CN106018322B - 能自动参比和暗场采集的水果内部品质光谱检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能自动参比和暗场采集的水果内部品质光谱检测装置。它包括密封的型材框架、输送单元、光照射单元、参比旋转机构、光接收单元和光电触发单元；在型材框架内，输送单元贯穿在型材框架底板的中部，光照射单元和参比旋转机构均安装在输送单元的右侧，光接收单元安装在输送单元的左侧，光电触发单元安装在输送单元的左右两侧。舵机控制参比旋转机构的转动，实现自动参比光谱的采集；光接收单元将透射光传送至光谱仪，实现水果光谱的采集；本发明实现了在水果内部品质近红外光谱检测中完成参比光谱自动采集和在不关闭光源的情况下暗场光谱的采集；输送单元上没有水果时，通过舵机控制挡住入射光源，防止入射光对光接收单元的直接照射。
Description
技术领域
本发明涉及近红外光谱水果内部品质检测装置，特别是涉及一种能自动参比和暗场采集的水果内部品质光谱检测装置。
背景技术
中国是一个水果和蔬菜生产大国，随着人们生活水平的不断提高，消费者在购买果蔬时乐意购买那些品质好质量高的产品。但是中国的果蔬出口量与日本、美国以及很多西方国家相比有很大差距，缺乏国际市场竞争力。主要原因是中国水果产后处理技术差，水果质量参差不齐，进而无法保证水果的出口质量，而在线检测技术的应用将有利于将果蔬根据不同指标实现分级。在线检测技术与传统的人工分拣方法相比具有效率高、准确率高、劳动强度降低等优势,近几年发展起来的近红外、机器视觉技术为果蔬在线检测提供了很好的途径。
水果在线检测时，目前参比的放置基本都是由人工完成，人工放置参比可能因为放置位置和角度的不同，导致光谱曲线的差异，从而影响检测精度，自动放置参比可以避免这种现象，提高检测精度。
水果在线检测时，目前暗场采集基本都是关闭光源完成，当重新打开光源进行其他检测时，光源发射的能量会不稳定性，从而影响检测精度，扇形挡板机构能够实现在不关闭光源条件下暗场信息光谱的采集，提高检测精度，同时在水果输送单元上没有水果时，光源会直接照射光纤，对光纤造成损害，目前很多装置并没有考虑到对光纤的保护。
发明内容
本发明提供了一种能自动参比和暗场采集的水果内部品质光谱检测装置，通过舵机和转动臂，实现参比的自动放置；通过另一舵机控制扇形挡板，实现在不关闭光源的条件下，获得暗场数值，减少光源开闭变化的影响，提高检测精度。本装置主要针对全透射光谱采集方式，在反映水果内部品质吸收光谱获取过程中需要同时获得参比光谱和暗场值来提高检测精度。
本发明采用的技术方案如下：
本发明包括密封的型材框架、输送单元、光照射单元、参比旋转机构、光接收单元和光电触发单元；在型材框架内，输送单元贯穿在型材框架下面底板的中部，光照射单元和参比旋转机构均安装在输送单元的右侧，光接收单元安装在输送单元的左侧，光电触发单元安装在输送单元的左右两侧。
所述输送单元，包括输送滚子、输送链条、轨道和小轴；输送滚子通过小轴分别安装在输送链条的两侧，整条输送链条下装有轨道，保证输送滚子平稳输送，水果放置在相邻的两对输送滚子间。
所述光接收单元，包括光纤、准直镜、Z形支架和光谱仪；Z形支架下板垂直安装在型材架左侧底板的横梁上，准直镜固定在Z形支架上板的下面，准直镜通过光纤与型材架外的光谱仪连接。
所述光电触发单元，包括一对对射式光电传感器、一对L形支架和触发电路；两个L形支架分别安装在输送单元两侧的型材架的底板上，一对对射式光电传感器分别固定在各自的L形支架上，一对对射式光电传感器中心线在同一高度，一对对射式光电传感器的电缆线与型材架外的触发电路）连接，触发电路的信号线与光谱仪连接，用来触发光谱仪采集数据。
所述光照射单元，包括固定板、聚光灯筒、凸透镜、L形灯座、灯杯固定夹、灯杯、散热风扇、第二舵机和扇形挡板；固定板安装在型材架右侧中部的横梁上，聚光灯筒和L形灯座分别安装在固定板的左右两侧，聚光灯筒内安装有凸透镜，灯杯通过灯杯固定夹固定在L形灯座的一直角边孔内，并保证聚光灯筒、固定板和灯座的孔中心与灯杯的中心线在同一高度；L形灯座侧面的另一直角边孔内安装有散热风扇；固定板和L形灯座一直角边之间留有间隙，第二舵机安装在装有聚光灯筒一侧的固定板上部，扇形挡板小端固定在第二舵机的输出轴上，通过第二舵机控制扇形挡板的大端的摆动，当扇形挡板大端位于固定板和L形灯座之间间隙，并挡住灯杯光源时，实现暗场信息的采集。
