CN109813494A - 一种基于测量质心无损检测鸡蛋新鲜度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种通过测量鸡蛋质心实时距离的方法达到无损快速检测鸡蛋新鲜度的目的。本发明通过测量鸡蛋实时质心到鸡蛋小头顶端的距离，并将其与鸡蛋长度的比值定义为质心率，以质心率的变化和鸡蛋存放天数以及鸡蛋新鲜度分别建立模型，通过建立出的模型预测鸡蛋的存放天数与新鲜度。该方法相比于其他检测技术其优点在于对鸡蛋进行快速、无损检测、成本低、效率高，且该方法可通过实时测量鸡蛋质心研究整个储藏期内鸡蛋新鲜度的变化规律及其影响因素，因此具有应用于与鸡蛋新鲜度检测相关的科学研究与禽蛋产业的前景。

Description

一种基于测量质心无损检测鸡蛋新鲜度的方法
技术领域
本发明涉及农畜产品检测技术领域，具体涉及一种基于质心测量对鸡蛋新鲜度进行快速无损检测的方法。
背景技术
鸡蛋是消费者蛋白质营养的重要来源，其具有营养丰富、易于消化吸收等特点，深受大众喜爱。中国禽蛋人均消费已经居于世界首位，蛋品消费需求仍然快速增长。目前的鸡蛋多为大规模工业化加工生产，这就容易导致鸡蛋在加工、储藏运输环节中会受到外界影响而变质。目前，对鸡蛋品质和新鲜度的分级主要是靠人工或者理化指标的测量来确定，这些会造成生产效率低、成本高、还会对鸡蛋造成破坏，难以对鸡蛋储藏过程中新鲜度的变化实施快速低成本检测。因此，发明一种可以快速无损检测鸡蛋新鲜度的方法对于鸡蛋的生产效益具有重要意义。
目前，检测鸡蛋新鲜度的方法有很多种。但都存在一定的缺点，如测量鸡蛋的哈夫指数、酸碱度、黏度等，这些指标的测量都会造成鸡蛋的损坏，且检测周期长，程序复杂；采用机器视觉技术可以鉴别鸡蛋的新鲜度，但又会受到蛋壳颜色、厚度及光源亮度的影响；利用红外光谱技术也可以检测鸡蛋的新鲜度，但存在数据分析工作量非常大，且容易受到外部环境的影响。国外采用气相色谱和气质联用仪等技术检测鸡蛋的挥发性成分，可以较为准确的反映鸡蛋各时期的挥发性物质组成，但是缺点在于费用昂贵、检测周期长，不宜应用于工业化大规模检测。因此，如何改进检测技术、降低成本，提高经济效益，解决鸡蛋新鲜度检测问题具有重大意义。
质量中心简称为质心，指物质系统上被认为质量集中于此的一个假想点，是二维形状的几何中心。质心位置在工程上具有重要意义，物体质心位置发生偏移都将会影响该系统的整个运动状态。本发明则通过测量鸡蛋不同时期其质心位置并与哈夫指数建立联系来判断鸡蛋的新鲜度。
发明内容
要解决的技术问题：针对上述的技术问题，本发明的目的是找到一种快速无损检测鸡蛋新鲜度的方法。
技术方案：一种基于测量质心无损检测鸡蛋新鲜度的方法，包括如下步骤：
数据采集：通过质心测量仪准确测得鸡蛋质心位置，将质心与鸡蛋小头顶端的间距比上鸡蛋长度，得到鸡蛋质心率的数值；
数据处理：将不同温度以及不同摆放位置的鸡蛋质心率与鸡蛋哈夫指数之间建立数学模型，根据所建模型，可以根据质心率直接表征鸡蛋的新鲜度，达到快速、准确、无损检测鸡蛋新鲜度的目的。
进一步的，所述步骤S2中分别对三种不同温度下鸡蛋质心率与鸡蛋存放天数之间建立拟合方程。
进一步的，所述步骤S2中分别对鸡蛋的三种不同摆放位置的质心率与鸡蛋存放天数之间建立拟合方程。
