CN110161014A - 一种脐橙元素成分libs全光学快速检测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种脐橙元素成分LIBS全光学快速检测装置，包括：输送机构，检测平台，LIBS系统，光谱仪，光纤和控制柜。其中输送机构将脐橙排列、分离成单个，送达检测平台；激光器发出激光，经长焦深光束整形，聚焦于脐橙表面激发等离子体；等离子体产生的光由收光光束收集，汇聚于光纤探头，由光谱仪完成采集。本发明不受所测脐橙大小的限制，同一时间能获得多种元素信息，获得信息量大，检测效率高，在线检测的同时实时显示元素信息，对脐橙产地分类的准确率达85％左右。

Description

一种脐橙元素成分LIBS全光学快速检测装置及其方法

技术领域

本发明涉及果蔬元素检测领域，尤其涉及一种脐橙元素成分LIBS全光学 快速检测装置及其方法。

背景技术

脐橙味道可口，营养丰富，被全国的消费者所喜爱。在我国，有多个省 市种植脐橙，其种植的脐橙口感、含水率均不同。在市场上对脐橙的区分主 要通过售卖点的脐橙标签或者人工肉眼识别的方法对脐橙进行挑选。所述两 种方法都不适合作为一种有效的区分方法，并存在一定程度的不确定性，特 别是人工肉眼区分的方法难度大、准确率低。

激光诱导击穿光谱技术(LIBS)是一种新型的光谱检测手段，主要通过 将脉冲激光聚焦在样品表面来产生等离子体，然后利用光谱仪完成光谱信号 采集，可同时得到样品中多种元素的谱线信息，进而对样品进行定性及定量 分析。在实验室中的静态检测过程，需要手动放入样品，手动调整样品位置， 导致光谱采集效率低，不适合应用于大批量的脐橙鉴别。脐橙的产量巨大， 实验室的静态检测无法满足如此大批量脐橙的检测，且抽检的过程也存在一 定的不全面性，检测效率不高。LIBS技术具有快速、原位、损伤微小、无需 样品预处理的特点，与其他光学技术相比更适合应用于在线实时检测中。由 于脐橙表面不平整，且个体的形状、大小均不相同，采用固定焦点检测，LIBS 系统对表面不平整样品的直接检测，检测效果较差。为保证检查结果的准确 性，现有的方法一般是采用带驱动马达的变焦镜头，根据物料高度自动调节 镜头焦距，实现对传送带上物料的自动对焦，或采用石英透镜，但变焦镜头 镜片数量多，结构复杂，若重新用石英打磨透镜，则程序繁琐，工艺复杂，后期改装成本高。如专利号为201710393858.2的一种水果重金属在线检测装 置及方法，采用激光诱导击穿光谱技术，通过自动调焦单元自动调焦，避免 样品水果到聚焦透镜距离不同而导致的测量误差。但是其聚焦透镜和采集透 镜均为双凸透镜，激光聚焦后的光束的焦点范围很短，能量密度在脐橙表面 变化很大，脐橙表面不同点的光谱强度相差很大，使得检测结果准确性低； 并且焦点距离亦即透镜组的相对位置，需要根据待测样品高度实时改变，装 置操作较麻烦。采用固定焦点的LIBS系统检测，装置结构比较简单，但如何 保证对表面不平整样品的检测结果的准确性和稳定性，仍是一大难题；另外， 目前只能对脐橙进行静态的产地鉴别分类，操作繁琐、效率低，动态检测分 类无法保证结果的准确性。

发明内容

本发明以LIBS技术为基础，提出一种脐橙元素成分快速检测装置，本装 置可实现脐橙在线分析，提高光谱采集效率的同时，也具备良好的谱线采集 效果。并可嵌入合适的算法，实现脐橙产地鉴别。采用如下技术方案：

一种脐橙元素成分LIBS全光学快速检测装置，包括：输送机构，检测平 台，LIBS系统，光谱仪，光纤，控制柜；

所述LIBS系统固定在所述检测平台上，所述检测平台跨置于输送机构的 上方，所述输送机构从所述检测平台中间穿过；所述输送机构用于将脐橙运 输到检测平台进行检测；

所述控制柜设有控制及计算单元以及显示屏，所述光纤一端固定在所述 检测平台上，另一端与所述光谱仪连接，所述光谱仪与控制及计算单元通过 信号线连接；

所述输送机构具体包括第一电机，第二电机，上果机构和滚轮输送带； 所述第一电机驱动所述上果机构运输脐橙至所述滚轮输送带；所述第二电机 驱动所述滚轮输送带将脐橙分离成单个的个体，将脐橙输送至所述LIBS系统 进行检测；所述第一电机、第二电机均与所述控制及计算单元相连；

