CN111220568A - 一种基于近红外光谱分析技术的苹果糖分测定装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于近红外光谱分析技术的苹果糖分测定装置及方法。该装置包括壳体、定位机构和光谱分析模块。定位机构包括水果固定托架、旋转电机、水平底座、垂直导向板和垂直底座。水平底座上设有直线导轨和直线滑块。水平底座上设有水平推杆。垂直导向板中间开设有通孔，水平底座与垂直底座之间设有垂直推杆。水平底座底部设有垂直导向杆。垂直导向板顶部设有直线轴承。垂直导向杆下端依次穿过直线轴承和垂直导向板后伸至垂直导向板与垂直底座之间。垂直导向板与垂直底座之间设有固定板。光谱分析模块包括卤素灯、光纤和光谱分析仪组件。本发明能够保证光纤头采集侧末端与被测水果的距离恒定，降低非苹果糖分因素对所采集近红外光谱成分的影响。
Description
技术领域
本发明涉及水果品质检测技术领域，具体涉及一种基于近红外光谱分析技术的苹果糖分测定装置及方法。
背景技术
水果糖度含量不仅是评价水果食用品质的一个重要指标，同时也是检验水果成熟度的重要指标。在农业研究和农业生产以及水果贮藏过程中，水果糖度是确定采摘、运输、储藏的重要依据之一。在同一种水果不同的成熟阶段，其成熟度不同，其糖度值也是不一样的。通过水果糖度无损检测，不仅可以为蔬果种植者提供便利，确定最佳的采摘时间，保证水果的食用品质，为消费者提供最好的水果产品，还可以通过水果的糖度变化情况来调整土壤的灌溉和施肥，此外，还能够通过水果糖度无损检测来对区分水果的等级。
目前，通常联合应用近红外反射率和投射光谱特征来进行苹果内在糖分的无损检测。近红外光谱技术是一种快速、无损、绿色的现代分析技术。采用光谱仪器对大量样本进行光谱数据采集，利用采集的数据进行近红外光谱建模，从而实现含糖量的无损在线检测，其中精确的光谱模型会对检测精度产生重要影响。在实际应用中，利用集成光谱分析模型的光谱分析模块则可以很好完成苹果等水果内在糖分的无损检测。目前，近红外光谱技术对苹果等水果的糖分快速无损检测已有一些报道，如中国专利CN 101308086A公开了一种基于近红外光谱技术的水果内部品质在线检测方法及装置，中国专利CN105044021A公开了一种中秋酥脆枣糖度无损检测方法，中国专利CN105092518B公开了一种脐橙糖度快速无损检测方法。
然而，在实际应用中发现，光学测量中探测头与被测物体的距离会直接影响光谱反射率，导致用于光谱分析的光谱数据产生差异，从而影响苹果内在糖分的检测结果，形成人为因素导致测量误差，从而对所建立模型的精确程度产生影响。特别是对于苹果而言，苹果的形状不同于橙子、西瓜等相对规则球体结构，其为上宽、下窄且多存在一侧外鼓、另一侧凹平的不规则结构。即便在光源固定、探测光谱仪固定条件下，由于苹果上部与下部的直径不同、外鼓一侧与凹平一侧的半径不同，探测头与被测物体的距离也会发生变化，导致采集的光谱数据准确度发生直接影响，进而影响检测数据的准确性。
因此，如何设计出一种能够针对苹果不规则外形的特点来提高光谱测定数据准确性，保证糖分准确度的检测装置已经成为急需解决的技术问题。
发明内容
为解决苹果不规则外形导致的难以获得准确光谱检测数据，进而影响苹果糖分检测结果的缺陷，本发明提供了一种基于近红外光谱分析技术的苹果糖分测定装置及方法，该测定装置及方法能够解决现有技术中存在的不足，保证探测头与被测物体之间距离的稳定性，提高水果苹果糖分检测数据的准确性。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
本发明涉及一种用于小型水果品质检测的自动化精准定位测量装置，包括壳体和设置在壳体中的定位机构与光谱分析模块。
具体地说，所述定位机构包括自上向下依次设置的水果固定托架、旋转电机、水平底座、垂直导向板和垂直底座；所述水平底座上方安装有直线导轨和与直线导轨滑动配合的直线滑块；所述旋转电机通过电机底座安装在直线滑块上；所述水平底座上还设有水平推杆，水平推杆的一端安装在水平底座上，另一端与电机底座相连；所述垂直导向板的中间开设有通孔，所述水平底座与垂直底座之间设有垂直推杆，垂直推杆的上端与水平底座相连，下端穿过通孔后与垂直底座相连；所述水平底座的底部设有垂直导向杆；所述垂直导向板的顶部设有直线轴承；所述垂直导向杆的下端依次穿过直线轴承和垂直导向板后伸至垂直导向板与垂直底座之间；所述垂直导向板与垂直底座之间连接有固定板。
