CN108535254A - 一种苹果脆度检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种苹果脆度检测仪，涉及检测仪器技术领域。包括：机壳，其表面设有液晶显示屏和开关按钮；机壳内部包括控制装置和光源装置且电连接；光源装置设于机壳开口处，用于照射待测苹果、接收苹果表面的反射光、将反射光转换为电压值及将电压值传送至控制装置；控制装置用于控制光源装置发光、接收电压值并利用判别模型计算苹果脆度值及将脆度值显示于液晶显示屏；判别模型公式：M＝0.935+3.62×T1+0.677×T2+0.1794×T2－0.01052×T1×PD1‑0.0002668×PD2；TI为575nm光强值，T2为695nm光强值，PD1和PD2为暗光谱系数。本发明检测仪无损伤、成本低且精度高。

Description

一种苹果脆度检测仪

技术领域

本发明涉及检测仪器技术领域，尤其涉及一种苹果脆度检测仪。

背景技术

市场上的农产品越来越多样化，生产者除了要保持农产品的新鲜度外，还要确保有好的口感，脆度是与苹果口感密切相关的感官品质指标之一，苹果脆度影响到鲜食苹果的咀嚼口感，脆度较高的苹果受到了越来越多人的追捧；目前，苹果脆度检测普遍采用压力硬度计或质构仪等破坏性检测，检测速度慢，检验后果实失去商品价值；而传统的感官评定的方法比较烦琐，评定结果常受评审员和环境影响，且脆度等级判别并无量化指标，如何检测苹果的脆度并分级成为提升苹果品质和质量的一个重大难题。

相关领域专家对苹果脆度的机理和检测方法开展深入研究，目前用于水果硬度的检测方法主要有变形法、声学法、机器视觉，但由于变形法只能测量水果的局部硬度；声学法易受噪音和机械振动的影响等而限制了其应用；机器视觉检测分析过程复杂、耗时。因此，急需寻找一种可快捷、准确及无损测量苹果脆度的设备。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种苹果脆度检测仪，主要目的是解决检测苹果脆度时会破坏果实、检测手段落后及检测结果不准确的问题。

为达到目的，本发明主要提供了如下技术方案：

一方面，本发明实施例提供了一种苹果脆度检测仪，包括：

机壳，其表面设有用于显示数字的液晶显示屏和检测按钮；

光源装置，其设于所述机壳的开口处，用于照射待测苹果、接收苹果表面的反射光、将反射光转换为电压值及将所述电压值传送至控制装置；

控制装置，其设于所述机壳的内部，所述控制装置与所述光源装置电连接；所述控制装置用于控制所述光源装置发光、接收所述电压值并利用判别模型计算苹果脆度值及将所述脆度值显示于所述液晶显示屏；

所述判别模型的公式为：

M＝0.935+3.62×T1+0.677×T2+0.1794×T2－0.01052×T1×PD1-0.0002668×PD2；所述TI为575nm光强值，所述T2为695nm光强值，所述PD1和所述PD2为暗光谱系数。

作为优选，所述光源装置包括：

LED光源部件，用于照射苹果表面；

光电转换部件，用于将苹果表面反射光转换为电压值；

所述LED光源部件的输出端与所述光电转换部件的输入端电连接。

作为优选，所述控制装置包括：

核心处理模块，所述光电转换部件的输出端与所述核心处理模块的输入端电连接，所述核心处理模块的第一输出端与所述液晶显示屏电连接，所述核心处理模块用于计算苹果脆度值；

光源驱动模块，所述核心处理模块的第二输出端与所述光源驱动模块的输入端电连接，所述核心处理模块用于向所述光源驱动模块输出PWM控制信号；所述光源驱动模块的输出端与所述LED光源部件的输入端电连接，所述光源驱动模块用于接收所述PWM控制信号并向所述LED光源部件输出电流，实现所述LED光源部件发光；

供电模块，其分别与所述核心处理模块和所述光源驱动模块电连接。

作为优选，所述机壳的开口端设有探头装置，所述探头装置从机壳内部至机壳开口端依次包括LED灯压板、感应圈安装板、LED灯模拟板、主心轴、凸透镜、探头套以及压圈且依次连接；所述LED光源部件设于所述LED模拟灯板上，所述光电转换部件设于所述感应圈安装板上，设有所述LED光源部件的所述LED灯模拟板与设有所述光电转换部件的所述感应圈安装板装配集成为一体。

