CN107091831A - 一种水果重金属在线检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了水果重金属在线检测装置及方法，属于光谱分析技术领域，该装置包括光谱测量单元和控制单元，光谱测量单元与控制单元电性连接；光谱测量单元包括激光诱导击穿光谱测量单元、数据检测单元，激光诱导击穿光谱测量单元与数据检测单元电性连接；激光诱导击穿光谱测量单元包括用于生成激光的激光器、及用于使得激光进行聚焦的聚焦透镜，聚焦透镜位于激光器的下方；数据检测单元，用于采集光谱信号并形成光谱数据；控制单元，用于根据光谱数据计算样品水果中的重金属含量。本发明公开的装置能够避免测量误差；对样品水果数量要求不多，在冶金、食品质量安全、环境监测等领域具有发展潜力，对推动激光诱导击穿光谱技术实用化具有现实意义。

Description

一种水果重金属在线检测装置及方法

技术领域

本发明涉及光谱分析技术领域，更具体的，涉及一种水果重金属在线检测装置以及用于上述装置的一种水果重金属在线检测方法。

背景技术

食品质量安全越来越成为社会关注的焦点。随着水果产量的不断增加和人们生活水平的不断提高，消费者不仅对水果外表质量注重选择，更看重水果的内部品质，如农药残留、重金属含量等。目前国内的水果质量分级技术较为成熟的是在水果的外部品质方面分级，如大小、颜色等，然而近几年，在水果内部品质方面的研究也发展很快，但是多数研究都是针对口感、糖度等内部品质来进行分级的，而对水果中重金属含量的快速在线检测分离装置研究方面较少。

在传统的对食品重金属污染测量应用中，经典方法通常采用浓酸消解样品，使重金属以自由离子形态存在于酸性溶液中，再用原子吸收光谱法、等离子体质谱法或电感耦合等离子体发射光谱法等测定，但是，这些方法存在着耗时、费力、不能实现现场分析检测，且易形成样品食品的次污染。因此为了有效保护水果产业的健康发展，进一步提高我国水果质量安全水平，发展出能在线检测水果是否安全的分离装置是具有重要的实际意义。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提出一种水果重金属在线检测装置及方法，用以解决现有技术中存在着耗时、费力、不能实现现场分析检测，且易形成样品食品的二次污染的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种水果重金属在线检测装置，包括光谱测量单元和控制单元，所述光谱测量单元与所述控制单元电性连接；所述光谱测量单元包括激光诱导击穿光谱测量单元、数据检测单元，所述激光诱导击穿光谱测量单元与所述数据检测单元电性连接；

所述激光诱导击穿光谱测量单元包括用于生成激光的激光器、及用于使得所述激光进行聚焦的聚焦透镜，所述聚焦透镜位于激光器的下方；

所述数据检测单元，用于采集光谱信号并形成光谱数据；

所述控制单元，用于根据所述光谱数据计算样品水果中的重金属含量；

所述激光器生成的激光通过所述聚焦透镜形成聚焦激光，所述聚焦激光击打在所述样品水果表面，所述样品水果表面气化产生激光诱导等离子体，所述数据检测单元依据所述激光诱导等离子体产生光谱数据，所述控制单元对所述光谱数据进行分析，得到所述样品水果中的重金属含量。

优选地，所述数据检测单元包括用于收集所述光谱信号的采集透镜、光探测器、光谱仪及计算机；所述光探测器与所述光谱仪通过光纤连接，所述光谱仪与所述计算机电性连接，所述采集透镜位于所述光探测器的下方；

