CN109520970B - 一种基于光谱的水果品质检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光谱的水果品质检测装置及方法，所述装置包括托果杯、环形光源、硅胶垫、两个红外检测器、光学桶、凸透镜和光谱仪，托果杯与光学桶上下可移动地嵌套在一起，两个红外检测器位于光学桶内侧靠近其与托果杯连接侧的开口处，且以上下形式排布，上下移动托果杯来调整托果杯的高度，当触发上红外检测器未触发下红外检测器时，将托果杯与光学桶固定；环形光源安装在托果杯内壁的杯口处，硅胶垫安装在环形光源下方；所述凸透镜安装在光学桶内，凸透镜的向上二倍焦距点位于硅胶垫的下方，光谱仪位于凸透镜的下焦点上。本发明的水果品质检测装置具有体积小、操作简单、检测精度高等优点，具有广阔市场价值。

Description

一种基于光谱的水果品质检测装置及方法
技术领域
本发明涉及水果品质无损检测领域，具体涉及一种基于光谱的水果品质检测装置及方法。
背景技术
水果是人们主要的维生素和膳食纤维摄入源。随着人们生活水平的不断提高，大家对水果品质的要求也在提升。对水果品质进行监控是十分必要的。在农产品与食品的加工中，人工对水果筛选和分级还是主流，这必然导致费时、费力、准确度低等弊端。因此开发一种可以实时、无损、快速的水果检测装置及方法很有必要。
目前主流的水果品质无损检测方法包括光谱法和光谱成像法，这两种方法各有利弊。具体来说：光谱法可以准确检测水果的信息，但是只能采集一个点的范围；光谱成像法可以采集整个水果的信息，但是检测速度较慢，精度低于光谱法。通常情况下，在食品工业中或消费者购买时，只需要对整果的品质进行判断即可，对其品质分布的检测意义不大。为了提高检测精度，光谱法已可以满足大多数需求。
由于光谱法点扫描的特性，很难采集到整个水果的全部光谱信息，通常的解决办法是随机采集多个点求平均，例如中国发明专利申请CN107202761A《一种快速检测水果内部品质的便携式检测设备及检测方法》中提到，随机选取每个水果的环赤道面上的点进行光谱扫描，这种方法对一个样本需要多次采集光谱，会花费较长的时间，且误差较大。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种基于光谱的水果品质检测装置，所述装置具有体积小、操作简单、检测精度高等优点。
本发明的另一目的在于提供一种基于光谱的水果品质检测方法。
本发明的目的可以通过如下技术方案实现：
一种基于光谱的水果品质检测装置，包括托果杯、环形光源、硅胶垫、两个红外检测器、光学桶、凸透镜和光谱仪，托果杯与光学桶上下可移动地嵌套在一起，两个红外检测器位于光学桶内侧靠近其与托果杯连接侧的开口处，且以上下形式排布，分别为上红外检测器和下红外检测器，上下移动托果杯来调整托果杯的高度，当触发上红外检测器未触发下红外检测器时，将托果杯与光学桶固定；环形光源安装在托果杯内壁的杯口处，硅胶垫安装在环形光源下方；所述凸透镜安装在光学桶内，凸透镜的向上二倍焦距点位于硅胶垫的下方，光谱仪位于凸透镜的下焦点上。
进一步地，所述托果杯内侧、硅胶垫表面都涂有黑色吸光涂层。
进一步地，所述硅胶垫能够用橡胶垫代替。
进一步地，所述托果杯、环形光源、硅胶垫的形状和大小能够根据实际检测水果的尺寸进行定制。
进一步地，所述检测装置还包括可更换玻璃板，可更换玻璃板安装在光学桶内，位于两个红外检测器的下方、凸透镜的上方，所述光学桶上还预留有抽真空接口，抽真空接口位于可更换玻璃板的上方。
本发明的另一目的可以通过如下技术方案实现：
一种基于光谱的水果品质检测方法，所述方法包括以下步骤：
通过基于光谱的水果品质检测装置对水果进行光谱采集，得到原始散射光谱；
根据原始散射光谱对水果的化学品质或病、虫害或表面损伤进行检测；
建立水果原始散射光谱与其化学品质或病、虫害或表面损伤的预测模型；
采集待测水果的原始散射光谱并将其代入上述建立的预测模型中，得到相应的预测值。
进一步地，所述通过基于光谱的水果品质检测装置对水果进行光谱采集，得到原始散射光谱的具体过程为：
将水果放置在托果杯内，使之与硅胶垫充分接触，上下移动托果杯来调整托果杯的高度，当触发上红外检测器未触发下红外检测器时，将托果杯与光学桶固定，打开环形光源，采用透反射模式获得水果的原始散射光谱，并利用凸透镜将水果的整果光谱聚焦在光谱仪上。
