CN110030927A - 核桃检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于农业机械领域，具体涉及核桃检测设备。该设备用于核桃的无损检测与分类，包括显示器、运算器、水平光线、竖直光线、定位槽、挡块、立式光接收板、称重传感器、卧式光接收板、保护板、V形块。核桃放置于V形块上，由称重传感器得到核桃的重量G，运算器求得核桃重量G与核桃加权面积之比γ；求得核桃重量G与其估算体积V_G之比ρ。由γ或ρ的临界值决定核桃的等级。设备发出核桃所属级别的语音，人员根据语音将核桃放入不同容器内。核桃的γ或ρ值及其统计结果，按日、周、月、年或批次储存于运算器中。利用该设备在不破坏核桃外壳的情况下，可以推断核桃内部质量情况，能实现无损检测。光敏传感器分布在特定区域，使计算简化。

Description

核桃检测设备

技术领域

本发明属于农业机械领域，具体涉及核桃检测设备。

背景技术

核桃是重要的坚果品种之一，具有很高的经济价值和营养价值。我国栽培核桃历史悠久，其种植面积和产量均居世界前列。近年来，随着农业产业结构调整，我国林果业种植面积扩大，其中核桃的产量得到迅猛发展。核桃为山西、陕西、新疆等地的农民增收、出口创汇、经济发展、社会发展发挥了巨大作用。

目前核桃的检测与分级一般依靠人力或比较简单的机械设备完成。比如，依靠不同直径的筛网可以对成批的核桃进行筛选。现有方法的优点是：适用范围广、分类速度快、设备价格低，容易调整。现有方法的缺点是：缺乏对核桃内部质量的分析。因此，消费者在商店，甚至大型超市所购买的核桃，不少情况下存在内部质量问题。例如，脱壳后发现部分核桃不够饱满、有黑斑、变质、完整性差或其他瑕疵。

现有相关研究工作取得了一定进展。新疆农业大学机械交通学院刘航、郭俊先和新疆维吾尔自治区农牧业机械产品质量监督管理站王勇，研究了基于机器视觉的核桃大小分级方法，并进行了核桃大小分级的初步测试。该研究与本发明的技术重点有所不同，但可以为本发明提供参考。

蔡建等利用机器视觉的方法代替人工方法对核桃仁进行分级，包括依据颜色与完整度的核桃分级。市面上鉴别核桃仁的品质主要以观察为主。仁衣色泽以黄白为上，暗黄为次，褐黄更次，而泛油、色黑褐的已严重变质，不能食用。蔡建等研究者对核桃仁图像进行预处理与分割，并提取色调、饱和度、核桃仁轮廓面积与最小外接圆面积之比等特征，通过机器学习的方法建立决策树模型。该研究比较新颖、先进。但该研究所针对的是核桃仁，本发明针对的是未脱壳的核桃。研究对象有所不同。

发明内容

本发明的目的：在不损坏核桃壳的情况下，检测核桃质量，对核桃进行分级，并剔除不宜食用的核桃。本发明采用以下技术方案。

1.核桃的放置

核桃检测设备包括显示器1、运算器2、水平光线3、竖直光线5、定位槽6、挡块7、立式光接收板8、称重传感器9、卧式光接收板10、保护板11、V形块12。

核桃4放置于V形块12上。核桃剖分脊14的下侧对准V形块的中间槽，核桃剖分脊的顶端放置于挡块7的定位槽6内。V形块12和挡块7位于保护板11上。V形块12位于人眼13和挡块7中间，人眼可以观察V形块的中间槽和挡块7的定位槽，操作者能够将核桃放于上述位置，即使核桃处于正确的位置。

为了提高核桃检测与分级效率，为每位员工操作2台以上检测设备。

2.光线与核桃的投影及核桃大小

水平光线3照射在核桃上，在立式光接收板8上得到一个核桃的投影，其面积为S_V；竖直光线5照射在核桃上，在卧式光接收板10上得到一个投影，其面积为S_H。当核桃较大时，核桃在光接收板上投影较大；当核桃较小时，其投影面积较小。反过来，根据投影的面积可以推知核桃的大小。