进一步的，所述步骤S2中分别对三种不同温度下鸡蛋质心率与鸡蛋哈夫指数之间建立拟合方程。
进一步的，所述步骤S2中分别对鸡蛋的三种不同摆放位置所得质心率与鸡蛋哈夫指数之间建立拟合方程。
进一步的，所述步骤S2中以鸡蛋在三种不同温度下70%的鸡蛋质心率为横坐标，鸡蛋哈夫指数为纵坐标绘制散点图进行拟合，得到拟合方程，将剩余的30%的鸡蛋质心率为验证集反推出哈夫指数。
进一步的，所述步骤S2以鸡蛋的三种摆放位置下70%鸡蛋质心率为横坐标，鸡蛋哈夫指数为纵坐标绘制散点图进行拟合，得到拟合方程，将剩余的30%的鸡蛋质心率为验证集反推出哈夫指数。
有益效果：本发明与传统检测鸡蛋新鲜度的方法（红外光谱、电子鼻、测量哈夫指数）相比，1、首先，本发明则通过测量鸡蛋整个储存期内质心位置的变化以达到判断鸡蛋的新鲜度等级的目的，其优势在于利用质心测量仪测量鸡蛋质心，保证了对鸡蛋的新鲜度和无损检测的顺利实施；
2、其次，通过对鸡蛋整个周期的测量，可以发现鸡蛋质心的变化趋势，能够较为准确的区分不同货架期的鸡蛋，可用于鸡蛋保鲜领域科学研究；
3、最后，本发明测量快速，成本较低，适用于工业化大规模生产，该方法具有应用于检测鸡蛋等其他蛋类的新鲜度工业开发的应用前景。
附图说明
图1为25℃下鸡蛋大头朝上质心率和天数之间的散点图；
图2为25℃下鸡蛋大头朝下质心率和天数之间的散点图；
图3为25℃下鸡蛋横放质心率和天数之间的散点图；
图4为4℃下鸡蛋横放质心率和天数之间的散点图；
图5为37℃下鸡蛋横放质心率和天数之间的散点图；
图6为25℃下鸡蛋大头朝上质心率和哈夫指数之间的散点图；
图7为25℃下鸡蛋大头朝下质心率和哈夫指数之间的散点图；
图8为25℃下鸡蛋横放质心率和哈夫指数之间的散点图；
图9为4℃下鸡蛋横放质心率和哈夫指数之间的散点图；
图10为25℃下鸡蛋大头朝上质心率取70%作为训练集与哈夫指数之间的散点图；
图11为25℃下鸡蛋大头朝下质心率取70%作为训练集和哈夫指数之间的散点图；
图12为25℃下鸡蛋横放质心率取70%作为训练集和哈夫指数之间的散点图；
图13为4℃下鸡蛋横放质心率取70%作为训练集和哈夫指数之间的散点图；
图14为25℃下鸡蛋大头朝上测得哈夫指数与天数的散点图；
图15为25℃下鸡蛋大头朝下测得哈夫指数与天数的散点图；
图16为25℃下鸡蛋横放测得哈夫指数与天数的散点图；
图17为4℃下鸡蛋横放测得哈夫指数与天数的散点图。
具体实施方式
下面结合具体实施实施方式对本发明做进一步的详细阐述，给出的实施例仅为了阐述本发明，而不是为了限制本发明的范围。
材料与分组
本实验所采用鸡蛋均为同批褐色健康蛋，共计420枚同一批次鸡蛋。鸡蛋表面干净无污染，由养殖场提供。将鸡蛋按照温度、大头摆放方向共计分为5组，分别为室温25℃大头朝上、25℃大头朝下、25℃横放、4℃横放、37℃横放，每组分别60枚鸡蛋。
实施例1
（1）样品储存：将分组所得60枚鸡蛋大头朝上置于购买的鸡蛋盒子中，于25℃下室温储藏。
（2）数据采集：①使用五十分度格游标卡尺测量鸡蛋直径，保留两位小数后记录数据；
②每天取鸡蛋置于质心测量仪上，通过质心测量仪直接测得鸡蛋水平放置时质心与鸡蛋小头顶端的距离以及鸡蛋质量，分别转动3次鸡蛋测量质心距离，取3次测量值的平均数为最终所测结果，持续测量28天（以测得哈夫指数低于60为参考）；