所述定位机构还包括激光测距传感器。所述光谱分析模块包括光谱分析仪组件、卤素灯和光纤；所述光纤的一端作为光输入端，与激光测距传感器分别设置在定位机构的相对两侧，另一端作为光输出端，与光谱分析仪组件的输入端相连。
进一步的，所述激光测距传感器发射出的激光与光纤的光输入端的中心线位于同一水平线上，且该水平线与水平推杆的运动方向相平行。
进一步的，所述壳体包括底座、安装在底座上方的下外壳以及设置在下外壳上方的上外壳；所述上外壳的顶部可拆卸安装有拉门，拉门上设有拉手一；所述上外壳的外侧壁上设有拉手二。
进一步的，所述卤素灯的数量为至少一个。所述卤素灯安装在灯座上，所述灯座安装在壳体的内侧壁上。
进一步的，所述光谱分析仪组件和垂直底座均安装在底座上方。
进一步的，该装置还包括控制器，控制器安装在底座上方；所述控制器分别与水平推杆、垂直推杆、激光测距传感器和旋转电机电气连接。
进一步的，所述垂直导向杆的下端设有限位块。
进一步的，所述下壳体的外侧壁上设有若干按钮和指示灯。
本发明还涉及一种基于近红外光谱分析技术的苹果糖分测定装置的控制方法，该方法包括以下步骤：
(1)装置上电，对装置进行手动标定，将待测苹果放入水果固定托架中。
(2)在待测苹果表面选取2n个检测点，并将其中的一个检测点设为基准点；所述检测点，用于作为激光测距传感器光斑点，还用于作为光纤的光输入端的光谱采集点。
(3)通过转动旋转电机和升降垂直推杆将待测苹果上的激光测距传感器光斑点调整到合适位置，启动检测；设待测苹果当前已检测的检测点数量为p，p的初始值为0，p的取值范围为[0,2n]，且p为整数。在检测过程中，将2n个检测点两两组合分成n组进行检测，每一组中的两个检测点在同一水平面上的投影位于同一直线上，且该直线穿过待测苹果的中心轴线；在对每一组检测点进行检测时，先对与激光测距传感器正对的检测点进行检测，再对与其相对设置的另一个检测点进行检测，设置m，用于判断每一组中的两个检测点是否均已完成检测，m的初始值为1，m的取值为1或2。
(4)激光测距传感器工作，获取激光测距传感器与当前检测点之间的距离dp，并将dp与设定的阈值d0进行比较，若dp等于d0，则执行步骤(5)；若dp不等于d0，则通过水平推杆驱动待测苹果沿直线导轨的长度方向做直线移动，直到dp等于d0后，再执行步骤(5)。
(5)旋转电机驱动待测苹果旋转180度，此时当前检测点转到光纤的光输入端正对的位置，光输入端采集此时的待测苹果的光谱，并通过光纤传输给光谱分析仪组件进行分析，光谱分析仪组件分析完成后将发送检测完成信号给控制器；控制器对m的数值进行判断，若m＝1，则执行步骤(6)；若m＝2，则执行步骤(7)。
(6)系统计数m＝m+1，执行步骤(4)。
(7)旋转电机驱动待测苹果沿逆时针方向旋转360°/2n，m置1，控制器对当前的p的取值进行判断，若p≠2n，执行步骤(4)；若p＝2n，则检测结束，p置0。
进一步的，所述光谱采集点的确定包括以下步骤：
(21)将旋转电机未上电时的激光测距传感器正对的待测苹果表面作为待测苹果轴向的初始位置。
(22)垂直推杆工作，驱动放置在水果固定托架中的待测苹果上下移动，在待测苹果上下移动过程中，激光测距传感器每隔时间T，获取一次其与待测苹果之间的距离L，并将满足以下条件的L所对应的待测苹果上的测量点i作为待测苹果当前周向位置处的检测点：在全部的测量点中任意取2x+1个连续的测量点，以测量点i为中心的2x+1个测量点的梯度差最小，且测量点i在该2x+1个测量点中的L值最小。
(23)设旋转电机在光谱采集点的确定过程中的工作次数为f，f的初始值为0，f的取值范围为[0,2n]中的整数。
(24)旋转电机上电，驱动放置在水果固定托架中的待测苹果沿逆时针方向旋转360°/2n，旋转电机停止工作；令f＝f+1。
(25)垂直推杆工作，驱动放置在水果固定托架中的待测苹果上下移动，在待测苹果上下移动过程中，激光测距传感器每隔时间T，获取一次其与待测苹果之间的距离L，并将满足以下条件的L所对应的待测苹果上的测量点i作为待测苹果当前周向位置处的检测点：在全部的测量点中任意取2x+1个连续的测量点，以测量点i为中心的2x+1个测量点的梯度差最小，且测量点i在该2x+1个测量点中的L值最小。
(26)控制器判断f是否等于2n，若是，则2n个检测点的选取工作结束；若否，则返回执行步骤(24)。
进一步的，x的取值为4，即在全部的测量点中任意取9个连续的测量点，中心的测量点为i，在测量点i上下各取4个连续的测量点；此时，将同时满足以下条件的L所对应的待测苹果上的测量点作为待测苹果当前周向位置处的检测点：