进一步地，所述方法还包括以下步骤：当托果杯与光学桶固定后，通过抽真空接口将可更换玻璃板上方的腔体抽真空，利用负压将水果固定。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明提供的基于光谱的水果品质检测装置具有体积小、操作简单、检测精度高等优点，可以集成在工业水果分选传送带上或便携设备上。
2、本发明提供的基于光谱的水果品质检测装置，通过将腔体抽真空固定水果，防止水果在检测光谱时移动，同时制造了暗室环境，提高了检测精度。
3、本发明提供的基于光谱的水果品质检测装置，利用凸透镜收集水果散射光，克服了透反射采集模式散射光较弱的弊端，同时可以采集整果的光谱信号，克服了光谱法只能采集点光谱的弊端。
附图说明
图1为本发明实施例1基于光谱的水果品质检测装置结构图。
其中，1-托果杯，2-环形光源，3-硅胶垫，4-红外检测器，5-可更换玻璃板，6-抽真空接口，7-光学桶，8-凸透镜，9-光谱仪。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供了一种基于光谱的水果品质检测装置，包括托果杯(1)、环形光源(2)、硅胶垫(3)、两个红外检测器(4)、可更换玻璃板(5)、抽真空接口(6)、光学桶(7)、凸透镜(8)和光谱仪(9)，托果杯(1)与光学桶(7)上下可移动地嵌套在一起，两个红外检测器(4)位于光学桶(7)内侧靠近其与托果杯(1)连接侧的开口处，且以上下形式排布，分别为上红外检测器和下红外检测器，上下移动托果杯(1)来调整托果杯(1)的高度，当触发上红外检测器未触发下红外检测器时，将托果杯(1)与光学桶(7)固定；环形光源(2)安装在托果杯(1)内壁的杯口处，硅胶垫(3)安装在环形光源(2)下方；所述凸透镜(8)安装在光学桶(7)内，凸透镜(8)的向上二倍焦距点位于硅胶垫(3)的下方，光谱仪(9)位于凸透镜(8)的下焦点上，可更换玻璃板(5)安装在光学桶(7)内，位于两个红外检测器(4)的下方、凸透镜(8)的上方，抽真空接口(6)位于可更换玻璃板(5)的上方。
其中，所述托果杯(1)内侧、硅胶垫(3)表面都涂有黑色吸光涂层，且所述托果杯(1)、环形光源(2)、硅胶垫(3)的形状和大小能够根据实际检测水果的尺寸进行定制。
本实施例还提供了一种利用上述装置的基于光谱的水果品质检测方法，所述方法包括以下步骤：
通过基于光谱的水果品质检测装置对水果进行光谱采集，得到原始散射光谱；具体过程为：将水果放置在托果杯(1)内，使之与硅胶垫(3)充分接触，上下移动托果杯(1)来调整托果杯(1)的高度，当触发上红外检测器未触发下红外检测器时，将托果杯(1)与光学桶(7)固定，通过抽真空接口(6)将可更换玻璃板(5)上方的腔体抽真空，利用负压将水果固定，打开环形光源(2)，采用透反射模式获得水果的原始散射光谱，并利用凸透镜(8)将水果的整果光谱聚焦在光谱仪(9)上；
根据原始散射光谱对水果的化学品质或病、虫害或表面损伤进行检测；
建立水果原始散射光谱与其化学品质或病、虫害或表面损伤的预测模型；
采集待测水果的原始散射光谱并将其代入上述建立的预测模型中，得到相应的预测值。
实施例2：
将图1所示基于光谱的水果品质检测装置安装在柿子加工厂的选果传送带上，并将真空泵连接在抽真空接口(6)处。
将柿子放置在托果杯(1)内，使之与硅胶垫(3)充分接触，将水果与可更换玻璃板(5)中间的腔体通过抽真空接口(6)用真空泵抽真空(形成负压)，将水果固定，调整托果杯(1)高度，并触发上红外检测器，不触发下红外检测器，打开LED环形光源，采用透反射模式采集柿子原始散射光谱。检测柿子的糖度、酸度、硬度、是否发生病害、是否发生虫害和是否有表面损伤。
分别建立三个偏最小二乘模型预测柿子的糖度、酸度和硬度，分别建立三个支持向量机模型判别柿子是否有病害、虫害或表面损伤。
用机械臂将柿子逐个放在杯状外壳杯口处，这时光线被挡住，光谱仪(9)采集到的光强迅速降低，触发真空泵，腔体内形成负压，将柿子吸在杯口处，打开LED环形光源并采集柿子的原始光谱，将光谱代入上述6个模型，预测或判别柿子的品质。
当柿子被检测为有病害或虫害时，载有柿子的检测装置在传送带上被传送到弃果区后，检测装置呈90度向外旋转，真空泵停止工作，腔体内负压消失，柿子掉入弃果区；
当柿子被检测为无病害或虫害，有表面损伤时，载有柿子的检测装置在传送带上被传送到柿子去皮区后，检测装置呈90度向外旋转，真空泵停止工作，腔体内负压消失，柿子掉入柔软的滚槽，并滚入去皮区；
