CN109668837B - 基于光声光谱的苹果内部品质检测系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光声光谱的苹果内部品质检测系统及其方法，属于水果内部品质检测领域。本系统是：红外激光器组、光纤合束器、光纤准直器、转接件和探头式光声腔依次连通；在探头式光声腔的尾端通过紧固螺母固定嵌入的硅胶吸盘，在硅胶吸盘的正前方放置有苹果；在探头式光声腔首端的侧面设置有传声器；传声器、控制与信号处理电路和触摸屏依次连接；红外激光器组和控制与信号处理电路相互连接。本发明通过使用红外激光器组加光纤合束器的组合、光纤准直器和自行设计的探头式光声腔；在具备光声光谱技术灵敏度高、样品无需预处理、样品无损和可测光谱范围广特点的同时，该系统拥有检测精度高、系统稳定性强和方便实用的优点；为水果内部品质无损检测提供了一种极具竞争力的技术方案。
Description
技术领域
本发明属于水果内部品质检测领域，具体涉及一种基于光声光谱的苹果内部品质检测系统及其方法。
背景技术
我国水果品种丰富，产量居世界首位，然而我国水果出口量仅占世界的2%。国内水果相比于国外价格较低并且果品竞争力不强，其重要的原因是落后的分级检测技术。国内技术发展还存在很多问题：比如研究面广，但精深研究较少；单指标分级检测技术应用较多，多指标综合分级检测研究中应用较少；外在品质检测技术较为成熟，但内在品质检测技术因成本较高，在实际检测中应用较少。认真解决好上以上问题有利于降低工人劳动强度、提高果品品质、增强我国果品在国际市场的竞争力。
目前国内，近红外光谱技术因为速度快、效率高的优点在水果内部检测上有很多研究，但是光与组织相互作用过程必然伴随着一定的反射、散射和其他光损失，因此使得光在组织中的穿透深度有限，从而造成探测到的光所携带的有用信息有限，当前这些技术难题尚未解决，此方法难以获得准确可靠的检测结果。
光声光谱技术是一种理想的无背景噪声信号技术，具有探测灵敏度高，动态范围大以及光声光谱探测器的响应率几乎与波长无关等优点。与传统光谱分析方法不同，光声光谱技术是监测物体吸收光能后产生的热能中以声压形式表现出来的那部分能量，即使在高反射弱吸收情况下，也可以增加光强来提高光声信号强度和信噪比。光声检测对式样形态要求不高，无论固体还是液体或者气体、粉末、胶体等等都可以进行测量。目前，该技术主要用于多组分微量气体检测，国内暂时没有应用于水果内部检测的研究报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光声光谱的苹果内部品质检测系统及其方法，旨在避免近红外光谱检测方法中光散射、反射现象带来的干扰问题，并一定程度上解决了光声技术检测固体难产生、弱产生的问题，提高了检测精度和实用性。为光声技术应用于食品无损检测开辟了道路，有助于进一步丰富我国水果内部检测的技术方案，为增强我国水果在国际市场的竞争力提供技术支撑。
本发明的技术方案：
一、基于光声光谱的苹果内部品质检测系统（简称系统）
本系统包括被检测对象苹果；
设置有红外激光器组、光纤合束器、光纤准直器、转接件、探头式光声腔、紧固螺母、硅胶吸盘、传声器、控制与信号处理电路和触摸屏；
其关系是：
红外激光器组、光纤合束器、光纤准直器、转接件和探头式光声腔依次连通；
在探头式光声腔的尾端通过紧固螺母固定嵌入的硅胶吸盘，在硅胶吸盘的正前方放置有苹果；
在探头式光声腔首端的侧面设置有传声器；