a.测量点i的L值，在这9个连续的测量点的L值中最小。
其中，Li表示测量点i与激光测距传感器之间的距离，Li-1表示测量点i上方的第一个测量点i-1与激光测距传感器之间的距离，Li-2表示测量点i上方的第二个测量点i-2与激光测距传感器之间的距离，Li-3表示测量点i上方上方的第三个测量点i-3与激光测距传感器之间的距离，Li-4表示测量点i上方的第四个测量点i-4与激光测距传感器之间的距离，Li+1表示测量点i下方的第一个测量点i+1与激光测距传感器之间的距离，Li+2表示测量点i下方的第二个测量点i+2与激光测距传感器之间的距离，Li+3表示测量点i下方的第三个测量点i+3与激光测距传感器之间的距离，Li+4表示测量点i下方的第四个测量点i+4与激光测距传感器之间的距离，ε为设置的反应被测物体最大圆周处变化率的阈值。
和现有技术相比，本发明的优点为：
(1)本发明在对苹果糖分进行测定过程中，无需将水果切开破坏，利用苹果糖分对不同光谱吸收效果的不同，间接分析苹果糖分。
(2)本发明在对苹果糖分进行测定过程中，通过定位机构保证水果的检测点始终保持在恒定位置，这样能够使水果的各个检测点的照明条件和反射距离都处于一致条件，有利于检测结果的稳定和可靠。
(3)本发明通过用于放置待测苹果的水果固定托架，并在水果固定托架底部设置用于驱动水果固定托架旋转的旋转电机，能够实现水果圆周各个检测点的自动切换，无需人工操作，提高了检测效率和检测准确率。
附图说明
图1是本发明中测定装置的结构示意图；
图2是拆除上外壳后的本发明中测定装置的结构示意图；
图3是本发明测定装置中的定位机构的结构示意图；
图4是本发明中控制方法的方法流程图；
图5是本发明控制方法中的水果检测点的圆周检测顺序示意图；
图6是本发明控制方法中的光谱检测点的确定过程示意图。
其中：
101、底座，102、下外壳，103、上外壳，104、拉门，105、拉手一，106、拉手二，107、按钮，108、指示灯，201、光谱分析仪组件，202、激光测距传感器，203、光纤，204、光纤固定管，205、卤素灯，206、灯座，301、水果固定托架，302、旋转电机，303、电机底座，304、水平推杆，305、直线滑块，306、直线导轨，307、水平底座，308、垂直导向杆，309、直线轴承，310、限位块，311、垂直导向板，312、通孔，313、垂直推杆，314、固定板，315、垂直底座，400、控制器，500、待测苹果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1-图3所示的本发明涉及一种用于小型水果品质检测的自动化精准定位测量装置，包括壳体和设置在壳体中的定位机构与光谱分析模块。
如图2所示，所述光谱分析模块包括光谱分析仪组件201、卤素灯205、激光测距传感器202和光纤203。所述光纤203的一端作为光输入端，与激光测距传感器202分别设置在定位机构的相对两侧，另一端作为光输出端，与光谱分析仪组件201的输入端相连。光谱分析模块为现有传统模块，其先对苹果进行近红外光谱采集，并通过光纤203将采集的近红外光谱数据输入至光谱分析仪组件201，再构建苹果的光谱模型，利用光谱模型检测出苹果的内在糖分。光谱分析模块设置在壳体内外均可以，为了使用方便，可以利用传统电路集成技术，集成在壳体内。
所述激光测距传感器202发射出的激光与光纤203的光输入端的中心线位于同一水平线上，且该水平线与水平推杆304的运动方向相平行，即该水平线与直线导轨的长度方向平行。当待测苹果500放置在水果固定托架301上后，该水平线穿过待测苹果500的中心轴线。通过使激光测距传感器发射出的激光与光纤的光输入端的中心线在同一水平线上，即同轴、共轴线，这样能够保证激光测距传感器每次的测距点，就是光纤的光输入端下一个即将采集的苹果的待检测点。无论在何种情况下，每次激光测距传感器检测到的点，在将苹果旋转180度后，该点正好是光纤的光输入端接收的光的中心，这样能够确保光纤能够准确获取各个检测点的光谱数据，确保检测结果的准确性。
所述卤素灯205的数量为至少1个。在本实施例中，卤素灯205的数量设置成了两个，两个卤素灯对称设置在水果待测区域的两侧；所述卤素灯205安装在灯座206上，所述灯座206安装在壳体的内侧壁上。所述卤素灯205为光源。两个卤素灯从水果的两侧提供光照，确保光纤203获取的水果的光谱的准确性。两个卤素灯205照射出的光线的相交点的中心线，和水果固定托架301的竖直方向上的中心线重合。所述激光测距传感器202，用于测定其与水果500靠近其一侧之间的距离。所述光纤203，用于采集水果的光谱，并将采集的光谱传递给光谱分析仪组件201。所述光谱分析仪组件201，用于对接收到的水果的光谱进行分析，判定出水果的品质。
