CN105092518B - 一种脐橙糖度快速无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脐橙糖度快速无损检测方法，解决现有的脐橙近红外光谱检测技术未考虑果皮对光谱的干扰以及水果大小重量的影响，检测精度较低的问题。本方法利用近红外光谱仪获取脐橙及脐橙果皮的近红外光谱，采用重量传感器及超声波传感器测定脐橙的重量、高度及两个相互垂直方向上的直径。利用剥除脐橙单侧果皮获取光谱衰减值的方法消除果皮对糖度检测的影响，采用脐橙的重量、高度及直径数据校正脐橙大小对脐橙糖度检测的影响。应用多元线性回归将校正后的脐橙光谱与其糖度值进行关联，建立脐橙糖度的线性回归方程，从而实现脐橙糖度的快速无损检测。本发明可以校正和消除脐橙大小及果皮对脐橙糖度检测的影响，有效提高采用近红外光谱检测脐橙糖度的精度。

Description

一种脐橙糖度快速无损检测方法

技术领域

本发明属于果品品质检测领域，涉及一种脐橙糖度快速无损检测方法和装置。

背景技术

脐橙营养丰富，果肉细嫩而脆、口感清甜，是深受人们欢迎的水果。随着人们生活水平的不断提高，人们在选购脐橙时不仅关注其外观品质如大小、颜色、果形、表面缺陷等，而且对脐橙的内部品质如糖度和酸度等也极为重视。

近红外光谱技术是一种快速、无损、绿色的现代分析技术。目前，近红外光谱技术对脐橙及其他水果的糖度快速无损检测已有一些报道，如中国专利CN 101308086 A公开了一种基于近红外光谱技术的水果内部品质在线检测方法及装置；中国专利CN 103487396 A公开了一种光照参数可调的近红外水果糖度无损检测装置；中国专利CN 103940744 A公开了一种小型水果可见/近红外光谱动态在线采集装置。上述专利中，均未考虑水果大小及果皮因素对糖度检测精度的影响。实际检测中，水果大小不一，相同糖度而大小不同的水果由于对近红外光的吸收程度不同，其近红外光谱将存在差异，因此将对糖度检测精度产生较大影响。此外，水果糖度近红外检测属于非破坏性检测，在检测过程中，采集的近红外光谱包含果皮和果肉信息，而我们所需要的是果肉的糖度光谱信息，果皮的光谱信息则属于干扰光谱信息，会影响糖度检测精度，而果皮越厚则影响越大。脐橙属于中厚型果皮，果皮对糖度检测的影响较大，而相对于朝向光源的入射侧果皮，对应近红外光谱探头一侧的出射侧果皮对光谱信息干扰尤为大，由于初始光源的光线在经过入射侧果皮、果肉部分的衰减后，本身光能就衰减到相对较低的程度，而且此时的果肉光谱信息量比较完整，此时再经过一层果皮衰减，果肉近红外光谱信息会受到很大的干扰。针对现有水果糖度近红外检测的缺陷，本发明提出一种脐橙糖度快速无损检测方法和装置，校正和消除水果大小及果皮对糖度检测的影响，提高脐橙糖度的检测精度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的脐橙近红外光谱检测技术未考虑果皮对光谱的干扰以及水果大小重量的影响，检测精度较低的问题，提供一种脐橙糖度快速无损检测方法和装置，校正和消除水果大小及果皮对脐橙糖度检测的影响，提高脐橙糖度的检测精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种脐橙糖度快速无损检测方法，该方法的步骤如下：

步骤1：建立脐橙糖度的线性回归方程；

步骤1.1，采集n个脐橙样本分别记为M₁、M₂、M₃、…、M_n；

步骤1.2，对于每一个脐橙样本M_i，1＜i＜n，将光源对准脐橙样本M_i的赤道中心，由近红外光谱仪与光源间隔90度的方向对准脐橙样本M_i的赤道中心，采集透过脐橙样本的光谱A_i1，将脐橙样本M_i转动90度、180度、270度分别采集光谱A_i2、A_i3、A_i4，对A_i1、A_i2、A_i3、Ai4取平均值作为脐橙样本M_i的近红外光谱，其能量值记为A_i，脐橙样本M_i转动过程中，光源、近红外光谱仪的中心线均保持与脐橙样本赤道面位于同一平面；

