TWI635278B - 非侵入式水果檢測裝置及其分級方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種非侵入式水果檢測裝置及其分級方法，包含：一加熱器，係抵靠在一待測水果之表面，用以對該待測水果進行加熱動作；一測溫器，係抵靠在該待測水果之表面，用以量測待測水果被加熱器加熱後之溫度變化程度；一微處理器，電性連接加熱器與測溫器；一電源，電性連接微處理器，用以供應所需之電力；以及一使用者控制單元，電性連接微處理器，用以控制加熱器之啟動、關閉或設定。依據上述溫度變化程度，可以對該待測水果進行一分級動作，包括：溫度變化程度最小的等級代表甜度最大；以及，溫度變化程度最大的等級代表甜度最小。

Description

非侵入式水果檢測裝置及其分級方法
本發明有關於一種非侵入式水果檢測裝置及其分級方法，特別有關於一種不需將水果切開或破壞，以非侵入性方式，來檢測水果甜度的裝置及其分級分類方法。
目前市場上，國內的農民或果農對於水果生產品質之檢測技術，主要係以人工方式，針對水果之外觀、形狀、大小、顏色、以及光澤等參數來進行分級；至於影響水果品質之甜度、酸度、氨基酸及維生素等成分含量，則未能予以分析，且市場上亦無相關適用的檢測技術。
水果的甜度，易受到農民種植時之採收天數、肥培管理、疏果(thinning)、嫁接等多重複雜因素影響，因每一種的水果其組成皆不同，例如水分、甜度多少等均不同，因此會造成風味不同。若利用人工檢測水果外觀與色澤等以決定等級與售價之傳統模式，不僅頗費人力，無法客觀對水果之甜度進行判定，且易造成分類等級與實際品質差異過大，實在很令農民、相關業者、或消費者困擾。
近年來，有人引進一種可檢測水果甜度之方法，但其屬於侵入式(破壞性)之檢測方法，且其系統及檢測流程複雜，售價又昂貴，常高達數仟萬元。不僅如此，其無法即時性地作出檢測結果，更為一 大缺點。因此，對於農民或果農而言，此方法根本不符所需，更無法應用在需要非侵入式甜度檢測分級應用之場合，應用之範圍或場合實在有限。
此外，對於農民或果農而言，採收後之水果甜度檢測固然重要，但是，採收之前對水果甜度的檢測，以確保甜度均一化，則更為重要。而要達到此目的，則需仰賴一簡便又非侵入式之水果檢測裝置，才能隨時隨地對水果作甜度測定。
有鑑於此，如何能提供一設計簡化、準確度高、即時性高、方便性佳、以及非侵入式的水果甜度檢測裝置及方法，實為市場上的一大課題，也為農民們及相關業者的一大福音。
為達到上述及其他目的，本發明提供一種非侵入式水果檢測裝置及其分級分類方法，透過非侵入的微加熱方式量測分辨出水果中的含糖量，因此可檢測出相應的甜度或酸度等，有助於出貨時農民或業者作為判斷或分級分類的依據。
就其中一個觀點，本發明提供一種非侵入式水果檢測裝置，包含：一探測區，係設在檢測裝置中；一加熱器，係設在探測區內，用以對一待測水果進行加熱動作；一測溫器，係設在探測區內，用以量測待測水果被加熱器加熱後之溫度變化程度；一微處理器，電性連接加熱器與測溫器；一電源，電性連接微處理器，用以供應所需之電力；以及一使用者控制單元，電性連接微處理器，用以控制加熱器之啟動、關閉或設定。
一實施例中，本發明非侵入式水果檢測裝置還包括一顯示單元，電性連接該微處理器，用以將該待測水果之該溫度變化程度顯示出來。
一實施例中，本發明非侵入式水果檢測裝置還包括一通訊單元，其電性連接該微處理器，用以接收一遠端裝置發出的訊息，以及傳送訊息至該遠端裝置。
一實施例中，上述加熱器係設計成抵靠在待測水果之表面，其抵靠面係設成略有凹弧面，上述測溫器係設計成抵靠在待測水果之表面，其抵靠面係設成略有凹弧面。
一實施例中，上述加熱器係一微加溫器，包括：一熱敏電阻加熱器，對該待測水果之一局部區域進行加溫、一熱風或紅外線加熱器，對該待測水果之整體或該局部區域進行加溫、或一熱水浸泡器，對該待測水果之整體進行加溫，加溫範圍較佳的是在攝氏5至20度之間。
一實施例中，上述測溫器，例如為一紅外線影像儀。
就另一個觀點，本發明提供一種非侵入式水果分級分類方法，包含下列步驟：量測一待測水果之重量，並根據該待測水果之重量進行一分類動作；對一待測水果加熱一特定時間；量測該待測水果之一溫度變化程度；以及依據該溫度變化程度，對該待測水果進行一分級動作。
