CN1419650A - 水果的光谱评价 - Google Patents
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Abstract
一种用光谱方法评价水果的装置，它包括一个放置在近红外光源(11)附近的传感器头(10)。该传感器头通过光纤(30)与光谱分析仪连接。该靠近水果周边定位的传感器头基本上与从光源发出的光平行，因此，光纤只能探测内部反射或折射的、从水果发出的光。
Description
技术领域
本发明涉及水果的光谱评价，更具体地说，涉及用于以光谱方法来评价水果特性的一种光学结构。本发明还涉及一种在传送带上输送水果时，用光谱方法评价水果的组件。
背景技术
通常，用客观方法监测水果和蔬菜的食用质量是破坏性的和缓慢的(例如，挤出汁来测量含糖量)。因此需要能够快速和不侵入地评价进入新鲜市场渠道或用于处理的新鲜水果和蔬菜的内部质量的方法。近红外线光谱分析(NIRS)，核磁共振(NMR)和声学方法都可以提供不侵入地评价完整水果的内部成分。在上述中，在设备、应用、附件和化学测量软件包方面，相对于成本和工作速度，NIRS是最先进的方法。
近红外线光(NIR)是电磁辐射光谱的一小部分，它起始于高能波，例如X-射线，通过可见光谱，至低能波，例如微波和无线电波。NIR接近光的可见部分，并且是太阳光的一个自然部分。一般，NIR定义为人眼看不见的波长为700～2500纳米(nm)的辐射光。
特定的分子可以吸收特定的波长。这个特性在辨识和定量分析给定化合物时是有益的。紫外光和可见光的吸收是与电子在原子或分子内的轨道之间的转换相联系的。生物材料对红外线的吸收主要包括N-H，C-H和O-H键的旋转和拉伸。这些键与对水果质量评价要关注的成分相联系，这些成分包括：糖分，淀粉，蛋白质，类脂体和水。通常，有机化学家利用红外线吸收光谱去辨别有机分子。然而，紫外线、可见光和红外线辐射光对大块组织的穿透性差。本质上说，依赖这种波长的技术对溶液或表面研究是有用的。电磁光谱的近红外线区能较好地穿透大块的生物材料，并且这个区还承载对红外吸收光谱信息的“回音”。然而，在近红外线区发生的第二和第三泛音吸收带弱且宽，并因此，NIRS相对于其他方法是一个“缓慢的开始者”，只是现在才得到广泛的商业应用。
NIRS技术已在圆艺学应用中试验了20多年。然而，近年来纤维光学，阵列式检测器，个人计算机的计算能力和能够进行复杂的统计数学计算的软件的发展，使得在排成行的水果包装中的应用成为可能。
过去建议使用反射镜光谱分析，用一个检测器观察水果的照亮的区域；或是使用部分透射率光谱分析，将检测器安装成离开水果一个角度。检测器通常为一个阵列式光谱分析仪，可进行光谱分析，以确定水果的特性。
过去的建议使用钨卤素光源作为NIR的强发射器或使用发射NIR的二极管激光器，其波长相对于所关注的特征的指定波段来选择。例如，美国专利第5708271号使用NIR激光器，该激光器以不同于0°和180°的角度指向水果中心，并且通常与检测器和水果中心的线成40°～60°。
发明内容
本质上说，本发明具有使水果通过靠近一个近红外光源定位的传感器头的装置。该传感器头通过光纤与一个光谱分析仪连接，其特征在于，传感器头基本上平行于来自光源的光定位，光纤只能探测从内部反射或折射的、从水果发出的光。
附图说明
现在结合附图仅通过示例来说明本发明的实施例。其中：
图1为光学检测装置的一个实施例的简图；
图2为光学检测装置的另一实施例的简图；
图3为根据第三实施例的检测装置的横截面图；以及
图4为图3所示装置的平面图。
具体实施方式
图1和图2示出用于以光谱方法评价甜瓜特性的光学检测装置的二个简图。甜瓜放在形成传送带一部分的一个盘子上。检测装置10安装在一个支承结构上(没有示出)，以便当甜瓜通过光学装置时，该光学装置靠近甜瓜的周边。该光学装置具有一个放在抛物线反射镜12中心上的白炽光源11，即钨卤素光源。反射镜12的口13设置有一个带圆形开口的环形孔15，而反射镜12的几何形状设计成使光线作为平行光束离开反射镜12，有效地沿径向照射在水果上。圆柱体20形式、具有封闭端21和开口22的探针以圆柱体20的开口22距甜瓜四周大约20到30毫米的方式定位。