步骤1.3，利用重量传感器测定脐橙样本M_i的重量(记为G_i)，利用超声波传感器测定脐橙样本的高度(记为H_i)，利用超声波传感器测定脐橙样本赤道平面上两个相互垂直方向的赤道直径，以采集光谱A_i1过程中与近红外光谱仪中心线重合的赤道直径记为D_i1、与光源中心线重合的赤道直径记为D_i2；

步骤1.4，环绕脐橙样本M_i的赤道圈，分别去除脐橙样本相对两侧面90度扇形区域的果皮，然后按步骤1.2中的近红外光谱仪和光源布置方式，对去除部分果皮的脐橙样本每转动90度采集一次光谱，依次记为B_i1、B_i2、B_i3、B_i4，其中，B_i1、B_i3采集过程中脐橙样本朝向光源一侧有果皮、朝向近红外光谱仪一侧无果皮，B_i2、B_i4采集过程中脐橙样本朝向光源一侧无果皮、朝向近红外光谱仪一侧有果皮；

步骤1.5，将脐橙样本M_i完全去除果皮，对脐橙样本M_i果肉采用国家标准方法测定其糖度值，作为脐橙样本M_i的糖度真实值；

步骤1.6，消除果皮光谱信息对糖度检测的影响，保留果肉的光谱信息，将能量值作为去除果皮光谱信息后的脐橙样本M_i的果肉近红外光谱；

步骤1.7，校正水果大小对糖度检测的影响，将脐橙样本的近红外光谱C_i采用水果大小校正因子进行校正，即作为脐橙样本M_i的果肉近红外校正光谱；

步骤1.8，选取720nm、756nm、782nm、840nm、886nm、942nm波长为脐橙糖度的特征波长，并获取脐橙样本M_i的果肉近红外校正光谱中的特征波长的光谱值；

步骤1.9，采用多元线性回归将步骤1.8中的特征波长的光谱值与步骤1.5中的脐橙样本的真实糖度值进行关联，建立脐橙糖度的线性回归方程，线性回归方程为

步骤1.10，按脐橙样本重量对果皮光谱能量衰减信息进行区间统计，脐橙样品果皮光谱能量衰减信息为由果皮吸收光能造成的果皮入射和出射光之间的光能衰减值，对于脐橙样本M_i，其果皮光谱能量衰减信息I_i为将脐橙样本M₁、M₂、M₃、…、M_n按照重量划分为4个等跨度的重量区间，分别统计每个区间内所有脐橙样品果皮衰减信息的平均值，分别记为I¹、I²、I³、I⁴；

步骤2：待测脐橙样本的糖度快速无损检测；

步骤2.1，选取待测脐橙样本N，按照步骤1.2获取透过待测脐橙样本N的光，作为待测脐橙样本的近红外光谱，其能量值记为a；

步骤2.2，按照步骤1.3测定待测脐橙样本N的重量、高度及两个相互垂直方向的赤道直径，分别记为g、h、d1及d2；

步骤2.3，根据步骤2.2中的待测脐橙样本N的重量g，判断待测脐橙样本N的重量属于步骤1.10中的区间位置，若属于一区间，则选取一区间的果皮衰减信息的平均值I¹作为待测脐橙样本N的果皮衰减信息，并将能量值c＝a+I¹作为去除果皮光谱信息后的待测脐橙样本N的果肉近红外光谱；