所述光探测器，用于探测所述光谱信号，并将所述光谱信号传输至所述光谱仪中；

所述光谱仪，用于对所述光谱信号进行光电转化处理并将处理后的光谱信号传输至所述计算机；

所述计算机，用于对所述处理的光谱信号进行谱分析处理形成所述光谱数据。

优选地，所述激光诱导击穿光谱测量单元还包括自动调焦单元；

所述自动调焦单元位于所述激光器与所述聚焦透镜之间；

所述自动调焦单元，用于自动调节所述样品水果至所述聚焦透镜之间的距离，以使所述激光透过所述聚焦透镜垂直击打在所述样品水果的表面。

优选地，还包括输送单元和进样单元；所述输送单元位于所述进样单元的下方；

所述输送单元，用于输送所述样品水果；

所述进样单元，用于获取所述样品水果，并与所述输送单元保持同步运转。

优选地，所述输送单元包括依次连接的传动电机、传送组件；

所述传动电机的动力输出端与传送组件相连；

所述传动电机，用于为所述输送单元提供动力，以使所述输送单元运转；

所述传送组件，用于传送所述样品水果。

优选地，所述激光诱导击穿光谱测量单元还包括位置传感器；所述位置传感器位于所述传送组件的下方；

所述位置传感器，用于记录所述样品水果的位置行程。

优选地，还包括分离单元，所述分离单元位于所述输送单元的尾部；

所述分离单元，用于根据所述样品水果的重金属含量进行自动化分离。

优选地，所述分离单元包括电磁阀、第一回收桶和第二回收桶，所述电磁阀、所述第一回收桶和所述第二回收桶均位于所述输送单元的尾部；

所述电磁阀，用于实现对所述样品水果的自动化分离；

所述第一回收桶，用于回收重金属不合格的所述样品水果；

所述第二回收桶，用于回收重金属合格的所述样本水果。

优选地，所述控制单元与所述光谱测量单元、所述进样单元及所述传动电机均相连接；

所述控制单元，用于协调控制所述光谱测量单元、所述进样单元及所述传动电机，实现所述重金属含量的在线检测。

优选地，所述控制单元包括电性连接的数据处理模块、脉冲延时控制器；

所述数据处理模块，用于检测所述样品水果的重金属含量；其中，所述数据处理模块是根据所述光谱数据建立的；

所述脉冲延时控制器，用于将所述传动电机、所述进样单元、所述激光诱导击穿光谱测量单元和所述电磁阀进行同步控制。

优选地，所述激光器为纳秒激光器、皮秒激光器、飞秒激光器中的任一种；

所述聚焦透镜和所述采集透镜均为双凸透镜。

本发明还提供了一种水果重金属在线检测方法，按如下步骤实施：

S101：通过激光器产生激光；

S102：通过自动调焦单元自动调焦，使所述激光通过聚焦透镜形成聚焦激光；

S103：所述聚焦激光击打在所述样品水果表面，所述样品水果表面气化产生激光诱导等离子体；

S104：数据检测单元依据所述激光诱导等离子体产生光谱数据；

S105：控制单元对所述光谱数进行分析，得到述样品水果中的重金属含量；

S106：分离单元根据所述重金属含量，对所述样品水果进行自动化分离。

本发明的有益效果为：

本发明提供的一种水果重金属在线检测装置，该装置中，首先，通过激光器产生激光，并通过自动调焦单元调节激光器与聚焦透镜之间的距离，在该装置中增加自动调焦单元能够避免样品水果到聚焦透镜距离不同而导致的测量误差，提高检测的灵敏度、降低检测的误差；然后，通过聚焦透镜使产生的激光聚焦起来垂直击打在样品水果的表面，在样品水果表面气化产生激光诱导等离子体，而激光诱导等离子体能产生光谱信号；接着通过数据检测单元依据激光诱导等离子体产生光谱数据；最后，通过控制单元根据光谱数据计算样品水果中的重金属含量。同时，该装置对样品水果的数量要求不多，避免在线检测的耗时、费力以及对样品水果破坏性小的缺点，另外，该装置在冶金、食品质量安全、环境监测等领域具有很大的发展潜力，对推动激光诱导击穿光谱技术实用化具有重要现实意义。

附图说明

图1是本发明具体实施方式提供的一种基于激光诱导击穿光谱的水果重金属在线检测装置的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式提供的一种基于激光诱导击穿光谱的水果重金属在线检测的具体装置结构图；

图3是本发明具体实施方式提供的激光诱导击穿光谱测量单元和数据检测单元的装置结构示意图；

图4是本发明具体实施方式提供的一种基于激光诱导击穿光谱的水果重金属在线检测方法的流程图。

图中：

1、光谱测量单元；2、控制单元；3、输送单元；4、进样单元；11、激光诱导击穿光谱测量单元；12、数据检测单元；21、数据处理模块；22、脉冲延时控制器；23、光纤；31、传动电机；32、传送组件；51、电磁阀；52、第一回收桶；53、第二回收桶；111、激光器；112、聚焦透镜；113、自动调焦单元；114、位置传感器；120、采集透镜；121、光探测器；122、光谱仪；123、计算机；43、样品水果果盘；44、样品水果；45、激光诱导等离子体。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