一實施例中，上述加熱待測水果之方法係一微加溫方式，包括：一熱敏電阻加熱方式，對待測水果之局部區域進行加溫、一熱風或紅外線加熱方式，對待測水果之整體或局部區域進行加溫、或一熱水浸泡方式，對待測水果之整體進行加溫，加溫範圍較佳的是在攝氏5至20度之間。
一實施例中，上述量測待測水果之溫度變化程度的方法，係利用一紅外線攝影技術，待測水果之溫度變化係對應至紅外線影像顏色。
一實施例中，上述分級動作例如為：依據上述溫度變化程度，溫度變化程度最小的等級代表甜度最大；溫度變化程度居中的等級 代表甜度居中；以及，溫度變化程度最大的等級代表甜度最小。
10‧‧‧非侵入式水果檢測裝置
12‧‧‧微處理器
14‧‧‧電源
16‧‧‧使用者控制單元
18‧‧‧顯示單元
20‧‧‧通訊單元
30‧‧‧探測區加熱器
32‧‧‧加熱器
34‧‧‧測溫器
50‧‧‧遠端裝置
S1‧‧‧量測水果重量並進行分級
S2‧‧‧量測水果之第一溫度
S3‧‧‧對水果加熱一特定時間
S4‧‧‧量測水果加熱後之第二溫度
S5‧‧‧根據第一溫度和第二溫度之差異，得到溫度變化程度
S6‧‧‧依據溫度變化程度，對水果進行分類
第1圖繪示係根據本發明一實施例，一種非侵入式水果檢測裝置之方塊示意圖。
第2圖繪示係根據本發明一實施例，一種非侵入式水果檢測及分級分類方法流程示意圖。
第3A圖繪示係應用本發明非侵入式檢測裝置之水果示意圖；第3B圖係對應第3A圖之紅外線影像示意圖。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
一般而言，水果成分中皆包含水、糖、有機酸、澱粉與纖維素等，其影響著水果品質之甜度及酸度，而每種類的水果，組成皆不同，例如水果中一般含水量在70%~90%之間，水果中的甜味來自於蔗糖、葡萄糖、果糖等，但是糖的種類卻不同，蘋果、梨等含果糖較多；漿果類的葡萄等含葡萄糖和果糖較多，不論是哪一種糖類，都是能量的來源。甜度又稱糖度(Brix)，其定義是指在20℃情況下，每100克水溶液中溶解的蔗糖克數。
本發明之特點係利用非侵入的微加熱方式，透過量測水果中的溫度變化，即可分辨出水果中的含糖量，因此能檢測出相應的甜度，有助於農民或相關業者作為判斷或分級分類的依據。
本發明測定水果甜度或酸度之原理為：使用熱容方式判斷待測物體吸熱或散熱能力。當加熱待測物體後，甜度高的水果，熱 容效果較高而導致溫度較低，其溫度變化就較小；反之，甜度低的水果，熱容效果較低而導致溫度較高，其溫度變化就較大，詳細說明如下。使用熱容方式判斷待物體吸熱或散熱能力時，其意義就是，具有越大比熱容的物體，此物體的吸熱或散熱能力就越強，溫度變化的程度就越小。反之，具有越小比熱容的物體，此物體的吸熱或散熱能力就越弱，溫度變化的程度就越大。
舉例而言，假設有A和B兩種材料，其比熱容的數值分別約為4200J/(kg．K)和2100J/(kg．K)，就是A物質的比熱容值比B物質的比熱容值多出一倍，其意義是把A物質加熱的熱能比B物質多出約一倍。所以，若是以相同的熱能分別把A物質和B物質加熱的話，B物質的溫升將比A物質的溫升大，如下述公式說明： C：熱容，際單位制中的單位是[J/(kg．K)]。
E：供給能量。
m：質量。
△T：溫度差。
請先參照第1圖，其繪示本發明實施例之一種非侵入式水果檢測裝置10之方塊示意圖。非侵入式水果檢測裝置10包含有：一探測區30，係設在該檢測裝置10中；一加熱器32，係設在探測區30內；一測溫器34，亦設在探測區30內；一微處理器12，電性連接加熱器32與測溫器34；一電源14，電性連接微處理器12，用以供應前述電子零部件所需之電力；以及一使用者控制單元16，電性連接該微處理器12，用以控制加熱器32之啟閉或設定。此外，本發明之非侵入式水果檢測裝置10還包括一顯示單元18，電性連接微處理器12，例如為一液晶顯示面板，用以將所檢測水果之甜度數值顯示出來，或顯示出水果的 等級，例如：等級A、等級B、等級C等。
