CN105044020A

CN105044020A - 光斑可调的便携式近红外水果内部品质检测装置

Info

Publication number: CN105044020A
Application number: CN201510307940.XA
Authority: CN
Inventors: 徐惠荣; 郎雷; 容典
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2015-06-08
Filing date: 2015-06-08
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2035-06-08
Also published as: CN105044020B

Abstract

本发明公开了一种光斑可调的便携式近红外水果内部品质检测装置。在机箱内，光源部分通过光源支架安装在机箱右侧；检测单元通过检测支架安装在机箱左侧，打开机箱的掀盖，将水果放入检测单元中的样品室中；转盘机构的转盘安装在光源部分和检测单元之间；控制处理单元的电路板安装在光源支架下面，控制处理单元的嵌入式计算机安装在机箱的上表面。本发明采用卤钨灯作为原始光源发出连续波长的光谱，通过光纤可获取多个波段的光谱信息，并通过舵机对转盘的控制，实现暗场、参比和水果光谱信息的自动采集；该装置安装于密闭的机箱内，避免外界杂散光对于检测过程的影响，机箱壁设有散热风扇和散热孔保证机箱内温度，提高了光谱采集效率和检测精度。

Description

光斑可调的便携式近红外水果内部品质检测装置

技术领域

本发明涉及便携式水果内部品质检测装置，尤其是涉及一种光斑可调的便携式近红外水果内部品质检测装置。

背景技术

近年来我国水果总产量一直居世界前列，而由于水果产后加工和处理水平不高，水果年出口量仅占总产量的3％左右，这与我国水果生产大国的身份极不相称。糖度对果实品质起着主导作用，它不仅影响果实的甜味和色泽，还是合成维生素和类胡萝卜素等营养成分的基础原料。目前水果内部品质分析方法存在破坏样品、操作复杂、耗时长、成本高和无法实现在线检测等不足，因此研发糖度等水果内部品质因素的快捷检测设备对于满足消费者对食品品质和食物安全的要求，提高水果产品的市场价值与市场竞争力，增加农民收入都具有重大意义。

可见/近红外光谱检测技术由于具有快速、无损的特点，将其运用到便携式的检测设备当中来，能够实现对水果内部品质的无损实时检测。

在日本专利JP09-089767中，采用分光系统将水果反射光分成不同波长的单色光，利用二次微分处理后的912nm和888nm处的吸光度来预测水果内部的糖度，可用于果园水果品质的检测，但分光结构容易受到外界振动和温度等因素的影响，检测精度不高。

在国内专利200910186328.6中，采用620nm、850nm、880nm、940nm四中LED光源构成组合光源，对水果糖度、酸度、维生素C等水果内部品质因素进行检测，此装置具有光源产热小，结构紧凑等优点，但由于采用LED光源功率不高且组合的LED光源涵盖的波长有限，这直接影响了检测的效果。

在国内专利201310515353.0中，采用两组波长分别为830nm、866nm、880nm、889nm、950nm、965nm和1020nm、1115nm、1270nm、1332nm、1381nm近红外管作为光源对脐橙的糖度和酸度进行检测。此装置具有小巧易操作等优点，但波长固定的近红外管单独的照射到水果的不同部位，获得的水果信息十分有限，且各不相同，检测精度不高。

发明内容

为了克服背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种光斑可调的便携式近红外水果内部品质检测装置，形成不同大小的光斑满足不同类型水果品质的检测，并利用舵机对转盘的控制，自动依次采集暗场信息、参比光谱和水果光谱，完成对水果内部品质的检测。

本发明采用的技术方案如下：

本发明包括机箱、光源部分、转盘机构、检测单元和控制处理单元；在机箱内，光源部分通过光源支架安装在机箱右侧；检测单元通过检测支架安装在机箱左侧，打开机箱的掀盖，将水果放入检测单元中的样品室中；转盘机构的转盘安装在光源部分和检测单元之间；控制处理单元的电路板安装在光源支架下面，控制处理单元的嵌入式计算机安装在机箱的上表面；由控制处理单元控制转盘机构及检测单元，实现参比光谱、暗场光谱和水果光谱信息的自动采集，并传递给控制处理单元进行处理分析，完成水果品质的检测。