3.光敏传感器与核桃投影面积的计算

在立式光接收板8上，在其粗线所围成的范围内，分布有光敏传感器，参见说明书附图1和附图2；在卧式光接收板10上，在其粗线所围成的范围内，分布有光敏传感器，参加说明书附图1和附图3。通过光敏传感器可以求出核桃的投影面积。这里通过一个简单易懂的例子，介绍由光敏传感器求投影面积的原理之一。例如，选择光敏电阻作为光敏元件，当光敏电阻未收到光的照射时，其电阻的数值较大，与其相连接的电路不通；当光敏电阻承受光的照射时，其电阻的数值变小，与其相连接的电路导通。设核桃投影所对应的光敏电阻有n个，而每个光敏电阻的面积为S，则得到核桃投影面积为nS。以上是求投影面积的简单实例，通过目前的很多技术方法和手段，都可以求出核桃光斑面积。

按不同方式计算得到的核桃的投影面积S_V、S_H可以储存于运算器2中，人员可以从显示器1中读出。

4.为简化投影计算所进行的设计

图1中挡板7较小，当光照射在核桃上，核桃遮挡了光线，因此，在立式光接收板8上粗线所围成的范围内，仅有核桃的投影，没有挡板7的投影。

同样，图1中V形块较小，当光照射在核桃上，核桃遮挡了光线，因此，在卧式光接收板10上粗线所围成的范围内，仅有核桃的投影，没有V形块的投影。

在图2中，在立式光接收板8上，仅在其粗线所围成的范围内，分布有光敏传感器(参见附图1)。水平光线3照射时，在立式光接收板8上，有核桃的投影和V形块的投影，但V形块的投影落在粗线所围成的范围以外。因此，计算时仅涉及核桃的投影面积，不必计算V形块的投影面积，使计算得到简化。

同样，在图3中，在卧式光接收板10上，仅在其粗线所围成的范围内，分布有光敏传感器(参见附图1)。竖直光线5照射时，在卧式光接收板10上，有核桃的投影和挡块7的投影，但挡块7的投影落在粗线所围成的范围以外。因此，计算时仅涉及核桃的投影面积，不必计算挡块7的投影面积，使计算得到简化。

5.核桃体积的估算

准确计算核桃的体积是可以的，但核桃外表不光滑，凹凸较多，准确计算其体积，所需检测与运算的时间较长。本发明中采用近似方法计算核桃体积。

前文已介绍：水平光线3照射在核桃上，在立式光接收板8上得到一个核桃的投影，其面积为S_V；竖直光线5照射在核桃上，在卧式光接收板10上得到一个投影，其面积为S_H。

本发明中将核桃近似为3种立体形状：椭球体、由心脏线旋转所得到的几何体、由阿基米德螺旋线旋转得到的几何体。

首先考虑将核桃近似为椭球体的情况。依据卧式光接收板10上得到的投影S_H及其轮廓，根据椭圆的标准方程，拟合出一个椭圆，以此代替核桃在水平内的投影，该椭圆的长轴为2a、短轴为2b。依据立式光接收板8上得到的投影S_V及其轮廓，根据椭圆的标准方程，拟合出一个椭圆，以此代替核桃在竖直平面内的投影，该椭圆的长轴为2b、短轴为2c。以椭球体体积V_tq近似代表核桃的体积。V_tq＝πabc。

其次考虑将核桃近似为由心脏线旋转所得到的几何体。心脏线的方程为：r＝l(1-cosθ)依据卧式光接收板10上得到的投影及其轮廓，根据心脏线的标准方程，拟合出一个心脏线，以此代替核桃在水平内的投影轮廓，该心脏线的基本参数为l。以心脏线绕极轴旋转一周得到的体积V_xz近似代表核桃的体积。V_xz＝(16+1/32)πl³。

最后考虑将核桃近似为由阿基米德螺旋线旋转得到的几何体。阿基米德螺旋线的方程为r＝kθ，k为常数。依据卧式光接收板10上得到的投影及其轮廓，根据上述标准方程，拟合出一个基米德螺旋线，以此代替核桃在水平内的投影轮廓，该基米德螺旋线的基本参数为k。以基米德螺旋线绕极轴旋转一周得到的体积V_lx近似代表核桃的体积。

按不同方式估算得到的核桃的体积可以储存于运算器2中，人员可以从显示器1中读出。

6.核桃重量的检测

称重传感器9可测出位于其上的包括核桃在内的所有物体的重量。位于称重传感器上的所有物体中，只有核桃的重量G是可以变化的，其它物体的重量是常量。因此，由测定的读数减去其它物体的重量，可以求得核桃的重量G。