繼續參照第1圖，探測區30中設有加熱器32以及測溫器34，加熱器32可設計成抵靠在水果40表面，用以對水果40進行加溫動作，其抵靠面較佳的是設成略有凹弧面為較佳，但不限定於此。此外，加熱器32對水果40所進行之加溫方式，可以為各種微加溫程序，包括但不限於下列方式：利用微加熱器與熱敏電阻加熱方式對水果40之局部區域42作加溫動作、利用熱風或紅外線加熱對水果40之整體或局部區域42進行加熱、利用熱水浸泡對水果40之整體進行加熱等。測溫器34亦可設置成抵靠在水果40表面，用以對水果40進行溫度量測動作，其抵靠面較佳的亦是設成略有凹弧面為較佳，但不限定於此。電源14可包括電池、電池組、充電電池、USB電源、或是無線充電裝置等。測溫器34例如是紅外線影像儀，其可針對待測水果之溫度，產生對應顏色之紅外線影像。
參照第2圖，本發明提供一種非侵入式水果檢測及分級分類方法流程示意圖，包含：步驟S1：量測水果重量並進行分級；步驟S2：量測水果之第一溫度，第一溫度通常為室溫，例如在攝氏20至25度之間；步驟S3：對水果進行加熱動作並持續一段特定時間；步驟S4：量測水果加熱後之第二溫度；步驟S5：根據第一溫度和第二溫度之差異，得到溫度變化程度；步驟S6：依據溫度變化程度，對水果進行分類。
詳細言之，上述S1步驟，係先量測水果重量後，對待測之水果進行分級動作，並加以標記，此步驟之目的係來自於上述比熱容值公式中的質量m，為固定此參數對比熱容值的影響，因此，若能對對每個被量測之水果作相應地加權調整，當能得到準確之量測結果。S3步驟，對待量測之水果進行之加熱動作，較佳的是進行微加熱動作，包括但不限於下列方式：利用電阻發熱方式對待測水果40之局部區域42作加溫動作、利用熱風或紅外線加熱對待測水果40之整體或局部區域42進行 加熱、利用熱水浸泡對待測水果40之整體進行加熱等。值得注意的是，此S2加溫步驟僅需讓待測水果40稍微升溫即可，例如5~20度C(攝氏)即可，不須對被量測水果40進行大幅地升溫，免得對水果的性質產生不良的影響。 S5步驟，可根據第一溫度和第二溫度之差異，並除以該特定時間長短，以得到溫度變化程度，舉例而言，若第一溫度為室溫，則只要看第二溫度的大小變化，即可得到溫度變化程度；或是，可利用紅外線攝影技術，例如一紅外線影像儀，量測待測水果之溫度變化，舉例而言，測量待測水果從室溫(第一溫度)，經過加溫一特定時間後，升高至何種溫度(第二溫度)，亦即紅外線影像顏色變化的程度，於是可得到一溫度變化程度。S6步驟，係依據S5步驟所得到之溫度變化程度，對待測水果進行分類動作，例如：等級A的水果對應之溫度變化程度最小(代表甜度最大)、等級B的水果對應之溫度變化程度居中(代表甜度居中上)、等級C的水果對應之溫度變化程度稍大(代表甜度居中下或僅微甜而已)、等級D的水果對應之溫度變化程度最大(代表甜度最小或不甜)等。
上述S5步驟所提到之紅外線影像，其操作原理為，每個物體都有其自然的熱輻射電磁波，而熱輻射的強度在不同波長上的分布，則是和物體的溫度有關。舉例來說，若是針對動植物或人體進行紅外線攝影，其呈現的熱輻射主要是集中在紅外線的波長範圍裡，溫度越高的物體，其對應之紅外線影像顏色會偏黃紅，溫度越低的物體，其對應之紅外線影像顏色會偏藍，如第3B圖右側所示之顏色溫度對應表，其中，攝氏28度對應之紅外線影像顏色為紅色，攝氏31~33度對應之紅外線影像波長顏色為黃色，攝氏33度以上甚至對應之紅外線影像顏色為白熾色。
請參照第3A與3B圖，第3A圖繪示係應用本發明非侵入式檢測裝置10之水果示意圖；第3B圖係對應第3A圖之紅外線影像示意圖，以及在第3B圖右側顯示一紅外線影像顏色溫度對照表。可以看到 的是，本發明透過微加熱的方式，可以獲得到第3A與3B圖水果的熱容效果，第3A圖外觀上毫無異狀，但加熱後的效果如第3B圖所示，其為對應第3A圖所示水果之紅外線影像示意圖。如第3B圖所示，精微加熱後，每一顆水果產生的溫度變化完全不同，包括溫度最高(等級D)、溫度高(等級C)、溫度低(等級B)、溫度最低(等級A)等至少四種狀態。其中，溫度越高的熱容效果越低，代表有可能是甜份較少；反之，溫度越高的熱容效果越高，有可能是甜份較多，例如等級A代表甜度最高、等級B代表甜度高、等級C代表甜度低、等級D代表甜度最低。顯示出來的效果依照水果不同而有不同效果。