作为优选，所述供电模块为24伏安的锂电池；所述液晶显示屏为128×64点阵液晶屏。

作为优选，所述LED光源部件是由6个以上的LED灯珠呈环状设置以形成环形光源；所述LED灯珠的中心波长为575nm和695nm，半波宽度为15nm。

作为优选，所述光电转换部件为THORLABS公司的FDS1010型光电二极管。

作为优选，所述凸透镜为环形平凸透镜，所述环形平凸透镜的焦距为30.00mm，直径为6.00mm，半径为15.45mm，中心厚度为1.80mm，边厚为1.50mm，后焦距为28.81mm。

作为优选，所述机壳由主机身壳、上机身壳，后机身壳及下底座组成；所述主机身壳呈倒置的L形，所述上机身壳与所述主机身壳的上部扣接，所述后机身壳与所述主机身壳侧部扣接，所述下底座与所述主机身壳的底部扣接，所述下底座设有充电口，所述上机身壳的两侧面设有散热孔；所述控制装置和所述光源装置依次设于所述主机身壳与所述上机身壳连接形成的空腔内。

作为优选，所述检测按钮设于所述主机身壳的侧部；所述液晶显示屏设于所述上机身壳的侧部；所述上机身壳的侧部设有电源指示灯、电源开关和检测状态指示灯。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的检测仪具有特征波段LED光源模块，根据设定发出相应光强的光，照射于苹果表面；光电转换模块，接收苹果漫反射光强并完成光电转换得到电压值；以及，核心处理模块，接收光电转换模块得到的电压值，根据该电压值计算得到相应的漫反射光强，根据漫反射光强度值判断脆度值并分类，本发明可快速无损检测苹果脆度并分类，具有成本低，操作简单，运行稳定可靠，脆度判别精度高等特点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的不同苹果样品光谱漫反射强度曲线图；

图2a和图2b是本发明实施例提供的苹果脆度检测仪的机壳结构示意图；

图3a是本发明实施例提供的苹果脆度检测仪的探头装置的分解结构示意图；

图3b是本发明实施例提供的苹果脆度检测仪的探头装置的整体结构示意图；

图4a和图4b是本发明实施例提供的苹果脆度检测仪装配后的外观示意图；

图5是本发明实施例提供的苹果脆度检测仪的原理结构示意图；

图6a是本发明实施例提供的苹果脆度检测仪的光电二极管光电转换电路示意图；

图6b是本发明实施例提供的苹果脆度检测仪的ADS1115电压采集电路图；

图7是本发明实施例提供的苹果脆度检测仪的检测流程图。

附图标记：

1.机壳，101.主机身壳，102.上机身壳，103.后机身壳，104.下底座，105.检测按钮，106.液晶显示屏，107.电源指示灯，108.检测状态指示灯，109.电源开关；

2.控制装置，201.核心处理模块，202.光源驱动模块，203.供电模块；

3.光源装置，301.LED光源部件，302.光电转换部件；

4.探头装置，401.LED灯压板，402.感应圈安装板，403.LED灯模拟板，404.主心轴，405.环形平凸透镜，406.探头套，407.压圈。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下以较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、技术方案、特征及其功效，详细说明如后。下述说明中的多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

实施例1

如图1-图7所示，1.一种苹果脆度检测仪，包括：机壳，其表面设有用于显示数字的液晶显示屏和检测按钮；光源装置，其设于所述机壳的开口处，用于照射待测苹果、接收苹果表面的反射光、将反射光转换为电压值及将所述电压值传送至控制装置；控制装置，其设于所述机壳的内部，所述控制装置与所述光源装置电连接；所述控制装置用于控制所述光源装置发光、接收所述电压值并利用判别模型计算苹果脆度值及将所述脆度值显示于所述液晶显示屏；所述判别模型的公式为：M＝0.935+3.62×T1+0.677×T2+0.1794×T2－0.01052×T1×PD1-0.0002668×PD2；所述TI为575nm光强值，所述T2为695nm光强值，所述PD1和所述PD2为暗光谱系数。

作为上述实施例的优选，上述光源装置包括：LED光源部件，用于照射苹果表面；光电转换部件，用于将苹果表面反射光转换为电压值；上述LED光源部件的输出端与上述光电转换部件的输入端电连接。