核桃的重量可以储存于运算器2中，人员可以从显示器1中读出。

6.核桃质量的判别原则与分级

人眼难以直接见到核桃的内部，核桃的无损检测是技术难题。有些核桃外观较好，但脱壳后发现不饱满、有虫害、色泽差、腐烂、变质、不完整。

本发明所提出的判别核桃质量的基本原则是：如果核桃大，而其重量小，则此核桃质量差、等级低。如果核桃小，而其重量大，则此核桃质量好、等级高。依据上述基本判别原则，得到以下具体的判别方法。

1)按核桃重量与加权投影面积之比判别核桃质量并分级

定义核桃的加权投影面积为：S_j＝k₁S_H+k₂S_V

式中：

S_H——核桃在卧式光接收板10上的投影

k₁——S_H的权重系数

S_V——核桃在立式光接收板8上的投影

k₂——S_V的权重系数

定义核桃重量G与核桃加权面积之比为单位面积重量，记为γ，则

显然，γ越大，则此核桃质量越好，等级越高。以下给出按γ为核桃分级的公式，公式中的m₁、m₂、m₃、…、m_k为临界值，关于该数值的讨论详见“7.核桃分级临界值”。

一等品对应于下式

二等品对应于下式

三等品对应于下式

其余等级以此类推。

不能食用、需要淘汰的核桃对应于下式

依据不同的γ值，设备发出一级、二级、三级、…、或淘汰的语音，提示人员对核桃分级，将核桃放入不同级别的容器内。

2)按核桃重量与估算体积之比判别核桃质量并分级

定义核桃重量G与其估算体积V_G之比为核桃的近似比重ρ，显然，ρ越大，核桃质量越好，其等级越高。

将核桃近似为椭球体时(参见前文核桃体积估算部分)

式中

G——核桃重量

V_G——核桃估算体积

V_tq——椭球体体积

a——椭球体长轴的一半；

a——椭球体短轴的一半；

C——椭球体竖轴的一半；

将核桃近似为心脏线绕极轴的旋转体时(参见前文核桃体积估算部分)

式中：

G——核桃重量

V_G——核桃估算体积

V_xz——心脏线绕极轴旋转一周的体积

l——心脏线的参数

将核桃近似为阿基米德螺旋线绕轴旋转一周的立体时，核桃估算体积V_G同样可以用积分的方法求出。

以下给出按ρ为核桃分级的公式，公式中的n₁、n₂、n₃、…、n_k为临界值，关于该数值的讨论详见“7.核桃分级临界值”。

一等品对应于下式

二等品对应于下式

三等品对应于下式

其余等级以此类推。

不能食用，需要淘汰的核桃对应于下式

依据不同的ρ值，设备发出一级、二级、三级、…、或淘汰的语音，提示人员对核桃分级，将核桃放入不同级别的容器内。

7.核桃分级的临界值

在“6.核桃质量的判别原则与分级”中，对应于分级公式，出现了临界值m₁、m₂、m₃、…、m_k和n₁、n₂、n₃、…、n_k。这类数值可以由3种方法确定：①依据行业标准，由所测得的核桃样本参数确定。②根据本批产品样本或成批产品的统计结果，通过比较法确定。③依据人群需求确定。

为了便于确定上述临界值，核桃的重量G，核桃的投影面积S_V、S_H、S_j，核桃的估算体积V_tq、V_xz、V_lx，核桃的γ或ρ值的统计结果，按日、周、月、年或批次储存于运算器中。

综上所述，本发明具有以下创新点：

1.核桃检测设备包括显示器、运算器、水平光线、竖直光线、定位槽、挡块、立式光接收板、称重传感器、卧式光接收板、保护板、V形块，其特征在于：核桃放置于V形块上，核桃剖分脊的下侧对准V形块的中间槽，核桃剖分脊的顶端放置于挡块的定位槽内，V形块和挡块位于保护板上，V形块位于人眼和挡块中间，人眼见到V形块的中间槽和挡块的定位槽；水平光线照射在核桃上，在立式光接收板上得到一个核桃的投影，其面积为S_V；竖直光线照射在核桃上，在卧式光接收板上得到一个投影，其面积为S_H；在立式光接收板和卧式光接收板上，在其粗线所围成的范围内，分布有光敏传感器；当光照射在核桃上，核桃遮挡了光线，在立式光接收板上粗线所围成的范围内，仅有核桃的投影，没有挡板的投影，在卧式光接收板上，仅有核桃的投影，没有V形块的投影；