传声器、控制与信号处理电路和触摸屏依次连接；
红外激光器组和控制与信号处理电路相互连接。
二、基于光声光谱的苹果内部品质检测方法（简称方法）
本方法包括下列步骤：
①将探头式光声腔通过硅胶吸盘与苹果表面紧密贴合，然后在触摸屏上选择需要检测的特征；
②控制与信号处理电路接收触摸屏输入的控制指令（待检品质、脉冲频率）后，将设置红外激光器组待输出光源的波长类别及其发射顺序、脉冲频率还有处理电路预测模型的工作参数；
③按输出顺序，红外激光器组在某时刻输出一束固定频率脉冲的单波长红外激光,再经光纤合束器合束输出；脉冲调制光经光纤准直器进行光束聚焦准直后，透过石英光窗纵向入射进光声腔并打在苹果表面；
④苹果内部待测特征分子吸收光能后，部分分子被激励到激发态，经过无辐射跃迁后回到基态，分子的能量以平动能的形式转化为苹果表面气体的周期性温度变化，使得光声腔中产生声信号；
⑤由于赫姆霍兹效应，该声信号将在腔内共振放大，传声器将探测的光声信号转换为电信号后输入到控制与信号处理电路的信号输入端进行记录；
⑥待记录完待检特征所有特征波长的的光声信息测量值后，控制与信号处理电路将记录信息输入预测模型进行处理，最后将停止光源输出并将待检特征的浓度值显示于触摸屏上。
本发明具有下列优点和积极效果：
①针对待检特征，系统输出若干个特征波长的调制激光打在苹果表面；苹果内部待测特征分子吸收光能后，部分分子被激励到激发态，经过无辐射跃迁后回到基态，分子的能量以平动能的形式转化为苹果表面气体的周期性温度变化，产生声信号；系统采集光声信号的大小并输入预测模型得到待检特征的浓度值；
利用光声光谱技术灵敏度高、样品无需预处理、样品无损和可测光谱范围广的特点，避免了近红外光谱检测方法中光散射、反射干扰带来的检测问题，提高了样品检测精度和系统稳定性，为水果内部品质无损检测提供了新的思路和方法。
②利用红外激光器组加光纤合束器的组合：将针对不同特征的若干个激光器组成一个整体，并通过光纤合束器合束输出，同一时刻只有一个激光器工作；
有效控制激光的输出顺序，并优化了光路结构，提升了系统紧凑性和实用性。
③引入光纤准直器能聚焦准直激光输出，提高了光源强度，减小了光斑面积，能产生更大的光声信号；
准直器通过转接件直接与探头式光声腔相连，缩短了激光在空气中传播距离，减小能量损失，增强了光声信号。
④自行设计的探头式光声腔：一方面，采用黄铜制作加工并且内部抛光，有助于提高反射率和降低腔体产生的光声信号；通过吸盘与苹果表面紧密贴合，很好地隔绝了外界杂散环境光和噪音干扰，并且操作简单，快捷实用；另一方面，具有体积小、结构简单的特点，并通过赫姆霍兹共振放大光声信号，进一步提高了信噪比。
总之，本发明通过使用红外激光器组加光纤合束器的组合、光纤准直器和自行设计的探头式光声腔；在具备光声光谱技术灵敏度高、样品无需预处理、样品无损和可测光谱范围广特点的同时，拥有检测精度高、稳定性强和方便实用的优点。
附图说明
图1是本系统的结构示意图；
图2是探头式光声腔的结构外观图；
图3是探头式光声腔腔体结构剖视图；
图4是光纤准直器的结构外观图；
图5是转接件的结构外观图；
图6是硅胶吸盘的结构外观图；
图7是不同糖度的苹果用800-900nm三个不同波长激光照射表面的响应图；
图8是不同波长的激光照射糖度递增的苹果表面的响应图。
图中：
0—苹果；
1—红外激光器组；
2—光纤合束器；
3—光纤准直器；
4—转接件；
5—探头式光声腔，
