CN110865158B - 水果内部品质无损检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水果内部品质无损检测装置及方法。装置包括铝型材支架、上料传输带、果杯、喷气式激励装置、顶升气缸单元和激光多普勒测振仪；水果在上料传输带上运输，并在线检测通过各传感器采集原始数，由振动响应信号处理提取第二共振频率结合质量信号获得初步坚实度，根据垂直水平距离采用以下公式计算水果的尺寸和果形指数，建立水果坚实度预测模型，果形指数对水果的初步坚实度进行校正，获得校正后的水果坚实度。本发明能够更准确地在线无损检测水果品质，提高坚实度预测模型精度，适用于现场检测并可以根据水果坚实度品质进行准确分级。
Description
技术领域
本发明涉及一种水果品质检测装置，特别是涉及一种水果内部品质无损检测装置及方法。
背景技术
随着世界人口的持续增长，人们对于水果的消费需求逐年增加，并且人们在购买水果时也越发注重风味、口感和新鲜程度等品质，如何准确全面地判别水果内部品质已成为消费者和销售商共同关注的焦点。有相关研究表明，水果在成熟过程中，水果的坚实度与其成熟程度息息相关，并且可以通过振动检测的方法无损检测其果肉硬度。
目前已有的相关振动检测方法有摆球敲击法、力锤敲击法、扬声器激振法以及激振器激励法。激光多普勒振动检测技术作为一种非接触式测量方法，具有灵敏度高、动态响应快、测量范围大等优点，通过分析获得的振动响应曲线提取第二共振频率并结合水果的质量信息就可以获得水果的坚实度信息，但由于每个水果大小不一，需要调节激励位置和激光多普勒测振仪检测位置至水果赤道面以求得最佳振动响应信号。
因此，现有技术中对水果的坚实度检测并不准确，一方面无法根据水果大小尺寸，对激振和检测位置进行相应调整；另一方面，还未有一种快速无损的激励装置对大尺寸水果充分激励，并实现在线坚实度检测。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种水果品质无损在线检测装置，根据水果高度调整激励和检测位置，能够实现更加准确的水果内外部品质检测的功能。同时为了缩短激励时间，并能使大型水果充分激励，设计了一款喷气式激励装置。此外，还利用激光雷达测距仪检测水果的纵径和横径，计算其比值求得果形指数，并将其引入水果坚实度模型，提升检测模型精度。
本发明实验中发现，水果果形会对坚实度产生影响，进而处理计算水果纵径和横径之比并作为水果果形数据进而优化坚实度指数。
为实现上述目的，本发明采用的一个技术方案是：
一、一种用于水果坚实度无损在线检测装置：
包括铝型材支架、上料传输带、果杯、喷气式激励装置、顶升气缸单元和激光多普勒测振仪；铝型材支架上安装有上料传输带，上料传输带入口侧上方的铝型材支架上安装第二激光雷达测距仪，上料传输带中部设置检测工位，检测工位下方设有顶升气缸单元，顶升气缸单元旁设有阻挡气缸；检测工位两侧的上料传输带旁分别设有喷气式激励装置和激光多普勒测振仪；激光多普勒测振仪底部安装在升降平台上；上料传输带上运输果杯，果杯上放置水果；所述的喷气式激励装置包括气泵、流量调节阀、步进电机、不锈钢丝杆、移动滑块、第一激光雷达测距仪、气嘴和电磁阀；竖直支架置于检测工位的侧方，步进电机固定于竖直支架顶端，步进电机的输出轴朝下与竖直的不锈钢丝杆通过联轴器同轴相连，不锈钢丝杆中部通过螺纹副与移动滑块套装配合，移动滑块两侧活动穿设安装有竖直的导向杆，导向杆固定安装连接于竖直支架，形成丝杠螺母滑动副；步进电机驱动不锈钢丝杆旋转并带动移动滑块通过丝杠螺母滑动副上下升降移动；移动滑块朝向检测工位的侧表面设有同一水平安装的气嘴和第一激光雷达测距仪，气泵的输出端依次经橡胶软管、移动滑块内部通道后和移动滑块的气嘴相连，橡胶软管上安装有流量调节阀和电磁阀，气嘴的开通和闭合通过电磁阀控制；通过垂直安装的第二激光雷达测距仪向下探测上料传输带上的水果，获取水果的高度信息，进而控制喷气式激励装置的步进电机和升降平台，调节移动滑块和激光多普勒测振仪的高度位置，使移动滑块上的气嘴和激光多普勒测振仪的检测探头与被顶升气缸顶起的水果赤道面中心位于同一条直线上；同时，位于气嘴同一水平线上的第一激光雷达测距仪探测获取水果横径。
所述的上料传输带其中一端的传动轴经皮带和传动步进电机的输出轴相连。