值得注意得是，只要可以產生溫度差，即可進行判斷，本發明以加熱最為說明範例。依照熱容公式造成熱容變化主要的因素是質量與供給熱能，所以如第2圖，可以透過秤重的方式區分出不同重量的水果，接著透過微加熱，由於熱容是物體的儲存熱能的能力，熱儲存效果佳，表示傳導熱的時間較慢，可透過加熱與偵測熱傳遞的方式，判斷甜度多寡。當然只要可以透過固定溫度對每一個水果加熱，並且可區分每一個水果的溫度變化，即可進行不同重量下的等級分類。
一實施例中，本發明非侵入式水果檢測裝置10還可包括一通訊單元20，其電性連接微處理器12，可以接收遠端裝置50發出的訊息，以及傳送訊息至遠端裝置50，遠端裝置50較佳的是一伺服器或是任一種終端通訊裝置。
本發明之優點為，非侵入式水果檢測裝置10設計簡單、檢測方法亦簡單又快速、應用範圍非常廣泛，舉凡水果栽種時、收成前或後、以及出貨時，都可以應用到本發明之非侵入式水果檢測裝置10及方法。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係 為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。

Claims (10)

  1. 一種非侵入式水果檢測裝置，包含：一加熱器，係抵靠在一待測水果之表面，用以對該待測水果進行加熱一特定時間；一測溫器，係抵靠在一待測水果之表面，並量測該待測水果被該加熱器加熱該特定時間後之一溫度變化程度，以決定該待測蔬果之熱容值，其中對於該待測水果進行之一分級動作，為依據該待測水果之該熱容值；一微處理器，電性連接該加熱器與該測溫器；一電源，電性連接該微處理器，用以供應所需之電力；以及一使用者控制單元，電性連接該微處理器，用以控制該加熱器之啟動、關閉或設定。
  2. 如請求項1所述之非侵入式水果檢測裝置，還包括一顯示單元，電性連接該微處理器，用以將該待測水果之該溫度變化程度顯示出來。
  3. 如請求項1所述之非侵入式水果檢測裝置，還包括一通訊單元，其電性連接該微處理器，用以接收一遠端裝置發出的訊息，以及傳送訊息至該遠端裝置。
  4. 如請求項1所述之非侵入式水果檢測裝置，其中該加熱器抵靠該待測水果之表面處具有一相應之第一凹弧面；該測溫器抵靠該待測水果之表面處具有一相應之第二凹弧面。
  5. 如請求項4所述之非侵入式水果檢測裝置，其中，該加熱器係一微加溫器，包括：一熱敏電阻加熱器，對該待測水果之一局部區域進行加溫、一熱風或紅外線加熱器，對該待測水果之整體或該局部區域進行加溫、或一熱水浸泡器，對該待測水果之整體進行加溫，加溫範圍在攝氏5至20度之間。
  6. 如請求項1所述之非侵入式水果檢測裝置，其中，該測溫器，係為一紅外線影像儀。
  7. 一種應用如請求項1所述之非侵入式水果檢測分級方法，更包括：在加熱該待測水果之前，量測該待測水果之重量，並根據該待測水果之重量進行該分類動作。
  8. 一種應用如請求項1所述之非侵入式水果檢測分級方法，其中，加熱該待測水果之方法係一微加溫方式，包括：一熱敏電阻加熱方式，對該待測水果之一局部區域進行加溫、一熱風或紅外線加熱方式，對該待測水果之整體或該局部區域進行加溫、或一熱水浸泡方式，對該待測水果之整體進行加溫，加溫範圍在攝氏5至20度之間。
  9. 一種應用如請求項1所述之非侵入式水果檢測分級方法，其中，量測該待測水果之該溫度變化程度的方法，係利用一紅外線攝影技術，量測該待測水果之溫度變化，對應至一紅外線影像顏色。
  10. 一種應用如請求項1所述之非侵入式水果檢測分級方法，其中，依據該溫度變化程度，對該待測水果進行該分級動作，包括：一第一等級，該待測水果對應之該溫度變化程度最小，代表甜度最大；一第二等級，該溫度變化程度較該第一等級為大，代表甜度次之；一第三等級，該溫度變化程度較該第二等級為大，代表甜度較小；以及，一第四等級，該溫度變化程度最大(較該第三等級為大)，代表甜度最小。
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