CN106290220A - 基于红外光声光谱的水果成熟度无损检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水果成熟度检测领域，具体涉及一种基于红外光声光谱的水果成熟度无损检测系统及方法。本发明旨在解决近红外光谱检测方法中光散射、反射的干扰的问题，提高了检测精度。本发明检测系统包括激光发射组件、光声探测组件和信号处理组件；激光发射组件包括激光信号调制装置、激光控制器和红外激光器；光声探测组件包括分光器、参考光声池、样品光声池以及光声探测器；信号处理组件包括微控制器、前置放大器以及锁相放大器。本发明的有益效果在于利用红外激光光声光谱检测水果释放的乙烯气体来判断水果品质，根据水果释放乙烯气体的含量来判断水果的成熟度；避免近红外光谱检测方法中光散射、反射的干扰，提高了检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及水果成熟度检测领域，具体涉及一种基于红外光声光谱的水果成熟度无损检测系统及方法。
背景技术
水果的成熟度是水果最主要的品质之一，水果的成熟度的检测能够确定水果成熟度等级，可根据检测的水果成熟度等级选择合适的水果采摘时间，进而有助于水果后续的加工、处理和运输过程中延长水果的货架期，防止水果营养成分的流失影响到水果品质，避免在储存和销售的过程中造成不必要的经济损失。
近红外光谱技术虽然在水果成熟检测技术中有相关的应用，但是由于光与组织相互作用过程必然伴随着一定的反射、散射和其他的光损失，因此使得光在组织中的穿透深度有限的，从而造成探测到的光所携带的有用信息也是有限，当前这些技术难题尚未解决，因而此类检测方法难以获得准确可靠的检测结果。
发明内容
本发明要解决的问题是提供了一种基于红外光声光谱的水果成熟度无损检测系统及方法，其能够避免近红外光谱检测方法中光散射、反射的干扰，大大提高了检测精度，且能可在线实时的检测水果释放的乙烯气体浓度，确定水果的最佳采摘时间，为水果的加工、运输和贮存提供了可靠的技术手段。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
设计基于红外光声光谱的水果成熟度无损检测系统，包括激光发射组件、光声探测组件和信号处理组件；所述激光发射组件包括依次对应连接的激光信号调制装置、激光控制器和红外激光器；所述光声探测组件包括设置于所述红外激光器激光发射光路上的分光器，以及分别设置在所述分光器分开的两条光路末端的参考光声池和样品光声池，在所述参考光声池和样品光声池中分别设置有光声探测器，在所述参考光声池一侧设置有与其相连通的样品放置装置；所述信号处理组件包括微控制器、与所述光声探测器对应连接的前置放大器、以及与所述前置放大器对应连接的锁相放大器，所述锁相放大器通过数据采集卡与所述微控制器连接。
优选的，所述光声探测组件还包括光纤准直器，所述光纤准直器设置于分光器分开的两条光路上。
优选的，所述红外激光器为10.5μm的量子级联激光器，所述激光信号调制装置为波形发生器。
优选的，所述 红外激光器为10.5μm的CO2 激光器，所述激光信号调制装置为斩波器。
优选的，所述光声探测器为微音器或石英音叉，所述分光器为Y型分叉光纤或平面分束镜，所述前置放大器为低噪声电流放大器，所述微控制器上还设置有液晶显示器。低噪声电流放大器，可以实现两个功能：一是将电流信号转换为电压信号；二是将信号进行放大。
设计一种利用所述基于红外光声光谱的水果成熟度无损检测系统进行水果成熟度无损检测的方法，包括如下步骤：
（1）首先将待测样品放置于样品放置装置中；然后利用波长调制光谱技术，将激光信号调制装置生成的信号加到激光控制器上，利用激光控制器驱动并控制的红外激光器发出波长调制的激光；
（2）步骤（1）中所述红外激光器发射的激光被分光器分为光功率相同的两束，两束光线的末端分别通过光纤准直器进行准直，其中一束通过参考光声池，该参考光声池内气体为空气，该光路为参考光路；另一束通过样品光声池，该样品光声池与样品放置装置相连通，样品光声池内气体为空气和待测样品释放出来的乙烯，该束光路为测量光路；
（3）参考光声池和样品光声池中的光声探测器检测所得的信号分别经过一个前置放大器进行放大，然后再通过锁相放大器得到二次谐波信号，最后通过高速数据采集卡将所得的两路二次谐波信号传输给微控制器；
（4）微控制器将所采集到的两路信号进行比值或差值处理，计算出采集的二次谐波信号与水果释放乙烯气体的关系，根据乙烯气体的浓度来确定水果的成熟度等级，并通过液晶显示器输出处理结果。