所述LIBS系统包括激光器，第一透镜组，第二透镜组，分束镜，穿孔反 射镜；所述激光器包括激光器主机和与所述激光器主机通过信号线连接的激 光器头，所述激光器主机控制所述激光器头发射脉冲激光，所述激光器主机 与所述控制及计算系统通过信号线连接；所述分束镜位于所述激光器头发射 的脉冲激光光路上，所述第一透镜组、穿孔反射镜、滚轮输送带顺次位于所 述分束镜的反射光路上；所述脉冲激光经所述第一透镜组整形形成长焦深光 束，所述长焦深光束穿过所述穿孔反射镜打在所述滚轮输送带放置的脐橙上； 所述第二透镜组、光纤一端顺次位于所述穿孔反射镜的反射光路上。所述控 制及计算单元用于控制所述激光器主机发射激光，控制所述光谱仪采集光谱， 并对采集的光谱信息进行计算分析，显示于所述屏幕上。

所述激光器头发射的脉冲激光通过所述分束镜反射后，经所述第一透镜 组整形形成有一定焦深范围的激光束，即形成所述长焦深光束；所述长焦深 光束穿过所述穿孔反射镜在样品表面激发等离子体，并通过所述穿孔反射镜 将逆向发射的等离子体特征光反射到所述第二透镜组，经所述第二透镜组整 形后汇聚，然后经所述光纤传输到所述光谱仪，再通过所述信号线传输到所 述控制及计算系统进行计算分析。

因为脐橙的大小是在一定范围内有变化的，而且其表面是曲面，无法保 证一个平面；如果光路有很短的焦点范围，能量密度在脐橙表面变化很大， 会使不同点的光谱强度变化很大。本发明的脐橙多元素检测平台，长焦深使 光的能量密度在脐橙表面的变化很小，脐橙表面不同点的光谱强度相差很小， 保证了检测结果的准确性；长焦深会使激发点和第一透镜组最后一块透镜的 距离增大，光向四周发散地更多，收集的光强度弱，等离子体的特征在谱图 上表现地更明显，这体现在检测结果的高准确度。把穿孔反射镜放在激发点 上方，反射的光更多，最后采集到的谱图准确性和稳定性高，效果比较好。

通过上果机构和滚轮输送带将脐橙分离排列，进入所述LIBS系统进行检 测。本发明采用长焦深的LIBS系统进行检测，对脉冲激光整形后使其在焦点 上下一定范围内均能产生稳定的等离子体，与输送机构配合可完成脐橙表面 不平整、形状大小各异的脐橙产地分类，可同时检测脐橙中的多种元素，检 测快速，绿色，稳定性高。

进一步地，所述检测平台上设有和第一光电开关和第二光电开关，均与 所述控制及计算单元连接；所述第一光电开关安装于所述第二光电开关的左 端，当脐橙遮挡所述第一光电开关时，所述控制及计算单元对脐橙经过的个 数进行计数，所述第二光电开关位于所述长焦深光束的正下方，起触发检测 的作用，当脐橙遮挡所述第二光电开关则触发检测开始信号。

进一步地，本发明的脐橙元素成分LIBS全光学快速检测装置，还至少包 括以下技术特征之一：

所述第一透镜组包括在并排设置的第一凸透镜，第一凹透镜和第二凸透 镜，所述第一凸透镜，第一凹透镜和第二凸透镜之间的距离固定，不需实时 调整焦距，亦能对一定高度范围内的样品进行检测；本发明用三片透镜的组 合，使光线在距离样品较远的地方聚光，在聚光时会有一个束腰的效果，从 而得到能量密度相近的光，从而对样品表面的激发比较均匀，检测结果可信 度高。