作为上述实施例的优选，上述控制装置包括：核心处理模块，上述光电转换部件的输出端与上述核心处理模块的输入端电连接，上述核心处理模块的第一输出端与上述液晶显示屏电连接，上述核心处理模块用于计算苹果脆度值；光源驱动模块，上述核心处理模块的第二输出端与上述光源驱动模块的输入端电连接，上述核心处理模块用于向上述光源驱动模块输出PWM控制信号；上述光源驱动模块的输出端与上述LED光源部件的输入端电连接，上述光源驱动模块用于接收上述PWM控制信号并向上述LED光源部件输出电流，实现上述LED光源部件发光；供电模块，其分别与上述核心处理模块和上述光源驱动模块电连接。

作为上述实施例的优选，上述机壳的开口端设有探头装置，上述探头装置从机壳内部至机壳开口端依次包括LED灯压板、感应圈安装板、LED灯模拟板、主心轴、凸透镜、探头套以及压圈且依次连接；上述LED光源部件设于上述LED模拟灯板(6个LED灯珠焊接在铝基板上)上，上述光电转换部件设于上述感应圈安装板上，设有上述LED光源部件的上述LED灯模拟板与设有上述光电转换部件的上述感应圈安装板装配集成为一体。

本发明的主心轴是为了装配光电感应片和平凸透镜环而设计，是探头内部最主要的部位，其表面是光路所经处因此在加工方面要求极高的精度；其结构方面有两个轴肩，小端主要是与平凸透镜环的下耳装配，内平面是锥形，增大反射光的利用，大端是安装环状LED灯板。

本发明的探头套主要是考虑到与主机身壳、平凸透镜环的上耳装配，前端就是与苹果果皮接触区域，其内表面也是光路所经处，因此在其精度方面也有极高的精度要求，其上有两个个重要的轴肩其一是外表面的大端轴肩，其二是内表面的小轴肩。在大轴肩上设有角度差为120度的阶梯孔，方便与主机身壳装配和定位，小轴肩是装配平凸透镜环的上耳，与主心轴所装配的下耳共同来完成平凸透镜环的定位与装配。

本发明的感应圈安装板主要是装配光电感应器，接收来自苹果内部的反射光信号，其放置在探头结构的末端，感应圈安装板上的凹环主要是装配光电感应片，两侧的螺纹通孔为了定位和装配设计。

本发明的压板主要是为了固定感应圈安装板而设计的，装配时有两个角度差为180度放置，同时与探头套一起与主机身壳连接共同提高探头内部的结构的紧凑性。

作为上述实施例的优选，上述供电模块为24伏安的锂电池；上述液晶显示屏为128×64点阵液晶屏。

作为上述实施例的优选，上述LED光源部件是由6个以上的LED灯珠呈环状设置以形成环形光源；上述LED灯珠的中心波长为575nm和695nm，半波宽度为15nm。

作为上述实施例的优选，上述光电转换部件为THORLABS公司的FDS1010型光电二极管。

作为上述实施例的优选，上述凸透镜为环形平凸透镜，上述环形平凸透镜的焦距为30.00mm，直径为6.00mm，半径为15.45mm，中心厚度为1.80mm，边厚为1.50mm，后焦距为28.81mm。

作为上述实施例的优选，上述机壳由主机身壳、上机身壳，后机身壳及下底座组成；上述主机身壳呈倒置的L形，上述上机身壳与上述主机身壳的上部扣接，上述后机身壳与上述主机身壳侧部扣接，上述下底座与上述主机身壳的底部扣接，上述下底座设有充电口，上述上机身壳的两侧面设有散热孔；上述控制装置和上述光源装置依次设于上述主机身壳与上述上机身壳连接形成的空腔内。

