CN105181611A - 类球形水果透射高光谱成像无损检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种类球形水果透射高光谱成像无损检测装置，涉及农产品品质无损检测技术领域。本装置是：在箱体（20）内的底部设置有电动位移台（40），在电动位移台（40）的上部设置有样品室（50），在箱体（20）内的顶部设置有高光谱成像仪（30）；电动位移台（40）和高光谱成像仪（30）分别与箱体（20）外的电脑（10）连接；水果样品（00）置于样品室（50）内，对准高光谱成像仪（30）。本装置设计合理，调节方便，功能全面，适用于苹果、柿子、梨、桃子、柑橘、西瓜等类球形水果的无损检测和试验研究。

Description

类球形水果透射高光谱成像无损检测装置

技术领域

本发明涉及农产品品质无损检测技术领域，尤其是涉及一种类球形水果透射高光谱成像无损检测装置。

背景技术

随着国内外水果消费需求和品位不断提高，市场对水果的品质提出了更多更高的要求。在选购水果时不仅注重水果大小、外观形状等外部品质，而且更加关注水果内部品质如口感、糖度以及营养成分等。中国水果种植面积和产量连续多年位居世界首位，水果产业在国内农副产品中占有很大的份额，已成为中国地方经济发展和农民增收的支柱产业，对地方农业和经济的发展有着巨大的促进和推动作用。

由于水果在生长过程中受到光照条件、营养物质、灌溉水分和田间管理等因素的影响，导致水果品质差异较大，若是能在水果上市前对水果品质进行无损检测分级，就能大大地提高水果的质量，适应水果的商品化处理，极大地增加水果市场的经济效益，以及刺激消费者的购买热情和提高销售商的营业利润。传统化学分析方法可以实现对水果品质的检测，但传统方法属于有损检测，并且会破坏样本并造成化学试剂污染，不能满足水果品质快速无损检测和分级的发展需要。目前我国的鲜果品质分级无损检测技术和水平仍比较落后，更缺乏相应的商品化处理设备，因此，亟待解决水果品质快速无损检测问题，满足市场对高品质水果的要求，增强特色水果品牌的竞争力和影响力，提高经济效益，推动水果产业化发展。

高光谱成像技术是一种科学、高效而准确的快速无损检测技术，融合了成像技术和光谱技术的优点，不仅能获得待测物的空间图像信息，还能反映其内部品质的光谱信息，是在一系列特定的光波波长处得到的光学光谱图像。水果内部组织较为复杂，不同水果内部成分具有差异，尤其是不同品种的水果差异更大，在高光谱成像检测过程中要得到清晰可靠的光谱图像信息，检测装置尤为重要。在目前的研究中，水果高光谱成像检测装置只是针对单一品种的检测装置，因此不可避免存在这样的下列问题：

水果高光谱成像无损检测装置的功能相对比较单一，只是针对某种水果进行检测，不能对不同果型不同品种水果进行无损检测，而且不能实现不同光源数量、不同光源入射角度和不同检测开孔直径的改变。

发明内容

由于不同水果个体质构差异、大小果型差异、光源功率、光源不同入射光角度和透光孔直径等都会对光传播路径产生较大影响，尤其是厚皮类水果检测过程中可以通过增加光源功率提高光透射率进而获得高信噪比信号，但同时也会灼伤水果以及托盘柔性衬垫；为了系统研究水果在高光谱成像检测过程中果型、光源功率、光源入射角度和透光孔直径等因素对信号信噪比的影响，本发明的目的就在于提供一种类球形水果透射高光谱成像无损检测装置。

利用该装置，可以满足类球形水果透射光谱采集方式、不同光源功率、光源入射角度、透光孔直径以及光源距水果距离等功能的检测实验要求，为水果品质高光谱成像快速无损检测提供多功能实验装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

检测装置的搭建首先要求合理地选择检测方式，其直接影响获得的高光谱图像信号，本发明可以实现透射检测方式，尤其是厚皮类和有果核的水果。反射方式很难获取水果内部组织的信息，皮厚表皮信息对内部信息干扰较大，如何获得高信噪比的光谱和图像信息尤为重要；透射检测方式可以避免表面亮斑影响，获取到水果深层信息；目前的实验研究都未提供这样的实验装置和同时实现这样的功能。

具体地说，本装置包括工作对象——水果样品；

设置有电脑、箱体、高光谱成像仪、电动位移台和样品室；

其位置和连接关系是：

在箱体内的底部设置有电动位移台，在电动位移台的上部设置有样品室50，在箱体内的顶部设置有高光谱成像仪；电动位移台和高光谱成像仪分别与箱体外的电脑连接；

水果样品置于样品室内，对准高光谱成像仪。

本发明具有下列优点和积极效果：

①根据水果不同类别、不同果型、不同大小在透射检测过程中受光源影响较大以及信噪比往往较低等特点，可调式光源旋转支架54实现光源55入射角度自由调节，提高入射光的光子效率，尤其是厚皮类水果，光的透射难度更大，光学面包板51上等间距6M螺纹孔可以根据需要安装不同数量的光源55数量，从而满足水果在检测过程中对不同光源能量的需要；