所述机箱上面开有安装嵌入式计算机的孔，机箱左面开有散热孔，机箱右面开有安装风扇和开有散热孔，机箱后面安装风扇，机箱前面的左面装有掀盖。

所述光源部分，包括卤钨灯、卤钨灯安装座、聚光灯筒、双凸透镜和透镜安装套筒；卤钨灯由电压恒定的开关电源供电，卤钨灯通过卤钨灯安装座固定在聚光灯筒的后端面，双凸透镜通过透镜安装套筒安装在聚光灯筒前段孔内中，光源部分整体安装在光源支架左上方，光源部分整体能在支架上左右移动，调节光斑大小。

所述转盘机构，包括舵机、转盘、第一参比片、第二参比片和舵机连接器；舵机通过绝热垫片安装在光源支架下面，并位于双凸透镜一端，转盘上设有通孔、第一参比孔、第二参比孔和暗场采集部位，四者以间隔90度均匀分布在同一圆周上，第一参比片、第二参比片分别安装在第一参比孔、第二参比孔内，舵机通过舵机连接器与转盘连接。

所述检测单元，包括果盘座、光线接收器、密封圈、样品室、检测支架、光纤和光谱仪；果盘座中间开有一阶梯孔，上部分为圆锥孔，下部分为圆柱孔，固定于检测支架上；样品室安装在果盘座上端，样品室靠近光源一侧有通孔，样品室通孔、转盘通孔和聚光灯筒的中心在同一条直线上；光纤接收器固定在果盘座下方圆柱孔处，光纤一端与光线接收器相连接，另一端与光谱仪相连接，光谱仪安装在光源支架下方；果盘座中心的圆锥孔内安装适合水果的密封圈。

所述控制处理单元：包括电路板和嵌入式计算机；嵌入式计算机安装在机箱的上表面；电路板安装在光源支架下方；电路板通过信号线分别与嵌入式计算机、舵机和光谱仪连接；嵌入式计算机通过USB数据线与光谱仪连接；安装于触摸屏嵌入式计算机内部的程序控制电路板实现对舵机旋转和光谱仪触发采集的控制；安装于嵌入式计算机内部的程序从光谱仪获取光谱信息后，经过分析将对应波长的吸收光谱值读入已存在嵌入式计算机中的糖度模型，并在嵌入式计算机显示屏上对糖度进行显示；整个控制处理单元由开关电源供电，开关电源由安装在机箱上表面的开关按钮开启。

本发明具有的有益效果是：

本发明采用卤钨灯作为原始光源发出连续波长的光谱，通过光纤可直接获取多个波段的光谱信息，并通过舵机对转盘的控制，实现暗场信息、参比信息和水果光谱信息的自动采集；整个检测装置安装于相对密闭的机箱内，可避免外界杂散光对于检测过程的影响，同时机箱壁设有散热风扇和散热孔，及时的将机箱内部产生的热量散发出去，保证机箱内温度维持在正常水平，提高了光谱采集效率和检测精度。

附图说明

图1是本发明的内部结构示意图。

图2是本发明的光源部分、转盘机构、检测单元结构示意图。

图3是本发明的水果放置方式示意图。

图4是本发明的转盘结构示意图。

图5是本发明的转盘安装参比后的结构示意图。

图6是本发明的控制模块控制示意图。

图中：1、水果；2、密封圈；3、果盘座；4、光线接收器；5、检测支架；6、光纤；7、光谱仪；8、光源支架；9、舵机连接器；10、舵机；11、卤钨灯；12、卤钨灯安装座；13、聚光灯筒；14、双凸透镜；15、透镜安装套筒；16、转盘；17a、第一参比片；17b、第二参比片；18、样品室；19掀盖；20、嵌入式电脑；21、机箱；22、把手；23、风扇罩；24、散热孔；25、开关电源；26、电路板；27、风扇；28、开关按钮；29、通孔；30a、第一参比孔；30b、第二参比孔；31、暗场采集部位；32、绝热垫片。