作为上述实施例的优选，上述检测按钮设于上述主机身壳的侧部；上述液晶显示屏设于上述上机身壳的侧部；上述上机身壳的侧部设有电源指示灯、电源开关和检测状态指示灯。

本发明的机壳外形类似“手枪”，采用机壳的设计是为了方便安装，其主机身壳是该检测仪器装置的主要组成部分，主要是单片机电路板和检测开关安装，检测仪的前端主要是与检测探头的连接，上部是与上机身壳的连接，后补是与后机身壳的连接，下部是与充电口底座的连接；上机身壳是主机身壳上面的装配部件，在上机身壳的结构设计中主要依据其上的显示屏、状态指示灯、锂电池和检测开关的设计，其中，显示屏与水平面具有一定角度，主要是为了方便使用者的观察，指示灯电路板在其右侧，也是方便使用者了解检测装置的工作情况，检测开关的安置电路板与水平面垂直，主要是为了使用者在使用时可以用大拇指触碰开关来解放另一只手的工作达到便携的目的；两侧的侧向通风槽来完成内部温度的控制。上述后机身壳是主机身壳手柄处的装配部件，其结构和主机身手柄尺寸一致，该设计是为了主机身壳的加工方便与装配，上述主机身壳上的检测开关的安装便便，同时也是为了壳内线路的放置，也提高了主机身装配使用过程中的刚度。上述下底座是主机身壳与后机身壳体的装配部件，下底座是为了方便安装锂电池的充电端，也为了放置设备在使用过程中出现滑落情况，其采用螺钉连接后机身壳保证结构的紧凑。本发明的设计采用手持式模型，其内部主要负责单片机电路板、锂电池、显示屏和相应控制开关等元件的安装，本发明的显示屏采用后置式方便使用者观察，在开关元件中主要包括开机开关、检测开关和用于显示屏中数据查看的按键，检测设备的结构主要是符合人手的舒适度来设计。

上述探头装置是本发明便携式检测设备的关键所在，其主要应用近红外光的反射原理来完成检测，本发明的锂电池电压为12V，因此，探头中元件的工作电压为12V。本发明近红外检测技术采用的是光反射原理来实现的，通过LED灯发出特定波长的近红外光在探头前端的透镜聚焦到苹果内部指定位置，并经过内部果肉的漫反射使得一定的光回到探头内部的检测端，实现近红外光的检测。

本发明对LED灯选型方面主要是根据近红外光谱对应的数据模型的特征波段来确定，同时为了能提高所选择的直径范围内的有效面积，因此需要六个以上的LED灯，分别呈环状安装，来减少测量分析的误差影响。本发明选择的平凸透镜在光经过透镜面时的反射率有所降低，增大光的折射率，主要是市场上的K9平凸透镜。

本发明的6a和6b电路图说明：图6a中标记的“圆圈”表示要采集的电压位置，图6b中标记的“圆圈”表示将图6a中采集的电压输入图6b中的“圆圈”位置，经过ADS1115转换后发送给单片机。

本发明的便携式检测设备零件和电路的装配方面有一定的要求，以主机身壳为基本装配部件，在其上进行相应零件和电路板等元件的安装。在主机身壳上先安装单片机开发板及外接电路、检测开关键和锂电池，同时将锂电池的充电头安装在下底座上，并和后机身壳一起用螺钉连接在主机身壳上；在上机身壳上进行显示屏、指示灯电路板和显示屏按键板安装；将探头从主机身壳前端通孔中放入，并用压板固定LED灯板，此时将感应圈安装板用螺钉安装在压板上，并将探头套的3个通孔用螺钉与主机身壳前端连接，完成探头在外壳结构中的装配；此时将相应电路完成连接，就可以将上机身壳装配在主机身壳上，完成检测装置的装配。

一种苹果脆度检测方法：采用实施例1的苹果脆度检测仪照射待检苹果的表面，当检测按键按下后，核心处理部件开始一次检测，检测顺序是：一、检测按键按下(检测按键按下后检测状态指示灯会不断的闪烁，检测完成后长亮)，二、核心处理模块得知要开始检测，输出PWM信号到光源驱动版上驱动PT4115芯片输出使得环形LED光源发光，每个波段分别亮一次，三、光电二极管获得两次光强值后，把这两个的光强值输入到核心处理部件中，通过模型计算后获得脆度值，核心处理部件把脆度值显示在12864液晶屏上。例如，将红富士苹果作为检测对象，用脆度仪照射苹果表面的赤道的正中部，575nm和695nm波段的光源分别照射一次，从仪器12864显示屏显示结果，显示结果是“苹果脆度值为：XX N/cm2”。

本发明利用了可见光-近红外漫反射光谱，基于窄带光源通过漫反射的方式检测苹果脆度并分级，突破了传统苹果脆度无损检测理论与方法，实现了检测仪器的便携式，并且检测结果准确，可在苹果采摘后快速检测分级，分类贮藏提升苹果品质；上述检测仪在生产线中可以被用于果品分级分拣，也可扩展应用于其它果品内在品质(如糖度、酸度)的快速无损检测。