步骤2.4，校正水果大小对糖度检测的影响，将待测脐橙样本N的果肉近红外光谱c采用水果大小校正因子进行校正，即作为待测脐橙样本N的果肉近红外校正光谱；

步骤2.5，对于待测脐橙样本N的果肉近红外校正光谱，获取特征波长720nm、756nm、782nm、840nm、886nm、942nm的光谱值；

步骤2.6，将步骤2.5中的待测脐橙样本N特征波长的光谱值代入步骤1.9的线性回归方程中，从而获得待测脐橙样本N的糖度值预测值，实现脐橙糖度的快速无损检测。

本方法分别测量整个脐橙的近红外光谱信息、单独去掉朝向光源的入射侧果皮的近红外光谱信息、单独去掉朝向近红外光谱仪的出射侧果皮的近红外光谱信息，然后将三者相互消除，从而获得果皮对光谱信息的干扰值，在建模和预测过程中，对干扰信息进行排除，从而获得更为准确的果肉近红外光谱信息，能更好地跟果肉糖度真实值建立对应模型，提高检测精度。检测过程中，采用只剥除入射或出射一侧的果皮，是为了减少两侧果皮互相干扰造成的误差。

一种实现上述脐橙糖度快速无损检测方法的检测装置，包括工作台、光源、近红外光谱仪，其特征在于，所述工作台上放置脐橙样品，近红外光谱仪连接有作为光谱数据获取探头的准直透镜，所述准直透镜竖直向下设置在工作台的正上方，所述工作台上方两侧分别设有光源，光源朝工作台方向水平设置，工作台上设有重量传感器，所述准直透镜的一侧、光源的一侧均设有用于测量距离的超声波传感器，准直透镜、光源分别通过各自的可调节支架进行支撑。

作为优选，所述光源设置在固定套筒内，固定套筒内从后到前依次设置有卤钨灯杯、1000nm低通截止滤光片、600nm高通截止滤光片I、双凸透镜、平凸透镜。

作为优选，所述工作台为旋转平台，旋转平台的底部设有控制旋转的步进电机。

作为优选，所述可调节支架包括单轴位移台，单轴位移台上设有用于支撑的固定连杆。

作为优选，获取脐橙样品光谱信息操作时，脐橙样品的赤道平面、光源中轴线、准直透镜中轴线位于同于平面。

本发明的有益效果是：本发明的脐橙糖度检测方法和装置通过剥除单侧果皮的差值检测，去除了果皮的干扰信息，而且可以校正脐橙大小对检测精度的影响，有效提高脐橙糖度快速无损检测的精度。

附图说明

图1是本发明的一种检测装置示意图。

图2是脐橙样品剥除朝向光源一侧果皮的检测状态示意图。

图3是脐橙样品剥除朝向近红外光谱仪一侧果皮的检测状态示意图。

图中：1、单轴位移台I；2、固定连杆I；3、超声波传感器I；4、准直透镜；5、光纤；6、计算机；7、近红外光谱仪；8、超声波传感器II；9、双凸透镜I；10、1000nm低通截止滤光片I；11、600nm高通截止滤光片I；12、卤钨灯杯I；13、电线I；14、稳压直流电源I；15、固定连杆II；16、单轴位移台II；17、固定套筒I；18、平凸透镜I；19、步进电机；20、重量传感器；21、旋转平台；22、平凸透镜II；23、单轴位移台III；24、固定连杆III；25、稳压直流电源II；26、电线II；27、卤钨灯杯II；28、固定套筒II；29、600nm高通截止滤光片II；30、1000nm低通截止滤光片II；31、双凸透镜II；32、超声波传感器III；33、脐橙样本。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步说明。

实施例：一种脐橙糖度快速无损检测装置，如图1所示。近红外光谱仪7连接有作为光谱数据获取探头的准直透镜4，所述准直透镜竖直向下设置在旋转平台21的正上方，所述工作台上方两侧分别设有光源，光源朝工作台方向水平设置，光源设置在固定套筒内，固定套筒内从后到前依次设置有卤钨灯杯、1000nm低通截止滤光片、600nm高通截止滤光片I、双凸透镜、平凸透镜。所述准直透镜的一侧、固定套筒的一侧均设有用于测量距离的超声波传感器，准直透镜、光源分别通过各自的单轴位移台进行可调节支撑。

