CN109827980A - 一种水果表面腐烂的自动化检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水果表面腐烂的自动化检测方法，包括如下步骤：首先对水果进行训练学习，建立水果表面腐烂的等级模型，并把特征参数导入数据库中作为对比数据；再对实测水果进行离子束辐照，用探测器接收高速脉冲信号，传送至放大器，通过测时系统准确监测起始信号和终止信号；将实测水果的特征参数与对比数据相比，预测出实测水果的水果表面腐烂等级数;所述探测器与离子源处于同一轴线上，所述探测器的中心有一个让入射离子通过的孔，探测器设于离子源与试样室之间。由于离子散射谱的信息只来自水果最表层，灵敏度极高，因此可以做到近于无破坏水果的表面成分分析。本发明能够实现无损检测，且无需人工判断，易于操作，适用范围广。

Description

一种水果表面腐烂的自动化检测方法

技术领域

本发明涉及农产品无损检测领域，尤其是涉及一种水果表面腐烂的自动化检测方法。

背景技术

水果，是指多汁且主要味觉为甜味和酸味，可食用的植物果实。水果不但含有丰富的营养，而且能够促进消化。研究表明，水果腐烂程度越高，链格孢毒素含量越高，离病斑越远的部分，含量则越低。如果机械损伤和冷害的水果，只要没长时间放置，滋生微生物的话，还是可以吃；而对于霉变腐烂的水果，如果霉变的部分不是很严重，挖去病斑外2cm处，剩余部分还可以食用，如果霉变超过水果三分之一甚至一半以上，就不宜食用了。

申请号为 201310061313.3的发明保护了一种图像处理技术领域的利用图像处理实现水果表面缺陷检测的方法，1）获取RGB图像和NIR图像 ；2）去除 RGB 图像和 NIR 图像的背景分别获得只含有水果图像的 RGB 前景图像和 NIR 前景图像 ；3）将 RGB 前景图像从 RGB 颜色空间图像转换为 YCrCb 颜色空间图像，新图像记为新空间图像 ；4）将新空间图像的 Y 分量图像与 NIR 前景图像进行比值计算，得到比值图像 ；5）从比值图像提取水果缺陷图像。本发明对于检测水果的表面缺陷具有很好的稳定性、准确性和快速性，有效避免了水果形状、大小的影响。但是，快速自动化检测水果表面腐烂的难点在于：早期真菌感染的水果在霉状物长出前其表皮颜色与正常水果几乎无任何颜色上的差异。因此，采用传统的RGB机器视觉检测方法很难对其有效检测出来。

离子束是指以近似一致的速度沿几乎同一方向运动的一群离子。离子源用以获得离子束的装置。在各类离子源中，用得最多的是等离子体离子源，即用电场将离子从一团等离子体中引出来。这类离子源的主要参数由等离子体的密度、温度和引出系统的质量决定。

依据基本的运动学原理，一个简单的两体弹性碰撞后，由能量与动量守恒关系知道，

或者

式中：E和Eo——分别为散射离子和入射离子的能量；

A——样品表面原子的质量和入射离子质量之比；

θ——散射角。

利用具有特定能量的惰性气体离子入射到样品表面，与样品表面的原子进行弹性碰撞。根据弹性散射理论，散射离子的能量分布与表面原子的原子量相关。通过对散射离子能量进行分析，就可以得到表面元素组分及表面结构的信息。

发明内容

本发明提供了一种水果表面腐烂的自动化检测方法，通过对实测水果表面用离子束辐照，用探测器接收信号，并传入到电脑中，然后将这些实测水果收集到的特征参数与已经建立的对比样本相比，可以得到实测水果表面腐烂的等级程度，以实现水果表面腐烂程度的在线监测。

本发明的技术方案：

一种水果表面腐烂的自动化检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)对水果进行训练学习，通过训练水果来确定水果表面腐烂等级数，用离子束辐照每个水果样品，从离子源发出的离子经过调制，并通过探测系统中心的管子后，由法兰盘孔射至水果样品表面，用探测器接收散射角为180°的散射离子，并测量高速脉冲信号，送至前置放大器，并向测时系统发出一个停止脉冲信号，收集每个水果的特征参数，将特征参数录入系统内作为对比数据；