图1示例性地示出了一种水果重金属在线检测装置结构示意图，如图1所示，该装置包括光谱测量单元1和控制单元2，光谱测量单元1与控制单元2电性连接；光谱测量单元1包括激光诱导击穿光谱测量单元11、数据检测单元12，激光诱导击穿光谱测量单元11与数据检测单元12电性连接；

激光诱导击穿光谱测量单元11包括用于生成激光的激光器111、及用于使得激光进行聚焦的聚焦透镜112，聚焦透镜112位于激光器111的下方；

数据检测单元12，用于采集光谱信号并形成光谱数据；

控制单元2，用于根据光谱数据计算样品水果44中的重金属含量；

激光器111生成的激光通过聚焦透镜112形成聚焦激光，聚焦激光击打在样品水果44表面，样品水果44表面气化产生激光诱导等离子体，数据检测单元12依据激光诱导等离子体产生光谱数据，控制单元2对光谱数据进行分析，得到样品水果44中的重金属含量。

上述实施中，具体来说，首先，激光诱导击穿光谱测量单元11中的激光器111产生激光，然后通过聚焦透镜112产生聚焦激光，其中，聚焦透镜112在激光器111的下方，在具体实施中，样品水果44设置于聚焦透镜112的下方，聚焦激光能够被瞬间气化成高温、高密度的激光诱导等离子体45，而激光诱导等离子体45能产生光谱信号；然后，数据检测单元12采集光谱信号并形成光谱数据；最后，控制单元2根据光谱数据计算出样品水果44中的重金属含量，根据样品水果44中的重金属含量就可以确定出哪些样品水果是合格的，哪些样品水果是不合格的。可以看出，一方面，该装置的设计方法简单实用，仅仅需要激光诱导击穿光谱测量单元11、激光器111、以及位于激光器111下方的聚焦透镜112、数据检测单元12、控制单元2；另一方面，通过聚焦透镜112产生聚焦激光，可以垂直击打在样品水果44的表面，减小由于聚焦透镜112与样品水果44之间的距离变化而产生的检测误差。

其中，具体实施中，激光器111可以为纳秒激光器、皮秒激光器、飞秒激光器中的任一种；聚焦透镜112可以为双凸透镜。

优选地，数据检测单元12包括用于收集光谱信号的采集透镜120、光探测器121、光谱仪122及计算机123；光探测器121与光谱仪122通过光纤23连接，光谱仪122与计算机123电性连接，采集透镜120位于光探测器121的下方；光探测器121，用于探测光谱信号，并将光谱信号传输至光谱仪122中；光谱仪122，用于对光谱信号进行光电转化处理并将处理后的光谱信号传输至计算机123；计算机123，用于对处理的光谱信号进行谱分析处理形成光谱数据。

具体来说，在具体实施中，在数据检测单元12中的光探测器121探测光谱信号之前，是通过采集透镜120将光谱信号收集至光探测器121中，其中，在具体实施中，采集透镜120可以是双凸透镜，由光探测器121将光谱信号耦合至光谱仪122中，由光谱仪122对光谱信号进行光电转化处理，最终传输至计算机123中进行谱分析处理。光探测器121与光谱仪122通过光纤23连接，能够实现将光谱信号高速地由光探测器121传输给光谱仪122。

为了减小样品水果44到聚焦透镜距离不同导致的测量误差，激光诱导击穿光谱测量单元11还包括自动调焦单元113；自动调焦单元113，位于激光器111与聚焦透镜112之间；自动调焦单元113，用于自动调节样品水果44至聚焦透镜112之间的距离，以使激光透过聚焦透镜112垂直击打在样品水果44的表面。在具体实施中，自动调焦单元113，位于激光器111的正下方、聚焦透镜112的上方，自动调焦单元113可以根据具体的实际情况，自动调节样品水果44至聚焦透镜112之间的距离，可以消除因样品水果44形状大小不同而导致的测量误差，进而提高检测的灵敏度以及减小检测的误差。