所述第二透镜组包括并列设置的第三凸透镜和第四凸透镜，结构比较简 单，通过两片凸透镜将样品表面激发的等离子体特征光整形汇聚至光纤；

所述激光器头水平设置，所述分束镜与水平方向呈45°夹角设置，所述穿 孔反射镜与水平方向呈45°夹角设置。

进一步地，本发明的脐橙元素成分LIBS全光学快速检测装置，还至少包 括以下技术特征之一：

所述第一凸透镜和第一凹透镜之间的距离为80～90mm；

第一凹透镜和第二凸透镜之间的距离为22～28mm；

所述第一凸透镜的焦距为260～400mm；

所述第一凹透镜的焦距为80～150mm；

所述第二凸透镜的焦距为150～250mm。

进一步地，本发明的脐橙元素成分LIBS全光学快速检测装置，还至少包 括以下技术特征之一：

所述脉冲激光束波长为1064nm，光束直径为5mm；

所述第一透镜组焦点位置到第二凸透镜的距离为680～750mm，距离较大， 光向四周发散地更多，收集的光强度弱，特征更明显。

所述第一透镜组的焦深范围为15～30mm，对样品的外表平整度、大小要 求小，检测范围较宽。

进一步地，所述检测装置还包括变频器，所述第一电机、第二电机与所 述变频器连接并由所述变频器控制调速，调整到检测要求所需要的速度。

进一步地，所述上果机构包括上果口和与所述上果口连接的传送带，将 脐橙倾倒至所述上果口，通过所述传送带将脐橙输送至所述滚轮输送带。

进一步地，所述滚轮输送带包括滚轮，输送链条和与所述输送链条配合 的主链动轮、第一从链动轮、第二从链动轮、第三从链动轮，所述滚轮为“哑 铃状”结构，可将单个脐橙固定，所述输送链条安装在所述滚轮的两端。

进一步地，所述光纤通过光纤支座固定在所述检测平台上；所述检测平 台呈阶梯型布置，在第一阶梯上安装有所述激光器头，在第二阶梯的上表面 安装有第二光学平板，所述第二光学平板安装有光学立柱，所述光学立柱用 于固定所述第一透镜组与分束镜，所述第二阶梯的下表面安装有第一光学平 板，用于固定所述第二透镜组和光纤探头。光学平板的质量较重，对光学部 件的固定牢固，表面是非常平整，保证光学设备的精度要求。

进一步地，所述光纤探头通过光学接杆固定在所述第一光学平板上，方 便对光纤的高度进行调整。

进一步地，所述第一透镜组与所述分束镜均通过一个光学固定座固定在 所述光学立柱上，可快速、稳定固定于光学立柱上。

进一步地，本发明的脐橙元素成分LIBS全光学快速检测方法，包括以下 几个步骤：

1)启动检测装置各部分，此时所述输送机构正常运行，所述激光器主机、 光谱仪均处于等待触发信号状态；

2)将脐橙倾倒于所述输送机构，将脐橙排列运输至所述检测平台下方， 开始进行LIBS检测：所述控制及计算单元向所述激光器主机发送触发信号， 所述激光器主机控制所述激光器头发射一次脉冲激光，对脐橙表面激发等离 子体，然后经所述光纤传输到所述光谱仪；

3)所述光谱仪将采集到的等离子体信号处理成光谱信号，传递到所述控 制及计算单元中进行计算，并将采集到的光谱信号图显示在所述显示屏上；

4)根据谱图信号对不同产地脐橙进行分类。

进一步地，本发明的脐橙元素成分LIBS全光学快速检测方法，具体包括 以下几个步骤：

1)启动检测装置各部分，此时所述输送机构的传送带与滚轮输送带正常 运行，所述激光器主机、光谱仪均处于等待触发信号状态，所述第一光电开 关处于计数状态，所述第二光电开关处于等待触发信号状态；调整变频器来 控制脐橙运输机构的运输速率，调整到检测要求所需要的速度；

2)将脐橙倾倒于上果口处，所述传送带将上果口处的脐橙排列并运送到 所述滚轮输送带上，所述滚轮输送带将脐橙分离成单个，运输至检测平台下 方，触发所述第一光电开关，所述控制及计算单元记录脐橙经过的个数；脐 橙继续往前运动，触发所述第二光电开关，所述控制及计算单元向所述激光 器主机发送触发信号，所述激光器主机控制所述激光器头发射一次脉冲激光， 对脐橙表面激发等离子体，然后经所述光纤传输到所述光谱仪；