2)对实测水果进行检测，用离子束辐照每个水果样品，从离子源发出的离子经过调制后，通过探测系统中心的管子后，由法兰盘孔射至水果样品表面，用探测器接收散射角为180°的散射离子，并测量高速脉冲信号，送至前置放大器，向测时系统发出一个停止脉冲信号，收集每个实测水果的特征参数；

3)将实测水果的特征参数与对比数据相比，预测出实测水果的水果表面腐烂等级数；

所述探测器与离子源处于同一轴线上，所述探测器的中心有一个让入射离子通过的孔，探测器设于离子源与试样室之间；

其中，待测水果测试之前在水果周围贴上导电胶；

其中，离子束辐照环境为真空条件下。

进一步的，离子种类包括He+、Ne+、Ar+。

进一步的，所用的检测装置包括离子源、主体和测量系统，所述主体包括排气系统、离子束操控系统、散射粒子探测系统和主体支架。

进一步的，所述离子束操控系统包括操控电极、操控孔、脉冲发生器这三部分。

进一步的，所述排气系统包括差动排气结构。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1)现有技术中，关于使用离子束辐照水果来检测水果表面腐烂的方法和装置目前没有文章或相似的专利公开；

2)利用具有能量的惰性气体离子入射到水果表面，与水果表面的原子发生弹性碰撞，根据弹性碰撞理论，散射离子的能量分布与表面原子的原子量有关，通过对散射离子能量的分析，就可以得到表面元素组份及表面结构的信息。

3)本发明为划分水果表面腐烂的等级程度提供了研究基础，与目前的理化分析方法及人工检测方法相比，客观性、重复性更强。

具体实施方式

一种水果表面腐烂的自动化检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)首先对水果进行训练学习，通过训练水果来确定水果表面腐烂等级数，用离子束辐照每个水果样品，从离子源发出的离子经过调制，并通过探测系统中心的管子后，由法兰盘孔射至水果样品表面，用探测器接收散射角为180°的散射离子，并测量高速脉冲信号，送至前置放大器，并向测时系统发出一个停止脉冲信号，收集每个水果的特征参数，将特征参数录入系统内作为对比数据；所述系统内设置有中心数据库；

2)对实测水果进行检测，用离子束辐照每个水果样品，从离子源发出的离子经过调制后，通过探测系统中心的管子后，由法兰盘孔射至水果样品表面，用探测器接收散射角为180°的散射离子，并测量高速脉冲信号，送至前置放大器，向测时系统发出一个停止脉冲信号，收集每个实测水果的特征参数；

3)将实测水果的特征参数与对比数据相比，预测出实测水果的水果表面腐烂等级数；

所述探测器与离子源处于同一轴线上，所述探测器的中心有一个让入射离子通过的孔，探测器设于离子源与试样室之间；所述样品距离离子源的直线距离为工作距离。

其中，待测水果测试之前在水果周围贴上导电胶；导电胶包括下述重量份数的组

分 ：天然橡胶 40份、硅橡胶 40份、纳米氧化锌2份、导电颗粒 1份、炭黑 N300 15份、导电石墨2份、古马隆树脂 4份、硫黄10份、防老剂 1份、松香 1份、羟基硅油 1份、硫化剂 1份、白炭黑 1份、二甲基硅油 1份、一硫化四甲基秋兰姆 0.5份、4，4’- 二硫代二吗啉 0.5-2、N- 叔丁基 -2 苯并噻唑次磺酰胺 0.5份，采用上述配方制备的导电橡胶，既具有良好的导电性能，又具有较大抗拉强度，能够有效满足样品检测方面的应用。

放大率是通过控制扫描区域的大小来控制放大率来实现的。如果需要更高的放大率，只需要扫描更小的一块面积就可以了。放大率由屏幕/照片面积除以扫描面积得到。

测量时必须在真空状态下将离子束投射于水果样品表面，之所以要用真空，主要基于以下两点原因：离子束系统中的灯丝在普通大气中会迅速氧化而失效，所以除了在使用时需要用真空以外，平时还需要以纯氮气或惰性气体充满整个真空柱，为了增大离子的平均自由程，从而使得用于成像的离子更多。