优选地，还包括输送单元3和进样单元4；输送单元3位于进样单元4的下方；输送单元3，用于输送样品水果44；进样单元4，用于获取样品水果44，并与输送单元3保持同步运转。

输送单元3包括依次连接的传动电机31、传送组件32；传动电机31的动力输出端与传送组件32相连；传动电机31，用于为输送单元3提供动力，以使输送单元3运转；传送组件32，用于传送样品水果44。

具体来说，具体实施中，传送组件32是由传送带、导轨、输送线支架、样品水果果盘43组成的，样品水果果盘43可以为具有凹槽的方形，导轨安装在输送线支架上，在传送带上等间距布置若干个样品水果果盘43，在传动电机31启动后，通过传送带实现水果的输送。

优选地，激光诱导击穿光谱测量单元11还包括位置传感器114；位置传感器114位于传送组件32的下方；位置传感器114，用于记录样品水果44的位置行程。具体来说，位置传感器114位于传送组件32的下方，并与激光器111保持在同一个垂直线上，这样能够实时地记录样品水果44的位置行程，具有时效性。

优选地，该装置还包括分离单元，分离单元位于输送单元3的尾部；

分离单元，用于根据对样品水果44的重金属含量进行自动化分离。

其中，分离单元包括电磁阀51、第一回收桶52和第二回收桶53；电磁阀51、第一回收桶52和第二回收桶53控制单元3均位于输送单元3的尾部；电磁阀51，用于实现对样品水果44的自动化分离；第一回收桶52，用于回收重金属不合格的样品水果44；第二回收桶53，用于回收重金属合格的样本水果。具体来说，当控制单元2计算出样品水果44的重金属含量后，还要控制是否触发开启电磁阀51，电磁阀51用于实现对样品水果44的自动化分离，当计算出样品水果44的重金属含量超标时，会将样品水果44自动分离，将该不合格的样品水果44回收到第一回收桶52中，当确定出样品水果44的重金属含量未超标时，会将样品水果44同样自动分离，将该合格的样品水果44回收到第二回收桶53中。对样品水果44进行了重金属含量的确定，进而确定出样品水果44是合格的还是不合格的，具体实施中，可以将确定出的重金属含量与标准数据库中的标准重金属含量进行对比，以此确定出样品水果44的合格与否，并将样品水果44回收到不同的回收桶中，这样就一目了然地实现了对样品水果的不同分类。

优选地，控制单元2，包括电性连接的数据处理模块21、脉冲延时控制器22；数据处理模块21，用于检测样品水果44的重金属含量；其中，数据处理模块21是根据光谱数据建立的；脉冲延时控制器22，用于将传动电机31、进样单元4、激光诱导击穿光谱测量单元11和电磁阀51进行同步控制。

其中，在具体实施中，数据处理模块21可以为集成的激光诱导击穿光谱定量分析模型，光谱定量分析模型可以采用偏最小二乘法定标模型、多元线性回归模型、多元非线性回归定标模型。脉冲延时控制器22，将传动电机、进样单元、激光诱导击穿光谱测量单元、数据检测单元和电磁阀的触动进行同步控制，实现重金属含量的在线检测。

