用于探测马铃薯中的“糖尖峰”缺陷的方法、传感器单元和机器的制作方法

专利名称：用于探测马铃薯中的“糖尖峰”缺陷的方法、传感器单元和机器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于探测马铃薯中的“糖尖峰(Zuckerspitzen)”缺陷的方法和传感器单元。此外本发明涉及用于处理患有“糖尖峰”缺陷的马铃薯的机器。
背景技术：
借助相机探測散装物品和接着对散装物品进行拣选是常用的方法。这样的用于对马铃薯拣选的设备的实施方式例如描述在专利US 4，351，437A中。在该公知的设备中，在辊台式输送机上运送马铃薯，其中所述马铃薯排列成横排地被引导至检查区域，在该检查区域中以入射光方法用光照射所述马铃薯并且由行图像相机检测被马铃薯反射的光。行图像相机定期横向地在每个马铃薯排上扫描，并且产生与反射的光相应的探测输出信号。相机在此观察到马铃薯的相对于暗背景的明亮地被照明的区域，从而微处理器可以从如此所检测的图像中确定马铃薯在马铃薯排方向上的长度。用于对食物拣选和分析的其它设备描述在EP 672 468 BI或EPl 332 353 BI中。在此主要对输送的对象进行入射光探測和拣选，其中全自动地检查输送的对象，其中光被入射到输送的对象上并且由相机捕获反射的光并进行分析。光被实施为宽带的或者经过滤波的白光，而也实施为具有确定的、对相应的任务提出相关的波长的LED光或激光。利用这种技术例如可以识别对象表面上的杂质，但是也可以在物品材料情况下识别一定质量差
巳升。新近分光镜技术也明显地进入对食物的分析和流线拣选中。例如，借助所谓的“气味分析器”或“味道分析器”分析完整水果的糖含量。这样的设备的实施方式在专利US7，103, 207中描述或者被构造为手持设备在W099/61898A1中描述。这些方法基于I通道光谱仪工作。在此检测对象的唯一的測量点或測量斑点的反射特性和/或透射特性并进行分析。但是利用这些已知的技术不能检测水果和蔬菜的很多缺陷和障碍。尤其是，在文献中也作为“sugar-ends (糖端)”已知的所谓“糖尖峰”缺陷和马铃薯不能被明确地检測，因为这是在马铃薯块茎中生长的局部障碍。在这些局部生长障碍的情况下，在起源处、尤其是在马铃薯块茎的近端处出现通过各种环境因素引起的糖积累。容易遭到这些“糖尖峰”缺陷的尤其是长块茎的马铃薯种类，例如经常用于制造炸薯条的“褐色布尔班克”和“夏波蒂”种类。该生长障碍具有大的经济意义，因为在加热过程中具有氨基酸的局部积累的減少的糖形成棕色至黒色的色素，所述色素使得马铃薯最终产品在光学上难看并且因此滞销。“糖尖峰”缺陷的重要问题是，所述“糖尖峰”缺陷在光学上不能在未加工的马铃薯或马铃薯部分处被发现，而是在厨房中或在加工食物的エ业中加热时才出现，并且然后经常导致抱怨。本发明的附加方面是避免在马铃薯的烘焙和煎炸时提高的丙烯酰胺形成。尤其是炸薯条近年来弄得声名狼藉，因为炸薯条包含丙烯酰胺、即可以触发癌的物质。丙烯酰胺在高温时在对马铃薯的烘焙和煎炸情况下形成，其方式是包含在马铃薯中的淀粉过热。食物中的丙烯酰胺的最重要原始物质是氨基酸天门冬氨，其尤其是出现在马铃薯和谷类中。通过诸如葡萄糖的糖促进了丙烯酰胺形成，葡萄糖也就是在具有“糖尖峰”缺陷的马铃薯中以增强的程度出现的物质。用于提早识别马铃薯上的“糖尖峰”缺陷的迄今方法基于在收获之后或在货物输入检查时加热马铃薯的测试样本并且此后通过操作人员视觉地检查。在此如果各个测试样本展示出“糖尖峰”缺陷，则通常严格地丢弃整批马铃薯，这是大的材料损失并且对生产运行来说与大的损失相关联。对此替换地，在测试样本上出现“糖尖峰”缺陷的情况下切掉整批马铃薯的所有端部。由此虽然减小了材料损失，但是通过切掉的附加工作步骤引起工作和机器成本。此外测试样本的加热和检查是耗时的事情，它防止了对马铃薯的快速加工。