核桃的加权投影面积为：S_j＝k₁S_H+k₂S_V，其中k₁、k₂为权重系数；由称重传感器得到核桃的重量G，核桃重量G与核桃加权面积之比为单位面积重量γ，运算器求得每个核桃的γ。

2.核桃检测设备包括显示器、运算器、水平光线、竖直光线、定位槽、挡块、立式光接收板、称重传感器、卧式光接收板、保护板、V形块，其特征在于：核桃放置于V形块上，核桃剖分脊的下侧对准V形块的中间槽，核桃剖分脊的顶端放置于挡块的定位槽内，V形块和挡块位于保护板上，V形块位于人眼和挡块中间，人眼见到V形块的中间槽和挡块的定位槽；水平光线照射在核桃上，在立式光接收板上得到一个核桃的投影，其面积为S_V；竖直光线照射在核桃上，在卧式光接收板上得到一个投影，其面积为S_H；在立式光接收板和卧式光接收板上，在其粗线所围成的范围内，分布有光敏传感器；当光照射在核桃上，核桃遮挡了光线，在立式光接收板上粗线所围成的范围内，仅有核桃的投影，没有挡板的投影，在卧式光接收板上，仅有核桃的投影，没有V形块的投影；

运算器根据核桃的投影，由椭圆或心脏线或阿基米德螺旋线方程，拟合出近似代表核桃的椭球体或心脏线旋转体或阿基米德螺旋线旋转体，估算其体积V_tq、V_xz、V_lx；核桃重量G与其估算体积V_G之比为核桃的近似比重ρ，运算器求得每个核桃的ρ。

3.根据创新点1所述的核桃检测设备，其特征在于：γ有临界值m₁、m₂、m₃、…、m_k，所述的临界值是依据行业标准所确定的核桃样本的统计结果，或者是本批核桃的统计结果，或者是依据特定人群需求确定的数值；由γ的临界值决定核桃的等级。

4.根据创新点2所述的核桃检测设备，其特征在于：由运算器所求得的ρ有临界值n₁、n₂、n₃、…、n_k，所述的临界值是依据行业标准所确定的核桃样本的统计结果，或者是本批核桃的统计结果，或者是依据特定人群需求确定的数值；由ρ的临界值决定核桃的等级。

5.根据创新点1或创新点2所述的核桃检测设备，其特征在于：设备发出核桃所属级别的语音，人员根据语音将核桃放入不同容器内。

6.根据创新点1所述的核桃检测设备，其特征在于：核桃的重量G，核桃的投影面积S_V、S_H、S_j，核桃的γ值及其统计结果，按日、周、月、年或批次储存于运算器中。

7.根据创新点2所述的核桃检测设备，其特征在于：核桃的重量G、核桃的估算体积V_tq、V_xz、V_lx，核桃的ρ值及其统计结果，按日、周、月、年或批次储存于运算器中。

8.根据创新点1或创新点2所述的核桃检测设备，其特征在于：一台或两台以上核桃检测设备置于操作人员前。

本发明的有益效果：求核桃重量与核桃投影或估算体积的比值，在不破坏核桃外壳的情况下，可以推断核桃内部质量情况，能实现无损检测。光敏传感器分布在特定区域，使计算简化。

附图说明

图1为核桃检测设备主视示意图，图2为核桃检测设备侧视示意图，图3为核桃检测设备俯视示意图。图中：1-显示器，2-运算器，3-水平光线，4-核桃，5-竖直光线，6-定位槽，7-挡块，8-立式光接收板，9-称重传感器，10-卧式光接收板，11-保护板，12-V形块，13-人眼。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施方式作进一步说明，具体实施方式不对本发明做任何限制。