如图1和图2所示，所述壳体包括底座101、安装在底座101上方的下外壳102以及设置在下外壳102上方的上外壳103；所述上外壳103的顶部可拆卸安装有拉门104，拉门104上设有拉手一105；所述上外壳103的外侧壁上设有拉手二106。所述光谱分析仪组件201和垂直底座315均安装在底座101上方。所述下壳体102的外侧壁上设有若干按钮107和指示灯108。所述壳体，用于固定安装、保护定位机构和检测机构。所述拉门104可以打开，便于取放水果固定托架301上的水果500。所述拉手一105，便于将拉门104打开。所述拉手二106，便于搬运整个装置。所述按钮107，用于控制水平推杆304、垂直推杆313、旋转电机302等部件的启停。所述指示灯108，用于显示装置的运行状态。
如图3所示，所述定位机构包括自上向下依次设置的水果固定托架301、旋转电机302、水平底座307、垂直导向板311和垂直底座315。所述水平底座307上方安装有直线导轨306和与直线导轨306滑动配合的直线滑块305。所述旋转电机302通过电机底座303安装在直线滑块305上。所述水平底座307上还设有水平推杆304，水平推杆304的一端安装在水平底座307上，另一端与电机底座303相连。所述垂直导向板311的中间开设有通孔312，所述水平底座307与垂直底座315之间设有垂直推杆313，垂直推杆313的上端与水平底座307相连，下端穿过通孔312后与垂直底座315相连。所述水平底座307的底部设有垂直导向杆308；所述垂直导向板311的顶部设有直线轴承309；所述垂直导向杆308的下端依次穿过直线轴承309和垂直导向板311后伸至垂直导向板311与垂直底座315之间；所述垂直导向板311与垂直底座315之间连接有固定板314。所述垂直导向杆308的下端设有限位块310。
所述水果固定托架301，用于放置水果500。在本实施例中，水果固定托架301设置成上端开口的凹槽。在对水果进行品质检测时，将水果放置在该凹槽状的水果固定托架301中，水果固定托架一方面能够确保水果500稳定在放置在其中，另一方面还能使水果的大部分裸露在外侧，便于激光测距传感器和光纤采集数据。所述旋转电机302，用于带动水果固定托架301及位于水果固定托架301中的水果500在360度范围内进行转动。所述电机底座303，用于固定旋转电机302。所述水平推杆304，其固定端通过铰链连接到水平底座307上，活动端通过铰链连接到电机底座303上。水平推杆304采用现有技术中的推杆，其长度可通过伸缩进行调节。水平推杆水平布置，其长度方向与直线导轨的长度方向以及激光测距传感器发射出的激光的中心线与光纤的光输入端的连线是相互平行的。水平推杆304可以带动电机底座303、电机底座上方的旋转电机302、旋转电机302上方的水果固定托架301以及水果固定托架301中的水果500一起移动。所述直线导轨306和直线滑块305，用于使旋转电机302、旋转电机302上方的水果固定托架301以及水果固定托架301中的水果500沿直线导轨的长度方向直线移动，从而改变水果500与激光测距传感器202、水果500与光纤203的光输入端之间的距离。所述垂直推杆313，采用现有技术中的推杆，其长度可通过伸缩进行调节。垂直推杆313沿竖直方向布置，其长度方向与水平推杆304的长度方向相垂直。竖直推杆313，用于带动水平底座307以及位于水平底座307上方的水果固定托架301和水果500沿竖直方向移动。所述垂直导向杆308和直线轴承309，起到导向作用，用于使水果固定托架301在竖直推杆313的推动下，能够在竖直方向上进行直线移动。所述限位块310，对水果固定托架301在竖直方向上的行程起到限定作用。所述固定板314，起到连接垂直导向板311和垂直底座315的作用，同时还起到支撑固定的作用。
该装置还包括控制器400，控制器400安装在底座101上方。所述控制器400的输出端分别与水平推杆304、垂直推杆313、旋转电机302的控制端相连。所述控制器400，用于控制水平推杆304和垂直推杆313的伸缩，同时控制旋转电机302的旋转。所述水平推杆304和垂直推杆313，可以为传统的电路推杆，即实现自由度的直线运动形式的对象，通过传统的步进电机或伺服电机驱动。