发明内容
因此值得期望的是，能够提供用于探测马铃薯中的“糖尖峰”缺陷的方法和传感器単元，其不仅被应用于测试样本，而且使得可以可靠地检验全部马铃薯，并且这为此还流线地(inline)在马铃薯加工线中。此外，值得期望的是，能够提供用于处理患有“糖尖峰”缺陷的马铃薯的机器，在该机器处首先可靠地探測具有“糖尖峰”缺陷的马铃薯，并且接着或者对患有“糖尖峰”缺陷的马铃薯进行分拣或者通过切掉患有的部分来处理。本发明通过提供具有权利要求1的特征部分特征的用于探测马铃薯中的“糖尖峰”缺陷的方法，具有权利要求17的特征部分特征的用于探测马铃薯中的“糖尖峰”缺陷的传感器単元，以及具有权利要求25的特征部分特征的用于处理患有“糖尖峰”缺陷的马铃薯的机器解决上述任务。本发明的有利扩展方案在下面的描述中以及从属权利要求中说明。本发明的用于探测马铃薯中的“糖尖峰”缺陷的方法包括:
利用至少ー个光源照射马铃薯，
对于每个马铃薯上的多个位置点，其中位置点位于马铃薯的两个端部区域处并且其它位置点位于马铃薯的中心区域中，将在相应的位置点处反射的和/或透射的光选择性地投射到至少ー个光电传感器上，通过至少一个光电传感器从接收的光中针对每个位置点记录光測量信号，并且对这样地针对每个位置点记录的光測量信号进行中间存储，
从光测量信号中确定至少ー个分类特征，并且当至少ー个分类特征与预定的“糖尖峰”标准相应时，将马铃薯分类为患有“糖尖峰”缺陷。原则上足够的是，检测在茎生长的马铃薯每个端部区域处以及在中心区域中的位置点。但是在实践中，在对马铃薯进行加工的情况下在“糖尖峰”探测的时刻茎已经被从马铃薯块茎去除，并且马铃薯可以在运输过程中多次旋转，从而对于本发明的可用的实施来说规定，检测在马铃薯的两个端部区域中的位置点以及在马铃薯的中心区域中的其它位置点。利用本发明的方法可以探测未运动的、间歇性运动的和连续运动的马铃薯的“糖尖峰”缺陷。在此所使用的术语“马铃薯”既可以被理解为完整的马铃薯，也可以被理解为马铃薯块，尤其是条形或片形地在纵向或横向方向上被切割的马铃薯块。
如果由位置点反射和/或透射的光顺序地投射到至少ー个光电传感器上，则通过该空间多路复用方法用唯一的光电传感器就足够了。在此，相继地扫描位置点。由位置点反射的和/或透射的光例如可以借助ニ维可运动反射镜投射到光电传感器上。如果马铃薯沿着输送方向以定义的输送速度运动并且由位置点反射或透射的光相继地、在时间上相间隔地投射到同一个光电传感器上，则在输送方向上看发生时间多路复用方法。为了能够用ー个光电传感器扫描任意分布的位置点的所反射的或透射的光，横向于或倾斜于输送方向、例如沿着线的局部扫描就足够了。如果代替单个光电传感器而分布式地横向于输送方向布置多个光电传感器，则对于由位置点反射或透射的光来说不需要偏转装置。更确切地说，在输送方向看去，ー个接ー个的位置点分别被分配给同一个光电传感器，并且在马铃薯的向前运动期间以时间多路复用方法被扫描。根据用于从光测量信号中确定至少ー个分类特征和在至少ー个分类特征与预定的“糖尖峰”标准相应的情况下将马铃薯分类为患有“糖尖峰”缺陷的第一方案，规定提供至少ー个光电传感器，其只对窄带的或经过滤波的光源的频带内的单个波长或波长带是灵敏的。也可以设置多个光电传感器，它们对不同的波长或波长带是灵敏的。至少ー个光电传感器的光測量信号是用于所述ー个波长或波长带或者用于多个彼此相间隔的波长或波长带的代表性光强度值，其中这些光強度值是分类特征并且“糖尖峰”标准被定义为与阈值光强度值的偏差。在确定的波长或波长带情况下的光强度值可以通过以下方式获得:
-利用具有所述确定的波长或波长带的窄带光井行地或顺序地照射马铃薯；和/或-通过利用宽带光来照射马铃薯和借助带通滤波器对在相应的位置点处反射的和/或透射的光进行滤波，所述带通滤波器的通过范围包含所述确定的波长或波长带；和/或-通过提供在所述确定的波长或波长带中是灵敏的光电传感器。在本发明的更一般的方案中，利用该方案可以实现针对马铃薯上“糖尖峰”缺陷的改善的分类结果，利用宽带光源对马铃薯进行照射。借助至少ー个光电传感器，对所有位置点记录由位置点反射和/或透射的光的光谱作为光測量信号。这导致，至少在设置唯一的光电传感器的情况下该光电传感器必须被构成为用于分辨该光谱。对此替换地，可以设置多个光电传感器，它们对该光谱的不同子频率范围是灵敏的。从所确定的光谱或该光谱的n (n=l, 2，...)阶导数中确定至少ー个分类特征。在本发明的优选的、因为非常精确的实施方式中，通过将光谱分裂为多个光谱分量记录由位置点反射和/或透射的相应光，并且每一个光谱分量被辐射到装配有多个像点的光电传感器的、分配给该光谱分量的光敏像点上。像点可以被布置在一条线中(线传感器)，其中顺序地(以多路复用方法)对于每个位置点将由相应位置点反射或透射的光在光谱上分裂，并且投射到线传感器的所有像点上。这样地顺序地对于每个位置点记录的光谱光測量信号被中间存储为ニ维图像，其第一维代表位置点，而其第二维代表辐射的光谱分量。替换线传感器，ニ维地布置光电传感器的像点(面传感器)，其中第一维代表位置点，并且第二维代表光的光谱分量。现在，通过将由相应的位置点反射或透射的光分裂成其光谱分量并进行中间存储，使得可以从位置点的相应光谱或相应光谱的n阶导数中确定至少ー个分类特征。对分类特征的该确定包括通过形成相应位置点的光谱光测量信号与一系列波长的參考光谱的光谱值之间的差，或者通过形成相应位置点的光谱光测量信号的n阶导数与一系列波长的參考光谱的n阶导数之间的差，计算相应位置点的差变化曲线，其中从这样确定的差变化曲线中确定分类特征。在本发明的另ー个实施方式中一其中从如在前面方案中描述那样确定的差变化曲线中确定分类特征，从差变化曲线中推导出的分类特征是相应差变化曲线在波长上的强度变化曲线。在这种情况下，从超出或低于所定义的波长或波长带处的强度极限值中选择分类标准，必要时在形成波长带内的强度值的平均值的条件下。作为替换的或附加的分类标准，可以定义强度值存在于定义的波长或波长带处的定义的強度值范围之内或之外，必要时在形成波长带内的强度值的平均值的条件下。作为另外的替换的或附加的分类标准，可以定义强度变化曲线的至少ー个分段与预先定义的模式的相似度。在本发明的另ー个实施方式中一其中从如上所述确定的差变化曲线中确定分类特征，从差变化曲线中推导出的分类特征是相应的差变化曲线的第一或第二微商的变化曲线。在这种情况下，从超出或低于所定义的波长或波长带处的微商的极限值中选择分类标准，必要时在形成波长带内的微商值的平均值的条件下。