3)光谱仪将采集到的等离子体信号实时处理成光谱信号，传递到所述控 制及计算单元中进行计算，并将采集到的光谱信号图显示在所述显示屏上；

4)根据谱图信号结合所述第一光电开关记录下的滚轮数，实现不同产地 脐橙的分类。

进一步地，步骤3)中所述控制及计算单元对光谱信号的处理过程如下：

3a)通过15点平滑处理和多元散射校正减少光谱信号中的噪声信号及散 射效应；

3b)将处理后的数据导入主成分分析程序中，提取其前三个主成分信息；

3c)提取的前三个主成分组成了脐橙的特征值，由此三个特征值获得脐 橙的分类信息。

本发明可取得如下有益效果：

1、本发明可进行大批量脐橙检测，无需样品处理，检测速度快；可同时 检测脐橙中的多种元素及其强度。

2、本发明的检测方法，解决了固定焦点的LIBS系统对表面不平整样品 的检测效果较差的问题，采用较简单的结构获得了和变焦装置相同的良好的 检测效果。

3、本发明的检测方法采用光电开关触发检测的方式，自动化程度高，提 高了系统的检测效率，减少了激光器在非检测时的工作，延长了激光器的使 用寿命。

4、本发明采用长焦距的透镜组，以获得长焦深的LIBS系统，对脉冲激 光整形后使其在焦点上下一定范围内均能产生稳定的等离子体；把穿孔反射 镜放在激发点上方，反射的光更多，最后采集到的谱图准确性和稳定性高， 效果比较好。本发明可完成脐橙表面不平整，形状大小各异的脐橙检测，检 测快速，绿色，稳定性高。

5、现有技术中还没有可对脐橙元素成分进行在线动态快速检测和分类的 装置，本发明的对表面高度相差30mm以内的脐橙元素进行准确稳定的检测， 脐橙产地分类的准确率达85％左右。

附图说明

图1为本发明的脐橙元素成分LIBS全光学快速检测装置结构示意图；

图2为本发明的LIBS系统结构示意图；

图3为本发明的输送机构结构示意图；

图4为脐橙A1动态检测光谱采集效果图；

图5为脐橙A2动态检测光谱采集效果图；

图6为脐橙A1静态检测光谱采集效果图；

图7为7个产地脐橙的动态检测光谱采集效果图。

附图标记说明：1激光器主机，2光谱仪，3光纤，4光纤探头，5第一光 学平板，6激光器头，7检测平台，8分束镜，9光学立柱，10第二光学平板， 11穿孔反射镜，12第二光电开关，13输送机构，14滚轮输送带，15第二电 机，16第一光电开关，17上果机构，18第一电机，19控制柜，20变频器， 21控制与计算单元，22显示屏，23LIBS系统，24第一凸透镜，25第一凹透镜26第二凸透镜，27第三凸透镜，28第四凸透镜，29长焦深光束，30收光 光束，31光学固定座，32光学接杆，上果口33，传送带34，V型槽35，出 果口36，行走轮37，滚轮38，主链动轮39，第一从链动轮40，第二从链动 轮41，第三从链动轮42。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案 进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有 做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的脐橙元素成分LIBS全光学快速检测装置，其中LIBS系统(除 激光器主机外)设有外壳，即整个光学部分密封。

本发明实施例所使用的仪器信息如下：

激光器：Nano SG 150-10型，Litron公司，英国；

光谱仪：AvaSpec-uls2048-2型，Avantes技术有限公司，荷兰。

以下实施例中，激光器发射的脉冲激光束波长为1064nm，光束直径为5 mm。15点平滑处理、多元散射校正、主成分分析方法和多层感知器神经网络 算法，具体参考文献：饶刚福等，基于激光诱导击穿光谱的脐橙产地鉴别， 激光与光电子学进展，55，093003(2018)。

实施例1：

本实施例的脐橙元素成分LIBS全光学快速检测装置，包括：输送机构 13，检测平台7，LIBS系统23，光谱仪2，光纤3，控制柜19。其中：

LIBS系统23固定在检测平台7上，检测平台7跨置于输送机构13的上 方，输送机构13从检测平台7中间穿过；输送机构13用于将脐橙运输到检 测平台7进行检测；

控制柜19设有控制及计算单元21以及显示屏22，光纤3一端固定在检 测平台7上，另一端与光谱仪2连接，光谱仪2与控制及计算单元21通过信 号线连接；

输送机构13具体包括第一电机18(型号YZ200L-8)，第二电机15(型 号YZ200L-8)，上果机构17和滚轮输送带14；第一电机18驱动上果机构 17运输脐橙至滚轮输送带14；第二电机15驱动滚轮输送带14将多个脐橙分 离成单个的个体，将脐橙输送至LIBS系统23进行检测；第一电机18、第二 电机15均与控制及计算单元21电性连接，上果机构17位于图示方向滚轮输 送带14的左端；

LIBS系统23包括激光器，与水平方向呈45°夹角设置的分束镜8，竖直 设置的第一透镜组，水平设置的第二透镜组，与水平方向呈45°夹角设置的穿 孔反射镜11；激光器包括激光器主机1和与激光器主机1通过信号线连接的 激光器头6，激光器头6水平放置，激光器主机1控制激光器头6发射脉冲激 光，激光器主机1与控制及计算单元21通过信号线连接。分束镜8位于激光 器头6发射的脉冲激光光路上，第一透镜组、穿孔反射镜11、滚轮输送带14 顺次位于分束镜8的反射光路上；脉冲激光经第一透镜组整形形成长焦深光 束29，长焦深光束29穿过穿孔反射镜11打在滚轮输送带14放置的脐橙上； 第二透镜组、光纤3一端顺次位于穿孔反射镜11的反射光路上。控制及计算 单元21用于控制激光器主机1发射激光，控制光谱仪2采集光谱，并对采集 的光谱信息进行计算分析，显示于屏幕22上。