为了更好的理解本发明中的装置，下面介绍一下具体装置的结构图，图2示例性地示出了本发明的一种基于激光诱导击穿光谱的水果重金属在线检测的具体装置结构图，如图2所示。

该装置包括：控制单元2分别与激光诱导击穿光谱测量单元11、数据检测单元12、进样单元4、传动电机31电性连接，其中，在具体实施中，激光诱导击穿光谱测量单元31相当于入射单元，据检测单元32相当于光谱接收单元；该装置还包括输送单元3，输送单元3包括传动电机31和传送组件32，其中，传送组件32包括传送带、导轨、输送线支架、样品水果果盘43，在传送带上等间距布置若干个样品水果果盘43，比如10个，样品水果果盘43可以为具有凹槽的方形、椭圆形、长条形等，这里取具有凹槽的方形，导轨平行安装在输送线支架上，当传送带启动后，通过传送带实现样品水果44的输送；进样单元4安装在输送单元3的第一个样品水果果盘43的正上方，并与输送单元3同步运转；位置传感器114记录样品水果44的形成；控制单元2中的数据处理模块21根据光谱数据检测样品水果44的重金属含量，其中，数据处理模块21是根据光谱数据建立的；控制单元2中的脉冲延时控制器22，将传动电机31、进样单元4、激光诱导击穿光谱测量单元11和电磁阀51进行同步控制，实现重金属含量的在线检测；当触发了电磁阀51后，由分离单元来对样品水果44进行分离，将不合格的样品水果44回收到第一回收桶52，将合格的样品水果44回到到第二回收桶53中。

为了更好地理解激光诱导击穿光谱测量单元11和数据检测单元12，图3示例性地示出了激光诱导击穿光谱测量单元和数据检测单元的装置结构示意图，如图3所示。图3中，包括激光器111、聚焦透镜112、自动调焦单元113、样品水果果盘43、采集透镜120、光探测器121、光谱仪122、计算机123；当激光器111启动后，产生激光；自动调焦单元113自动调焦，激光透过聚焦透镜112垂直击打在样品水果果盘43上的样品水果44表面，产生激光诱导等离子体45，进而产生光谱信号，由采集透镜120将光谱信号收集到光探测器121里面，光探测器121通过光纤2325与光谱仪122连接，将光谱信号耦合到光谱仪122中进行光电信号转化处理，将处理后的光谱信号传输到计算机123中进行谱分析和数据处理，处理后发送至控制单元2中的数据处理模块21，完成光谱信息的采集。

下面介绍一种用于基于激光诱导击穿光谱的水果重金属在线检测装置的在线检测方法流程示意图，如图4所示，该方法按如下步骤实施：

S101：通过激光器111产生激光；

S102：通过自动调焦单元113自动调焦，使激光通过聚焦透镜112形成聚焦激光；

S103：聚焦激光击打在样品水果44表面，样品水果44表面气化产生激光诱导等离子体45；

S104：数据检测单元12依据激光诱导等离子体45产生光谱数据；

S105：控制单元2对光谱数进行分析，得到样品水果44中的重金属含量；

S106：分离单元根据重金属含量，对样品水果44进行自动化分离。

本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。

Claims (12)

1.一种水果重金属在线检测装置，其特征在于：包括光谱测量单元(1)和控制单元(2)，所述光谱测量单元(1)与所述控制单元(2)电性连接；所述光谱测量单元(1)包括激光诱导击穿光谱测量单元(11)、数据检测单元(12)，所述激光诱导击穿光谱测量单元(11)与所述数据检测单元(12)电性连接；

所述激光诱导击穿光谱测量单元(11)包括用于生成激光的激光器(111)、及用于使得所述激光进行聚焦的聚焦透镜(112)，所述聚焦透镜(112)位于激光器(111)的下方；

所述数据检测单元(12)，用于采集光谱信号并形成光谱数据；

所述控制单元(2)，用于根据所述光谱数据计算样品水果中的重金属含量；

所述激光器(111)生成的激光通过所述聚焦透镜(112)形成聚焦激光，所述聚焦激光击打在所述样品水果表面，所述样品水果表面气化产生激光诱导等离子体，所述数据检测单元(12)依据所述激光诱导等离子体产生光谱数据，所述控制单元(2)对所述光谱数据进行分析，得到所述样品水果中的重金属含量。

2.如权利要求1所述的一种水果重金属在线检测装置，其特征在于：

所述数据检测单元(12)包括用于收集所述光谱信号的采集透镜(120)、光探测器(121)、光谱仪(122)及计算机(123)；所述光探测器(121)与所述光谱仪(122)通过光纤连接，所述光谱仪(122)与所述计算机(123)电性连接，所述采集透镜(120)位于所述光探测器(121)的下方；

