘进行理化实验，将柑橘榨汁，并利用糖度仪测量汁液的糖度；然后可将光谱信息和糖度信息建模，并将建好模型更新到计算机中，通过数据模型可预测下一批柑橘的糖度。

由此可见，本发明采集运动柑橘的光谱信息后对柑橘内部品质进行预测，实现暗场和参比的自动采集，提升了操作效率，具有很强的适应性和显著的技术效果。

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 (6)

1. 一种基于可见近红外光谱的柑橘类水果内部品质在线检测装置，其特征在于：包括用于输送水果的输送机构（2）、光谱采集单元（1）、自动暗场以及参比采集单元（4）、位置传感单元（5）、光照箱（6）、光谱仪（107）和工业计算机（7）；输送机构（2）穿过光照箱（6）的底部，光谱采集单元（1）安装在光照箱（6）底部中心的两侧，位置传感单元（5）安装在光照箱（6）输送入口的两侧；光照箱（6）顶部向下安装有纵向固定杆（8），纵向固定杆（8）底部连接有自动暗场以及参比采集单元（4），自动暗场以及参比采集单元（4）位于输送机构（2）正上方，光谱采集单元（1）和位置传感单元（5）均经光谱仪（107）与工业计算机（7）连接。

2. 根据权利要求1所述的一种基于可见近红外光谱的柑橘类水果内部品质在线检测装置，其特征在于：所述的输送机构（2）包括链条（201）、滚子支架（202）、滚子（203）和导轨（204）；两个滚子（203）平行相对称安装，水果放置在两个滚子（203）之间，滚子（203）安装在滚子支架（202）上，滚子支架（202）上装有链条（201），两个滚子支架（202）分别安装在导轨（204）两侧通过链条（201）带动沿导轨（204）移动。

3. 根据权利要求1所述的一种基于可见近红外光谱的柑橘类水果内部品质在线检测装置，其特征在于：所述的光谱采集单元（1）：包括光源（101）、光源光纤（102）、光纤支架（103）、升降台（104）、检测探头（105）和检测光纤（106）；两个光纤支架（103）分别通过螺栓固定在输送机构（2）两侧的升降台（104）上，两个光纤支架（103）分别位于在水果对称的两侧，光源光纤（102）一端与光源（101）相连，光源光纤（102）另一端固定在水果一侧的光纤支架（103）上，检测探头（105）经检测光纤（106）与光谱仪（107）相连，检测探头（105）通过锁紧螺母固定在水果另一侧的光纤支架（103）上；光源（101）发射的光束通过光源光纤（102）照射到位于两个滚子（203）间的水果，另一边的检测探头（105）能检测到透过水果后的光信号，再经检测光纤（106）传输给光谱仪（107），最后再传给工业计算机（7）。

4. 根据权利要求1所述的一种基于可见近红外光谱的柑橘类水果内部品质在线检测装置，其特征在于：所述的自动暗场以及参比采集单元（4）：包括步进电机（401）、弹性联轴器（402）、暗场挡板（403）、套筒（404）、参比板（405）、锁紧螺母（406）、丝杆（407）、控制器（408）和驱动器（409）；丝杆（407）和步进电机（401）通过弹性联轴器（402）连接，丝杆（407）上向外依次装有参比板（405）、套筒（404）和暗场挡板（403）后通过锁紧螺母（406）锁紧，暗场挡板（403）和参比板（405）均为长方形板并呈90°相互垂直安装，暗场挡板（403）和参比板（405）均安装在靠近光谱采集单元（1）接收端的一侧，即靠近检测探头（105）的一侧；

步进电机安装连接在纵向固定杆（8）上，控制器（408）经步进电机驱动器（409）与步进电机（401）连接进行控制，步进电机（401）带动丝杆（407）转动从而带动暗场挡板（403）和参比板（405）转动。

5. 根据权利要求4所述的一种基于可见近红外光谱的柑橘类水果内部品质在线检测装置，其特征在于：所述装置在初始使用状态下，暗场挡板（403）处于水平方向，参比板（405）处于竖直方向。

6. 根据权利要求1所述的一种基于可见近红外光谱的柑橘类水果内部品质在线检测装置，其特征在于：所述的位置传感单元（5）：包括传感器支架（501）和光电传感器（502）；所述光照箱（6）内输送机构（2）的两侧均设有横向固定杆（9），两个传感器支架（501）通过螺栓固定在两侧的横向固定杆（9）上，传感器支架（501）上固定有光电传感器（502），两侧的光电传感器（502）均与光谱仪（107）相连。