本发明实施例中未尽之处，本领域技术人员均可从现有技术中选用。

以上公开的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种苹果脆度检测仪，其特征在于，所述脆度检测仪包括：

机壳，其表面设有用于显示数字的液晶显示屏和检测按钮；

光源装置，其设于所述机壳的开口处，用于照射待测苹果、接收苹果表面的反射光、将反射光转换为电压值及将所述电压值传送至控制装置；

控制装置，其设于所述机壳的内部，所述控制装置与所述光源装置电连接；所述控制装置用于控制所述光源装置发光、接收所述电压值并利用判别模型计算苹果脆度值及将所述脆度值显示于所述液晶显示屏；

所述判别模型的公式为：

M＝0.935+3.62×T1+0.677×T2+0.1794×T2－0.01052×T1×PD1-0.0002668×PD2；

所述TI为575nm光强值，所述T2为695nm光强值，所述PD1和所述PD2为暗光谱系数。

2.如权利要求1所述的一种苹果脆度检测仪，其特征在于，所述光源装置包括：

LED光源部件，用于照射苹果表面；

光电转换部件，用于将苹果表面反射光转换为电压值；

所述LED光源部件的输出端与所述光电转换部件的输入端电连接。

3.如权利要求2所述的一种苹果脆度检测仪，其特征在于，所述控制装置包括：

核心处理模块，所述光电转换部件的输出端与所述核心处理模块的输入端电连接，所述核心处理模块的第一输出端与所述液晶显示屏电连接，所述核心处理模块用于计算苹果脆度值；

光源驱动模块，所述核心处理模块的第二输出端与所述光源驱动模块的输入端电连接，所述核心处理模块用于向所述光源驱动模块输出PWM控制信号；所述光源驱动模块的输出端与所述LED光源部件的输入端电连接，所述光源驱动模块用于接收所述PWM控制信号并向所述LED光源部件输出电流，实现所述LED光源部件发光；

供电模块，其分别与所述核心处理模块和所述光源驱动模块电连接。

4.如权利要求2所述的一种苹果脆度检测仪，其特征在于，所述机壳的开口端设有探头装置，所述探头装置从机壳内部至机壳开口端依次包括LED灯压板、感应圈安装板、LED灯模拟板、主心轴、凸透镜、探头套以及压圈且依次连接；所述LED光源部件设于所述LED模拟灯板上，所述光电转换部件设于所述感应圈安装板上，设有所述LED光源部件的所述LED灯模拟板与设有所述光电转换部件的所述感应圈安装板装配集成为一体。

5.如权利要求3所述的一种苹果脆度检测仪，其特征在于，所述供电模块为24伏安的锂电池；所述液晶显示屏为128×64点阵液晶屏。

6.如权利要求2所述的一种苹果脆度检测仪，其特征在于，所述LED光源部件是由6个以上的LED灯珠呈环状设置以形成环形光源；所述LED灯珠的中心波长为575nm和695nm，半波宽度为15nm。

7.如权利要求2所述的一种苹果脆度检测仪，其特征在于，所述光电转换部件为THORLABS公司的FDS1010型光电二极管。

8.如权利要求4所述的一种苹果脆度检测仪，其特征在于，所述凸透镜为环形平凸透镜，所述环形平凸透镜的焦距为30.00mm，直径为6.00mm，半径为15.45mm，中心厚度为1.80mm，边厚为1.50mm，后焦距为28.81mm。

9.如权利要求1所述的一种苹果脆度检测仪，其特征在于，所述机壳由主机身壳、上机身壳，后机身壳及下底座组成；所述主机身壳呈倒置的L形，所述上机身壳与所述主机身壳的上部扣接，所述后机身壳与所述主机身壳侧部扣接，所述下底座与所述主机身壳的底部扣接，所述下底座设有充电口，所述上机身壳的两侧面设有散热孔；所述控制装置和所述光源装置依次设于所述主机身壳与所述上机身壳连接形成的空腔内。

10.如权利要求9所述的一种苹果脆度检测仪，其特征在于，所述检测按钮设于所述主机身壳的侧部；所述液晶显示屏设于所述上机身壳的侧部；所述上机身壳的侧部设有电源指示灯、电源开关和检测状态指示灯。