本发明还涉及一种基于近红外光谱分析技术的苹果糖分测定装置的控制方法，该方法包括以下步骤：
(1)装置上电，对装置进行手动标定，将待测苹果放入水果固定托架中。手动标定是用标准白板进行反射率的标定。
(2)在待测苹果表面选取2n个检测点，并将其中的一个检测点设为基准点；所述检测点，用于作为激光测距传感器光斑点，还用于作为光纤的光输入端的光谱采集点。
(3)通过转动旋转电机和升降垂直推杆将待测苹果上的激光测距传感器光斑点调整到合适位置，启动检测。
在开始检测时，先通过旋转电机和垂直推杆运动来调整基准点的位置，使激光测距传感器在待测苹果上的光斑点与当前检测点(即基准点)重合。再进行下一个检测点的光谱数据获取时，再通过旋转电机和垂直推杆运动，使激光测距传感器在待测苹果上的光斑点与下一个检测点重合，其余检测点以此类推。
设待测苹果当前已检测的检测点数量为p，p的初始值为0，p的取值范围为[0,2n]，且p为整数。在检测过程中，将2n个检测点两两组合分成n组进行检测，每一组中的两个检测点在同一水平面上的投影位于同一直线上，且该直线穿过待测苹果的中心轴线；在对每一组检测点进行检测时，先对与激光测距传感器正对的检测点进行检测，再对与其相对设置的另一个检测点进行检测。设置m，用于判断每一组中的两个检测点是否均已完成检测，m的初始值为1，m的取值为1或2。当m等于1时，表示正在或已经完成对一组检测点中的一个检测点的近红外光谱数据的采集；当m等于2时，表示一组检测点中的两个检测点的近红外光谱数据采集工作均已完成。
(4)激光测距传感器工作，获取激光测距传感器与当前检测点之间的距离dp，并将dp与设定的阈值d0进行比较，若dp等于d0，则执行步骤(5)；若dp不等于d0，则通过水平推杆驱动待测苹果沿直线导轨的长度方向做直线移动，直到dp等于d0后，再执行步骤(5)。在水平推杆的驱动下，待测苹果可以在水平方向上移动，通过设定阈值d0，在检测过程中，将每个检测点都移动到相同的位置，这样能够使水果的各个检测点的照明条件和反射距离都处于一致条件，有利于检测结果的稳定和可靠。
(5)旋转电机驱动待测苹果旋转180度，此时当前检测点转到光纤的光输入端正对的位置，光输入端采集此时的待测苹果的光谱，并通过光纤传输给光谱分析仪组件进行分析，光谱分析仪组件分析完成后将发送检测完成信号给控制器；控制器对m的数值进行判断，若m＝1，则执行步骤(6)；若m＝2，则执行步骤(7)。
(6)系统计数m＝m+1，执行步骤(4)。
(7)旋转电机驱动待测苹果沿逆时针方向旋转360°/2n，m置1，控制器对当前的p的取值进行判断，若p≠2n，执行步骤(4)；若p＝2n，则检测结束，p置0。
(8)光纤将测得的光谱分析数据输入光谱分析仪组件，光谱分析仪组件得出苹果的糖分检测结果。所述光谱分析仪组件，用于先利用现有技术建立苹果糖度和光谱关系模型，再采用光谱仪获取待测苹果的光谱值，根据苹果糖度和光谱关系模型，得到待测苹果的糖分检测值。
进一步的，所述光谱采集点的确定包括以下步骤：
(21)将旋转电机未上电时的激光测距传感器正对的待测苹果表面作为待测苹果轴向的初始位置。
(22)垂直推杆工作，驱动放置在水果固定托架中的待测苹果上下移动，在待测苹果上下移动过程中，激光测距传感器每隔时间T，获取一次其与待测苹果之间的距离L，并将满足以下条件的L所对应的待测苹果上的测量点i作为待测苹果当前周向位置处的检测点：在全部的测量点中任意取2x+1个连续的测量点，以测量点i为中心的2x+1个测量点的梯度差最小，且测量点i在该2x+1个测量点中的L值最小。
(23)设旋转电机在光谱采集点的确定过程中的工作次数为f，f的初始值为0，f的取值范围为[0,2n]中的整数。
(24)旋转电机上电，驱动放置在水果固定托架中的待测苹果沿逆时针方向旋转360°/2n，旋转电机停止工作；令f＝f+1。
(25)垂直推杆工作，驱动放置在水果固定托架中的待测苹果上下移动，在待测苹果上下移动过程中，激光测距传感器每隔时间T，获取一次其与待测苹果之间的距离L，并将满足以下条件的L所对应的待测苹果上的测量点i作为待测苹果当前周向位置处的检测点：在全部的测量点中任意取2x+1个连续的测量点，以测量点i为中心的2x+1个测量点的梯度差最小，且测量点i在该2x+1个测量点中的L值最小。所述梯度差最小，即将测量点i及测量点i上方连续的x个测量点，先求出相邻的两个测量点的L值的增量，再取各增量的平均值，同时将测量点i及测量点i下方连续的x个测量点，先求出相邻的两个测量点的L值的增量，再取各增量的平均值，使求出的两个增量的平均值都小于设定的反应被测物体最大圆周处变化率的阈值。