第一透镜组包括在竖直并排设置的第一凸透镜24，第一凹透镜25和第二 凸透镜26，三片透镜的焦距分别为：350mm、80mm、150mm，并且它们之 间的距离是固定的，第一凸透镜24和第一凹透镜25之间的距离为82mm， 第一凹透镜25和第二凸透镜26之间的距离为22mm，第一透镜组焦点位置 到第二凸透镜26的距离为720mm。因为脐橙的大小是在一定范围内有变化 的，而且其表面是曲面，无法保证一个平面；如果光路有很短的焦点范围， 能量密度在脐橙表面变化很大，会使不同点的光谱强度变化很大。本发明的 脐橙多元素检测平台，长焦深使光的能量密度在脐橙表面的变化很小，脐橙 表面不同点的光谱强度相差很小，保证了检测结果的准确性。

第二透镜组起到聚焦的作用，包括水平并列设置的第三凸透镜27和第四 凸透镜28，结构比较简单，通过两片凸透镜将样品表面激发的等离子体特征 光整形汇聚至光纤探头4，形成收光光束30。

装置的工作原理如下：通过上果机构17和滚轮输送带14将脐橙分离排 列，进入LIBS系统23进行检测。当脐橙经过长焦深光束29的正下方时，控 制及计算单元21给激光器主机1发送触发信号，激光器主机1控制激光器头 6发射脉冲激光，激光器头6发射的脉冲激光通过分束镜8反射到竖直方向， 经第一透镜组整形形成有一定焦深范围的激光束，即形成长焦深光束29；长 焦深光束29穿过穿孔反射镜11在脐橙表面激发等离子体，并通过穿孔反射 镜11将向上发射的等离子体特征光反射到水平方向，经第二透镜组整形后汇 聚至光纤探头4，形成收光光束30，然后经光纤3传输到光谱仪2，再通过信 号线传输到控制及计算单元21进行计算分析。

长焦深会使激发点和第一透镜组最后一块透镜的距离增大，光向四周发 散地更多，收集的光强度弱，等离子体的特征在谱图上表现地更明显，这体 现在检测结果的高准确度。把穿孔反射镜放在激发点上方，反射的光更多， 最后采集到的谱图准确性和稳定性高，效果比较好。本发明采用长焦深的LIBS 系统进行检测，对脉冲激光整形后使其在焦点上下一定范围内均能产生稳定 的等离子体，与输送机构配合可完成脐橙表面不平整、形状大小各异、高度 相差15mm的脐橙产地分类，可同时检测脐橙中的多种元素，检测快速，绿色，稳定性高。

实施例2：

如图1、图2所示，本实施例的脐橙多元素检测装置，在实施例1的基础 上，检测平台7上设有和第一光电开关16(Omron，E3X-DA11-N)和第二光 电开关12(Omron，E3X-DA11-N)，均与控制及计算单元21连接。第一光 电开关16安装于第二光电开关12的左端(图1所示方向)，当脐橙遮挡所 述第一光电开关16时，第一光电开关16把信号传给控制及计算单元21，控 制及计算单元21读取接收信号的次数，即对脐橙经过的个数进行计数；第二 光电开关12位于长焦深光束29的正下方，起触发检测的作用，当脐橙遮挡 第二光电开关12时，第二光电开关12把信号传给控制及计算单元21，控制 及计算单元21控制各部件进入工作状态，进行检测。装置还设有变频器20 (NVF2G-1.5/PS4)，置于控制柜19内，第一电机18、第二电机15与变频 器20连接并由变频器20控制调速，调整到检测要求所需要的速度。

其中，第一凸透镜24，第一凹透镜25和第二凸透镜26的焦距分别为： 260mm、150mm、200mm，并且它们之间的距离是固定的，第一凸透镜24 和第一凹透镜25之间的距离为86.8mm，第一凹透镜25和第二凸透镜26之 间的距离为26mm，第一透镜组焦点位置到第二凸透镜26的距离为680mm。

本实施例的脐橙多元素检测装置，可完成脐橙表面高度不平整的脐橙检 测，形状大小各异、高度相差20mm的脐橙产地分类，可同时检测脐橙中的 多种元素，检测快速，绿色，稳定性高。