③每隔4-5天取3枚鸡蛋打破测量其蛋白高度，然后通过公式Ha=100×lg（h+7.57-1.7×w0.37）计算出鸡蛋的哈夫指数，其中h为鸡蛋蛋白高度，w为鸡蛋质量。
（3）数据分析：①首先以每天测得鸡蛋的质心距离比上该鸡蛋直径得到质心率；
②将每天测得的60枚鸡蛋质心率为一组数据通过拉依达准则剔除异常值；
③通过spss软件用单因素分析方法对天数和质心率做差异显著性分析（见表1）；
④以实验天数为横坐标，质心率为纵坐标绘制散点图进行拟合，得到相关拟合方程；
⑤以质心率为横坐标，哈夫指数为纵坐标绘制散点图进行拟合，得到相关拟合方程，再以总体70％的鸡蛋数据作为训练集进行拟合得到新的拟合方程，将剩余的30％鸡蛋数据作为验证集反推出哈夫指数，然后以此做实际哈夫指数和计算所得哈夫指数之间的差异性比较；
⑥以天数为横坐标，哈夫指数为纵坐标做散点图。
实施例2
（1）样品储存：将分组所得60枚鸡蛋大头朝下置于购买的鸡蛋盒子中，于25℃下室温储藏。
（2）数据采集同实施例1。
（3）数据分析同实施例1（见表1）。
实施例3
（1）样品储存：将分组所得60枚鸡蛋横放置于购买的鸡蛋盒子中，于25℃室温储藏。
（2）数据采集同实施例1。
（3）数据分析同实施例1（见表1）。
实施例4
（1）样品储存：将分组所得60枚鸡蛋横放置于购买的鸡蛋盒子中，于4℃下储藏。
（2）数据采集：①使用五十分度格游标卡尺测量鸡蛋直径，保留两位小数后记录数据；
②每天取鸡蛋置于质心测量仪上，通过质心测量仪直接测得鸡蛋水平放置时质心与鸡蛋小头顶端的距离以及鸡蛋质量，分别转动3次鸡蛋测量质心距离，取3次测量值的平均数为最终所测结果，持续测量39天（以测得哈夫指数低于60为参考）；
③每隔4-5天取3枚鸡蛋打破测量其蛋白高度，然后通过公式Ha=100×lg（h+7.57-1.7×w0.37）计算出鸡蛋的哈夫指数，其中h为鸡蛋蛋白高度，w为鸡蛋质量。
（3）数据分析：①首先以每天测得鸡蛋的质心距离比上该鸡蛋直径得到质心率；
②将每天测得的60枚鸡蛋质心率为一组数据通过拉依达准则剔除异常值；
③通过spss软件用单因素分析方法对天数和质心率做差异显著性分析（见表1）；
④以实验天数为横坐标，质心率为纵坐标绘制散点图进行拟合，得到相关拟合方程；
⑤以质心率为横坐标，哈夫指数为纵坐标绘制散点图进行拟合，得到相关拟合方程，再以总体70％的鸡蛋数据作为训练集进行拟合得到新的拟合方程，将剩余的30％鸡蛋数据作为验证集反推出哈夫指数，然后以此做实际哈夫指数和计算所得哈夫指数之间的差异性比较；
⑥以天数为横坐标,哈夫指数为纵坐标做散点图。
实施例5
（1）样品储存：将分组所得60枚鸡蛋横放置于购买的鸡蛋盒子中，于37℃下储藏。
（2）数据采集：①使用五十分度格游标卡尺测量鸡蛋直径，保留两位小数后记录数据；
②每天取鸡蛋置于质心测量仪上，通过质心测量仪直接测得鸡蛋水平放置时质心与鸡蛋小头顶端的距离以及鸡蛋质量，分别转动3次鸡蛋测量质心距离，取3次测量值的平均数为最终所测结果，持续测量26天（以测得哈夫指数低于60为参考）；
③每隔3天取3枚鸡蛋打破测量其蛋白高度，然后通过公式Ha=100×lg（h+7.57-1.7×w0.37）计算出鸡蛋的哈夫指数，其中h为鸡蛋蛋白高度，w为鸡蛋质量。