当柿子被检测为无病害、虫害或表面损伤，但糖度小于18或酸度大于5或硬度大于20时，载有柿子的检测装置在传送带上被传送到柿子后熟区后，检测装置呈90度向外旋转，真空泵停止工作，腔体内负压消失，柿子掉入柔软的滚槽，并滚入后熟区；
否则，载有柿子的检测装置在传送带上被传送到柿子脱涩区后，检测装置呈90度向外旋转，真空泵停止工作，腔体内负压消失，柿子掉入柔软的滚槽，并滚入脱涩区。
实施例3：
将图1所示的基于光谱的水果品质检测装置安装在可用蓝牙传输数据的便携设备上，将气囊与抽真空接口(6)连接，用手捏住气囊并将苹果放置在杯状外壳杯口处，与橡胶垫圈充分接触，松手后腔体内形成负压将苹果固定，调整托果杯(1)高度，并触发上红外检测器，不触发下红外检测器，打开LED环形光源，采用透反射模式采集苹果原始散射光谱。检测苹果的糖度、酸度、是否发生病害和是否发生虫害。
分别建立两个人工神经网络模型预测苹果的糖度、酸度，分别建立两个支持向量机模型判别苹果是否有病害或虫害。
在超市中，用手捏住气囊并将苹果放置在杯状外壳杯口处，与橡胶垫圈充分接触，松手后腔体内形成负压将苹果固定，打开LED环形光源，并采集苹果的原始光谱。将原始光谱通过蓝牙传输到手机对应的应用中。将光谱代入上述4个模型，预测或判别苹果的品质。手机应用中会显示出苹果是否有病害或虫害，同时可以显示出苹果的糖度和酸度。再用手捏气囊，腔体内负压消失，把苹果取下，并选择是否购买。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利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专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于光谱的水果品质检测装置，其特征在于：所述装置基于环形光源，采用透反射模式获得水果的原始散射光谱，并利用凸透镜将水果的整果光谱聚焦在光谱仪上，包括托果杯、环形光源、硅胶垫、两个红外检测器、光学桶、凸透镜和光谱仪，托果杯与光学桶上下可移动地嵌套在一起，两个红外检测器位于光学桶内侧靠近其与托果杯连接侧的开口处，且以上下形式排布，分别为上红外检测器和下红外检测器，上下移动托果杯来调整托果杯的高度，当触发上红外检测器未触发下红外检测器时，将托果杯与光学桶固定；环形光源安装在托果杯内壁的杯口处，硅胶垫安装在环形光源下方；所述凸透镜安装在光学桶内，凸透镜的向上二倍焦距点位于硅胶垫的下方，光谱仪位于凸透镜的下焦点上；
所述检测装置还包括可更换玻璃板，可更换玻璃板安装在光学桶内，位于两个红外检测器的下方、凸透镜的上方，所述光学桶上还预留有抽真空接口，抽真空接口位于可更换玻璃板的上方；
所述托果杯内侧、硅胶垫表面都涂有黑色吸光涂层。
2.根据权利要求1所述的一种基于光谱的水果品质检测装置，其特征在于：所述托果杯、环形光源、硅胶垫的形状和大小能够根据实际检测水果的尺寸进行定制。
3.根据权利要求1所述的一种基于光谱的水果品质检测装置，其特征在于：所述硅胶垫能够用橡胶垫代替。
4.根据权利要求1～3任一所述基于光谱的水果品质检测装置的水果品质检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
通过基于光谱的水果品质检测装置对水果进行光谱采集，得到原始散射光谱；
根据原始散射光谱对水果的化学品质或病、虫害或表面损伤进行检测；
建立水果原始散射光谱与其化学品质或病、虫害或表面损伤的预测模型；
采集待测水果的原始散射光谱并将其代入上述建立的预测模型中，得到相应的预测值。
5.根据权利要求4所述的水果品质检测方法，其特征在于，所述通过基于光谱的水果品质检测装置对水果进行光谱采集，得到原始散射光谱的具体过程为：
将水果放置在托果杯内，使之与硅胶垫充分接触，上下移动托果杯来调整托果杯的高度，当触发上红外检测器未触发下红外检测器时，将托果杯与光学桶固定，打开环形光源，采用透反射模式获得水果的原始散射光谱，并利用凸透镜将水果的整果光谱聚焦在光谱仪上。
6.根据权利要求5所述的水果品质检测方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：当托果杯与光学桶固定后，通过抽真空接口将可更换玻璃板上方的腔体抽真空，利用负压将水果固定。
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