优选的，所述红外激光器为10.5 μm的量子级联激光器，所述激光信号调制装置为波形发生器，所述激光控制器包括温度控制单元和电流控制单元，波形发生器将生成的低频的三角波信号和高频的正弦波信号叠加到电流控制电路中，对发出的激光进行波长调制。
优选的，在所述步骤（2）中，所述分光器为Y型分叉光纤或平面分束镜。
优选的，在所述步骤（3）中，所述光声探测器为微音器，参考光声池和样品光声池中分别设置有谐振腔，微音器紧贴在谐振腔的中间位置。
优选的，在所述步骤（3）中，所述光声探测器为石英音叉，参考光声池和样品光声池中分别设置有微型共振毛细管，微型共振毛细管固定于音叉的两侧。
本发明的有益技术效果在于：
1.利用红外光声光谱检测水果释放的乙烯气体来判断水果品质，根据水果释放乙烯气体的含量来判断水果的成熟度。避免近红外光谱检测方法中光散射、反射的干扰，提高了检测精度。
2.既可以通过实时检测水果释放的乙烯气体含量来确定水果的成熟度等级，又不会破坏水果的内部组织，有较好的重复性，还可以根据水果释放的乙烯气体来确定水果存储、加工和运输条件。
能够避免近红外光谱检测方法中光散射、反射的干扰，大大提高了检测精度，且能可在线实时的检测水果释放的乙烯气体浓度，确定水果的最佳采摘时间。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图 2为光声二次谐波信号与乙烯气体浓度的关系图；
其中，1为红外激光器，2为激光控制器，3为激光信号调制装置，4为分光器，5为光纤准直器，6为参考光声池，7为样品光声池，8为样品放置装置，9为样品，10为光声探测器，11为前置放大器，12为锁相放大器，13为微控制器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。以实施例中所涉及的设备或材料，如无特别说明则均为常规设备或材料；所涉及的方法步骤如无特别说明则均为常规方法步骤。
实施例1：一种基于红外激光光声光谱的水果成熟度无损检测系统，如图1所示，包括激光发射组件、光声探测组件和信号处理组件；激光发射组件包括依次对应连接的激光信号调制装置3、激光控制器2以及红外激光器1。光声探测组件包括分光器4、光纤准直器5、参考光声池6、样品光声池7、样品放置装置8以及光声探测器10；分光器4设置于10.5μm的红外激光器发出的激光光路上，将激光分为光功率相同的两束光路；光纤准直器5分别设置于两光路上，用于将出射光束进行准直；参考光声池6和样品光声池7分别设置于分光器4分开两光路的末端，样品放置装置8一侧设置有与之对应连通的样品光声池7；光声探测器10分别在参考光声池6和样品光声池7中设置。信号处理组件包括微控制器13、与分别光声探测器10对应连接的前置放大器11、以及与前置放大器11对应连接的锁相放大器12；锁相放大器12通过数据采集卡与微控制器13连接。
红外激光器1为量子级联激光器，激光信号调制装置3为波形发生器，10.5 μm的红外激光器1通过激光控制器2进行驱动，利用波长调制光谱技术将波形发生器生成的信号叠加到激光控制器2的电流控制电路上，利用激光控制器2驱动并控制10.5μm的红外激光器发出波长调制的激光。分光器4为Y型分叉光纤。光声探测器10为微音器，参考光声池6和样品光声池7中设置有谐振腔，微音器紧贴在谐振腔的中间位置。锁相放大器12通过数据采集卡与微控制器12连接。
实施例2：一种利用基于红外光声光谱的水果成熟度无损检测系统检测水果成熟度无损检测的方法，包括如下步骤：
（1）首先将待测样品放置于样品放置装置中；然后利用波长调制光谱技术，将激光信号调制装置3生成的信号加到激光控制器2上，利用激光控制器2驱动并控制的红外激光器1发出波长调制的激光；10.5 μm 红外激光器1为量子级联激光器，激光信号调制装置3为波形发生器，激光控制器2包括温度控制单元和电流控制单元，波形发生器将生成的低频的三角波信号和高频的正弦波信号叠加到电流控制器中，对发出的激光进行波长调制。激光器控制器利用稳定的电流电路和温度补偿电路来控制激光器的驱动电流和温度来控制特定波长的激光输出以及保证输出激光的稳定；
（2）步骤（1）中红外激光器发射的激光被分光器4分为光功率相同的两束，两束光线的末端分别连接光纤准直器5将出射光束进行准直，其中一束通过参考光声池6，该参考光声池6内气体为空气，该光路为参考光路；另一束通过样品光声池7，该样品光声池7内气体为事先由样品放置装置8中导入的待测气体乙烯和空气，其中乙烯气体为放置于样品放置装置中的样品9释放出来的，该束光路为测量光路；分光器4为平面分束镜；