实施例3：

如图1、图2所示，本实施例的脐橙多元素检测装置，在实施例2的基础 上，滚轮输送带14包括滚轮38，输送链条(图中未示出)，和与输送链条配 合的主链动轮39、第一从链动轮40、第二从链动轮41、第三从链动轮42。 滚轮38为“哑铃状”结构，可将单个脐橙固定，输送链条安装在滚轮38的 两端；第二从链动轮41只与上方的输送链条下表面啮合，第三从链动轮42 只与下方的输送链条下表面啮合。第二电机15安装于出果口36下方，通过 传动链条带动主链动轮39转动，主链动轮39带动第一从链动轮40、第二从 链动轮41和第三从链动轮42转动，从而使滚轮38带着脐橙往前输送，检测 完后脐橙从出果口34滚落。上果机构17包括上果口33和传送带34，传送带 34同样由输送链条带动滚轮向上输送，从而将脐橙运至V型槽35；传送带 34一端与上果口33连接，另一端与V型槽35连接，第一电机18安装于上果口33下方。其中，上果口33的位置比V型槽35的位置低，V型槽35倾 斜设置，靠近滚轮输送带14的一端位置较低；滚轮输送带14的第一从链动 轮40至第二从链动轮41处亦为倾斜设置，将从V型槽35滚落的脐橙往前往 上运送。

其中，第一凸透镜24，第一凹透镜25和第二凸透镜26的焦距分别为： 300mm、100mm、200mm，并且它们之间的距离是固定的，第一凸透镜9 和第一凹透镜10之间的距离为83.9mm，第一凹透镜24和第二凸透镜25之 间的距离为25mm，第一透镜组焦点位置到第二凸透镜26的距离为700mm。

本实施例的脐橙多元素检测装置，可完成脐橙表面高度不平整的脐橙检 测，形状大小各异、高度相差25mm的脐橙产地分类，可同时检测脐橙中的 多种元素，检测快速，绿色，稳定性高。

实施例4：

如图1、图2所示，本实施例的脐橙多元素检测装置，在实施例3的基础 上，检测平台7呈阶梯型布置，在第一阶梯上安装有激光器头6，在第二阶梯 的上表面安装有第二光学平板10，其上安装有光学立柱9，第一透镜组与分 束镜8通过光学固定座31固定在光学立柱9上。第二阶梯的下表面安装有第 一光学平板5，第二透镜组固定在第一光学平板5上，光纤探头4通过光学接 杆32固定在第一光学平板5上。其中，第一凸透镜24，第一凹透镜25和第二凸透镜26的焦距分别为：400mm、100mm、250mm，并且它们之间的距 离是固定的，第一凸透镜24和第一凹透镜25之间的距离为89mm，第一凹 透镜25和第二凸透镜26之间的距离为27.5mm，第一透镜组焦点位置到第二 凸透镜26的距离为735mm。

本实施例的脐橙多元素检测装置，可完成脐橙表面高度不平整的脐橙检 测，形状大小各异、高度相差30mm的脐橙产地分类，可同时检测脐橙中的 多种元素，检测快速，绿色，稳定性高。

以上实施例的检测装置，底部均可以加装行走轮37(如万向轮)制作成 移动式，运输至采购现场进行检测。

实施例5：

本发明的脐橙元素成分LIBS全光学快速检测方法，具体包括以下几个步 骤：

1)启动检测装置各部分，此时输送机构13的上果机构17与滚轮输送带 14正常运行，激光器主机1、光谱仪2均处于等待触发信号状态，第一光电 开关16处于计数状态，第二光电开光12处于等待触发信号状态；调整变频 器20来控制输送机构13的运输速率，调整到检测要求所需要的速度。

2)将脐橙倾倒于上果口33处，传送带37将上果口33处的脐橙通过V 型槽35排列并运送到滚轮输送带14上，滚轮输送带14将脐橙分离成单个， 运输至检测平台7下方；脐橙触发第一光电开关16，记录脐橙经过的个数。

3)脐橙继续往前运动，触发第二光电开关12，控制及计算单元21接收 到触发信号，立刻向激光器主机1发送外部触发信号，激光器主机1控制激 光器头6发射一次脉冲激光，脉冲激光通过分束镜8反射到竖直方向，经第 一透镜组整形形成长焦深光束29，长焦深光束29穿过穿孔反射镜11在脐橙 表面激发等离子体，向上发射的等离子体特征光并再次通过穿孔反射镜11反 射到水平方向，经第二透镜组整形后汇聚形成收光光束30，通过光纤探头收 集后经光纤3传输到光谱仪2；