作为替换的或附加的分类标准，可以定义微商值存在于定义的波长或波长带处的定义的微商值范围之内或之外，必要时在形成波长带内的微商值的平均值的条件下。作为另外的替换的或附加的分类标准，可以定义微商变化曲线的至少ー个分段与预先定义的模式的相似度。要指出，在本发明的实际的计算机技术实施中大多数不计算微商本身，而是近似地执行差商的计算。但是为了本发明的目的，这等效于微商计算。在本发明的优选实施方式中，从差变化曲线中推导出的分类特征是从将差变化曲线至少逐段地变换成可见的波长范围来获得的，由此获得伪彩色图像。优选地，将差变化曲线的至少3个分段变换为可见的波长范围。分类标准在该实施方式中是颜色或颜色范围或颜色过渡在伪彩色图像中的位置分辨的出现和/或缺乏，其中不仅采用特定顔色，而且采用称为“颜色云”的顔色范围、相似的顔色等。该实施方式提供了多个优点。该实施方式使得可以通过操作人员可视地检查，例如作为监控装置或在用于探测具有“糖尖峰”缺陷的马铃薯的设备的初始设立时。此外该实施方式使得还可以用所建立的数字图像处理装置进ー步处理经过变换的波长范围，这借助于软件显著简化了实施，因为部分地可以动用标准例程。最后，差变化曲线向可见波长范围中的至少逐段的变换也可以均衡待检验的马铃薯的异质性，这尤其是在通过操作人员可视地检查时是有利的。在本发明的另ー个特别有利的实施方式中，将參考光谱计算为来自至少ー个马铃薯的位置点的光谱图像数据、优选来自被分配给ー个或多个马铃薯的中心区域的位置点的光谱图像数据的平均光谱。由此实现了非常可靠的參考光谱，而为此无需耗费的校准或调整工作，或者无需操作人员的特殊技能。这极大筒化了其中实施了本发明的设备在エ业中的安装和运行。在刚刚所述的用于计算參考光谱的方法的改进方案中規定，參考光谱被计算或更新为来自ー个或多个在“糖尖峰”缺陷方面待研究的马铃薯的位置点的光谱图像数据的位置上和/或时间上平均的光谱，可选地在马铃薯沿着输送方向运动期间。该实施方式允许直接从待检验的马铃薯物品中确定參考光谱，其中该參考光谱可以连续地或者以确定的时间间隔或例如手动地在质量安全检验过程中得到更新。又在本发明的另ー个实施方式中，从位置点的相应光谱或相应光谱的n阶导数中确定至少ー个分类特征包括计算内容物质的浓度，所述内容物质例如是葡萄糖、淀粉、固体，和/或从相应位置点的光谱或光谱的n阶导数中检测玻璃状态。分类特征从所确定的内容物质浓度值或其组合，例如葡萄糖与淀粉的比例，和/或玻璃状态中选择。因此在该实施方式中，执行“糖尖峰”缺陷的探測，其方式是从光谱或光谱导数中分析确定的内容物质或玻璃状态(光学特征)，并且接着从内容物质或玻璃状态中推断“糖尖峰”缺陷的可能存在。在以上段落中阐述的方法的改进方案中，从至少ー个位置点的光谱或光谱的n阶导数中确定诸如葡萄糖、淀粉、固体的内容物质的參考浓度和/或玻璃状态(Glasigkeit)，其中位置点优选位于马铃薯的中心区域中。可选地，多个位置点在形成其光谱或光谱的n阶导数的平均值的条件下被采用。在本发明的该实施方式中，所确定的内容物质的參考浓度值或其组合，例如葡萄糖与淀粉的比例，和/或參考玻璃状态与内容物质的浓度或其组合和/或位于马铃薯的端部区域处的位置点处的玻璃状态的偏差代表“糖尖峰”标准。通过可自动化地确定内容物质的參考浓度和/或參考玻璃状态，避免了用以获得这些參考值的耗费的校准或调整工作。也不需要操作人员的特殊技能。另ー个重大优点是，对所提到的參考值的确定可以在线地、在不中断其中实施本发明的设备的运行的情况下进行。本发明还通过提供用于探测马铃薯中的“糖尖峰”缺陷的传感器单元来解决开头所提出的任务，该传感器单元包括:
-至少ー个用于照射马铃薯的光源，
-至少ー个光电传感器，
-光学装置，利用该光学装置将在每个马铃薯上的位置点处反射和/或透射的光选择性地投射到至少ー个光电传感器上，
-其中至少ー个光电传感器从所接收的光中针对每个位置点生成光測量信号，
-中间存储器，利用该中间存储器针对每个位置点存储由至少ー个光电传感器生成的光測量信号，
其特征在干，
计算装置，其执行根据权利要求1至16之一的用于探测马铃薯中的“糖尖峰”缺陷的方法，其中当至少ー个分类特征与预定的糖尖峰标准相应时，该计算装置将马铃薯分类为患有“糖尖峰”缺陷的并且发出“糖尖峰”信号。已经表明，如果至少ー个光源辐射出在至少ー个位于350与2500nm之间的波长范围内的光，则对马铃薯中“糖尖峰”缺陷的探測提供特别可靠的結果。在该波长范围内，优选1000-1700nm (所谓的NIR范围)和/或350_1000nm (所谓的VISNIR范围)和/或直至2500nm (所谓的SWIR范围)的子波长范围。所提到的这些子波长范围可以利用以下类型的光电传感器来检测:硅传感器用于350至IOOOnm的波长，神化铟镓传感器用于900至1700nm的波长，碲化汞镉(MCT)传感器用于800至2500nm的波长。为了连续探测马铃薯中的“糖尖峰”缺陷規定，给传感器単元装配输送装置，在该输送装置上使马铃薯沿着输送方向以定义的输送速度运动。为了检测由不同的位置点反射或透射的光，马铃薯的输送是时间多路复用。这意味着，仅必须横向于输送方向地对由不同的位置点反射或透射的光进行位置上的检测，而在输送方向上ー个接ー个的位置点通过由输送速度预定的时间多路复用来处理。为了減少光电传感器的数量(在极端情况下减小到仅ー个光电传感器)，在本发明的一个实施方式中，光学装置包括可运动的光偏转装置，利用该光偏转装置将由位置点反射和/或透射的光顺序地投射到至少ー个光电传感器上。但是在可以较快速探測马铃薯中的“糖尖峰”缺陷的替换实施方式中，设置多个光电传感器。为了确保由至少ー个光电传感器接收的、由位置点反射或透射的光位于适合该光电传感器的波长范围内，由此改善测量的质量，在本发明的一种改进方案中规定，光学装置包括带通滤波器或摄谱仪。 为了能对马铃薯是否存在“糖尖峰”缺陷进行快速在线检查，并且为了另外实现传感器单元的紧凑的结构大小，适宜的是使用具有多个光敏像点的光电传感器，其中可选地ニ维地布置光电传感器的像点，其中第一维代表位置点，并且第二维代表光的光谱分量。本发明还包括用于处理患有“糖尖峰”缺陷的马铃薯的机器。该机器包括用于沿着输送方向以定义的输送速度连续输送马铃薯的输送装置，用于马铃薯的处理装置，以及如上所述那样实施的本发明的传感器単元，其中由传感器单元发出的“糖尖峰”信号操控处理装置。在第一实施方式中，处理装置包括马铃薯分拣装置，其在存在“糖尖峰”信号的情况下分拣分配给该信号的马铃薯。在本发明的另ー个实施方式中，处理装置包括用于从患有“糖尖峰”缺陷的整个马铃薯或纵向切开的马铃薯块切掉端部的切割装置。