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、图2、图3所示，本发明包括机箱21、光源部分、转盘机构、检测单元和控制处理单元；在机箱21内，光源部分通过光源支架8安装在机箱21右侧；检测单元通过检测支架5安装在机箱21左侧，打开机箱21的掀盖19，将水果放入检测单元中的样品室18中；转盘机构的转盘19安装在光源部分和检测单元之间；控制处理单元的电路板21安装在光源支架8下面，控制处理单元的嵌入式计算机20安装在机箱21的上表面；由控制处理单元控制转盘机构及检测单元，实现参比光谱、暗场光谱和水果光谱信息的自动采集，并传递给控制处理单元进行处理分析，完成水果品质的检测。

如图1、图2、图3所示，所述机箱21上面开有安装嵌入式计算机20的孔，机箱21左面开有散热孔，机箱21右面开有安装两个风扇27和开有散热孔24，机箱21后面安装两个风扇27，机箱21前面的左面装有掀盖19，机箱21左右两侧安装把手22。

如图1、图2所示，所述光源部分，包括卤钨灯11、卤钨灯安装座12、聚光灯筒13、双凸透镜14和透镜安装套筒15；卤钨灯11由电压恒定的开关电源25供电，卤钨灯11通过卤钨灯安装座12固定在聚光灯筒13的后端面，聚光灯筒13内为通孔，前段内孔为螺纹孔，聚光灯筒13中间一段外壁有多个散热法兰；透镜安装套筒15与聚光灯筒13通过螺纹联接，双凸透镜14通过透镜安装套筒15安装在聚光灯筒13前段孔内中，光源部分整体安装在光源支架8左上方，光源部分整体能在支架8上左右移动，调节光斑大小。开关电源25开启时形成一个一定大小的光斑，卤钨灯11侧面和背面装有两个风扇27，在安装风扇27同一位置的机箱21外侧装有风扇罩23，风扇模式为向外抽风，可及时的将卤钨灯11产生的热量排出机箱21外，机箱21左、右两侧下部各设有散热孔24，形成空气流通，保证散热；光源部分整体其左右位置可调，来产生不同大小光斑，适合不同品种的水果检测，薄皮水果用小光斑，厚皮水果用大光斑。

如图1、图2、图4、图5所示，所述的转盘机构，包括舵机10、转盘16、第一参比片17a、第二参比片17b和舵机连接器9；舵机10通过绝热垫片32安装在光源支架8下面，并位于双凸透镜14一端，转盘16上设有通孔29、第一参比孔30a、第二参比孔30b和暗场采集部位31，四者以间隔90度均匀分布在同一圆周上，第一参比片17a、第二参比片17b按照固定角度分别安装在第一参比孔30a、第二参比孔30b内，不同性能的参比片17可以是不同厚度的Teflon材料，或者不同光密度的中性密度滤光片，根据检测水果类型不同可以更换；舵机10通过舵机连接器9与转盘16连接。

转盘16由舵机控制，由控制处理单元控制以一定角度进行旋转，当旋转至暗场采集部位31，转盘16将聚光灯筒13前端遮挡，卤钨灯11光线被拦截，此时检测单元采集暗场光谱；当转盘16旋转至不同性能的第一参比片17a，第二参比片17b其中之一，使对应的第一参比片17a，第二参比片17b其中之一中心与聚光灯筒13中心在一条直线上，光线透过参比第一参比片17a，第二参比片17b，检测单元可获得对应的参比光谱，当转盘16旋转至通孔29处，光线直接穿过通孔29照射到水果1，检测单元可获得水果光谱信息。