所述参比旋转机构，包括第一舵机、转动臂、参比架、参比和圆筒；第一舵机安装在装有灯杯一侧的固定板上部，转动臂的一端固定在第一舵机的输出轴上，通过第一舵机控制转动臂的转动，转动臂的另一端安装有参比架，参比架中心孔中装有参比，圆筒安装在朝向聚光灯筒的参比架侧面上，当参比旋转机构转动到光照射单元和光接收单元中间位置时，圆筒与聚光灯筒和准直镜同轴线，灯杯发出的照射光通过聚光灯筒和圆筒再穿透参比进入光接收单元，来实现参比光谱的自动采集。
所述聚光灯筒，灯筒外形有用来散热的翅片，聚光灯筒的前端外形为方形，并安装有调节盖，调节盖下半部开有一缺口，调节盖两侧与分别开有槽与聚光灯筒的前端配合，通过手动上下移动调节盖高度，调节光源输出强度，凸透镜用内套筒固定在聚光灯筒内，将灯杯发出的入射光进行汇聚，照射在水果或者参比上。
本发明具有的有益效果是：
本发明通过参比旋转机构的设计，实现了在水果光谱信息采集过程中参比光谱的自动放置采集，提高水果内部品质检测的准确性和稳定性及其自动化程度，扇形挡板机构能实现在不关闭光源条件下暗场光谱信息的采集，同时在水果输送单元上没有水果时通过舵机控制挡住入射光源，可防止入射光对光接收单元的直接照射。本装置主要针对全透射光谱采集方式，在反映水果内部品质吸收光谱获取过程中需要同时获得参比光谱和暗场值来提高检测精度。
附图说明
图1是本发明在自动参比检测时的示意图。
图2是本发明在检测水果时的示意图。
图3是图1检测水果时的右视图。
图4是本发明的自动参比旋转机构示意图。
图5是本发明的聚光灯筒结构剖视图。
图6是本发明的调节盖主视图。
图7是本发明的扇形挡板示意图。
图中：1、型材架，2、输送滚子，3、固定板，4、第一舵机，5、转动臂， 6、参比架，7、参比， 8、圆筒， 9、聚光灯筒，10、凸透镜，11、L形灯座，12、灯杯固定夹，13、灯杯，14、散热风扇，15、第二舵机，16、扇形挡板，17、光纤，18、准直镜，19、Z形支架，20、一对对射式光电传感器，21、一对L形支架，22、输送链条，23、水果，24、轨道，25、底板，26、光谱仪，27、触发电路，28、小轴，29、调节盖，30、内套筒。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1、图2所示，本发明包括密封的型材框架1、输送单元、光照射单元、参比旋转机构、光接收单元和光电触发单元；在型材框架1内，输送单元贯穿在型材框架1下面底板25的中部，光照射单元和参比旋转机构均安装在输送单元的右侧，光接收单元安装在输送单元的左侧，光电触发单元安装在输送单元的左右两侧。
如图1、图2、图3所示，所述输送单元，包括输送滚子2、输送链条22、轨道24和小轴28；输送滚子2通过小轴28分别安装在输送链条22的两侧，整条输送链条22下装有轨道24，保证输送滚子2平稳输送，水果23放置在相邻的两对输送滚子2间。整条输送链条22是环形的，用电机驱动主动链轮，经链条带动从动链轮转动（图1中画出局部形状）。
如图1、图2所示，所述光接收单元，包括光纤17、准直镜18、Z形支架19和光谱仪26；Z形支架19下板垂直安装在型材架1左侧底板25的横梁上，准直镜18固定在Z形支架19上板的下面，准直镜18通过光纤17与型材架1外的光谱仪26连接。
如图1所示，所述光电触发单元，包括一对对射式光电传感器20、一对L形支架21和触发电路27(触发电路采用2007年浙江大学饶秀勤博士论文中分级机构控制器中发出脉冲信号CP的电路模块)；两个L形支架21分别安装在输送单元两侧的型材架1的底板25上，一对对射式光电传感器20分别固定在各自的L形支架21上，一对对射式光电传感器20中心线在同一高度，一对对射式光电传感器20的电缆线与型材架1外的触发电路27连接，触发电路27的信号线与光谱仪26连接，用来触发光谱仪26采集数据。
