CN108007866A - 一种水果的流变参数检测方法及系统 - Google Patents

一种水果的流变参数检测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种水果的流变参数检测方法及系统，该方法首先检测水果的特征参数信息；然后通过脉冲激光在水果表层激发地震波；最后根据脉冲激光的频率和水果的特征参数信息，得到地震波的表面波波速、地震波的S波波速和地震波的P波波速；进而得到水果的流变参数；所述水果的流变参数包括弹性模量、泊松系统、硬度指数中的至少一个。本发明利用激光脉冲作用到水果表面，不损坏水果的表层，可同时激发出表面波、S波和P波，携带的品质信息更为全面，从而实现对水果的流变参数的测量。而且，超声脉冲是非接触的且可重复产生，在时间和空间都具有极高的分辨率，使得通过本方法测量得到的水果的流变参数更加准确。

Description

一种水果的流变参数检测方法及系统
技术领域
本发明属于农产品检测技术领域，具体涉及一种水果的流变参数检测方法及系统。
背景技术
水果的品质指标主要分为外部品质指标和内部品质指标。外部品质指标主要包括色泽、形状、大小和外观质量，而内部品质指标主要包括风味(糖度、酸度、氨基酸、醋、烯、醛等)、质地和内部营养物质(维生素、矿物质、蛋白质等)。其中，质地作为一项非常重要的品质指标，是影响消费者对水果品质可接受性的最主要因子之一。
水果的质地变化主要与其流变特性有关，而流变特性是由其自身分子构造、分子内结合、分子间结合、化学组成、胶体组织等因素决定，因此通过流变特性的测定可以把握水果质地的变化，用于水果在生长、储藏、运输和加工过程的重要参考指标。其中弹性模量、泊松系数和硬度指数是最为重要的三个流变特性参数。
水果质地的评价分为主观评价和客观评价两类，主观评价是通过人的感官进行评价，即感官评价；客观评价是用仪器测定。仪器测定又可以分为有损检测和无损检测，其中有损检测主要包括穿刺试验、压缩试验、剪切试验、拉伸试验、弯曲试验、蠕变和应力松弛试验等。无损检测方法主要包括可见/近红外光谱法、高光谱法、介电常数法、电子鼻、图像法等。
感官检测方法具有很强的客观性，检测结果因人而异，具有很大的不确定性，检测精度不高。有损检测方法需要破坏水果的原有结构，检测时间长，检验率低、费时费力。无损检测方法中光谱法虽然检测精度较好，但模型建立和维护较为困难，成本较高，抗干扰能力差、光易散射以及大功率光源灼伤被测样品等问题。介电常数法易受温度、电容器的边界效应、果体的个体形状差异等影响。电子鼻方法对检测环境要求很高，温度和湿度等条件的不同会导致传感器响应特性的不同。图像法主要检测水果的外在品质，很难得到水果内在质地参数的检测。以上检测方法均只能检测水果的硬度指数，无法检测水果的弹性模量和泊松系数；对外界条件要求较高，检测结果不准确；而且，在检测过程中对水果施加压力等手段易对水果造成损伤。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水果的流变参数检测方法及系统，用以解决现有技术中的检测方法无法全面检测水果的流变参数、且检测不准确的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
本发明提供了一种水果的流变参数检测方法，包括如下方法方案：
方法方案一，包括如下步骤：
检测水果的特征参数信息；
通过脉冲激光在水果表层激发地震波；
根据脉冲激光的频率和水果的特征参数信息，得到地震波的表面波波速、地震波的S波波速和地震波的P波波速；
根据地震波的表面波波速、地震波的S波波速和地震波的P波波速，得到水果的流变参数；所述水果的流变参数包括弹性模量、泊松系统、硬度指数中的至少一个。
方法方案二，在方法方案一的基础上，所述弹性模量为：
所述泊松系数为：
所述硬度指数为：
其中，FI为硬度指数，E为弹性模量，μ为泊松系数；vs为S波波速，vp为P波波速；ρ为水果的密度，R为水果的半径。
方法方案三，在方法方案一的基础上，在水果的设定初始位置激发水果表层的地震波，根据脉冲激光的频率和水果的特征参数信息，在不同的位置测量得到对应的表面波波速，求取不同位置测量得到的对应的表面波波速的平均值得到所述地震波的表面波波速；所述水果的特征参数信息为设定初始位置与测量位置之间的水果表面的弧长距离。
方法方案四，在方法方案一的基础上，在水果的设定初始位置激发水果表层的地震波，根据脉冲激光的频率和水果的特征参数信息，在不同的位置测量得到对应的P波波速，求取不同位置测量得到的对应的P波波速的平均值得到所述地震波的P波波速；所述水果的特征参数信息为设定初始位置与测量位置之间的水果的直线距离。
方法方案五、六、七、八，分别在方法方案一、二、三、四的基础上，根据地震波的表面波波速和地震波的P波波速，根据下式得到所述地震波的S波波速：