所述的移动滑块侧表面中心开设螺纹孔，气嘴经气动软管接头安装在螺纹孔中。
所述顶升气缸单元包括顶升气缸和压力传感器；顶升气缸固定于铝型材支架上，并放置于检测工位的上料传输带下方位置，压力传感器安装于顶升气缸的输出杆的顶部。
本发明中，所述的第二激光雷达测距仪垂直安装，第一激光雷达测距仪水平安装。
本发明利用两个相互垂直布置的激光雷达测距仪获取水果的纵径(高度)和横径(赤道面直径)信息，并计算其比值，获取果形参数(过去是手工测量或者是图像处理)，优化坚实度的测量。其中根据水果的纵径调整激励和检测位置，使其与水果赤道面中心成一条直线，达到最佳的激励效果。
本发明的喷气式激励装置，与扬声器激励方法相比，喷气式激励装置激励时间更短，激振力更大，能使大型水果充分激励。
还包括有PLC控制器，步进电机、电磁阀、第二激光雷达测距仪、第一激光雷达测距仪、升降平台、顶升气缸、阻挡气缸、激光多普勒测振仪均与PLC控制器相连。
二、一种水果坚实度无损在线检测方法，方法包括：
①水果在上料传输带上运输，通过流量调节阀控制气泵输出激励气体气压，然后对水果进行在线检测，通过各传感器采集获得原始数据，包括振动响应信号、水果的质量信号、垂直距离l1和水平距离l2；
②由振动响应信号处理提取第二共振频率，结合质量信号采用以下公式处理获得检测水果的初步坚实度E：
E＝f2 2m2/3
其中，f2为校正后的第二共振频率，m为水果的质量；
③根据垂直距离l1和水平距离l2采用以下公式计算水果的纵径h、横径d及其果形指数SI：
h＝h0-l1
d＝(d0-l2)×2
SI＝h/d
其中，h0表示第二激光雷达测距仪探头端到正下方的上料传输带上果杯顶端之间的垂直距离，d0表示第一激光雷达测距仪探头端到正侧方的上料传输带上果杯中心轴之间的水平距离；
④建立以下水果坚实度预测模型，输入果形指数SI对水果的初步坚实度E进行校正，获得校正后的水果坚实度：
y’＝C0E+C1SI+C2
其中，C0、C1和C2为常数，E为检测水果的坚实度，SI为检测水果的果形指数，y’为校正后的水果坚实度。
利用垂直安装的第二激光雷达测距仪和水平安装的第一激光雷达测距仪的两测距仪获得各自测距仪分别到水果顶部、水果赤道面之间的距离，分别为垂直距离l1和水平距离l2。
所述的振动响应信号是通过激光多普勒测振仪检测获得。
本发明通过两个激光雷达测距仪获取水果的纵径和横径，并据所得纵径调节激励和检测位置至水果赤道面，喷气式激励单元和激光多普勒测振单元配合工作实现了水果品质无损在线检测，并使得检测准确性提高。
本发明分析发现了果形对坚实度的影响，并根据果形建立多元线性坚实度预测模型，提高了坚实度的测量精度。
与现有的技术与方法相比，本发明的有益效果是：
本发明可以根据水果的大小，自动调节喷气式激励装置和激光多普勒测振仪的高度，并提高后续的振动响应信号检测精度。
本发明可以根据激光雷达测距仪代替传统的图像处理方法获取水果果形数据，并以此建立坚实度多元线性预测模型，提高模型的预测精度。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图；
图2是上料输送带结构示意图；
图3是喷气式激励装置结构示意图；
图4是顶升气缸单元结构示意图。
附图中各部件的标记如下：100、传动步进电机，200、传动轴，300、喷气式激励装置，301、气泵，302、流量调节阀，303、步进电机，304、不锈钢丝杆，305、移动滑块，306、水平安装的第一激光雷达测距仪，307、气嘴，308、电磁阀，400、垂直安装的第二激光雷达测距仪，500、上料传输带，600、果杯，700、顶升气缸单元，701、顶升气缸，702、压力传感器，800、升降平台，900、激光多普勒测振仪，1000、水果，1100、阻挡气缸。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1所示，本发明具体实施包括铝型材支架、上料传输带500、果杯600、喷气式激励装置300、顶升气缸单元700和激光多普勒测振仪900；铝型材支架上安装有上料传输带500，上料传输带500入口侧上方的铝型材支架上垂直安装第二激光雷达测距仪400，上料传输带500中部设置检测工位，如图2所示，检测工位下方设有顶升气缸单元700，顶升气缸单元700旁设有阻挡气缸1100；阻挡气缸1100输出端设有挡块，阻挡气缸1100输出端伸出后挡块挡住果杯的前进，再由顶升气缸单元700输出顶起果杯底部，从而顶升抬起果杯。