探针覆盖在一个适当的无光泽、黑色的不反光涂层内，并包括一个圆柱形腔23。在该腔内，在一端安装反射镜25，该反射镜与圆柱体20的轴线成45°延伸。圆柱体的壁设置有一个小孔26，其中容纳光纤电缆(没有示出)的纤维端30，该光纤电缆向后延伸至光谱分析仪(没有示出)。在探针的口22具有台阶式凹部32，它装着一块平玻璃窗35。该探针的作用是遮住从抛物线反射镜12出来的一些平行光束，从而在探针下面的水果表面上留下一个阴影。在阴影外面的光作为平行光束照射在水果上，然后随着其进入水果而被水果内部折射和反射。来自阴影区域的被反射和折射的光线可以在从内部反射镜25的表面反射并传播以被光纤电缆拾取之后被一个非常灵敏的传感器采集。
图2示出了一个类似的光学装置，除了平玻璃窗35被一个凸透镜43代替之外。凸透镜43的作用是使观察区的半径与从探针到水果表面的距离无关。在所有其他方面，这个装置与图1所示的装置相同。
由光学装置采集的信号可以通向光谱分析仪，该光谱分析仪进行确定水果各种参数，特别是水果的甜度必需的分析。
由这种改进带来的一个重要优点是通过将每个水果通过该光学装置，可以迅速地观察成批的所有水果。几年来，公知的是提供一种水果操纵设备，由此将各种形式的水果单独地定位在固定到链式传送带上的安放盘中。通过包含CCD照相机的摄影区时，水果可以转动。照相机能够记录水果的大小，颜色和水果上的瑕疵。这个信息被送至计算机中，计算机协调弹出装置，将水果从传送带上弹出，进入按尺寸、重量或颜色分类的储存箱中。当将这种设备与上述的光学检测装置一起使用时，可以理解到该光学检测装置可安装在一个包括某种形式的伺服电机控制的装置上，这样，可以根据水果的尺寸，改变探针相对于水果的位置。已经发现20mm是从该光学装置的透镜至水果周边的最佳距离。为了保证该光学装置处在这个最佳距离，计算机将记录水果的尺寸，并然后指令伺服电机，使探针运动，以保证总是大约20mm的间隙。
然而，应当理解，有其他的方法可以适应水果尺寸的变化，而不需要复杂的计算机控制的光学头的运动。
图2所示的类似的光学装置的优点是水果至传感器的距离不太关键。如果水果尺寸的变化不超过约40mm，则可将该传感器安装在固定位置上。
在图3和图4所示的第三个实施例中，白炽光源11和抛物线反射镜12被围绕检测装置50的圆柱体20右手侧上的一个圆弧定位的三个激光器51、52和53代替，如图4所示那样。每个激光器51、52和53分别发出波长为910纳米，860纳米和758纳米的激光束。然而，应该理解的是NIR波长可在700～2500纳米之间变化。
如图3所示，光学检测装置50包括带封闭端21和开口22的圆柱体20。如同在先前实施例中一样，圆柱体覆盖在黑色不反光的涂层内，且包括圆柱形的腔23。在该腔中，在一端处安装一反射镜25，该反射镜与圆柱体轴线大约成45°延伸。如同在第二实施例中一样，透镜54跨过圆柱体的开口端的定位。光纤电缆(未示出)的纤维端30通过一个拧入圆柱体侧面的适当的连接器58馈入该光学装置中。光纤电缆向后延伸至光谱分析仪(未示出)。
如图3所示，来自三个激光器51、52和53的激光束指向检测装置，以在探针下面的水果表面上投下阴影。一些激光束直接与水果接触。然而，虽然图中没有示出，但应当理解，可以设置如光学纤维的装置，以将从激光器发出的光的方向控制为与传感器平行指向水果的平行光束。与水果接触的光与第一个实施例相同的方式被水果内含物折射和反射，然后经由反射镜采集，并通过光纤电缆反射回光谱分析仪。反射镜25安装在枢轴螺钉66上，该螺钉可使反射镜作小角度的调整，以改变反射镜对圆柱体轴线的倾斜度。然后第二螺钉61将反射镜锁紧在选定位置上。凸透镜54协助收集从水果表面反射出来的信号，并将该信号送至反射镜25上所希望的位置。