其中，vr为地震波的表面波波速，vs为地震波的S波波速，vp为地震波的P波波速。
方法方案九、十，分别在方法方案三、四的基础上，通过采集水果的图像，对图像进行二值化处理来得到水果的特征参数信息。
本发明还提供了一种水果的流变参数检测系统，包括如下系统方案：
系统方案一，包括检测模块、激励模块、信号采集模块和信号处理模块；所述信号处理模块采样连接所述检测模块，控制连接所述激励模块，通讯连接所述信号采集模块和信号处理模块；
所述检测模块用于检测水果的特征参数信息，并传递给信号处理模块；
所述激励模块用于发射脉冲激光在水果表层激发地震波；
所述信号采集模块用于测量地震波，并传递给信号处理模块；
所述信号处理模块用于根据脉冲激光的频率和水果的特征参数信息，得到地震波的表面波波速、地震波的S波波速和地震波的P波波速，进而得到水果的流变参数；所述水果的流变参数包括弹性模量、泊松系统、硬度指数中的至少一个。
系统方案二，在系统方案一的基础上，所述信号采集模块为设置在待测水果上方的CCD相机。
系统方案三，在系统方案一的基础上，所述激励模块包括脉冲激光器和在脉冲激光器的发射光路上依次设置的两个偏振片和聚焦透镜。
系统方案四，在系统方案一的基础上，所述信号采集模块为激光多普勒测振仪。
系统方案五，在系统方案一的基础上，所述弹性模量为：
所述泊松系数为：
所述硬度指数为：
其中，FI为硬度指数，E为弹性模量，μ为泊松系数；vs为S波波速，vp为P波波速；ρ为水果的密度，R为水果的半径。
系统方案六，在系统方案一的基础上，在水果的设定初始位置激发水果表层的地震波，根据脉冲激光的频率和水果的特征参数信息，在不同的位置测量得到对应的表面波波速，求取不同位置测量得到的对应的表面波波速的平均值得到所述地震波的表面波波速；所述水果的特征参数信息为设定初始位置与测量位置之间的水果表面的弧长距离。
系统方案七，在系统方案一的基础上，在水果的设定初始位置激发水果表层的地震波，根据脉冲激光的频率和水果的特征参数信息，在不同的位置测量得到对应的P波波速，求取不同位置测量得到的对应的P波波速的平均值得到所述地震波的P波波速；所述水果的特征参数信息为设定初始位置与测量位置之间的水果的直线距离。
系统方案八、九、十、十一、十二、十三、十四，分别在系统方案一、二、三、四、五、六、七的基础上，根据地震波的表面波波速和地震波的P波波速，根据下式得到所述地震波的S波波速：
其中，vr为地震波的表面波波速，vs为地震波的S波波速，vp为地震波的P波波速。
系统方案十五、十六，分别在系统方案六、七的基础上，通过采集水果的图像，对图像进行二值化处理来得到水果的特征参数信息。
本发明的有益效果：
本发明的水果的流变参数检测方法，利用激光脉冲在水果的表层产生地震波，根据检测到的水果的特征参数信息，来得到地震波的表面波波速、地震波的P波波速和地震波的S波波速，从而得到水果的流变参数；水果的流变参数主要包括弹性模量、泊松系统、硬度指数。该方法利用激光脉冲作用到水果表面，不损坏水果的表层，可同时激发出表面波、S波和P波，携带的品质信息更为全面，从而实现对水果的流变参数的测量。而且，超声脉冲是非接触的，并且可重复产生，在时间和空间都具有极高的分辨率，使得通过本方法测量得到的水果的流变参数更加准确。
进一步地，由于水果大多数具有球形结构特征，使得本发明的方法适用范围较宽，适用性较强。
本发明的水果的流变参数检测系统，采用上述方法来测量得到的水果的流变参数，与现有技术相比，测量结果更加准确；而且，人工干预少，检测结果更加客观。
附图说明
图1是本发明的检测系统正视图；
图2是本发明的检测系统俯视图；
图3是水果托盘结构图；
图4是图像中圆弧s1-s6段、弦l1-l6段的示意图；
图5是表面波测试示意图；
图6是P波测试示意图；
图7是水果外观特征提取流程图；
图8是水果流变特性参数检测流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。
为了实现本发明的水果的流变参数检测方法，采用了如图1所示的检测系统。该检测系统包括激励模块、信号采集模块、信号处理模块和图像采集模块四部分。
该检测系统由激励模块在水果内产生地震波，由图像采集模块采集球形水果的外观特征，通过信号采集模块对被测水果内震动波的速度进行检测，并将检测到的信号送至信号处理模块，计算水果的流变参数，包括弹性模量、泊松系数和水果的硬度指数。
该系统的结构如图1所示，俯视图如图2所示。
激励模块包括脉冲激光器6，脉冲激光器发射激光束，调节激光束的脉冲能量，可使入射到水果表面的脉冲激光能够在水果表层附近激发起地震波而不损坏水果表层。其中，通过调节水果高度支架12(即光具座)的高度，使脉冲激光器发出的激光束约与水果赤道(即球形水果最大直径所对应的圆周)在同一平面。在这里，脉冲激光器6的参数如下：中心波长1046nm，脉冲能量100-500mJ可调，脉冲持续时间为10ns，光束直径为4mm，重复频率为10Hz。超声波场可以不受任何干扰，或者受到的干扰很小，具有极强的抗干扰能力。