②通过对安装在顶部盖板57下方的光阑59进行调节，实现检测装置不同透光孔直径的调节，以适用不同大小、不同类型的类球形水果的检测要求；

③通过透射高光谱成像无损检测装置实现类球形型水果品质快速无损检测，并根据水果类型选择透射光谱采集方式，手动升降台53可以根据不同水果的大小调节高度满足高光谱成像仪30采集光谱图像信息焦距一致，柔性垫58可以克服水果形状不规则造成漏光的问题，进而提高检测精度和检测效益。

本装置设计合理，调节方便，功能全面，适用于苹果、柿子、梨、桃子、柑橘、西瓜等类球形水果的无损检测和试验研究。

附图说明

图1是本装置的结构示意图；

图2是采集的脐橙样品透射高光谱图像。

图中：

00—水果样品；

10—电脑；

20—箱体；

30—高光谱成像仪；

40—电动位移台，

41—丝杠；

50—样品室，

51—光学面包板，

52—接杆，

53—手动升降台，

54—光源旋转支架，

55—光源，

56—托盘，

57—顶部盖板，

58—柔性垫，

59—光阑。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本装置详细说明：

一、装置的结构

1、总体

如图1，本装置包括工作对象——水果样品00；

设置有电脑10、箱体20、高光谱成像仪30、电动位移台40和样品室50；

其位置和连接关系是：

在箱体20内的底部设置有电动位移台40，在电动位移台40的上部设置有样品室50，在箱体20内的顶部设置有高光谱成像仪30；电动位移台40和高光谱成像仪30分别与箱体20外的电脑10连接；

水果样品00置于样品室50内，对准高光谱成像仪30。

本装置的工作机理：

电动位移台40用于实现样品室50的水平移动；箱体20用于保护高光谱仪30、电动位移台40以及样品室50不受外界环境干扰和灰尘污染；电脑10用于控制电动位移台40的输送速度和行进位置以及设置高光谱仪30采集参数和对高光谱仪30采集到的光谱信号进行处理运算。

2、功能部件

1）电脑10

电脑10是一种通用件，如选用联想（ThinkPad）公司的台式电脑；

其功能是处理高光谱仪30采集到的样品00的光谱信号，控制电动位移台40的输送速度和行进位置。

2）箱体20

箱体20是一种铝合金金属壳体，表面经过表面阳极氧化处理，长为0.8米，宽为0.8米，高为1米，壳体厚度为2mm；

其功能用于保护高光谱仪30、电动位移台40和样品室50不受外界环境干扰和灰尘污染。

3）高光谱成像仪30

高光谱成像仪30是一种通用件，如选用芬兰SPECIM公司SpecimV10E高光谱成像光谱仪；

其功能是获得清晰稳定的样品高光谱图图像，即获取在400～1000nm波段范围内的高光谱图像，有效像素1392×1040，光谱分辨率为8nm。

4）电动位移台40

电动位移台40是一种通用件，如选用卓立汉光公司的电动位移台；

其功能用于承载样品室50，通过软件对丝杠41进行控制，实现样品室50的输送速度和输送位置的改变。

5）样品室50

如图1，样品室50由光学面包板51、接杆52、手动升降台53、光源旋转支架54、光源55、托盘56、顶部盖板57、柔性垫58和光阑59组成；

其位置和连接关系是：

光学面包板51、手动升降台53、托盘56和样品00自下而上依次连接，实现样品00的升降；

在光学面包板51的4角分别设置有4根接杆52，接杆52、光源旋转支架54和光源55依次连接，实现光源55的旋转；

顶部盖板57固定在接杆52顶端上，在顶部盖板57下面依次设置有光阑59和柔性垫58，实现

本样品室50的工作机理：

样品室50可以满足类球形水果的透射高光谱成像无损检测要求，水果样品00置于托盘56内放置在手动升降台53上方和顶部盖板57下方可以实现透射检测要求。光学面包板51用于安装接杆52，固定其位置，可以根据需要增加或减少接杆52数量；光源旋转支架54用于调整光源的入射角度和入射高度；光源55用于照射样品00表面，使其有光透过水果样品00内部，进而被高光谱仪30检测到；顶部盖板57用于固定柔性垫58和光阑59，满足不同大小水果对光能量的要求；柔性垫58用于水果样品00的放置，使其不漏光；光阑59用于调节透光孔直径，使其满足对不同光能量的要求。

（1）光学面包板51

光学面包板51是一种铝合金方形面体，外购件，要求表面阳极氧化，表面平整，有若干个等间距6M螺纹孔；

其功能是用于固定在电动位移台40上，随电动位移台40移动，上方螺纹孔固定四根接杆52和手动升降台53，用作样品室50的底座，可以满足不同大小、不同类球形水果对光源数量的要求；