且在离子源部分的气体导入采用差动排气方式，所用差动排气结构能够调节排气通道截面积，保证排气通畅。

优选地，离子种类包括He+、Ne+、Ar+。

优选地，所用的检测装置包括离子源、主体和测量系统，所述主体包括排气系统、离子束操控系统、散射粒子探测系统和主体支架。测量系统中还包括测时系统。离子束操控系统包括操控电极、操控孔、脉冲发生器三部分，从脉冲发生器发出的脉冲信号加在操控电极上，使离子束脉冲化。脉冲发生器不仅要给操控电极提供脉冲信号，还要给测时系统提供一个起始脉冲信号。脉冲信号的频率为0.1-10kHz，脉冲电压为0.5-5V。散射粒子探测系统设于离子源和试样室之间，且探测系统与离子源处于同一轴线上，所以探测系统的中心必须设有一个通道让离子束穿过。探测器能够接收到高速脉冲信号（时间信号），并发送至放大器，与此同时，探测器向测时系统提供一个停止脉冲信号。因此，离子束从离子源发出后，投射到水果表面，又原路返回，探测器接收到的是散射角为180°的散射离子，为了避免探测器检测到其他角度散射来的粒子，需要在探测器内设置一个散射粒子阻挡板。由于水果试样在离子束的碰撞后，不仅反射出一次碰撞后被反射出去的离子，还会有许多受到多重散射后才被反射出去的离子和中性粒子，因此，只选择接收散射角度为180°的散射离子，情况会变简单很多。测时系统能够将起始脉冲和停止脉冲之间的时间差变换为数字信号，时间分辨率由使用的振荡器的频率决定。

优选地，所述离子束操控系统包括操控电极、操控孔、脉冲发生器这三部分。

优选地，所述排气系统包括差动排气结构。

根据经典的二元碰撞理论，由能量和动量守恒即可导出散射离子能量E与散射角θ之间的关系，

其中，E是为散射离子的能量，Eo是入射离子的能量，A是靶原子质量和入射离子质量之比。

因此，给定入射离子的质量和能量时，在特定的散射角位置上测量散射离子的能谱，由谱峰位置即可从式中计算出靶原子的质量，从而实现对把表面组成的定性分析。

离子束辐照水果表面后定性分析表面组成的原理：通过测量沿某一方向散射的离子的能量分布，可提供水果表面原子质量(即化学成分)和数目的信息。由于离子散射谱的信息只来自水果最表层，灵敏度极高，因此可以做到近于无破坏水果的表面成分分析。 又因为，表面腐烂的水果和正常水果的表面元素组成及含量必定含有差异，先对任意数量的水果样本量进行训练学习，得到其水果表面腐烂的等级数，然后再与实测的同类型目标水果进行比对，得到水果腐烂等级数。

具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (5)

1.一种水果表面腐烂的自动化检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

对水果进行训练学习，通过训练水果来确定水果表面腐烂等级数，用离子束辐照每个水果样品，从离子源发出的离子经过调制，并通过探测系统中心的管子后，由法兰盘孔射至水果样品表面，用探测器接收散射角为180°的散射离子，并测量高速脉冲信号，送至前置放大器，并向测时系统发出一个停止脉冲信号，收集每个水果的特征参数，将特征参数录入系统内作为对比数据；

对实测水果进行检测，用离子束辐照每个水果样品，从离子源发出的离子经过调制后，通过探测系统中心的管子后，由法兰盘孔射至水果样品表面，用探测器接收散射角为180°的散射离子，并测量高速脉冲信号，送至前置放大器，向测时系统发出一个停止脉冲信号，收集每个实测水果的特征参数；

将实测水果的特征参数与对比数据相比，预测出实测水果的水果表面腐烂等级数；

所述探测器与离子源处于同一轴线上，所述探测器的中心有一个让入射离子通过的孔，探测器设于离子源与试样室之间；

其中，待测水果测试之前在水果周围贴上导电胶；

其中，离子束辐照环境为真空条件下。

2.根据权利要求1所述的一种水果表面腐烂的自动化检测方法，其特征在于，离子种类包括He⁺、Ne⁺、Ar⁺。

3.根据权利要求1所述的一种水果表面腐烂的自动化检测方法，其特征在于，所用的检测装置包括离子源、主体和测量系统，所述主体包括排气系统、离子束操控系统、散射粒子探测系统和主体支架。

4.根据权利要求3所述的一种水果表面腐烂的自动化检测方法，其特征在于，所述离子束操控系统包括操控电极、操控孔、脉冲发生器这三部分。

5.根据权利要求3所述的一种水果表面腐烂的自动化检测方法，其特征在于，所述排气系统包括差动排气结构。