具体结构及测量方式参见图1、2、3，并如下所述：将脐橙样本33置于旋转平台21的中心，使脐橙样本33的果柄和果梗连线水平放置，并与固定套筒I17和固定套筒II28的中心线垂直，卤钨灯杯I12和卤钨灯杯II27的中心对准脐橙样本33的赤道中心，准直透镜4位于脐橙样本33上方的赤道中心；打开稳压直流电源I14，卤钨灯杯I12产生的光经1000nm低通截止滤光片I10和600nm高通截止滤光片I11过滤后(即仅有600～1000nm的光通过)，再经双凸透镜I9及平凸透镜I18，变成平行光束照射到脐橙样本33的赤道中心；同时，打开稳压直流电源II25，卤钨灯杯II27产生的光经1000nm低通截止滤光片II30和600nm高通截止滤光片I29过滤后，再经双凸透镜II31及平凸透镜II22，变成平行光束照射到脐橙样本33的赤道中心；透过脐橙样本33的光经准直透镜4收集，再经由光纤5，被近红外光谱仪7检测，再保存到计算机6中。

调节单轴位移台I1，使固定在固定连杆I2上的超声波传感器I3移动，并对准脐橙样本33上方的赤道中心，由超声波传感器I3测定脐橙样本33垂直方向上的直径，超声波传感器I3与旋转平台21之间距离固定，通过超声波传感器I3测定超声波传感器I3到脐橙样本33的赤道中心距离即可知道脐橙样本33垂直方向上的直径；调节单轴位移台II16，使固定在固定套筒I17上方中心位置的超声波传感器II8移动，对准脐橙样本33右侧的赤道中心，再调节单轴位移台III23，使固定在固定套筒II28上方中心位置的超声波传感器III32移动，对准脐橙样本33左侧的赤道中心，通过超声波传感器II8和超声波传感器III32测定脐橙样本33水平方向的直径。启动步进电机19，使旋转平台21转过90度，使脐橙样本33的果柄和果梗连线与固定套筒I17和固定套筒II28的中心线平行，通过超声波传感器II8和超声波传感器III32测定脐橙样本33的高度。通过安装在旋转平台21上的重量传感器20测定脐橙样本33的重量。

采用本装置进行脐橙糖度快速无损检测的方法采用以下步骤：

步骤1：建立脐橙糖度的线性回归方程；

步骤1.1，采集n个脐橙样本分别记为M₁、M₂、M₃、…、M_n；

步骤1.2，对于每一个脐橙样本M_i，1＜i＜n，将光源对准脐橙样本M_i的赤道中心，由近红外光谱仪与光源间隔90度的方向对准脐橙样本M_i的赤道中心，采集透过脐橙样本的光谱A_i1，将脐橙样本M_i转动90度、180度、270度分别采集光谱A_i2、A_i3、A_i4，对A_i1、A_i2、A_i3、A_i4取平均值作为脐橙样本M_i的近红外光谱，其能量值记为A_i，脐橙样本M_i转动过程中，光源、近红外光谱仪的中心线均保持与脐橙样本赤道面位于同一平面；

步骤1.3，利用重量传感器测定脐橙样本M_i的重量(记为G_i)，利用超声波传感器测定脐橙样本的高度(记为H_i)，利用超声波传感器测定脐橙样本赤道平面上两个相互垂直方向的赤道直径，以采集光谱A_i1过程中与近红外光谱仪中心线重合的赤道直径记为D_i1、与光源中心线重合的赤道直径记为D_i2；

步骤1.4，环绕脐橙样本M_i的赤道圈，分别去除脐橙样本相对两侧面90度扇形区域的果皮，如图2、3所示；然后按步骤1.2中的近红外光谱仪和光源布置方式，对去除部分果皮的脐橙样本每转动90度采集一次光谱，依次记为B_i1、B_i2、B_i3、B_i4，其中，B_i1、B_i3采集过程中脐橙样本朝向光源一侧有果皮、朝向近红外光谱仪一侧无果皮，B_i2、B_i4采集过程中脐橙样本朝向光源一侧无果皮、朝向近红外光谱仪一侧有果皮；