实施方式一：由称重传感器9得到核桃的重量G，核桃重量G与核桃加权面积之比为单位面积重量γ，运算器求得每个核桃的γ。

实施方式二：运算器根据核桃的投影，由椭圆或心脏线或阿基米德螺旋线方程，拟合出近似代表核桃的椭球体或心脏线旋转体或阿基米德螺旋线旋转体，估算其体积V_tq、V_xz、V_lx；核桃重量G与其估算体积V_G之比为核桃的近似比重ρ，运算器求得每个核桃的ρ。

Claims (8)

1.核桃检测设备包括显示器、运算器、水平光线、竖直光线、定位槽、挡块、立式光接收板、称重传感器、卧式光接收板、保护板、V形块，其特征在于：核桃放置于V形块上，核桃剖分脊的下侧对准V形块的中间槽，核桃剖分脊的顶端放置于挡块的定位槽内，V形块和挡块位于保护板上，V形块位于人眼和挡块中间，人眼见到V形块的中间槽和挡块的定位槽；水平光线照射在核桃上，在立式光接收板上得到一个核桃的投影，其面积为S_V；竖直光线照射在核桃上，在卧式光接收板上得到一个投影，其面积为S_H；在立式光接收板和卧式光接收板上，在其粗线所围成的范围内，分布有光敏传感器；当光照射在核桃上，核桃遮挡了光线，在立式光接收板上粗线所围成的范围内，仅有核桃的投影，没有挡板的投影，在卧式光接收板上，仅有核桃的投影，没有V形块的投影；

核桃的加权投影面积为：S_j＝k₁S_H+k₂S_V，其中k₁、k₂为权重系数；由称重传感器得到核桃的重量G，核桃重量G与核桃加权面积之比为单位面积重量γ，运算器求得每个核桃的γ。

2.核桃检测设备包括显示器、运算器、水平光线、竖直光线、定位槽、挡块、立式光接收板、称重传感器、卧式光接收板、保护板、V形块，其特征在于：核桃放置于V形块上，核桃剖分脊的下侧对准V形块的中间槽，核桃剖分脊的顶端放置于挡块的定位槽内，V形块和挡块位于保护板上，V形块位于人眼和挡块中间，人眼见到V形块的中间槽和挡块的定位槽；水平光线照射在核桃上，在立式光接收板上得到一个核桃的投影，其面积为S_V；竖直光线照射在核桃上，在卧式光接收板上得到一个投影，其面积为S_H；在立式光接收板和卧式光接收板上，在其粗线所围成的范围内，分布有光敏传感器；当光照射在核桃上，核桃遮挡了光线，在立式光接收板上粗线所围成的范围内，仅有核桃的投影，没有挡板的投影，在卧式光接收板上，仅有核桃的投影，没有V形块的投影；

运算器根据核桃的投影，由椭圆或心脏线或阿基米德螺旋线方程，拟合出近似代表核桃的椭球体或心脏线旋转体或阿基米德螺旋线旋转体，估算其体积V_tq、V_xz、V_lx；核桃重量G与其估算体积V_G之比为核桃的近似比重ρ，运算器求得每个核桃的ρ。

3.根据权利要求1所述的核桃检测设备，其特征在于：γ有临界值m₁、m₂、m₃、…、m_k，所述的临界值是依据行业标准所确定的核桃样本的统计结果，或者是本批核桃的统计结果，或者是依据特定人群需求确定的数值；由γ的临界值决定核桃的等级。

4.根据权利要求2所述的核桃检测设备，其特征在于：由运算器所求得的ρ有临界值n₁、n₂、n₃、…、n_k，所述的临界值是依据行业标准所确定的核桃样本的统计结果，或者是本批核桃的统计结果，或者是依据特定人群需求确定的数值；由ρ的临界值决定核桃的等级。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的核桃检测设备，其特征在于：设备发出核桃所属级别的语音，人员根据语音将核桃放入不同容器内。

6.根据权利要求1所述的核桃检测设备，其特征在于：核桃的重量G，核桃的投影面积S_V、S_H、S_j，核桃的γ值及其统计结果，按日、周、月、年或批次储存于运算器中。

7.根据权利要求2所述的核桃检测设备，其特征在于：核桃的重量G、核桃的估算体积V_tq、V_xx、V_lx，核桃的ρ值及其统计结果，按日、周、月、年或批次储存于运算器中。

8.根据权利要求1或权利要求2所述的核桃检测设备，其特征在于：一台或两台以上核桃检测设备置于操作人员前。