现在參照附图借助实施例更详细阐述本发明。图1示意性地以侧视图示出用于处理患有“糖尖峰”缺陷的马铃薯的机器。图2示意性地以俯视图示出根据图1的机器。图3示出在本发明的传感器単元中使用的光学装置的示意图。图4示出对于多个不同波长和位置分辨的像点灵敏的光电传感器的示意性俯视图。图5示出具有示范性位置点的马铃薯的示意图。图6关于马铃薯的位置点处光谱光測量信号的波长示出光強度的图表。图7关于马铃薯的位置点处的光谱光测量信号与參考光谱的差变化曲线的波长不出光强度的图表。图8示出在图7中所示的光谱光测量信号的差变化曲线的I阶导数的图表。图9示出用数字相机记录的(经过剥皮的)马铃薯的图像。图10示出图9的马铃薯的图像，所述图像是根据本发明方法的实施(内容物质ー葡萄糖)而算出的。图11示出图5的马铃薯的图像，该图像是根据本发明的方法基于光谱差变化曲线作为伪彩色图像而算出的。
具体实施例方式在图1和2中示意性地以侧视图或以俯视图示出用于探测和处理患有“糖尖峰”缺陷的马铃薯K的本发明机器I。机器I包括用于沿着输送方向F连续或非连续地输送马铃薯K的输送装置2。在连续输送的情况下，该输送以定义的输送速度V进行。输送装置2例如可以构成为输送帯、辊式输送机、滑道等。机器I还包括用于马铃薯K的处理装置3。该处理装置3包括马铃薯分拣装置5和/或用于切掉患有“糖尖峰”缺陷的马铃薯的端部的切割装置4。在图1和2中示意性地用夹钳5a示出马铃薯分拣装置5。但是不言而喻，还可以使用其它装置，如抛料装置(例如基于气压或弹簧)或转向装置或升降门等来代替夹钳。切割装置4用截切机式的刀具4a示出，但是也可以使用技术人员已知的其它刀具。机器I的核心元件是一般地用附图标记10表示的、用于探测马铃薯中的“糖尖峰”缺陷的传感器単元，下面将详细描述所述传感器単元。当传感器単元10探測到患有“糖尖峰”缺陷的马铃薯时，该传感器单元10生成“糖尖峰”信号6，7，该信号被传输到处理装置3并且触发对马铃薯K的相应处理。该处理包括通过马铃薯分拣装置5对马铃薯K进行分拣或者切去马铃薯K的患有“糖尖峰”缺陷的部分。指出的是，在此使用的术语“马铃薯K”既可以被理解为完整的马铃薯，也可以被理解为马铃薯块，尤其是条形或片形地在纵向或横向方向上被切割的马铃薯块。由干“糖尖峰”缺陷仅出现在马铃薯块茎的端部区域处，因此对于横向切割的马铃薯块来说一般仅借助马铃薯分拣装置5进行分拣是有意义的。用于探测马铃薯中的“糖尖峰”缺陷的传感器単元10包括用于照射马铃薯K的一个或多个光源11，至少ー个光电传感器12，光学装置13，利用光学装置13将在每个马铃薯K上的位置点P1-P4处反射和/或透射的光LP1-LP4选择性地投射到至少ー个光电传感器12上。至少ー个光电传感器12从接收的光LP1-LP4中为每个位置点P1-P4生成光测量信号LM1-LM4，并且将这些光測量信号通过计算装置14传输到中间存储器15，在该中间存储器中为每个位置点P1-P4存储光測量信号LM1-LM4。计算装置14通过存放在程序存储器16中的程序代码控制，以执行用于探测马铃薯中的“糖尖峰”缺陷的方法。在下面详细阐述的该方法中，如果至少ー个分类特征与预定的“糖尖峰”标准对应，则从光測量信号LM1-LM4中，可选地在先前执行用于将光測量信号LM1-LM4处理为可较快速处理的和/或有较小的误差率的形式的预处理的条件下，将马铃薯分类为患有“糖尖峰”缺陷；在这种情况下将“糖尖峰”信号6，7发出到处理装置3。已经表明，如果评估位于在350与2500nm之间的波长范围内的光测量信号LM1-LM4，则可以非常可靠地探測到马铃薯K患有“糖尖峰”缺陷，其中在该波长范围内可以评估ー个或多个特定的波长或波长带。为了减小计算耗费并且将干扰光的影响最小化，适宜的是保持在所提到的波长范围内通过至少ー个光源11照明，并且也将光电传感器12的灵敏度与之协调。