CN106769945B - 便携式猕猴桃内部品质无损检测光纤探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式猕猴桃内部品质无损检测光纤探头，涉及果品光谱无损检测领域。解决的技术问题是提供一种能减少猕猴桃果皮及果皮表面绒毛影响、可以稳定获取猕猴桃外果肉区域光谱信息的便携式猕猴桃内部品质无损检测光纤探头。主要包括环形照明光纤、聚光透镜、探测光纤、耦合透镜、镜筒、镜座、遮光罩和外壳等。该装置通过耦合透镜将光源发出的光导入照明光纤，光从环形照明光纤表面射入猕猴桃果肉组织，聚光透镜将与猕猴桃外果肉相互作用后的含有外果肉品质信息的光导入探测光纤，再由探测光纤传导至光谱仪中。本发明可用于检测猕猴桃内部品质。

Description

便携式猕猴桃内部品质无损检测光纤探头

技术领域

本发明涉及果品光谱无损检测领域，尤其涉及一种便携式猕猴桃内部品质无损检测光纤探头。

背景技术

猕猴桃具有丰富的营养价值，除含有钙、钾、硒、锌、锗等微量元素和人体所需17种氨基酸外，还含有丰富的维生素，被誉为“水果之王”。 我国猕猴桃种植面积世界第一。猕猴桃内部品质包括糖度、酸度以及VC含量等。方便快捷地检测猕猴桃内部品质，对于猕猴桃生产、加工和流通环节中把握其质量，保证果品品质具有重要的意义。传统检测猕猴桃糖度的方法是取部分猕猴桃果肉榨汁将果汁滴入糖度计中测量，虽然该方法相对精确，但是存在有损伤、不利于消费者挑选水果等缺点。与传统破坏式检测相比，光谱检测具有快速、无损、环境友好等优点。但是，猕猴桃表皮含有绒毛，容易挡住探测光纤探头，使得获取的光谱信息不稳定；猕猴桃果肉分为外果肉和内果肉，内果肉中含有黑色果实籽，如果光的穿透深度太浅只能得到猕猴桃果皮信息，如果光的穿透深度太深到达内果肉区域又会受到黑色果实籽的干扰，影响检测结果。

光纤探头检测到的漫反射光子穿透深度、散射次数与光纤探头的参数密切相关。已有研究表明，探测光纤所测量到的光子在生物组织中的传输深度随着光源与探测器间距的增大而增大。

中国专利公告号CN203519486U，公开日2014年4月2日，实用新型专利名称为“一种近红外便携式脐橙品质无损检测装置”，该申请公开了一种近红外便携式脐橙品质无损检测装置，其检测探头“外侧面呈半圆形，半圆形内侧面分布近红外管，近红外管呈对管分布，一侧设置近红外发射管，对面一侧设置近红外接收管，半圆形球面设置发射管和接收管并列在一起的近红外管”，检测探头中对糖度的检测使用发射和接收波长为 “836nm、876nm、880nm、893nm、938nm、965nm”的近红外管，对酸度的检测使用发射和接收波长为“1038nm、1145nm、1370nm、1382nm、1451nm”的近红外管。其不足之处是所采用的近红外管波长有限且固定，只能针对脐橙检测。中国专利公告号CN101876630A，公开日2010年11月3日，发明专利名称为“一种基于LED组合光源的便携式水果品质无损检测装置”，该申请公开了一种由LED组合光源构成的手持式探头，其构成包括“样品垫圈、压盖、紧压圈、聚光镜、LED组合光源、探头主体即主体、聚焦透镜、光纤、电源线、紧固螺钉、手柄、堵头”，其中LED组合光源的结构是“由620nm、850nm、880nm和940nm等四种LED光源组成，沿手持式探头的圆周方向成约90°间隔均布，每盏LED光源的轴线与手持式探头的轴线成约7°夹角”。不足之处是该专利中的探头仅由620nm、850nm、880nm和940nm这四个LED光源与检测光纤组成，对猕猴桃内部品质检测时，由于波段数量有限不能提供足够的光谱信息，仅用这4个波段建模使得最终对猕猴桃内部品质的预测误差较大。

现有技术中主要存在以下几个问题：

（1）检测光源波段有限，对猕猴桃内部品质检测时提供的光谱信息不足，导致预测结果误差较大；

（2）光源与探测器间距不确定，不能减少猕猴桃果皮及内果肉中果实籽的影响；

探测光纤直径小、进光量不够，不能减少猕猴桃表皮绒毛的影响，获取的光谱信息不稳定。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种能减少猕猴桃果皮及果皮表面绒毛影响、可以稳定获取到猕猴桃外果肉区域光谱信息的便携式猕猴桃内部品质无损检测光纤探头。