检测工位两侧的上料传输带500旁分别设有喷气式激励装置300和激光多普勒测振仪900；激光多普勒测振仪900底部安装在升降平台800上，由升降平台800带动激光多普勒测振仪900的上下升降移动；上料传输带500上运输果杯600，果杯600上放置水果1000，并沿上料传输带500输送方法依次经过第二激光雷达测距仪400、喷气式激励装置300和激光多普勒测振仪900。
如图3所示，喷气式激励装置300包括气泵301、流量调节阀302、步进电机303、不锈钢丝杆304、移动滑块305、第一激光雷达测距仪306、气嘴307和电磁阀308；竖直支架置于检测工位的侧方，步进电机303固定于竖直支架顶端，步进电机303的输出轴朝下与竖直的不锈钢丝杆304通过联轴器同轴相连，不锈钢丝杆304上下端可自由旋转地安装连接于竖直支架，不锈钢丝杆304中部通过螺纹副套装有移动滑块305配合，移动滑块305两侧活动穿设安装有竖直的导向杆，导向杆固定安装连接于竖直支架，形成丝杠螺母滑动副；步进电机303驱动不锈钢丝杆304旋转并带动移动滑块305通过丝杠螺母滑动副上下升降移动；移动滑块305朝向检测工位的侧表面设有同一水平安装的气嘴307和第一激光雷达测距仪306，水平安装的第一激光雷达测距仪306固定于气嘴307位置的右侧，气泵301位于移动滑块305侧方，气泵301的输出端依次经橡胶软管、移动滑块305内部通道后和移动滑块305的气嘴307相连，橡胶软管上安装有流量调节阀302和电磁阀308，气嘴307的开通和闭合通过电磁阀308控制。
通过垂直安装的第二激光雷达测距仪400向下探测上料传输带500上的水果1000，获取水果1000的高度信息，进而控制喷气式激励装置300的步进电机303和升降平台800，调节移动滑块305和激光多普勒测振仪900的高度位置，使移动滑块305上的气嘴307和激光多普勒测振仪900的检测探头与被顶升气缸701顶起的水果1000赤道面中心位于同一条直线上；同时，位于气嘴307同一水平线上的第一激光雷达测距仪306探测获取水果横径。
上料传输带500其中一端的传动轴200经皮带和传动步进电机100的输出轴相连，由传动步进电机100驱动传动轴200旋转带动上料传输带500运动。
移动滑块305侧表面中心开设螺纹孔，气嘴307经气动软管接头安装在螺纹孔中。
如图4所示，顶升气缸单元700包括顶升气缸701和压力传感器702；顶升气缸701固定于铝型材支架上，并放置于检测工位的上料传输带500下方位置，压力传感器702安装于顶升气缸701的输出杆的顶部，压力传感器702位于上料传输带500中间，果杯600经过时压力传感器702顶接到果杯600底部。
当果杯600由上料传输带500运输到检测工位时，通过阻挡气缸1100和顶升气缸701使其脱离上料传输带500，利用安装在顶升气缸701顶部的压力传感器702检测获取水果的质量信息。
具体实施还可包括有PLC控制器，步进电机303、电磁阀308、垂直安装的第二激光雷达测距仪400、水平安装的第一激光雷达测距仪306、升降平台800、顶升气缸701、阻挡气缸1100、激光多普勒测振仪900均与PLC控制器相连，有PLC控制器控制工作运动。
具体实施过程中，将待测水果1000平稳放入果杯600中并置于上料传输带500上，当果杯600从右往左经过垂直安装的激光雷达测距仪时，测距仪将其与水果顶部得距离l1和位置信号传输给PLC控制器，并通过计算得到水果的纵径h，然后由PLC控制器控制升降平台800和步进电机303使激光多普勒测振仪900和气嘴307移动到与水果赤道面齐平的位置。随后果杯600运输到检测工位，由阻挡气缸1100和顶升气缸701协同作用顶起果杯600，并由水平安装的激光雷达测距仪306测量其与水果赤道面的距离l2，并据此计算水果的横径d。随后安装于顶升气缸701顶部的压力传感器702检测整体果杯600的质量信号，并据此计算水果的质量参数。随后，PLC控制器控制电磁阀308打开，气体喷出，并持续500ms，同时由激光多普勒测振仪900检测振动响应信号。检测完毕，阻挡气缸1100和顶升气缸701复位，果杯600重新落回至上料传输带500上，并运输至卸料区。