信号采集模块包括激光多普勒测振仪2，调节支撑测振仪支架8(即光具座)的高度，使激光多普勒测振仪与脉冲激光器6处于同一水平高度，改变激光多普勒测振仪2的位置，使其在不同位置分别测试地震波的表面波(即瑞利波)和主波(即P波)，用于分析和计算两种模式波在水果中的传播速度，进而得到水果的流变参数。
激光多普勒测振仪2将采集到的振动信号通过数据采集卡15送入信号处理模块，该信号处理模块包括计算机9。该数据采集卡的采样速度为107次/秒，动态范围为16位。
图像采集模块包括CCD相机1，用于采集球形水果的图像。然后将图像送入计算机9，使用图像处理算法计算球形水果的外观参数。
除了计算机9和CCD相机1以外，其余部件设置在光学隔离平台7上。
上述系统属于主动检测技术，超声信号的强度和方向易于控制，检测灵敏度高；而且，易于实现远距离的遥控激发和接收，可实现快速扫描和在线检测；同时，激光超声的激发和检测均无需与水果相接触，具有非接触检测的特点。
基于上述系统，采用如下方法来对水果的流变参数的进行检测。
首先，进行预处理，调节各个器件的位置，使得测量数据更加准确。
调节水果高度支架12、支撑测振仪支架8、支撑偏振片支架13和支撑激光器支架14的高度，使得脉冲激光器6、偏振片4、偏振片5、聚焦透镜3和激光多普勒测振仪2位于同一水平面内，即他们的高度相同。
旋转水果托盘10，使其0°与180°之间的直线与激光入射方向一致，即激光束从水果11的0°入射到水果表面。该水果托盘的俯视图以及设置的0°方向如图3所示，水果的赤道横截面以及设置的0°方向如图4所示。同时，调节水果托盘10的高度，使水果的赤道平面与各器件在同一平面，即同一高度。为了便于激光多普勒测振仪2能够精准测量地震波的表面波和体波，水果的果蕊与水果托盘10中心的孔洞对齐，即尽量使水果的中心轴与水果托盘的中心轴重合。
调节聚焦透镜3与水果赤道之间的距离，使其能够将脉冲激光聚焦于水果表面，同时旋转偏振片，以及入射到水果表面的脉冲激光器发射的激光能量，使其能够在水果中激励起地震波的同时，不至于灼伤水果表层、不损伤水果果皮和果肉。
调节CCD相机1的位置，使得水果托盘10中心图像与CCD相机1的图像中心的偏差在5个像元以内。
然后，使用CCD相机1采集球形水果图像，获得水果的特征参数数据。如图4所示为水果的赤道截面图，设置的0°方向如图，逆时针方向角度增加。将水果的赤道横截面对应的表层从0°与180°之间圆弧均分成6段，每段的圆弧长分别为s1,s2,s3,s4,s5,s6，每段圆弧对应的圆心角皆为30°。每段圆弧与赤道表面的交点与0°之间的弦分别为l1,l2,l3,l4,l5,l6，其中，l6为赤道横截面的直径。
对采集的水果图像进行二值化处理，假设所采集的图像由M行、N列。则获得水果的参数数据的步骤如下：
1、计算图像的亮度直方图，根据直方图中两峰之间的谷值确定分割阈值，依据此阈值将水果灰度图像转化为二值图像。其中，灰度值大于阈值的像素，像素置为1，反之置为0。
2、使用边缘算子对二值图像进行边缘提取。
3、将(M/2,N/2)(即图像的中心点)坐标点位置记为(M0,N0)，从该位置开始，水平向右搜索第一个非零像素点，将其记为p1，记录其坐标值(M1,N1)。
4、设置一个计数器，将其初始化为1；从当前点从左往右寻找第一个非零点，记为p1，其坐标值为(M1,N1)。
5、从当前点开始，按照从左向右，由上向下的顺序搜索像素值非零点，将搜索到的非零点记为pi，其坐标值记为(Mi,Ni)，同时计数器加1。
6、计算(Mi-M1)/(Ni-N1)的绝对值，将其与θ1的正切值进行比较。这里，θ1＝30°,θ2＝60°,…,θ6＝180°，即θi+1-θi＝30°。若不相等，则转到步骤5，否则转至步骤8。
7、重复上述步骤5和6，设定误差阈值T，当|(Mi-M1)/(Ni-N1)|-tg(θ1)＜T时，则将计数器的值作为圆弧s1段的长度，计算将其作为弦l1的长度，同时将计数器初始化为1。
8、将θ1改为θ2。重复步骤5～步骤7，由此可以得到圆弧s2段的长度和弦l2的长度。
9、重复上述步骤5～步骤8，由此可以以此得到圆弧s1,s2,…,s6的长度和弦l1,l2,…,l6的长度。
接着，调整激光多普勒测振仪的位置，测量表面波波速、P波波速和S波波速。
调整激光多普勒测振仪2的位置，使激光多普勒测振仪的中心线与水果托盘0°线之间的夹角为30°，其放置位置如图5所示。由于地震波的表面波为横波，因此多普勒测振仪的中心线与水果表面法线方向重合，测量地震波的表面波，并由数据采集卡采集波形，使数据采集卡连续采集1秒钟(10个脉冲)。