该实施例的优点是传感器可以离水果表面更远，可以构想到间隙可以达50mm。这对于当传感器用于针对不同尺寸的水果的高速组件时特别有用。应当理解，激光器的数目可以改变，在围绕传感器上边缘的圆弧上可以设置多于三个激光器。激光器较小，其直径只有9mm。激光器可以放置在离开传感器的位置上，且光纤终止在光学头上。还应理解，根据用光谱分析评价的水果特性的不同，激光发出的波长可以改变。
上述的方法和装置特别适用于以不破坏方式测量水果中的糖分含量的装置。这种测量技术的进一步说明可参见下列专利文献：美国专利5708271，5524945和5089701。
Claims (15)
1.一种用光谱方法评价水果的装置，包括定位在近红外光源附近的传感器头，该传感器头通过光纤与光谱分析仪连接，该传感器头布置成靠近水果的周边定位，其特征在于，传感器头基本上与从光源发出的光平行定位，由此光纤仅检测从水果发出的、被内部反射或折射的光。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，光源包括定位在抛物线反射镜前面的白炽光源，从而在使用时发出的光是平行光束，并且该传感器头在水果上投下一个阴影。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，光源包括多个激光器，该激光器或是靠近传感器定位，或是与靠近传感器头终止的光纤连接。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，激光器为将光束与传感器头平行指向的准直光学仪器。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，激光器定位成使激光束从传感器头反射，在水果上形成一个阴影。
6.如权利要求3～5中任一项所述的装置，其特征在于，从每个激光器发出的光束波长不同。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，激光束的波长在700～2500纳米(mm)范围内变化。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，使用三个激光器，激光束的波长分别为910纳米，860纳米和758纳米。
9.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，传感器头为小开口端圆柱体形式，该圆柱体的开口端靠近水果的周边定位，该圆柱体包含一个反射镜，使得从水果上的阴影发出的光被反射镜反射，以由光学纤维传送至相应的光谱分析仪。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，适当构型的透镜横跨圆柱体的开口端定位。
11.如上述权利要求中任一项所述的装置，包括支承水果、使水果靠近传感器头通过传感器头的传送装置。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，水果周边与圆柱体开口端之间的间隔在20和50mm之间。
13.一种用光谱方法评价水果的方法，包括：使水果通过邻近近红外光源的传感器头，该传感器头通过光纤与光谱分析仪连接，其特征在于，该方法包括以下步骤：使传感器头基本上与来自光源的光平行地定位；只将水果发出的、内部反射或折射的光通过光纤传送至光谱分析仪，并进行光的光谱分析。
14.如权利要求13所述的方法，包括将水果放在传送带上，并将传感器头安装在靠近水果周边的上面。
15.如权利要求13或14所述的方法，包括将传感器头定位在光源的前面，以在水果上投下一个阴影；以及对从阴影发出的光进行光谱分析。
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