步骤1.5，将脐橙样本M_i完全去除果皮，对脐橙样本M_i果肉采用国家标准方法测定其糖度值，作为脐橙样本M_i的糖度真实值；

步骤1.6，消除果皮光谱信息对糖度检测的影响，保留果肉的光谱信息，将能量值作为去除果皮光谱信息后的脐橙样本M_i的果肉近红外光谱；

步骤1.7，校正水果大小对糖度检测的影响，将脐橙样本的近红外光谱C_i采用水果大小校正因子进行校正，即作为脐橙样本M_i的果肉近红外校正光谱；

步骤1.8，选取720nm、756nm、782nm、840nm、886nm、942nm波长为脐橙糖度的特征波长，并获取脐橙样本M_i的果肉近红外校正光谱中的特征波长的光谱值；

步骤1.9，采用多元线性回归将步骤1.8中的特征波长的光谱值与步骤1.5中的脐橙样本的真实糖度值进行关联，建立脐橙糖度的线性回归方程，线性回归方程为

步骤1.10，按脐橙样本重量对果皮光谱能量衰减信息进行区间统计，脐橙样品果皮光谱能量衰减信息为由果皮吸收光能造成的果皮入射和出射光之间的光能衰减值，对于脐橙样本M_i，其果皮光谱能量衰减信息I_i为将脐橙样本M₁、M₂、M₃、…、M_n按照重量划分为4个等跨度的重量区间，分别统计每个区间内所有脐橙样品果皮衰减信息的平均值，分别记为I¹、I²、I³、I⁴；

步骤2：待测脐橙样本的糖度快速无损检测；

步骤2.1，选取待测脐橙样本N，按照步骤1.2获取透过待测脐橙样本N的光，作为待测脐橙样本的近红外光谱，其能量值记为a；

步骤2.2，按照步骤1.3测定待测脐橙样本N的重量、高度及两个相互垂直方向的赤道直径，分别记为g、h、d1及d2；

步骤2.3，根据步骤2.2中的待测脐橙样本N的重量g，判断待测脐橙样本N的重量属于步骤1.10中的区间位置，若属于一区间，则选取一区间的果皮衰减信息的平均值I¹作为待测脐橙样本N的果皮衰减信息，并将能量值c＝a+I¹作为去除果皮光谱信息后的待测脐橙样本N的果肉近红外光谱；

步骤2.4，校正水果大小对糖度检测的影响，将待测脐橙样本N的果肉近红外光谱c采用水果大小校正因子进行校正，即作为待测脐橙样本N的果肉近红外校正光谱；

步骤2.5，对于待测脐橙样本N的果肉近红外校正光谱，获取特征波长720nm、756nm、782nm、840nm、886nm、942nm的光谱值；

步骤2.6，将步骤2.5中的待测脐橙样本N特征波长的光谱值代入步骤1.9的线性回归方程中，从而获得待测脐橙样本N的糖度值预测值，实现脐橙糖度的快速无损检测。

Claims (1)

1.一种脐橙糖度快速无损检测方法，其特征在于该方法的步骤如下：

步骤1：建立脐橙糖度的线性回归方程；

步骤1.1，采集n个脐橙样本分别记为M₁、M₂、M₃、…、M_n；

步骤1.2，对于每一个脐橙样本M_i，1＜i＜n，将光源对准脐橙样本M_i的赤道中心，由近红外光谱仪与光源间隔90度的方向对准脐橙样本M_i的赤道中心，采集透过脐橙样本的光谱A_i1，将脐橙样本M_i转动90度、180度、270度分别采集光谱A_i2、A_i3、A_i4，对A_i1、A_i2、A_i3、A_i4取平均值作为脐橙样本M_i的近红外光谱，其能量值记为A_i，脐橙样本M_i转动过程中，光源、近红外光谱仪的中心线均保持与脐橙样本赤道面位于同一平面；