5.1—黄铜腔体，5.2—转接件螺纹口，5.3—石英光窗，
5.4—传声器开口，5.5—激光输出开口，5.6—紧固螺母螺丝口；
6—紧固螺母；
7—硅胶吸盘；
8—传声器；
9—控制与信号处理电路；
10—触摸屏。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明：
一、系统
1、总体
如图1，本系统包括被检测对象苹果0；
设置有红外激光器组1、光纤合束器2、光纤准直器3、转接件4、探头式光声腔5、紧固螺母6、硅胶吸盘7、传声器8、控制与信号处理电路9和触摸屏10；
其关系是：
红外激光器组1、光纤合束器2、光纤准直器3、转接件4和探头式光声腔5依次连通；
在探头式光声腔5的尾端通过紧固螺母6固定嵌入的硅胶吸盘7，在硅胶吸盘7的正前方放置有苹果0；
在探头式光声腔5首端的侧面设置有传声器8；
传声器8、控制与信号处理电路9和触摸屏10依次连接；
红外激光器组1和控制与信号处理电路9相互连接。
2、功能部件
0）苹果0
1）红外激光器组1
如图1，红外激光器组1包括并排的6个不同波长的窄线宽DFB激光器,其中三个对应苹果糖度检测，波长为800-900nm之间；另外三个对应酸度检测，波长为500-600nm之间。
其功能是：提供不同波长的检测光源。
2）光纤合束器2
如图1，光纤合束器2为6合1的光纤合束器；
其功能是：将6个激光输出通道合成一个通道。
3）光纤准直器3
如图4，光纤准直器3是一种外购件，使用Thorlab的FiberPort微定位器，光纤输入为FC接头；
其功能是：用于长期耦合和准直光纤中的输出光。
4）转接件4
如图5，转接件4是一种外购件，使用Thorlab的HCL转接件；
其功能是：连接光纤准直器3和探头式光声腔5。
5）探头式光声腔5
探头式光声腔5为自行设计部件，整体外观为圆柱形，首端为高透射石英光窗，尾端为圆形开口；内部空腔呈哑铃型，由首尾两个圆柱和中间细长圆柱管构成；该探头式光声腔首端有螺纹供HCL转接件旋接使用，有圆柱开口供传声器放入；腔体尾端有吸盘嵌入口供吸盘放入，有4个M4螺丝口供紧固螺母旋接使用；
其功能是：提供光源与苹果产生光声效应的场所，并共振放大产生的光声信号。
具体地说，如图2、3，探头式光声腔5包括黄铜腔体5.1、转接件螺纹口5.2、石英光窗5.3、传声器开口5.4、激光输出开口5.5和紧固螺母螺丝口5.6；
其关系是：黄铜腔体5.1首端端面设置有转接件螺纹接口5.2，转接件螺纹接口5.2内有同心的石英光窗5.3，黄铜腔体5.1首端侧面设置有传声器开口5.4，黄铜腔体5.1尾端端面设置有激光输出开口5.5，黄铜腔体5.1尾端侧面设置有4个成圆周对称分布的紧固螺母螺丝口5.6。
（1）黄铜腔体5.1
如图3，黄铜腔体5.1在前期仿真得出适当尺寸基础上由黄铜精密加工而成，内部空腔充分抛光；
其作用是：提供产生光声效应和检测光声信号的场所，便于检测操作。
（2）转接件螺纹口5.2
如图3，转接件螺纹口5.2根据转接件尺寸设计；
其作用是：连接转接件4和黄铜腔体5.1。
（3）石英光窗5.3
如图3，石英光窗5.3由高透射石英玻璃制作，通过O型圈与黄铜腔体5.1密封；
其作用是：封闭整个空腔并降低光源损耗。
（4）传声器开口5.4
如图3，传声器开口5.4根据传声器8尺寸设计；
其作用是：连接传声器8和黄铜腔体5.1。
（5）激光输出开口5.5
如图3，激光输出开口5.5根据前期仿真得出适当尺寸设计；