本发明的具体实施例及其实施过程如下：
本实验过程中，采用95个麒麟西瓜作为实验样品，检测过程具体如下：
①将水果1000平稳地放置在上料传输带500上运输，通过流量调节阀302控制气泵301输出合适的激励气体气压，然后对水果1000进行在线检测，通过各传感器采集获得原始数据，包括振动响应信号、水果的质量信号、垂直距离l1和水平距离l2；
具体实施中，利用垂直安装的第二激光雷达测距仪400和水平安装的第一激光雷达测距仪306的两测距仪获得各自测距仪分别到水果1000顶部、水果1000赤道面之间的距离，分别为垂直距离l1和水平距离l2，进而计算水果的纵径h和横径d，计算比值作为果形参数SI，并优化坚实度模型。振动响应信号是通过激光多普勒测振仪900检测获得，水果的质量信号利用压力传感器702在果杯被顶升后测量获得。
E＝f2 2m2/3
其中，f2为校正后的第二共振频率，m为水果的质量；
根据垂直距离l1和水平距离l2采用以下公式计算水果的纵径h、横径d及其果形指数SI：
h＝h0-l1
d＝(d0-l2)×2
SI＝h/d
其中，h0表示已知的第二激光雷达测距仪400探头端到正下方的上料传输带500上果杯600顶端之间的垂直距离，d0表示已知的第一激光雷达测距仪306探头端到正侧方的上料传输带500上果杯600中心轴之间的水平距离。
通过上述方法获得检测样品的各个物理参数，如下表所示：
表1西瓜样品的物理参数(n＝95).
③由振动响应信号处理提取第二共振频率，结合质量信号采用以下公式处理获得检测水果的初步坚实度E：④利用质构仪(型号TA-XT2i)进行穿刺实验获取实验过程中最大的力作为西瓜果肉的硬度参数。
⑤将上述所得的初步坚实度E与穿刺实验得到的果肉硬度参数y建立一元线性模型，得到相关系数与均方根误差如下表2所示：
表2
所得一元线性模型为：
y＝4.34×10-4E+132.22
⑤建立以下水果坚实度预测模型，输入果形指数SI对水果的初步坚实度E进行校正，得到相关系数与均方根误差如下表3所示：
表3
所得优化得坚实度预测模型为：
y’＝2.58×10-4E+37.34SI+108.20
由此，本发明能够更准确地实现在线无损检测水果品质，具体通过激光雷达测距仪获取水果的纵径和横径，调整激光多普勒测振仪激励位置和喷气式激励检测位置至水果赤道面，并利用纵径和横径计算果形指数，利用其优化水果坚实度预测模型，提高坚实度预测模型精度，本发明适用于现场检测并可以根据水果坚实度品质进行准确分级。
Claims (8)
1.一种用于水果坚实度无损在线检测装置，其特征在于：
包括铝型材支架、上料传输带（500）、果杯（600）、喷气式激励装置（300）、顶升气缸单元（700）和激光多普勒测振仪（900）；铝型材支架上安装有上料传输带（500），上料传输带（500）入口侧上方的铝型材支架上安装第二激光雷达测距仪（400），上料传输带（500）中部设置检测工位，检测工位下方设有顶升气缸单元（700），顶升气缸单元（700）旁设有阻挡气缸（1100）；检测工位两侧的上料传输带（500）旁分别设有喷气式激励装置（300）和激光多普勒测振仪（900）；激光多普勒测振仪（900）底部安装在升降平台（800）上；上料传输带（500）上运输果杯（600），果杯（600）上放置水果（1000）；
所述顶升气缸单元（700）包括顶升气缸（701）和压力传感器（702）；
所述的喷气式激励装置（300）包括气泵（301）、流量调节阀（302）、步进电机（303）、不锈钢丝杆（304）、移动滑块（305）、第一激光雷达测距仪（306）、气嘴（307）和电磁阀（308）；竖直支架置于检测工位的侧方，步进电机（303）固定于竖直支架顶端，步进电机（303）的输出轴朝下与竖直的不锈钢丝杆（304）通过联轴器同轴相连，不锈钢丝杆（304）中部通过螺纹副与移动滑块（305）配合，移动滑块（305）两侧活动穿设安装有竖直的导向杆，导向杆固定安装连接于竖直支架，形成丝杠螺母滑动副；步进电机（303）驱动不锈钢丝杆（304）旋转并带动移动滑块（305