（3）数据分析：①首先以每天测得鸡蛋的质心距离比上该鸡蛋直径得到质心率；
②将每天测得的60枚鸡蛋质心率为一组数据通过拉依达准则剔除异常值；
③通过spss软件用单因素分析方法对天数和质心率做差异显著性分析（见表1）；
④以实验天数为横坐标，质心率为纵坐标绘制散点图进行拟合，得到相关拟合方程；
⑤以质心率为横坐标，哈夫指数为纵坐标绘制散点图进行拟合，得到相关拟合方程；
⑥以天数为横坐标，哈夫指数为纵坐标做散点图。
对比例1
（1）样品储存：将分组所得60枚鸡蛋横放置于购买的鸡蛋盒子中，于25℃下室温储藏。
（2）数据分析：通过计算机视觉装置和Matlab软件得到鸡蛋新鲜度与鸡蛋颜色参数的关系，以此判断鸡蛋是否新鲜，最终对褐壳鸡蛋新鲜度的识别率可达到87%。
对比例2
（1）样品储存：将分组所得60枚鸡蛋横放置于购买的鸡蛋盒子中，于25℃下室温储藏。
（2）数据分析：通过高光谱成像仪采集鸡蛋的透射高光谱数据，同时结合化学计量法对鸡蛋数据进行分析处理，建立模型，最终鸡蛋新鲜度识别率可达到88%。
结果讨论
1、通过spss软件用单因素分析方法对天数和质心率做差异显著性分析
测量鸡蛋质心率数据和天数之间显著性比较，结果见表1，由表1可知，各组所测得鸡蛋质心率最初值和10天以后的值均有显著性差异。
2、以实验天数为横坐标，质心率为纵坐标绘制散点图进行拟合，绘制拟合图
将实施例1-5中以实验天数为横坐标，质心率为纵坐标绘制散点图进行拟合绘图，参见图1-5，从图中可知，对于25℃鸡蛋大头朝上和大头朝下这两组而言，拟合出的对数方程其决定系数均可达到0.75以上，拟合程度较高，也可以证明通过质心测量鸡蛋新鲜度是可行的。
3、以质心率为横坐标，哈夫指数为纵坐标绘制散点图进行拟合，绘制拟合图
将实施例1-5中以测得鸡蛋质心率与鸡蛋实际对应天数的哈夫指数之间进行二次方程拟合，参见图6-9，从图中可知，对于25℃大头朝上和大头朝下这两组而言，拟合出的方程其决定系数均可达到0.79以上，拟合程度较高。对于实施例5而言，将鸡蛋置于37℃储存，由于测得鸡蛋哈夫指数均在60以下，低于可食用蛋标准等级，因此在本研究中不做讨论。
4、以总体70%的鸡蛋数据，以质心率为横坐标，哈夫指数为纵坐标绘制散点图进行拟合，绘制拟合图，将剩余的30%鸡蛋数据作为验证集反推出哈夫指数
将实施例1-4中测得鸡蛋质心率的70%数据和对应天数的哈夫指数二者做方程拟合，参见图10-13，发现对于25℃大头朝上和大头朝下这两组而言，所作出的训练集拟合方程其决定系数均在0.84～0.85之间，拟合程度较高。
根据根据所拟合出的训练集方程，对于实施例1进行验证。将剩余30%验证集数据分别代入方程推测出对应天数的哈夫指数，在与实际测得哈夫指数通过配对T检验做差异性比较，结果如下表2所示。
表2结果显示配对样本T检验结果T处于-1.61～5.47之间，其中有两组验证集差异显著水平P>0.01，表明该两组所预测出的哈夫指数与实际哈夫指数有极显著差异，其余六组验证集结果显示均与实际哈夫指数在α=0.01水平上无显著差异。综上结果表明，本发明对于检测鸡蛋大头朝上储存在25℃下预测其新鲜度可达到75%的正确率。