所述光探测器(121)，用于探测所述光谱信号，并将所述光谱信号传输至所述光谱仪(122)中；

所述光谱仪(122)，用于对所述光谱信号进行光电转化处理并将处理后的光谱信号传输至所述计算机(123)；

所述计算机(123)，用于对所述处理的光谱信号进行谱分析处理形成所述光谱数据。

3.如权利要求1所述的一种水果重金属在线检测装置，其特征在于：

所述激光诱导击穿光谱测量单元(11)还包括自动调焦单元(113)；

所述自动调焦单元(113)位于所述激光器(111)与所述聚焦透镜(112)之间；

所述自动调焦单元(113)，用于自动调节所述样品水果至所述聚焦透镜(112)之间的距离，以使所述激光透过所述聚焦透镜(112)垂直击打在所述样品水果的表面。

4.如权利要求1所述的一种水果重金属在线检测装置，其特征在于：

还包括输送单元(3)和进样单元(4)；所述输送单元(3)位于所述进样单元(4)的下方；

所述输送单元(3)，用于输送所述样品水果；

所述进样单元(4)，用于获取所述样品水果，并与所述输送单元(3)保持同步运转。

5.如权利要求4所述的一种水果重金属在线检测装置，其特征在于：

所述输送单元(3)包括依次连接的传动电机(31)、传送组件(32)；

所述传动电机(31)的动力输出端与传送组件(32)相连；

所述传动电机(31)，用于为所述输送单元(3)提供动力，以使所述输送单元(3)运转；

所述传送组件(32)，用于传送所述样品水果。

6.如权利要求5所述的一种水果重金属在线检测装置，其特征在于：

所述激光诱导击穿光谱测量单元(11)还包括位置传感器(114)；所述位置传感器(114)位于所述传送组件(32)的下方；

所述位置传感器(114)，用于记录所述样品水果的位置行程。

7.如权利要求1所述的一种水果重金属在线检测装置，其特征在于：

还包括分离单元，所述分离单元位于所述输送单元(3)的尾部；

所述分离单元，用于根据所述样品水果的重金属含量进行自动化分离。

8.如权利要求7所述的一种水果重金属在线检测装置，其特征在于：

所述分离单元包括电磁阀(51)、第一回收桶(52)和第二回收桶(53)，所述电磁阀(51)、所述第一回收桶(52)和所述第二回收桶(53)均位于所述输送单元(3)的尾部；

所述电磁阀(51)，用于实现对所述样品水果的自动化分离；

所述第一回收桶(52)，用于回收重金属不合格的所述样品水果；

所述第二回收桶(53)，用于回收重金属合格的所述样本水果。

9.如权利要求5所述的一种水果重金属在线检测装置，其特征在于：

所述控制单元(2)与所述光谱测量单元(1)、所述进样单元(4)及所述传动电机(31)均相连接；

所述控制单元(2)，用于协调控制所述光谱测量单元(1)、所述进样单元(4)及所述传动电机(31)，实现所述重金属含量的在线检测。

10.如权利要求9所述的一种水果重金属在线检测装置，其特征在于：

所述控制单元(2)包括电性连接的数据处理模块(21)、脉冲延时控制器(22)；

所述数据处理模块(21)，用于检测所述样品水果的重金属含量；其中，所述数据处理模块(21)是根据所述光谱数据建立的；

所述脉冲延时控制器(22)，用于将所述传动电机(31)、所述进样单元(4)、所述激光诱导击穿光谱测量单元(11)和所述电磁阀(51)进行同步控制。

11.如权利要求1至10任一项所述的一种水果重金属在线检测装置，其特征在于：

所述激光器(111)为纳秒激光器、皮秒激光器、飞秒激光器中的任一种；

所述聚焦透镜(112)和所述采集透镜(120)均为双凸透镜。

12.一种用于权利要求1至11任一项所述的水果重金属在线检测装置的水果重金属在线检测方法，其特征在于，按如下步骤实施：

S101：通过激光器(111)产生激光；

S102：通过自动调焦单元(113)自动调焦，使所述激光通过聚焦透镜(112)形成聚焦激光；

S103：所述聚焦激光击打在所述样品水果表面，所述样品水果表面气化产生激光诱导等离子体；

S104：数据检测单元(12)依据所述激光诱导等离子体产生光谱数据；

S105：控制单元(2)对所述光谱数进行分析，得到述样品水果中的重金属含量；

S106：分离单元根据所述重金属含量，对所述样品水果进行自动化分离。