（3）参考光声池6和样品光声池7中分别放置有光声探测器10，两光声探测器10将测量所得的信号分别通过一个前置放大器11进行放大，经过放大后的信号通过锁相放大器12得到二次谐波信号，提高探测灵敏度和信噪比，最后通过高速数据采集卡将两路二次谐波信号传输给带液晶显示器的微控制器13；光声探测器10为石英音叉，参考光声池6和样品光声池7中分别设置有微型共振毛细管，微型共振毛细管固定于音叉的两侧；
（4）微控制器13将所采集到的两路信号进行比值或差值处理，计算出采集的二次谐波信号与水果释放乙烯气体的关系，其中二次谐波信号为光声探测信号二次求导最大值，如图2所示，根据乙烯气体的浓度来确定水果的成熟度等级，并通过液晶显示器输出处理结果。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。
Claims (10)
1.一种基于红外光声光谱的水果成熟度无损检测系统，其特征为：包括激光发射组件、光声探测组件和信号处理组件；所述激光发射组件包括依次对应连接的激光信号调制装置、激光控制器和红外激光器；所述光声探测组件包括设置于所述红外激光器激光发射光路上的分光器，以及分别设置在所述分光器分开的两条光路末端的参考光声池和样品光声池，在所述参考光声池和样品光声池中分别设置有光声探测器，在所述参考光声池一侧设置有与其相连通的样品放置装置；所述信号处理组件包括微控制器、与所述光声探测器对应连接的前置放大器、以及与所述前置放大器对应连接的锁相放大器，所述锁相放大器通过数据采集卡与所述微控制器连接。
2.根据权利要求1所述的基于红外光声光谱的水果成熟度无损检测系统，其特征为，所述光声探测组件还包括光纤准直器，所述光纤准直器设置于分光器分开的两条光路上。
3.根据权利要求1所述的基于红外光声光谱的水果成熟度无损检测系统，其特征为，所述红外激光器为10.5μm的量子级联激光器，所述激光信号调制装置为波形发生器。
4.根据权利要求1所述的基于红外光声光谱的水果成熟度无损检测系统，其特征为，所述红外激光器为10.5μm的CO2 激光器，所述激光信号调制装置为斩波器。
5.根据权利要求1所述的基于红外光声光谱的水果成熟度无损检测系统，其特征为，所述光声探测器为微音器或石英音叉，所述分光器为Y型分叉光纤或平面分束镜，所述前置放大器为低噪声电流放大器，所述微控制器上还设置有液晶显示器。
6.一种利用权利要求1所述基于红外光声光谱的水果成熟度无损检测系统进行水果成熟度无损检测的方法，包括如下步骤：
（1）首先将待测样品放置于样品放置装置中；然后利用波长调制光谱技术，将激光信号调制装置生成的信号加到激光控制器上，利用激光控制器驱动并控制的红外激光器发出波长调制的激光；
（2）步骤（1）中所述红外激光器发射的激光被分光器分为光功率相同的两束，两束光线的末端分别通过光纤准直器进行准直，其中一束通过参考光声池，该参考光声池内气体为空气，该光路为参考光路；另一束通过样品光声池，该样品光声池与样品放置装置相连通，样品光声池内气体为空气和待测样品释放出来的乙烯，该束光路为测量光路；
（3）参考光声池和样品光声池中的光声探测器检测所得的信号分别经过一个前置放大器进行放大，然后再通过锁相放大器得到二次谐波信号，最后通过高速数据采集卡将所得的两路二次谐波信号传输给微控制器；
（4）微控制器将所采集到的两路信号进行比值或差值处理，计算出采集二次谐波信号与水果释放乙烯气体的关系，根据乙烯气体的浓度来确定水果的成熟度等级，并通过液晶显示器输出处理结果。
7.根据权利要求6所述的水果成熟度无损检测方法，其特征为，在所述步骤（1）中，所述红外激光器为10.5 μm的量子级联激光器，所述激光信号调制装置为波形发生器，所述激光控制器包括温度控制单元和电流控制单元，波形发生器将生成的低频的三角波信号和高频的正弦波信号叠加到电流控制电路中，对发出的激光进行波长调制。
8.根据权利要求6所述的水果成熟度无损检测方法，其特征为，在所述步骤（2）中，所述分光器为Y型分叉光纤或平面分束镜。
9.根据权利要求6所述的水果成熟度无损检测方法，其特征为，在所述步骤（3）中，所述光声探测器为微音器，参考光声池和样品光声池中分别设置有谐振腔，微音器紧贴在谐振腔的中间位置。
10.根据权利要求6所述的水果成熟度无损检测方法，其特征为，在所述步骤（3）中，所述光声探测器为石英音叉，参考光声池和样品光声池中分别设置有微型共振毛细管，微型共振毛细管固定于音叉的两侧。
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