本发明的技术方案如下：

便携式猕猴桃内部品质无损检测光纤探头包括遮光罩、聚光透镜、环形照明光纤、探测光纤、探头外壳、光纤外壳、光纤接口、镜座、镜筒、照明光纤、耦合透镜、地压圈、光纤筒。所述探测光纤在探头前端位于探头中心位置，聚光透镜位于探测光纤前端，与探测光纤间隔一定距离，在探头尾端探测光纤与光纤接口连接；环形照明光纤由石英光纤集束组成，在探头前端呈环形排列在探测光纤外侧，且与探测光纤间安装有光纤筒，在探头尾端紧密排列成柱状，与镜座连接；在探头前端，探测光纤、环形照明光纤、聚光透镜都封装在探头外壳内，聚光透镜通过地压圈固定在探测光纤前端，与探测光纤之间的距离为聚光透镜的后焦距，聚光透镜的中心在探测光纤的中心轴线上，且探测光纤和聚光透镜位于环形照明光纤内侧，环形照明光纤与聚光透镜之间中心距为2mm，环形照明光纤与聚光透镜之间有一圈遮光罩，防止入射光通过水果表面直接镜面反射到聚光透镜内；镜筒为圆状筒，耦合透镜通过地压圈固定在镜筒前端，镜筒前端有M12的外螺纹，镜筒可拆卸；镜座安装在照明光纤的尾端与照明光纤同轴，镜座有M12内螺纹；镜筒与镜座同轴并通过螺纹连接，镜筒与镜座连接后，耦合透镜的中心在照明光纤的中心轴线上，耦合透镜到照明光纤的距离为耦合透镜的后焦距18mm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明在探测光纤前端加入聚光透镜增大了接收光角度范围，减少了由于猕猴桃细小绒毛对光信号的干扰，使获取的光谱信息更稳定；

环形照明光纤与聚光透镜之间间隔一定距离可以获得猕猴桃外果肉部位的光谱信息，有效减少内果肉中的果实籽及果皮对光谱信息的干扰；

在探头前端环形照明光纤与聚光透镜中间处安装一圈遮光罩，可以有效减少杂散光的干扰，避免光未经过猕猴桃内部直接射入聚光透镜，获得高信噪比，提高了检测的准确性。

附图标记

1．遮光罩；2．聚光透镜；3．环形照明光纤；4．探测光纤；5．探头外壳；6．光纤外壳；7．光纤接口；8．镜座；9．镜筒；10．照明光纤；11．耦合透镜；12．地压圈；13．光纤筒；14．猕猴桃样品。

附图说明

图1是便携式猕猴桃内部品质无损检测光纤探头总体结构示意图；

图2是便携式猕猴桃内部品质无损检测光纤探头侧剖视图；

图3是便携式猕猴桃内部品质无损检测光纤探头俯视图；

图4是便携式猕猴桃内部品质无损检测光纤探头的镜座与镜筒拆分图；

图5是便携式猕猴桃内部品质无损检测光纤探头的工作原理图；

图6是本发明的检测效果图。

具体实施方式

下面结合一个优选实施例和附图对本发明作进一步说明：

如图1、2所示，便携式猕猴桃内部品质无损检测光纤探头包括：遮光罩1、聚光透镜2、环形照明光纤3、探测光纤4、探头外壳5、光纤外壳6、光纤接口7、镜座8、镜筒9、照明光纤10、耦合透镜11、地压圈12、光纤筒13。探测光纤4在探头前端位于探头中心位置，由一根石英光纤构成，聚光透镜2通过地压圈固定在探测光纤4前端，与探测光纤4之间的距离为聚光透镜的后焦距12mm，聚光透镜2的中心在探测光纤4的中心轴线上，且探测光纤4和聚光透镜2位于环形照明光纤3内侧，环形照明光纤与聚光透镜之间中心距为2mm，在探头尾端探测光纤4与光纤接口7连接；环形照明光纤3由石英光纤集束组成，在探头前端呈环形排列在探测光纤4外侧，且与探测光纤4间安装有光纤筒13，在探头尾端紧密排列成柱状，与镜座8连接。在探头前端，探测光纤4、环形照明光纤3、聚光透镜2都封装在探头外壳5内。如图3所示，环形照明光纤3与聚光透镜2之间有一圈遮光罩1，防止入射光通过水果表面直接镜面反射到聚光透镜内。镜筒9为圆状筒，耦合透镜11通过地压圈固定在镜筒9前端，镜筒前端有M12的外螺纹，镜筒9可拆卸；镜座8安装在照明光纤10的尾端，与照明光纤10同轴，有M12内螺纹；镜筒9与镜座8同轴固定，通过螺纹连接。镜筒9与镜座8连接后，耦合透镜11的中心在照明光纤10的中心轴线上，耦合透镜到照明光纤的距离为耦合透镜的后焦距18mm。