其作用是：提供光源的输出口。
（6）紧固螺母螺丝口5.6
如图3，紧固螺母螺丝口5.6根据紧固螺母7尺寸设计；
其作用是：便于紧固螺母7固定硅胶吸盘6。
6）硅胶吸盘6
如图6，硅胶吸盘6是一种外购件。
其功能是：使探头式光声腔5与苹果0紧密贴合。
7）紧固螺母7
紧固螺母7是一种外购件。
其功能是：固定硅胶吸盘6。
8）传声器8
传声器8是一种外购件，为高性能驻极体电容式麦克风，工作频率为20-20000Hz，灵敏度为-38dB，通过O型圈与黄铜腔体5.1连接。
其功能是：将光声信号转变成电信号便于检测。
9）控制与信号处理电路9
控制与信号处理电路9由高性能数字锁相放大器模块和微型计算机模块构成。
（1）高性能数字锁相放大器模块
高性能数字锁相放大器模块是一个高度集成的小型式数字锁相放大器，用于对传声器8采集到的电信号进行锁相放大；锁相频率参考探头式光声腔5的共振频率，由用户在触摸屏10手动设置。
（2）微型计算机模块
微型计算机模块用于控制系统参数和信号的分析处理；一方面根据用户设置输出调制信号到红外激光器组1改变激光器的工作电流，实现对激光波长的调制和扫描，并调整内部模型匹配待检特征；另一方面在得到所有特征波长锁相放大后的电信号之后，该模块将这些信号输入内部模型分析处理得到待检特征的测量值，最后通过触摸屏10显示。
其功能是：根据用户设置调整红外激光器组的输出属性和内部模型，并锁定放大传声器的输出信号，通过内部模型的处理得到待检特征的测量值。
10）触摸屏10
触摸屏10是一种外购件。
其功能是：提供用户与系统的交互界面，便于用户输入需求设置和显示最后待检特征的测量值。
3、工作机理
当我们需要检测苹果0的内部糖度含量，首先将探头式光声腔5通过硅胶吸盘6与苹果0表面紧密贴合；然后在触摸屏10上选择需要检测的特征为糖度；控制与信号处理电路9接收触摸屏10输入的控制指令（待检品质、脉冲频率）后，将设置红外激光器组1待输出光源的波长类别为800-900nm，激光输出先后顺序依次为808nm-828nm-906nm，激光脉冲频率为1459Hz，控制与信号处理电路9的预测模型为苹果糖度预测模型；之后红外激光器组1在某时刻输出一束固定频率脉冲的单波长红外激光，再经光纤合束器2合束输出；脉冲调制光经光纤准直器3进行光束聚焦准直后，透过石英光窗5.3纵向入射进光声腔5.1并打在苹果0表面；苹果0内部待测特征分子吸收光能后，由于光声效应在光声腔5.1中激发声信号；由于赫姆霍兹效应，该声信号将在腔内被共振放大，传声器8将探测的光声信号转换为电信号后输入到控制与信号处理电路9的信号输入端进行记录；待记录完待检特征所有特征波长的光声信息测量值后，控制与信号处理电路9会将记录信息输入糖度预测模型进行处理，最后将停止光源输出并将待检苹果糖度值显示于触摸屏10上。
4、检测结果
如图7，测量的不同糖度的苹果被三个不同波长激光照射表面时的响应。10糖度苹果、12/>糖度苹果和14/>糖度苹果的光声响应曲线有很好的一致性。
如图8，测量的不同波长的激光照射糖度递增的苹果表面时的响应。三个波长的光声响应均表现为良好的线性关系。
这说明该系统在一定程度上可以用于水果内部糖度的无损检测。
Claims (1)
1.一种基于光声光谱的苹果内部品质检测系统的苹果内部品质检测方法，