光学面包板（6）上有若干个等间距6M螺纹孔，螺纹孔安装接杆（7）可以满足不同大小、不同类球形水果对光源数量的要求。

（2）接杆52

接杆52是一种金属柱体，外购件，要求表面光洁；

其功能用于固定在光学面包板51上，起支撑作用，接杆52上用于固定光源旋转支架54，用于光源旋转支架54的固定和高度调节杆件。

（3）手动升降台53

手动升降台53是一种光学元件，外购件；

其功能用于调节水果样品00的高度，调节手动升降台53可以根据不同水果的大小调节高度满足高光谱成像仪30采集光谱图像信息焦距一致。

（4）光源旋转支架54

光源旋转支架54是一种光学元件，外购件；

其功能用于类球形水果在内部品质无损检测试验过程中，通过调整光源旋转支架54角度满足不同水果样品00不同入射角度的需要，满足不同水果样品00试验条件的要求。

（5）光源55

光源55是一种卤素灯，外购件；

用于不同入射角度研究水果样品00在检测过程中，光源入射角度对检测精度和检测效果的影响，寻找最佳入射角度，提高光谱检测的信噪比。

（6）托盘56

托盘56是一种橡胶柔性圆盘体；

用于放置水果样品00，防止水果样品00移动。

（7）顶部盖板57

顶部盖板57是一种正中心开有透光口的金属板；

用于固定柔性垫58和光阑59。

（8）柔性垫58

柔性垫58是一种橡胶柔性材料，长、宽及开孔直径和顶部盖板57一致；

其功能用于克服水果样品00形状不规则造成漏光的问题。

（9）光阑59

光阑是一种光学元件，外购件；

其功能用于改变中间透光孔直径大小，通过对光阑59进行调节，可以根据不同大小、不同类型的类球形水果样品00进行调节，实现不同水果样品00对光能量的要求。

利用透射高光谱成像无损检测装置检测类球形水果的内部品质，根据不同大小、不同类型的类球形水果的特征调节样品室光阑59开度，实现不同透光孔直径的调节，调节光源旋转支架54，实现水果不同入射角度的调节，调节光源旋转支架54在接杆52上的位置，实现水果不同入射位置的调节，调整光学面包板51上接杆的数量，实现光源55卤素灯的数量改变进而获得不同光源功率，从而满足不同类型类球形水果的检测要求，实现对类球形水果快速无损检测试验研究。

二、试验情况

图2中水果样品00的高光谱图像是通过高光谱仪30对样品室50中的水果样品00进行高光谱图像采集所得到的。

下面结合一种实施例和附图详细说明本发明，如图1所示，采用芬兰SPECIM公司SpecimV10E高光谱成像光谱仪，用于获取在400～1000nm波段范围内的高光谱图像，有效像素1392×1040，光谱分辨率为8nm；采用联想（ThinkPad）台式电脑作为高光谱图像信息处理与检测单元；样品室采用4盏50W卤素灯作为采集光源，利用强光照射脐橙样品，透射出的光能量携带的样品内部信息更多。

具体工作过程如下：开启电脑10，打开高光谱采集软件，启动高光谱成像光谱仪30，打开4盏卤素灯光源55，调整光源旋转支架54使得光源55入射位置在脐橙样品00的赤道部位，预热30分钟，调节合适的电动位移平台40的输送速度、检测参数等，打开顶部盖板57，将脐橙样品00放置在手动升降台53上方的托盘56上，然后盖上顶部盖板57，调整光阑59改变透光孔直径，调整手动升降台53，使脐橙样品00上表面与顶部盖板57下部的柔性垫58紧密接触防止漏光影响检测效果，光源55卤素灯发出的均匀光照射到脐橙样品00赤道部位附近，光能穿透脐橙样品00赤道部位果皮经过内部果肉并携带脐橙内部品质等信息透过果脐部位果皮被高光谱成像光谱仪30接受，经过采集软件信号处理得到该脐橙样品00的高光谱图像信息，完成高光谱图像信息检测。图2即为使用本发明采集的脐橙样品的透射高光谱图。

Claims (2)

1.一种类球形水果透射高光谱成像无损检测装置，包括水果样品（00）；

其特征在于：

设置有电脑（10）、箱体（20）、高光谱成像仪（30）、电动位移台（40）和样品室（50）；

其位置和连接关系是：

在箱体（20）内的底部设置有电动位移台（40），在电动位移台（40）的上部设置有样品室（50），在箱体（20）内的顶部设置有高光谱成像仪（30）；电动位移台（40）和高光谱成像仪（30）分别与箱体（20）外的电脑（10）连接；

水果样品（00）置于样品室（50）内，对准高光谱成像仪（30）。

2.按权利要求1所述的类球形水果透射高光谱成像无损检测装置，其特征在于：

所述的样品室（50）由光学面包板（51）、接杆（52）、手动升降台（53）、光源旋转支架（54）、光源（55）、托盘（56）、顶部盖板（57）、柔性垫（58）和光阑（59）组成；

其位置和连接关系是：

光学面包板（51）、手动升降台（53）、托盘（56）和水果样品（00）自下而上依次连接，实现水果样品（00）的升降；

在光学面包板（51）的4角分别设置有4根接杆（52），接杆（52）、光源旋转支架（54）和光源（55）依次连接，实现光源（55）的旋转；

顶部盖板（57）固定在接杆（52）顶端上，在顶部盖板（57）下面依次设置有光阑（59）和柔性垫（58），实现水果样品（00）的固定。