）通过丝杠螺母滑动副上下升降移动；移动滑块（305）朝向检测工位的侧表面设有同一水平安装的气嘴（307）和第一激光雷达测距仪（306），气泵（301）的输出端依次经橡胶软管、移动滑块（305）内部通道后和移动滑块（305）的气嘴（307）相连，橡胶软管上安装有流量调节阀（302）和电磁阀（308），气嘴（307）的开通和闭合通过电磁阀（308）控制；通过垂直安装的第二激光雷达测距仪（400）向下探测上料传输带（500）上的水果（1000），获取水果（1000）的高度信息，进而控制喷气式激励装置（300）的步进电机（303）和升降平台（800），调节移动滑块（305）和激光多普勒测振仪（900）的高度位置，使移动滑块（305）上的气嘴（307）和激光多普勒测振仪（900）的检测探头与被顶升气缸（701）顶起的水果（1000）赤道面中心位于同一条直线上；同时，位于气嘴（307）同一水平线上的第一激光雷达测距仪（306）探测获取水果横径，根据水果的纵径、横径处理获得水果的果形指数，进而根据果形指数对水果的初步坚实度进行校正，获得校正后的水果坚实度；
所述的第二激光雷达测距仪（400）垂直安装，第一激光雷达测距仪（306）水平安装。
2.根据权利要求1所述的一种用于水果坚实度无损在线检测装置，其特征在于：所述的上料传输带（500）其中一端的传动轴（200）经皮带和传动步进电机（100）的输出轴相连。
3.根据权利要求1所述的一种用于水果坚实度无损在线检测装置，其特征在于：所述的移动滑块（305）侧表面中心开设螺纹孔，气嘴（307）经气动软管接头安装在螺纹孔中。
4.根据权利要求1所述的一种用于水果坚实度无损在线检测装置，其特征在于：所述顶升气缸（701）固定于铝型材支架上，并放置于检测工位的上料传输带（500）下方位置，压力传感器（702）安装于顶升气缸（701）的输出杆的顶部。
5.根据权利要求1所述的一种用于水果坚实度无损在线检测装置，其特征在于：还包括有PLC控制器，步进电机（303）、电磁阀（308）、第二激光雷达测距仪（400）、第一激光雷达测距仪（306）、升降平台（800）、顶升气缸（701）、阻挡气缸（1100）、激光多普勒测振仪（900）均与PLC控制器相连。
6.基于权利要求1所述水果坚实度无损在线检测装置的一种水果坚实度无损在线检测方法，其特征在于：方法包括：
①水果（1000）在上料传输带（500）上运输，通过流量调节阀（302）控制气泵（301）输出激励气体气压，然后对水果（1000）进行在线检测，通过各传感器采集获得原始数据，包括振动响应信号、水果的质量信号、垂直距离l 1 和水平距离l 2 ；
②由振动响应信号处理提取第二共振频率，结合质量信号采用以下公式处理获得检测水果的初步坚实度E：
E=f 2 2 m 2/3
其中，ƒ2为校正后的第二共振频率，m为水果的质量；
③根据垂直距离l 1 和水平距离l 2 采用以下公式计算水果的纵径h、横径d及其果形指数SI：
h= h 0 - l 1
d=( d 0 - l 2 )×2
SI= h / d
其中，h 0 表示第二激光雷达测距仪（400）探头端到正下方的上料传输带（500）上果杯（600）顶端之间的垂直距离，d 0 表示第一激光雷达测距仪（306）探头端到正侧方的上料传输带（500）上果杯（600）中心轴之间的水平距离；
④建立以下水果坚实度预测模型，输入果形指数SI对水果的初步坚实度E进行校正，获得校正后的水果坚实度：
y’=C 0 E+C 1 SI+C 2
其中，C 0、C 1和C 2为常数，E为检测水果的坚实度，SI为检测水果的果形指数，y’为校正后的水果坚实度。
7.根据权利要求6所述的一种水果坚实度无损在线检测方法，其特征在于：
利用垂直安装的第二激光雷达测距仪（400）和水平安装的第一激光雷达测距仪（306）的两测距仪获得各自测距仪分别到水果（1000）顶部、水果（1000）赤道面之间的距离，分别为垂直距离l 1 和水平距离l 2 。
8.根据权利要求6所述的一种水果坚实度无损在线检测方法，其特征在于：
所述的振动响应信号是通过激光多普勒测振仪（900）检测获得。
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