这可以通过以下方式实现，即应用一个或多个窄带光源11 (发光二极管，激光器等)，或者使用具有前置滤波器17的宽带光源11，所述前置滤波器仅使在位于350与2500nm之间的波长范围中或其子波长范围中的光通过。作为光电传感器12，可以采用多个光电传感器，它们分别对不同的子波长范围是灵敏的。这样的子波长范围例如是900-1700nm (NIR)和/或 350_1000nm (VISNIR)和 / 或直至 2500nm (SffIR)的子波长范围。适合这些子波长范围的光电传感器12例如是具有350-1000nm的主灵敏度的硅传感器，具有900-1700nm的主灵敏度的神化铟镓传感器，和具有800_2500nm的主灵敏度的碲化汞镉(MCT)传感器。要提到的是，在所示出的实施例中光源11和光电传感器12布置在马铃薯K的同ー侧上，从而由位置点P1-P4反射的光LP1-LP4到达光电传感器12。如果光源11被放置在输送装置2的下方，则由位置点P1-P4透射的光到达光电传感器12。在后ー种布置的情况下，输送装置2或者可以用透光元件构建，或者可以彼此相间隔地设置诸如输送带元件或辊的元件，使得光可以透过，或者可以在使用滑道的情况下装入空隙，或者可以在输送段的端部处“在自由情况下”測量。光学装置13的任务是以合适的方式将由位置点P1-P4反射或透射的光LP1-LP4引导至至少ー个光电传感器12上。如图3中示意性所示，光学装置13为此目的一般包括至少ー个光学透镜18，以及可选地至少ー个带通滤波器19和/或光偏转装置20，例如可沿着ー个或两个轴偏转的反射镜。如果光偏转装置20只能在ー个轴中偏转，则光学装置13被定向为，使得光扫描横向于输送方向F地进行(所谓的空间多路复用)。如果还考虑马铃薯K在输送方向F上以输送速度V运动(所谓的时间多路复用)，则可以实现顺序的ニ维扫描，其中用唯一的光电传感器12就能足够了(组合的时间和空间多路复用)。但是为了更高的处理速度，设置多个光电传感器12是有意义的，所述多个光电传感器并行工作，其中光电传感器对不同的波长范围是灵敏的，和/或覆盖不同的位置点P1-P4。如果多个光电传感器12横向于输送方向F分布式地布置(行传感器),则从输送方向F上看ー个接ー个的位置点分别被分配给同一个光电传感器。为了提高的波长分辨率，光学装置13还可以包括摄谱仪21。在图4中示意性地以俯视图示出优选ニ维的光电传感器12，其在矩形布置中具有多个光敏像点Bxy。行1-m代表位置分辨的位置点，列1-n代表到达光电传感器的光的不同光谱分量。在借助光偏转装置20可与空间多路复用组合的该光电传感器的简化形式中，选择现有的或所使用的列的数量n等于I。图5示出在马铃薯K上的4个示范性位置点P1-P4。位置点Pl和P2位于马铃薯的近端，茎(未示出)从该近端生长。P3是靠近中心的位置点，并且P4是处于马铃薯的远端的位置点。在通过来自光源11的光照射时由位置点P1-P4反射的光LP1-LP4在图6的波长/强度图表中以在1000至1700nm的波长范围内的光谱分辨率示出。在通过在图4中所示的、使得可以针对每个位置点分解所接收的光的ニ维光电传感器检测光LPl-LP的情况下，由位置点P1-P4反射的光LP1-LP4的強度基本上与由光电传感器针对每个位置点P1-P4所生成的光测量信号LM1-LM4相应，正如在中间存储器15中存储以用于进ー步处理的光測量信号。