4)光谱仪2将采集到的等离子体信号实时处理成光谱信号，传送到控制 及计算单元21中进行计算，计算方法如下：

4a)通过15点平滑处理和多元散射校正减少光谱信号中的噪声信号及散 射效应；

4b)将处理后的数据导入主成分分析程序中，提取其前三个主成分信息；

4c)将提取的主成分信息导入多层感知器神经网络算法中，对其产地进 行鉴别；并将采集到的光谱信号图显示在显示屏上。

5)根据谱图信号对脐橙产地进行鉴别，结合第一光电开关16记录下的 脐橙个数，根据产地将脐橙分类。

实施例6：

以实施例4的装置为例，验证本发明的检测效果：选取2个表面高度相 差30mm的本地种植脐橙A1和A2(高度A1>A2)，采用超纯水清洗脐橙表 皮灰尘等污渍，放置于室温下自然晾干表面水分，第一次将A1直接置于第二 光电开关12上进行静态检测，第二次将A1置于滚轮输送带14最左端(图1 所示方向)开启输送机构13进行动态检测，光谱采集效果如图4和图6所示； 对A2进行动态检测，光谱采集效果如图5所示。

对比图4和图6，二者的谱图差异非常小，仅动态检测Ca(I)422.61处 的峰强度比静态检测稍弱，说明本发明的装置可以达到和静态检测差不多的 效果，即结果的准确度高。对比图4和图5，二者的谱图差异也很小，仅A2 脐橙Ca(II)393.37处的峰强度比A1脐橙稍弱，说明本发明可对表面高度相 差30mm以内的脐橙元素进行准确的检测。

验证了本发明装置与方法的准确性后，接下来对本发明的产地分类效果 进行实验。实验选取了江西南康(NK)、湖北宜昌(YC)、四川凉山(LS)、 云南大理(DL)、湖南邵阳(SY)、重庆巫山(WS)、广西贺州(HZ)共 7个产地的纽荷尔脐橙(Newhall Navel Orange，NNO)各30个作为试验样品 (表面高度相差30mm以内)，采用超纯水清洗脐橙表皮灰尘等污渍，放置 于室温下自然晾干表面水分。然后进行动态检测。

7个产地脐橙的光谱采集效果如图7所示，分析图2可知，不同产地脐橙 的LIBS谱线丰富度基本一致。查询美国NIST数据库元素特征谱线位置可知， 脐橙样品的C(I)247.87mm、Mg(II)279.55mm、Ca(II)393.37mm、 Na(I)589.00mm、H(I)656.28mm、N(I)746.64mm、K(I)766.49mm 谱线明显，但谱线强度具有一定的差异性。如：与其他六省市相比，江西南 康(NK)脐橙在N(I)746.64mm、K(I)766.49mm处的LIBS光谱强度 更弱。以上分析表明，不同产地脐橙的LIBS光谱具有一定的差异性，这说明 了运用LIBS光谱技术实现脐橙产地鉴别的可行性(鉴定方法参考文献：饶刚 福等，基于激光诱导击穿光谱的脐橙产地鉴别，激光与光电子学进展，55， 093003(2018))。

鉴别结果如表1所示。

表1

由表1数据可知，本发明产地鉴别准确率在85％左右，并且对脐橙的形 状大小没有限制，可对表面高度相差30mm以内的脐橙进行元素检测和分类。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限 制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的 技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或 者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的 任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种脐橙元素成分LIBS全光学快速检测装置，其特征在于，包括：输送机构，检测平台，LIBS系统，光谱仪，光纤，控制柜；

所述LIBS系统固定在所述检测平台上，所述检测平台跨置于输送机构的上方，所述输送机构从所述检测平台中间穿过；所述输送机构用于将脐橙运输到检测平台进行检测；

所述控制柜设有控制及计算单元以及显示屏，所述光纤一端固定在所述检测平台上，另一端与所述光谱仪连接，所述光谱仪与控制及计算单元通过信号线连接；

所述输送机构具体包括第一电机，第二电机，上果机构和滚轮输送带；所述第一电机驱动所述上果机构，所述第二电机驱动所述滚轮输送带运动，所述第一电机、第二电机均与所述控制及计算单元相连；

所述LIBS系统包括激光器，第一透镜组，第二透镜组，分束镜，穿孔反射镜；所述激光器包括激光器主机和与所述激光器主机通过信号线连接的激光器头，所述激光器主机控制所述激光器头发射脉冲激光，所述激光器主机与所述控制及计算系统通过信号线连接；所述分束镜位于所述激光器头发射的脉冲激光光路上，所述第一透镜组、穿孔反射镜、滚轮输送带顺次位于所述分束镜的反射光路上；所述脉冲激光经所述第一透镜组整形形成长焦深光束，所述长焦深光束穿过所述穿孔反射镜打在所述滚轮输送带放置的脐橙上；所述第二透镜组、光纤一端顺次位于所述穿孔反射镜的反射光路上。