如图1、图2、图3、图7所示，所述光照射单元，包括固定板3、聚光灯筒9、凸透镜10、L形灯座11、灯杯固定夹12、灯杯13、散热风扇14、第二舵机15和扇形挡板16；固定板3安装在型材架1右侧中部的横梁上，聚光灯筒9和L形灯座11分别安装在固定板3的左右两侧，聚光灯筒9内安装有凸透镜10，灯杯13通过灯杯固定夹12固定在L形灯座11的一直角边孔内，并保证聚光灯筒9、固定板3和灯座11的孔中心与灯杯13的中心线在同一高度；L形灯座11侧面的另一直角边孔内安装有散热风扇14用来降低灯杯13温度；固定板3和L形灯座11一直角边之间留有间隙，第二舵机15安装在装有聚光灯筒9一侧的固定板3上部，扇形挡板16小端固定在第二舵机15的输出轴上，通过第二舵机15控制扇形挡板16的大端的摆动，当扇形挡板16大端位于固定板3和L形灯座11之间间隙，并挡住灯杯13光源时，实现暗场信息的采集。
如图2、图4所示，所述参比旋转机构，包括第一舵机4、转动臂5、参比架6、参比7和圆筒8；第一舵机4安装在装有灯杯13一侧的固定板3上部，转动臂5的一端固定在第一舵机4的输出轴上，通过第一舵机4控制转动臂5的转动，转动臂5的另一端安装有参比架6，参比架6中心孔中装有参比7，圆筒8安装在朝向聚光灯筒9的参比架6侧面上，当参比旋转机构转动到光照射单元和光接收单元中间位置时，圆筒8与聚光灯筒9和准直镜18同轴线，灯杯13发出的照射光通过聚光灯筒9和圆筒8再穿透参比7进入光接收单元，来实现参比光谱的自动采集。
如图4所示，参比架6可以方便更换，参比架6开孔中装有的参比7可以是多种形状的Teflon或中性密度滤光片。
如图5、图6所示，所述聚光灯筒9，灯筒外形有用来散热的翅片，聚光灯筒9的前端外形为方形，并安装有调节盖29，调节盖29下半部开有一缺口，调节盖29两侧与分别开有槽与聚光灯筒9的前端配合，通过手动上下移动调节盖29高度，调节光源输出强度，凸透镜10用内套筒30固定在聚光灯筒9内，将灯杯13发出的入射光进行汇聚，照射在水果23或者参比7上。
下面以脐橙水果为例，具体阐述其操作流程。
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”，电路板自动控制第二舵机15旋转带动扇形挡板16的大端进行摆动，当扇形挡板16大端转到位于固定板3和L形灯座11之间挡住光源时，第二舵机15停止旋转，触发电路发出5V 的脉冲信号触发光谱仪采集暗场光谱，暗场光谱采集结束后，第二舵机15开始旋转带动扇形挡板16摆动到初始位置，从而实现在开灯情况下暗场光谱信息的采集；第二步按下“采集参比”，电路板自动控制第一舵机4旋转带动转动臂5的转动，当参比旋转机构转到光照射单元和光接收单元中间位置时，圆筒8与聚光灯筒9和准直镜18同轴心，电路板发出5V 的脉冲信号触发光谱仪采集参比光谱，参比光谱采集结束后，第一舵机4开始旋转带动转动臂5转动到初始位置，从而实现参比光谱的自动采集；第三步按下“采集水果”，将脐橙放置在两对输送滚子2上，输送滚子2在输送链条22的驱动下将脐橙输送到检测位置，当脐橙被输送到光照射单元和光接收单元中间位置时，脐橙与聚光灯筒9和准直镜18同轴心，一对对射式光电传感器20发送信号经触发电路触发光谱仪26进行光谱采集。卤钨灯光源由凸透镜10汇聚从聚光灯筒9射出，光源射入脐橙，载有水果内部品质信息的光谱从水果另一侧射出，由安装在另一侧的准直镜18进行汇聚和接收，再由光纤17传递给光谱仪26完成水果光谱信息的采集，当脐橙离开检测位置时，光电触发单元关闭，结束脐橙光谱的采集工作；光谱仪26每采集一次光谱数据，通过USB 接口将数据传输给电脑。
所述的电脑、准直镜18和光谱仪26等元器件均可在市场上选购。
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 (6)
1.能自动参比和暗场采集的水果内部品质光谱检测装置，其特征在于：它包括密封的型材框架（1）、输送单元、光照射单元、参比旋转机构、光接收单元和光电触发单元；在型材框架（1）内，输送单元贯穿在型材框架（1）下面底板（25）的中部，光照射单元和参比旋转机构均安装在输送单元的右侧，光接收单元安装在输送单元的左侧，光电触发单元安装在输送单元的左右两侧；