(26)控制器判断f是否等于2n，若是，则2n个检测点的选取工作结束；若否，则返回执行步骤(24)。
若待测苹果的形状较规则，所述光谱采集点的确定的步骤还可以简化为：
首先，将旋转电机未上电时的激光测距传感器正对的待测苹果表面作为待测苹果轴向的初始位置。
然后，确定基准点。垂直推杆工作，驱动放置在水果固定托架中的待测苹果上下移动，在待测苹果上下移动过程中，激光测距传感器每隔时间T，获取一次其与待测苹果之间的距离D，并将满足以下条件的D所对应的待测苹果上的测量点j作为待测苹果当前周向位置处的检测点：在全部的测量点中任意取2y+1个连续的测量点，以测量点j为中心的2y+1个测量点的梯度差最小，且测量点j在该2y+1个测量点中的D值最小。
最后，在基准点所在的苹果外圆周上，以基准点为起点，每隔360°/2n，设置一个检测点，从而在苹果外圆周上一共设置2n个检测点，2n个检测点位于苹果的同一外圆周上，且位于同一水平高度。
如图6所示，以x＝4为例说明光谱检测点的确定过程，在全部测量点中选取9个连续的测量点，位于9个测量点中间的第5个测量点为测量点i，当测量点i为检测点时，需同时满足以下三个条件：
(1)第5个测量点的L值，在这9个测量点中最小。
其中，Li表示测量点i与激光测距传感器之间的距离，Li-1表示测量点i上方的第一个测量点i-1与激光测距传感器之间的距离，Li-2表示测量点i上方的第二个测量点i-2与激光测距传感器之间的距离，Li-3表示测量点i上方上方的第三个测量点i-3与激光测距传感器之间的距离，Li-4表示测量点i上方的第四个测量点i-4与激光测距传感器之间的距离，Li+1表示测量点i下方的第一个测量点i+1与激光测距传感器之间的距离，Li+2表示测量点i下方的第二个测量点i+2与激光测距传感器之间的距离，Li+3表示测量点i下方的第三个测量点i+3与激光测距传感器之间的距离，Li+4表示测量点i下方的第四个测量点i+4与激光测距传感器之间的距离，ε为设置的反应被测物体最大圆周处变化率的阈值。采用条件(2)中的公式求得测量点i及其上方四个测量点之间的增量的平均值，并使该平均值小于ε；采用条件(3)中的公式求得测量点i及其下方四个测量点之间的增量的平均值，并使该平均值小于ε。在上述连续的测量点中，相邻的测量点在竖直方向上的间距都是一样的。条件(2)和条件(3)能够反应苹果外周在竖直方向上的变化趋势，比单独满足条件(1)找到的检测点更加稳定。
激光测距传感器的采样率为30次/秒，即T＝30秒，垂直推杆移动0.8mm/次，即每秒移动2.4cm，因此，待测苹果(10cm以内垂直高度)的垂直定位时间平均约2-3秒，上述光谱检测点确定只需要很短的时间就可以完成。
本发明所述的测定装置及方法，尤其适用于苹果等不规则形状的小型水果的成分的测定。因为像苹果这种外形不规则的苹果，每个检测点与苹果竖直方向上的中心轴线之间的距离是不一定的，检测点的选取也是不同于橙子等形状规则的水果。本发明能够确保每个检测点与光纤头采集侧末端的距离恒定，降低了非苹果糖分因素对所采集近红外光谱成分的影响。
在2n个检测点的选取过程中，通过定位机构带动待测苹果在竖直方向上的移动，使选取的每个检测点距离苹果的中心轴线距离都是相同的。这样2n个检测点可能并不位于同一高度，但2n个检测点投影到同一水平面上时，是位于同一圆周上的。这样设计能够消除水果形状不规则对检测结果的影响，确保光纤的光输入端采集的每一个检测点的光谱是在同一环境条件下实现的，大大提高了检测结果的准确性。
在测定过程中，选取2n个检测点，将2n个检测点两两组合分成n组进行检测，每一组中的两个检测点位于同一水平线上，且该水平线穿过待测苹果的中心轴线。在对每一组检测点进行检测时，先对与激光测距传感器正对的检测点进行检测，再对与其相对设置的另一个检测点进行检测，当这一组的两个检测点都检测完毕后，再通过旋转电机旋转360°/2n，进行下一组检测点的检测。这样设计的好处是，能够在对每个检测点进行检测时，先通过激光测距传感器测量其与检测点之间的距离，并通过定位机构将该距离调整到设定的阈值，这样检测点与待测苹果中心轴线之间的距离就稳定住了，旋转180度后，检测点与待测苹果中心轴线之间的距离还是设定的阈值，再通过光纤采集此时的光谱即可，从而保证了光纤头采集侧末端与被测水果的距离恒定，降低了非苹果糖分因素对所采集近红外光谱成分的影响。由于每一组中的两个检测点位于同一穿过待测苹果中心轴线的水平线上，先对每一组进行检测，这样定位机构调整起来能够更加方便快捷，能够有效提高检测效率。