记录激光多普勒测振仪所采集到的10个波形的时间，分别记为tr1,tr2,…,tr10。根据脉冲激光的脉冲频率(本发明中所使用的激光脉冲频率为10Hz，因此相邻两个脉冲的时间间隔为0.1s)，计算每一波形在水果中的传播时间δtri，即δtr1＝tr2-tr1-0.1，δtr2＝tr3-tr2-0.1，…，δtr9＝tr10-tr9-0.1。计算上述9个时间差的均值
将该值看作表面波传输至30°方向，即经过圆弧s1的传输时间。
结合上述计算出来的结果，计算表面波的传播速度
依次调整激光多普勒测振仪的位置，使其分别位于60°、90°、120°、150°、180°位置处，对于每一位置，重复上述步骤，依次得到各个位置的表面波波速vr2,vr3,…,vr6，计算表面波波速的的平均值，即为地震波的表面波波速vr：
调整激光多普勒测振仪的方向，使其沿着l1的方向(即指向0°点方向)，其放置位置如图6所示。地震波的体波主要包P波和S波，其中P波为纵波，其振动方向和波的传播方向相同，因此易于测量，而S波为横波，其振动方向与波的传播方向垂直，不易检测。故在该实施例中主要测量体波中的P波。多普勒测振仪的中心线与圆弧l1的方向一致，测量地震波的P波，并由数据采集卡采集波形，使数据采集卡连续采集1秒钟(10个脉冲)。
记录激光多普勒测振仪所采集的10个波形的时间，分别记为tp1,tp2,…,tp10。根据脉冲激光的脉冲频率(本发明中所使用的激光脉冲频率为10Hz，因此相邻两个脉冲的时间间隔为0.1s)，计算每一波形在水果中的传播时间δtpi，即δtp1＝tp2-tp1-0.1，δtp2＝tp3-tp2-0.1，…、δtp9＝ttp10-ttp9-0.1。计算上述9个时间差的均值
将该值看作体波中的P波经过弦l1的传输时间。
依次调整激光多普勒测振仪的位置，使其分别沿着l2,l3,l4,l5,l6方向，对于每一位置，重复上述步骤，依次得到各个位置的P波的波速vp2,vp3,…,vp6，计算P波波速的的平均值，即为地震波的P波波速vp：
再根据下式计算体波中的S波波速vs：
最后，在得到表面波波速vr、P波波速vp和S波波速vs后，可计算得到水果的弹性模量E和泊松系数μ：
其中，ρ为球形水果的密度。
根据计算出来的弹性模量和泊松系数，利用下式计算球形水果的硬度指数FI：
其中，R为水果的半径，R＝l6/2，ρ为球形水果的密度。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种水果的流变参数检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
检测水果的特征参数信息；
通过脉冲激光在水果表层激发地震波；
根据脉冲激光的频率和水果的特征参数信息，得到地震波的表面波波速、地震波的S波波速和地震波的P波波速；
根据地震波的表面波波速、地震波的S波波速和地震波的P波波速，得到水果的流变参数；所述水果的流变参数包括弹性模量、泊松系统、硬度指数中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的水果的流变参数检测方法，其特征在于，所述弹性模量为：
<mrow> <mi>E</mi> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>v</mi> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mi>&amp;rho;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msubsup> <mi>v</mi> <mi>p</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <msubsup> <mi>v</mi> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mfrac> <mo>)</mo> <mo>-</mo> <mn>2</mn> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msubsup> <mi>v</mi> <mi>p</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <msubsup> <mi>v</mi> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mfrac> <mo>)</mo> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mn>2</mn> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