2.如权利要求1所述的脐橙元素成分LIBS全光学快速检测装置，其特征在于，所述检测平台上设有和第一光电开关和第二光电开关，均与所述控制及计算单元连接；所述第一光电开关安装于所述第二光电开关的左端，用于记录脐橙经过的个数，所述第二光电开关位于所述长焦深光束的正下方，起触发检测的作用，当脐橙遮挡所述第二光电开关则触发检测开始信号。

3.如权利要求1或2所述的脐橙元素成分LIBS全光学快速检测装置，其特征在于，还至少包括以下技术特征之一：

所述第一透镜组包括在竖直并排设置的第一凸透镜，第一凹透镜和第二凸透镜，所述第一凸透镜，第一凹透镜和第二凸透镜之间的距离固定；

所述第二透镜组包括水平并列设置的第三凸透镜和第四凸透镜；

所述激光器头水平设置，所述分束镜与水平方向呈45°夹角设置，所述穿孔反射镜与水平方向呈45°夹角设置。

4.如权利要求3所述的脐橙元素成分LIBS全光学快速检测装置，其特征在于，还至少包括以下技术特征之一：

所述第一凸透镜和第一凹透镜之间的距离为80～90mm；

第一凹透镜和第二凸透镜之间的距离为22～28mm；

所述第一凸透镜的焦距为260～400mm；

所述第一凹透镜的焦距为80～150mm；

所述第二凸透镜的焦距为150～250mm。

5.如权利要求3所述的脐橙元素成分LIBS全光学快速检测装置，其特征在于，还至少包括以下技术特征之一：

所述脉冲激光束波长为1064nm，光束直径为5mm；

所述第一透镜组焦点位置到第二凸透镜的距离为680～750mm；

所述第一透镜组的焦深范围为15～30mm。

6.如权利要求1至5中任一项所述的脐橙元素成分LIBS全光学快速检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括变频器，所述第一电机、第二电机与所述变频器连接并由所述变频器控制调速；和/或

所述上果机构包括上果口和与所述上果口连接的传送带；和/或

所述滚轮输送带包括滚轮，输送链条和与所述输送链条配合的主链动轮、第一从链动轮、第二从链动轮、第三从链动轮，所述滚轮为“哑铃状”结构，可将单个脐橙固定，所述输送链条安装在所述滚轮的两端。

7.如权利要求6所述的脐橙元素成分LIBS全光学快速检测装置，其特征在于，所述检测平台呈阶梯型布置，在第一阶梯上安装有所述激光器头，在第二阶梯的上表面安装有第二光学平板，所述第二光学平板安装有光学立柱，所述光学立柱用于固定所述第一透镜组与分束镜，所述第二阶梯的下表面安装有第一光学平板，用于固定所述第二透镜组和光纤探头。

8.如权利要求7所述的脐橙元素成分LIBS全光学快速检测装置，其特征在于，所述光纤探头通过光学接杆固定在所述第一光学平板上；和/或所述第一透镜组与所述分束镜通过光学固定座固定在所述光学立柱上。

9.如权利要求1至8中任一项所述的脐橙元素成分LIBS全光学快速检测装置，其特征在于，包括以下几个步骤：

1)启动检测装置各部分，此时所述输送机构正常运行，所述激光器主机、光谱仪均处于等待触发信号状态；

2)将脐橙倾倒于所述输送机构，将脐橙排列运输至所述检测平台下方，开始进行LIBS检测：所述控制及计算单元向所述激光器主机发送触发信号，所述激光器主机控制所述激光器头发射一次脉冲激光，对脐橙表面激发等离子体，然后经所述光纤传输到所述光谱仪；

3)所述光谱仪将采集到的等离子体信号处理成光谱信号，传递到所述控制及计算单元中进行计算，并将采集到的光谱信号图显示在所述显示屏上；

4)根据谱图信号对不同产地脐橙进行分类。

10.如权利要求1所述的脐橙元素成分LIBS全光学快速检测装置，其特征在于，步骤3)中所述控制及计算单元对光谱信号的处理过程如下：

3a)通过15点平滑处理和多元散射校正减少光谱信号中的噪声信号及散射效应；

3b)将处理后的数据导入主成分分析程序中，提取其前三个主成分信息；

3c)提取的前三个主成分组成了脐橙的特征值，由此三个特征值获得脐橙的分类信息。