如图1、图2所示，所述检测单元，包括果盘座3、光线接收器4、密封圈2、样品室18、检测支架5、光纤6和光谱仪7；果盘座3中间开有一阶梯孔，上部分为圆锥孔，下部分为圆柱孔，固定于检测支架5上；样品室18安装在果盘座3上端，样品室18靠近光源一侧有通孔，样品室18通孔、转盘16通孔和聚光灯筒13的中心在同一条直线上；光纤接收器4固定在果盘座3下方圆柱孔处，光纤6一端与光线接收器4相连接，另一端与光谱仪7相连接，光谱仪7安装在光源支架8下方；果盘座3中心的圆锥孔内安装适合水果的密封圈2。密封圈2由弹性良好的橡胶制成，当水果1放入至果盘座3上，密封圈2与水果1表面完全贴合，可防止外界光线进入光线接收器4而影响检测精度。

如图2、图3、图6所示，所述控制处理单元：包括电路板26(型号为AT89S52)和嵌入式计算机20；嵌入式计算机20安装在机箱21的上表面；电路板26安装在光源支架8下方；电路板26通过信号线分别与嵌入式计算机20、舵机10和光谱仪7连接；嵌入式计算机20通过USB数据线与光谱仪7连接；安装于触摸屏嵌入式计算机20内部的程序控制电路26实现对舵机10旋转和光谱仪7触发采集的控制，其中舵机10旋转0°，光谱仪采集暗场光谱，为“采集暗场”模式；舵机10旋转90°和180°，光谱仪分别采集参比光谱，为“采集参比”模式；舵机10旋转270°，光谱仪采集水果光谱，为“采集水果”模式；安装于嵌入式计算机20内部的程序从光谱仪7获取光谱信息后，经过分析将对应波长的吸收光谱值读入已存在嵌入式计算机20中的糖度模型，并在嵌入式计算机20显示屏上对糖度进行显示；整个控制处理单元由开关电源25供电，开关电源25由安装在机箱21上表面的开关按钮28开启。

所述糖度模型为:SC=11.935-10.233A_616.4+113.366A_663.7+44.969A_670.5-295.799A_675.1+177.825A_680.4-71.823A₇₂₅-102.185A₇₃₁+209.669A_757.4-144.954A_787.3+113.146A_802.3+40.903A_822.4-91.644A₈₆₄-40.546A_886.9+56.578A_900.1

式中，A_λ指在波长为λ处的水果吸光度值。

下面以检测苹果糖度为例，具体阐述操作流程：

接通检测装置电源，按下电源开关按钮，检测装置启动，预热半个小时后，启动光谱采集与糖度检测程序，选择好光谱采集积分时间；第一步按下“采集暗场”，电路板自动控制舵机旋转到转盘上暗场部位，并发出5V的脉冲信号触发光谱仪采集暗场光谱；第二步按下“采集参比”，电路板自动控制舵机旋转到转盘上参比部位，并发出5V的脉冲信号触发光谱仪采集参比光谱；第三步将水果从掀盖处放入检测装置内部，盖好掀盖，按下“采集水果”，电路板自动控制舵机旋转到转盘上通孔部位，卤钨灯光源由双凸透镜汇聚从聚光灯筒出射，经过转盘上的通孔，光源射入苹果，载有水果内部品质信息的光谱从底部射出，由安装在果盘座中心的光线接收器进行汇聚和接收，再由光纤传递给光谱仪在电路板触发下完成水果光谱信息的采集；光谱仪每采集一次光谱数据，通过USB接口将数据传输给嵌入式电脑，在电脑程序内完成光谱数据处理，并提取特征波长下的水果吸收光谱值，调入已有的糖度模型中，得到对应的糖度值并在嵌入式电脑显示屏上进行显示。

所述嵌入式电脑、光线接收器和光谱仪等均可在市场上选购。

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，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种光斑可调的便携式近红外水果内部品质检测装置，其特征在于：包括机箱（21）、光源部分、转盘机构、检测单元和控制处理单元；在机箱（21）内，光源部分通过光源支架（8）安装在机箱（21）右侧；检测单元通过检测支架（5）安装在机箱（21）左侧，打开机箱（21）的掀盖（19），将水果放入检测单元中的样品室（18）中；转盘机构的转盘（19）安装在光源部分和检测单元之间；控制处理单元的电路板（21）安装在光源支架（8）下面，控制处理单元的嵌入式计算机（20）安装在机箱（21）的上表面；由控制处理单元控制转盘机构及检测单元，实现参比光谱、暗场光谱和水果光谱信息的自动采集，并传递给控制处理单元进行处理分析，完成水果品质的检测。