所述泊松系数为：
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所述硬度指数为：
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其中，FI为硬度指数，E为弹性模量，μ为泊松系数；vs为S波波速，vp为P波波速；ρ为水果的密度，R为水果的半径。
3.根据权利要求1所述的水果的流变参数检测方法，其特征在于，在水果的设定初始位置激发水果表层的地震波，根据脉冲激光的频率和水果的特征参数信息，在不同的位置测量得到对应的表面波波速，求取不同位置测量得到的对应的表面波波速的平均值得到所述地震波的表面波波速；所述水果的特征参数信息为设定初始位置与测量位置之间的水果表面的弧长距离。
4.根据权利要求1所述的水果的流变参数检测方法，其特征在于，在水果的设定初始位置激发水果表层的地震波，根据脉冲激光的频率和水果的特征参数信息，在不同的位置测量得到对应的P波波速，求取不同位置测量得到的对应的P波波速的平均值得到所述地震波的P波波速；所述水果的特征参数信息为设定初始位置与测量位置之间的水果的直线距离。
5.根据权利要求1～4任一项所述的水果的流变参数检测方法，其特征在于，根据地震波的表面波波速和地震波的P波波速，根据下式得到所述地震波的S波波速：
<mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>-</mo> <mfrac> <msubsup> <mi>v</mi> <mi>r</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <msubsup> <mi>v</mi> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mn>4</mn> <msqrt> <mrow> <mfrac> <msubsup> <mi>v</mi> <mi>r</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <msubsup> <mi>v</mi> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mfrac> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msqrt> <msqrt> <mrow> <mfrac> <msubsup> <mi>v</mi> <mi>r</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <msubsup> <mi>v</mi> <mi>p</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mfrac> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msqrt> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow>
其中，vr为地震波的表面波波速，vs为地震波的S波波速，vp为地震波的P波波速。
6.根据权利要求3或4所述的水果的流变参数检测方法，其特征在于，通过采集水果的图像，对图像进行二值化处理来得到水果的特征参数信息。
7.一种水果的流变参数检测系统，其特征在于，包括检测模块、激励模块、信号采集模块和信号处理模块；所述信号处理模块采样连接所述检测模块，控制连接所述激励模块，通讯连接所述信号采集模块和信号处理模块；
所述检测模块用于检测水果的特征参数信息，并传递给信号处理模块；
所述激励模块用于发射脉冲激光在水果表层激发地震波；
所述信号采集模块用于测量地震波，并传递给信号处理模块；
所述信号处理模块用于根据脉冲激光的频率和水果的特征参数信息，得到地震波的表面波波速、地震波的S波波速和地震波的P波波速，进而得到水果的流变参数；所述水果的流变参数包括弹性模量、泊松系统、硬度指数中的至少一个。
8.根据权利要求7所述的水果的流变参数检测系统，其特征在于，所述信号采集模块为设置在待测水果上方的CCD相机。
9.根据权利要求7所述的水果的流变参数检测系统，其特征在于，所述激励模块包括脉冲激光器和在脉冲激光器的发射光路上依次设置的两个偏振片和聚焦透镜。
10.根据权利要求7所述的水果的流变参数检测系统，其特征在于，所述信号采集模块为激光多普勒测振仪。
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