在图5中，设n等于6。12个检测点中，1和2为一组，3和4为一组，5和6一组，7和8一组，9和10一组，11和12一组。从图5中可以看出，全部的检测点投影在同一水平面上时，是位于同一圆周上的，而且每一组的两个检测点投影到同一水平面上时，是该圆周的直径的两端。在检测过程中，通过定位机构中的垂直推杆，将标号为1的检测点在竖直方向上调整到正对激光测距传感器的位置，先对检测点1进行激光测距，利用水平推杆将检测点1与激光测距传感器之间的距离调整到合适的距离，然后再将待测苹果旋转180度，使检测点1正对光纤的光输入端，光纤的光输入端采集检测点1的光谱；此时，检测点2位于激光测距传感器侧，通过垂直推杆将检测点2在竖直方向上调整到正对激光测距传感器的位置，对检测点2进行激光测距，采用水平推杆将检测点2与激光测距传感器之间的距离调整到合适的距离，然后再将待测苹果旋转180度，使检测点2正对光纤的光输入端，光纤的光输入端采集检测点2的光谱，至此，完成检测点1与2的光谱采集，将采集到的光谱输入到光谱分析仪组件，光谱分析仪组件根据光谱的不同，对待测苹果的成分进行分析。其余组合的检测点，按照上述步骤依次进行测定。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于近红外光谱分析技术的苹果糖分测定装置，其特征在于：包括壳体和设置在壳体中的定位机构与光谱分析模块；
所述定位机构包括自上向下依次设置的水果固定托架、旋转电机、水平底座、垂直导向板和垂直底座；所述水平底座上方安装有直线导轨和与直线导轨滑动配合的直线滑块；所述旋转电机通过电机底座安装在直线滑块上；所述水平底座上还设有水平推杆，水平推杆的一端安装在水平底座上，另一端与电机底座相连；所述垂直导向板的中间开设有通孔，所述水平底座与垂直底座之间设有垂直推杆，垂直推杆的上端与水平底座相连，下端穿过通孔后与垂直底座相连；所述水平底座的底部设有垂直导向杆；所述垂直导向板的顶部设有直线轴承；所述垂直导向杆的下端依次穿过直线轴承和垂直导向板后伸至垂直导向板与垂直底座之间；所述垂直导向板与垂直底座之间连接有固定板；
所述定位机构还包括激光测距传感器；所述光谱分析模块包括卤素灯、光纤和光谱分析仪组件；所述光纤的一端作为光输入端，与激光测距传感器分别设置在定位机构的相对两侧，另一端作为光输出端，与光谱分析仪组件的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于近红外光谱分析技术的苹果糖分测定装置，其特征在于：所述激光测距传感器发射出的激光与光纤的光输入端的中心线位于同一水平线上，且该水平线与水平推杆的运动方向相平行。
3.根据权利要求1所述的一种基于近红外光谱分析技术的苹果糖分测定装置，其特征在于：所述壳体包括底座、安装在底座上方的下外壳以及设置在下外壳上方的上外壳；所述上外壳的顶部可拆卸安装有拉门，拉门上设有拉手一；所述上外壳的外侧壁上设有拉手二。
4.根据权利要求1所述的一种基于近红外光谱分析技术的苹果糖分测定装置，其特征在于：所述卤素灯的数量为至少1个；所述卤素灯安装在灯座上，所述灯座安装在壳体的内侧壁上。
5.根据权利要求3所述的一种基于近红外光谱分析技术的苹果糖分测定装置，其特征在于：所述光谱分析仪组件和垂直底座均安装在底座上方。
6.根据权利要求3所述的一种基于近红外光谱分析技术的苹果糖分测定装置，其特征在于：还包括控制器，控制器安装在底座上方；所述控制器分别与水平推杆、垂直推杆、旋转电机、激光测距传感器电气连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于近红外光谱分析技术的苹果糖分测定装置，其特征在于：所述垂直导向杆的下端设有限位块。
8.根据权利要求1～7任意一项所述的一种基于近红外光谱分析技术的苹果糖分测定装置的控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)装置上电，对装置进行手动标定，将待测苹果放入水果固定托架中；
(2)光谱采集点的确定：在待测苹果表面选取2n个检测点，并将其中的一个检测点设为基准点；所述检测点，用于作为激光测距传感器光斑点，还用于作为光纤的光输入端的光谱采集点；