本发明中外壳5、镜座8、镜筒9、地压圈12、光纤筒13材质为铝合金，光纤外壳6为金属软管，遮光罩1为黑色橡胶，光纤接口7为SMA905接头。外壳5和镜筒9的外直径为12mm。环形照明光纤3和照明光纤10由640根纤芯直径为200μm、数值孔径NA为0.22的石英光纤组成。探测光纤4由1根纤芯直径为1mm、数值孔径NA为0.3的石英光纤构成。聚光透镜2的材质为石英，直径是4mm，后焦距是12mm。耦合透镜11的材质为石英，直径是9mm，后焦距是18mm。

下面结合图3、图5、图6具体说明工作过程：

试验用猕猴桃14产自陕西咸阳杨陵，品种为徐香，样品个数为139个，光源为功率6.5W的卤素灯，光谱仪为海洋光学的NIRQuest(512) 。在猕猴桃赤道部位选取均匀分布且无缺陷的2个点进行标号。将镜筒9与光源连接，光纤接口7与光谱仪连接，猕猴桃样品标号处与遮光罩1紧密贴合。镜筒9将光源发出的光导入照明光纤10处，传导至环形照明光纤3，环形光照射到被测猕猴桃样品上形成环形照明光斑，一部分光直接镜面反射，另一部分光则穿透猕猴桃果皮进入猕猴桃外果肉中。进入到猕猴桃外果肉的光在与猕猴桃内部组织相互作用后，一部分被吸收，另一部分则从猕猴桃不同位置射出，其中一部分出射光在遮光罩1覆盖的圆形区域内，经过聚光透镜2进入到探测光纤4，经探测光纤4传导到至光纤接口7处，然后传导至光谱仪中，完成光谱的采集，图6即为使用本发明采集到的徐香猕猴桃的原始光谱图，从该光谱图中可以看出，本发明可以获取到全波段光谱信息，光谱重复性很好，比较稳定，且在光源功率只有6.5W的情况下获取的光谱强度较大，适合便携式仪器使用。猕猴桃样品的光谱测量完成后立即使用PR-101α型数字式折射计在标记点进行糖度测量。每个样品从标记部位切取一定厚度外果肉，用家用压蒜器榨汁，果汁经纱布过滤挤汁滴于折射计镜面，每个点测量2次，将2次测量结果的平均值作为样品在该标记位置的糖度的实测值。样品随机划分，其中校正集104个预测集35个，对获取的光谱和糖度值进行PLS建模，最终获得的校正集样品的相关系数0.97，预测集样品相关系数0.96。说明本发明可以较准确的获取猕猴桃外果肉内部品质信息。

以上实施例仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.便携式猕猴桃内部品质无损检测光纤探头，其特征在于，包括遮光罩（1）、聚光透镜（2）、环形照明光纤（3）、探测光纤（4）、探头外壳（5）、光纤外壳（6）、光纤接口（7）、镜座（8）、镜筒（9）、照明光纤（10）、耦合透镜（11）、地压圈（12）、光纤筒（13），所述探测光纤（4）在探头前端位于探头中心位置，聚光透镜（2）位于探测光纤（4）前端，与探测光纤（4）间隔一定距离，在探头尾端探测光纤（4）与光纤接口（7）连接；环形照明光纤（3）由石英光纤集束组成，在探头前端呈环形排列在探测光纤（4）外侧，且与探测光纤（4）间安装有光纤筒（13），在探头尾端紧密排列成柱状，与镜座（8）连接；镜筒（9）内含有耦合透镜（11），镜筒（9）可拆卸；在探头前端，环形照明光纤（3）与聚光透镜（2）之间有一圈遮光罩（1）；

所述聚光透镜（2）通过地压圈（12）固定在探测光纤（4）前端，与探测光纤（4）之间的距离为聚光透镜（2）的后焦距，聚光透镜（2）的中心在探测光纤（4）的中心轴线上，且探测光纤（4）和聚光透镜（2）位于环形照明光纤（3）内侧；

所述镜筒（9）为圆状筒，耦合透镜（11）通过地压圈（12）固定在镜筒（9）尾端，镜筒（9）前端有螺纹；镜座（8）安装在照明光纤（10）的尾端，与照明光纤（10）同轴；镜筒（9）与镜座（8）同轴并通过螺纹连接，镜筒（9）与镜座（8）连接后，耦合透镜（11）的中心在照明光纤（10）的中心轴线上。

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