根据所拟合出的训练集方程，对于实施例2进行验证。将剩余30%验证集数据分别代入方程推测出对应天数的哈夫指数，在与实际测得哈夫指数通过配对T检验做差异性比较，结果如下表3所示。
表3结果显示配对样本T检验结果T处于0.691～13.825之间，其中只有一组验证集差异显著水平P>0.01，表明组所预测出的哈夫指数与实际哈夫指数有极显著差异，其余十一组验证集结果显示均与实际哈夫指数在α=0.01水平上无显著差异。综上结果表明，本发明对于检测鸡蛋大头朝下储存在25℃下预测其新鲜度可达到91.6%的正确率。
5、鸡蛋在不同温度和不同摆放位置下的相关拟合方程
参见图14-17，得到天数和哈夫指数的散点图，鸡蛋在不同温度和不同摆放位置下的相关拟合方程见下表4。
以上通过测量鸡蛋不同时期质心的变化与采用计算机视觉装置以及高光谱成像技术进行对比。结果表明，采用测量鸡蛋质心率的方法最终对鸡蛋新鲜度识别率最高可达到91.6%，高于对比例识别率。与本发明涉及的测量方法相比较，采用高光谱成像技术或计算机视觉装置其识别率低于本发明，且其成本较高、测量复杂。而本发明测量简单、成本低、速度快、识别率高，并可通过测量鸡蛋整个周期质心变化实时区分鸡蛋等级，这也是本发明基于质心测量鸡蛋新鲜度的创新之处。

Claims (7)

1.一种基于测量质心无损检测鸡蛋新鲜度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、数据采集：通过质心测量仪准确测得鸡蛋质心位置，将质心与鸡蛋小头顶端的间距比上鸡蛋长度，得到鸡蛋质心率的数值；
S2、数据处理：将不同温度以及不同摆放位置的鸡蛋质心率与鸡蛋哈夫指数之间建立数学模型，根据所建模型，可以根据质心率直接表征鸡蛋的新鲜度，达到快速、准确、无损检测鸡蛋新鲜度的目的。
2.根据权利要求1所述的一种基于测量质心无损检测鸡蛋新鲜度的方法，其特征在于，所述步骤S2中分别对三种不同温度下鸡蛋质心率与鸡蛋存放天数之间建立拟合方程。
3.根据权利要求1所述的一种基于测量质心无损检测鸡蛋新鲜度的方法，其特征在于，所述步骤S2中分别对鸡蛋的三种不同摆放位置的质心率与鸡蛋存放天数之间建立拟合方程。
4.根据权利要求1所述的一种基于测量质心无损检测鸡蛋新鲜度的方法，其特征在于，所述步骤S2中分别对三种不同温度下鸡蛋质心率与鸡蛋哈夫指数之间建立拟合方程。
5.根据权利要求1所述的一种基于测量质心无损检测鸡蛋新鲜度的方法，其特征在于，所述步骤S2中分别对鸡蛋的三种不同摆放位置所得质心率与鸡蛋哈夫指数之间建立拟合方程。
6.根据权利要求1所述的一种基于测量质心无损检测鸡蛋新鲜度的方法，其特征在于，所述步骤S2中以鸡蛋在三种不同温度下70%的鸡蛋质心率为横坐标，鸡蛋哈夫指数为纵坐标绘制散点图进行拟合，得到拟合方程，将剩余的30%的鸡蛋质心率为验证集反推出哈夫指数。
7.根据权利要求1所述的一种基于测量质心无损检测鸡蛋新鲜度的方法，其特征在于，所述步骤S2以鸡蛋的三种摆放位置下70%鸡蛋质心率为横坐标，鸡蛋哈夫指数为纵坐标绘制散点图进行拟合，得到拟合方程，将剩余的30%的鸡蛋质心率为验证集反推出哈夫指数。
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