所述检测系统包括被检测对象苹果(0)；所述检测系统设置有红外激光器组(1)、光纤合束器(2)、光纤准直器(3)、转接件(4)、探头式光声腔(5)、紧固螺母(6)、硅胶吸盘(7)、传声器(8)、控制与信号处理电路(9)和触摸屏(10)；
红外激光器组(1)、光纤合束器(2)、光纤准直器(3)、转接件(4)和探头式光声腔(5)依次连通；探头式光声腔(5)首端的侧面设置有传声器(8)；探头式光声腔(5)的尾端通过紧固螺母(6)固定嵌入有硅胶吸盘(7)，在硅胶吸盘(7)的正前方放置苹果(0)；传声器(8)、控制与信号处理电路(9)和触摸屏(10)依次连接；红外激光器组(1)和控制与信号处理电路(9)相互连接；
所述探头式光声腔(5)包括黄铜腔体(5.1)、转接件螺纹口(5.2)、石英光窗(5.3)、传声器开口(5.4)、激光输出开口(5.5)和紧固螺母螺丝口(5.6)；黄铜腔体(5.1)首端端面设置有转接件螺纹接口(5.2)，转接件螺纹接口(5.2)内有同心的石英光窗(5.3)，黄铜腔体(5.1)首端侧面设置有传声器开口(5.4)，黄铜腔体(5.1)尾端端面设置有激光输出开口(5.5)，黄铜腔体(5.1)尾端侧面设置有4个呈圆周对称分布的紧固螺母螺丝口(5.6)；所述探头式光声腔(5)用于提供光源与苹果产生光声效应的场所，并共振放大产生的光声信号；
所述红外激光器组(1)用于提供不同的检测光源，所述红外激光器组(1)包括并排的6个不同波长的窄线宽DFB激光器，其中三个对应苹果的糖度检测，波长为800-900nm之间；另外三个对应苹果的酸度检测，波长为500-600nm之间；
所述控制与信号处理电路(9)由高性能数字锁相放大器模块和微型计算机模块构成，其中，所述高性能数字锁相放大器模块用于对传声器(8)采集到的电信号进行锁相放大；所述微型计算机模块用于控制系统参数和信号的分析处理，一方面根据用户设置输出调制信号到红外激光器组(1)改变激光器的工作电流，实现对激光波长的调制和扫描，并调整内部预测模型匹配待测特征，另一方面在得到所有特征波长锁相放大后的电信号之后，该模块将所述电信号输入内部预测模型分析处理得到待测特征的测量值，最后通过触摸屏(10)显示；
其特征在于，所述检测方法包括下列步骤：
①将探头式光声腔(5)通过硅胶吸盘(7)与苹果(0)表面紧密贴合，然后在触摸屏(10)上选择待测特征；
②控制与信号处理电路(9)接收触摸屏(10)输入的控制指令后，设置红外激光器组(1)待输出光源的波长类别及其发射顺序、脉冲频率以及处理电路内部预测模型的工作参数；
③按输出顺序，红外激光器组(1)在某时刻输出一束固定频率脉冲的单波长红外激光，再经光纤合束器(2)合束输出；脉冲调制光经光纤准直器(3)进行光束聚焦准直后，透过石英光窗(5.3)纵向入射进探头式光声腔(5)并打在苹果(0)表面；
④苹果(0)内部待测特征分子吸收光能后，部分分子被激励到激发态，经过无辐射跃迁后回到基态，分子的能量以平动能的形式转化为苹果(0)表面气体的周期性温度变化，使得探头式光声腔(5)中产生声信号；
⑤由于赫姆霍兹效应，该声信号将在探头式光声腔(5)共振放大，传声器(8)将探测的光声信号转换为电信号后输入到控制与信号处理电路(9)的信号输入端进行记录；
⑥待记录完待测特征所有特征波长的光声信息测量值后，控制与信号处理电路(9)将记录信息输入内部预测模型进行处理，最后将停止光源输出并将待测特征的浓度值显示于触摸屏(10)上。
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