所述光照射单元，包括固定板（3）、聚光灯筒（9）、凸透镜（10）、L形灯座（11）、灯杯固定夹（12）、灯杯（13）、散热风扇（14）、第二舵机（15）和扇形挡板（16）；固定板（3）安装在型材架（1）右侧中部的横梁上，聚光灯筒（9）和L形灯座（11）分别安装在固定板（3）的左右两侧，聚光灯筒（9）内安装有凸透镜（10），灯杯（13）通过灯杯固定夹（12）固定在L形灯座（11）的一直角边孔内，并保证聚光灯筒（9）、固定板（3）和灯座（11）的孔中心与灯杯（13）的中心线在同一高度；L形灯座（11）侧面的另一直角边孔内安装有散热风扇（14）；固定板（3）和L形灯座（11）一直角边之间留有间隙，第二舵机（15）安装在装有聚光灯筒（9）一侧的固定板（3）上部，扇形挡板（16）小端固定在第二舵机（15）的输出轴上，通过第二舵机（15）控制扇形挡板（16）的大端的摆动，当扇形挡板（16）大端位于固定板（3）和L形灯座（11）之间间隙，并挡住灯杯（13）光源时，实现暗场信息的采集。
2.根据权利要求1所述的能自动参比和暗场采集的水果内部品质光谱检测装置，其特征在于：所述输送单元，包括输送滚子（2）、输送链条（22）、轨道（24）和小轴（28）；输送滚子（2）通过小轴（28）分别安装在输送链条（22）的两侧，整条输送链条（22）下装有轨道（24），保证输送滚子（2）平稳输送，水果（23）放置在相邻的两对输送滚子（2）间。
3.根据权利要求1所述的能自动参比和暗场采集的水果内部品质光谱检测装置，其特征在于：所述光接收单元，包括光纤（17）、准直镜（18）、Z形支架（19）和光谱仪（26）；Z形支架（19）下板垂直安装在型材架（1）左侧底板（25）的横梁上，准直镜（18）固定在Z形支架（19）上板的下面，准直镜（18）通过光纤（17）与型材架（1）外的光谱仪（26）连接。
4.根据权利要求1所述的能自动参比和暗场采集的水果内部品质光谱检测装置，其特征在于：所述光电触发单元，包括一对对射式光电传感器（20）、一对L形支架（21）和触发电路（27）；两个L形支架（21）分别安装在输送单元两侧的型材架（1）的底板（25）上，一对对射式光电传感器（20）分别固定在各自的L形支架（21）上，一对对射式光电传感器（20）中心线在同一高度，一对对射式光电传感器（20）的电缆线与型材架（1）外的触发电路（27）连接，触发电路（27）的信号线与光谱仪（26）连接，用来触发光谱仪（26）采集数据。
5.根据权利要求1所述的能自动参比和暗场采集的水果内部品质光谱检测装置，其特征在于：所述参比旋转机构，包括第一舵机（4）、转动臂（5）、参比架（6）、参比（7）和圆筒（8）；第一舵机（4）安装在装有灯杯（13）一侧的固定板（3）上部，转动臂（5）的一端固定在第一舵机（4）的输出轴上，通过第一舵机（4）控制转动臂（5）的转动，转动臂（5）的另一端安装有参比架（6），参比架（6）中心孔中装有参比（7），圆筒（8）安装在朝向聚光灯筒（9）的参比架（6）侧面上，当参比旋转机构转动到光照射单元和光接收单元中间位置时，圆筒（8）与聚光灯筒（9）和准直镜（18）同轴线，灯杯（13）发出的照射光通过聚光灯筒（9）和圆筒（8）再穿透参比（7）进入光接收单元，来实现参比光谱的自动采集。
6.根据权利要求1所述的能自动参比和暗场采集的水果内部品质光谱检测装置，其特征在于：所述聚光灯筒（9），灯筒外形有用来散热的翅片，聚光灯筒（9）的前端外形为方形，并安装有调节盖（29），调节盖（29）下半部开有一缺口，调节盖（29）两侧与分别开有槽与聚光灯筒（9）的前端配合，通过手动上下移动调节盖（29）高度，调节光源输出强度，凸透镜（10）用内套筒（30）固定在聚光灯筒（9）内，将灯杯（13）发出的入射光进行汇聚，照射在水果（23）或者参比（7）上。
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