(3)通过转动旋转电机和升降垂直推杆将待测苹果上的激光测距传感器光斑点调整到合适位置，启动检测；设待测苹果当前已检测的检测点数量为p，p的初始值为0，p的取值范围为[0,2n]，且p为整数；在检测过程中，将2n个检测点两两组合分成n组进行检测，每一组中的两个检测点在同一水平面上的投影位于同一直线上，且该直线穿过待测苹果的中心轴线；在对每一组检测点进行检测时，先对与激光测距传感器正对的检测点进行检测，再对与其相对设置的另一个检测点进行检测，设置m，用于判断每一组中的两个检测点是否均已完成检测，m的初始值为1，m的取值为1或2；
(4)激光测距传感器工作，获取激光测距传感器与当前检测点之间的距离dp，并将dp与设定的阈值d0进行比较，若dp等于d0，则执行步骤(5)；若dp不等于d0，则通过水平推杆驱动待测苹果沿直线导轨的长度方向做直线移动，直到dp等于d0后，再执行步骤(5)；
(5)旋转电机驱动待测苹果旋转180度，此时当前检测点转到光纤的光输入端正对的位置，光输入端采集此时的待测苹果的光谱，并通过光纤传输给光谱分析仪组件进行分析，光谱分析仪组件分析完成后将发送检测完成信号给控制器；控制器对m的数值进行判断，若m＝1，则执行步骤(6)；若m＝2，则执行步骤(7)；
(6)系统计数m＝m+1，执行步骤(4)；
(7)旋转电机驱动待测苹果沿逆时针方向旋转360°/2n，m置1，控制器对当前的p的取值进行判断，若p≠2n，执行步骤(4)；若p＝2n，则检测结束，p置0；
(8)光纤将测得的光谱分析数据输入光谱分析仪组件，光谱分析仪组件得出苹果的糖分检测结果。
9.根据权利要求8所述的一种基于近红外光谱分析技术的苹果糖分测定装置的控制方法，其特征在于：所述光谱采集点的确定包括以下步骤：
(21)将旋转电机未上电时的激光测距传感器正对的待测苹果表面作为待测苹果轴向的初始位置；
(22)垂直推杆工作，驱动放置在水果固定托架中的待测苹果上下移动，在待测苹果上下移动过程中，激光测距传感器每隔时间T，获取一次其与待测苹果之间的距离L，并将满足以下条件的L所对应的待测苹果上的测量点i作为待测苹果当前周向位置处的检测点：在全部的测量点中任意取2x+1个连续的测量点，以测量点i为中心的2x+1个测量点的梯度差最小，且测量点i在该2x+1个测量点中的L值最小；
(23)设旋转电机在光谱采集点的确定过程中的工作次数为f，f的初始值为0，f的取值范围为[0,2n]中的整数；
(24)旋转电机上电，驱动放置在水果固定托架中的待测苹果沿逆时针方向旋转360°/2n，旋转电机停止工作；令f＝f+1；
(25)垂直推杆工作，驱动放置在水果固定托架中的待测苹果上下移动，在待测苹果上下移动过程中，激光测距传感器每隔时间T，获取一次其与待测苹果之间的距离L，并将满足以下条件的L所对应的待测苹果上的测量点i作为待测苹果当前周向位置处的检测点：在全部的测量点中任意取2x+1个连续的测量点，以测量点i为中心的2x+1个测量点的梯度差最小，且测量点i在该2x+1个测量点中的L值最小；
(26)控制器判断f是否等于2n，若是，则2n个检测点的选取工作结束；若否，则返回执行步骤(24)。
10.根据权利要求9所述的一种基于近红外光谱分析技术的苹果糖分测定装置的控制方法，其特征在于：
x的取值为4，即在全部的测量点中任意取9个连续的测量点，中心的测量点为i，在测量点i上下各取4个连续的测量点；此时，将同时满足以下条件的L所对应的待测苹果上的测量点作为待测苹果当前周向位置处的检测点：
a.测量点i的L值，在这9个连续的测量点的L值中最小；
其中，Li表示测量点i与激光测距传感器之间的距离，Li-1表示测量点i上方的第一个测量点i-1与激光测距传感器之间的距离，Li-2表示测量点i上方的第二个测量点i-2与激光测距传感器之间的距离，Li-3表示测量点i上方上方的第三个测量点i-3与激光测距传感器之间的距离，Li-4表示测量点i上方的第四个测量点i-4与激光测距传感器之间的距离，Li+1表示测量点i下方的第一个测量点i+1与激光测距传感器之间的距离，Li+2表示测量点i下方的第二个测量点i+2与激光测距传感器之间的距离，Li+3表示测量点i下方的第三个测量点i+3与激光测距传感器之间的距离，Li+4表示测量点i下方的第四个测量点i+4与激光测距传感器之间的距离，ε为设置的反应被测物体最大圆周处变化率的阈值。
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