2.根据权利要求1所述的一种光斑可调的便携式近红外水果内部品质检测装置，其特征在于：所述机箱（21）上面开有安装嵌入式计算机（20）的孔，机箱（21）左面开有散热孔，机箱（21）右面开有安装风扇和开有散热孔，机箱（21）后面安装风扇，机箱（21）前面的左面装有掀盖（19）。

3.根据权利要求1所述的一种光斑可调的便携式近红外水果内部品质检测装置，其特征在于：所述光源部分，包括卤钨灯（11）、卤钨灯安装座（12）、聚光灯筒（13）、双凸透镜（14）和透镜安装套筒（15）；卤钨灯（11）由电压恒定的开关电源（25）供电，卤钨灯（11）通过卤钨灯安装座（12）固定在聚光灯筒（13）的后端面，双凸透镜（14）通过透镜安装套筒（15）安装在聚光灯筒（13）前段孔内中，光源部分整体安装在光源支架（8）左上方，光源部分整体能在支架（8）上左右移动，调节光斑大小。

4.根据权利要求1所述的一种光斑可调的便携式近红外水果内部品质检测装置，其特征在于：所述转盘机构，包括舵机（10）、转盘（16）、第一参比片（17a）、第二参比片（17b）和舵机连接器（9）；舵机（10）通过绝热垫片（32）安装在光源支架（8）下面，并位于双凸透镜（14）一端，转盘（16）上设有通孔（29）、第一参比孔（30a）、第二参比孔（30b）和暗场采集部位（31），四者以间隔90度均匀分布在同一圆周上，第一参比片（17a）、第二参比片（17b）分别安装在第一参比孔（30a）、第二参比孔（30b）内，舵机（10）通过舵机连接器（9）与转盘（16）连接。

5.根据权利要求1所述的一种光斑可调的便携式近红外水果内部品质检测装置，其特征在于：所述检测单元，包括果盘座（3）、光线接收器（4）、密封圈（2）、样品室（18）、检测支架（5）、光纤（6）和光谱仪（7）；果盘座（3）中间开有一阶梯孔，上部分为圆锥孔，下部分为圆柱孔，固定于检测支架（5）上；样品室（18）安装在果盘座（3）上端，样品室（18）靠近光源一侧有通孔，样品室（18）通孔、转盘（16）通孔和聚光灯筒（13）的中心在同一条直线上；光纤接收器（4）固定在果盘座（3）下方圆柱孔处，光纤（6）一端与光线接收器（4）相连接，另一端与光谱仪（7）相连接，光谱仪（7）安装在光源支架（8）下方；果盘座（3）中心的圆锥孔内安装适合水果的密封圈（2）。

6.根据权利要求1所述的一种光斑可调的便携式近红外水果内部品质检测装置，其特征在于：所述控制处理单元：包括电路板（26）和嵌入式计算机（20）；嵌入式计算机（20）安装在机箱（21）的上表面；电路板（26）安装在光源支架（8）下方；电路板（26）通过信号线分别与嵌入式计算机（20）、舵机（10）和光谱仪（7）连接；嵌入式计算机（20）通过USB数据线与光谱仪（7）连接；安装于触摸屏嵌入式计算机（20）内部的程序控制电路板（26）实现对舵机（10）旋转和光谱仪（7）触发采集的控制；安装于嵌入式计算机（20）内部的程序从光谱仪（7）获取光谱信息后，经过分析将对应波长的吸收光谱值读入已存在嵌入式计算机（20）中的糖度模型，并在嵌入式计算机（20）显示屏上对糖度进行显示；整个控制处理单元由开关电源（25）供电，开关电源（25）由安装在机箱（21）上表面的开关按钮（28）开启。