步骤1.3，利用重量传感器测定脐橙样本M_i的重量(记为G_i)，利用超声波传感器测定脐橙样本的高度(记为H_i)，利用超声波传感器测定脐橙样本赤道平面上两个相互垂直方向的赤道直径，以采集光谱A_i1过程中与近红外光谱仪中心线重合的赤道直径记为D_i1、与光源中心线重合的赤道直径记为D_i2；

步骤1.4，环绕脐橙样本M_i的赤道圈，分别去除脐橙样本相对两侧面90度扇形区域的果皮，然后按步骤1.2中的近红外光谱仪和光源布置方式，对去除部分果皮的脐橙样本每转动90度采集一次光谱，依次记为B_i1、B_i2、B_i3、B_i4，其中，B_i1、B_i3采集过程中脐橙样本朝向光源一侧有果皮、朝向近红外光谱仪一侧无果皮，B_i2、B_i4采集过程中脐橙样本朝向光源一侧无果皮、朝向近红外光谱仪一侧有果皮；

步骤1.5，将脐橙样本M_i完全去除果皮，对脐橙样本M_i果肉采用国家标准方法测定其糖度值，作为脐橙样本M_i的糖度真实值；

步骤1.6，消除果皮光谱信息对糖度检测的影响，保留果肉的光谱信息，将能量值作为去除果皮光谱信息后的脐橙样本M_i的果肉近红外光谱；

步骤1.7，校正水果大小对糖度检测的影响，将脐橙样本的近红外光谱C_i采用水果大小校正因子进行校正，即作为脐橙样本M_i的果肉近红外校正光谱；

步骤1.8，选取720nm、756nm、782nm、840nm、886nm、942nm波长为脐橙糖度的特征波长，并获取脐橙样本M_i的果肉近红外校正光谱中的特征波长的光谱值；

步骤1.9，采用多元线性回归将步骤1.8中的特征波长的光谱值与步骤1.5中的脐橙样本的真实糖度值进行关联，建立脐橙糖度的线性回归方程，线性回归方程为

步骤1.10，按脐橙样本重量对果皮光谱能量衰减信息进行区间统计，脐橙样品果皮光谱能量衰减信息为由果皮吸收光能造成的果皮入射和出射光之间的光能衰减值，对于脐橙样本M_i，其果皮光谱能量衰减信息I_i为将脐橙样本M₁、M₂、M₃、…、M_n按照重量划分为4个等跨度的重量区间，分别统计每个区间内所有脐橙样品果皮衰减信息的平均值，分别记为I¹、I²、I³、I⁴；

步骤2：待测脐橙样本的糖度快速无损检测；

步骤2.1，选取待测脐橙样本N，按照步骤1.2获取透过待测脐橙样本N的光，作为待测脐橙样本的近红外光谱，其能量值记为a；

步骤2.2，按照步骤1.3测定待测脐橙样本N的重量、高度及两个相互垂直方向的赤道直径，分别记为g、h、d1及d2；

步骤2.3，根据步骤2.2中的待测脐橙样本N的重量g，判断待测脐橙样本N的重量属于步骤1.10中的区间位置，若属于一区间，则选取一区间的果皮衰减信息的平均值I¹作为待测脐橙样本N的果皮衰减信息，并将能量值c＝a+I¹作为去除果皮光谱信息后的待测脐橙样本N的果肉近红外光谱；

步骤2.4，校正水果大小对糖度检测的影响，将待测脐橙样本N的果肉近红外光谱c采用水果大小校正因子进行校正，即作为待测脐橙样本N的果肉近红外校正光谱；

步骤2.5，对于待测脐橙样本N的果肉近红外校正光谱，获取特征波长720nm、756nm、782nm、840nm、886nm、942nm的光谱值；

步骤2.6，将步骤2.5中的待测脐橙样本N特征波长的光谱值代入步骤1.9的线性回归方程中，从而获得待测脐橙样本N的糖度值预测值，实现脐橙糖度的快速无损检测。