但是如果使用仅对子波长TWl (例如在1200nm处)灵敏的光电传感器12，则这样的光电传感器12为从每个位置点P1-P4接收的光LP1-LP4仅分别提供一个强度值作为光测量信号LM1’ -LM4’。如果使用仅对子波长带TWBl(例如在1300与1400nm之间)灵敏的光电传感器12，则这样的光电传感器12为从每个位置点P1-P4接收的光LP1-LP4仅分别提供ー个平均强度值作为光测量信号LM1’ ’ -LM4’ ’。如从图6的图表中可看出的，由位置点P1-P4反射的光LP1-LP4的信号形状彼此类似，但是在信号高度方面彼此有偏差，并且彼此部分相交。对下面的阐述预期的，要提到的是，所述马铃薯是具有“糖尖峰”缺陷的马铃薯。该缺陷的探測在使用仅对1200nm的子波长TWl灵敏的光电传感器12的情况下通过将通过光强度值代表的光測量信号LM1’ -LM4’与例如1500相对光强度単位的第一阈值光强度值Tl进行比较来进行，所述光测量信号在该情况下是分类特征。偏差，更确切地说是光強度值低于该阈值光强度值Tl被定义为“糖尖峰”标准。如从图6的图表中可看出的，除了光測量信号LM3’之外，所有其它光测量信号LM1’，LM2’，LM4’都低于阈值光强度值Tl，由此得出马铃薯K具有“糖尖峰”缺陷。但是，实际上只有围绕位置点Pl (确定无疑的)以及位置点P2 (可能的)的马铃薯区域患有“糖尖峰”缺陷，而在位置点P4处探测到“糖尖峰”缺陷是错误解释，其例如可能在不利的照明状况和仅仅考虑绝对光强度值的情况下出现。在使用对1300与1400nm之间的子波长带TffBl灵敏的光电传感器12的情况下也得到相同的結果。这里，在与例如1000相对光强度単位的第二阈值光强度值T2进行比较的情况下，位置点Pl，P2，P4的光測量信号LM1’’，LM2’ ’，LM4’ ’的平均强度值也位于第二阈值光强度值T2之下，并且只有位置点P3的光测量信号LM3’ ’或其平均強度值位于第二阈值光强度值T2之上。为了提高測量安全性，例如可以将1050nm处的亮度采用为“參考亮度”，測量结果涉及该參考亮度。由此可以消除照明效应。同样，对下面的阐述预期地就此要提到的是，在处理开始时或者也在运行进行中可以从光LP1-LP4中或从借助光谱分辨的光电传感器12生成的光測量信号LM1-LM4中获得參考光谱。例如或者通过将靠近中心的位置点P3的光測量信号LM3用作參考光谱，或者通过从多个或所有位置点P1-P4的光測量信号LM1-LM4中通过形成平均值来确定參考光谱，或者根据下面进ー步描述的更准确的方法之一。如从图6的图表中可看出的，光测量信号LM1’ -LM4’或LM1’ ’ -LM4’ ’的光强度值相对近地放在一起。这在将它们用作分类特征并且在“糖尖峰”标准被定义为与阈值光強度值的偏差的情况下，偶尔导致不期望地高的探测误差率。如果马铃薯的照射利用宽带光进行并且由位置点P1-P4反射和/或透射的光LP1-LP4的光谱被确定为光測量信号LM1-LM4，例如用图4中所示的光电传感器12可能实现的，则该误差率可以明显降低。从信号变化曲线，也就是光测量信号LM1-LM4的光谱中可以利用曲线讨论装置来设定有效的分类特征和“糖尖峰”标准，例如在确定的波长情况下的升高或弯曲。如果形成光谱、即光測量信号LM1-LM4的n (n=l, 2,...)阶导数并且将曲线讨论装置作为分类特征和“糖尖峰”标准来应用于该导数，则可以获得可评估的信号的有效性的进ー步升高。也即通过形成导数，曲线走向的方向改变的程度升高，由此生成可从中更好地表征糖的程度的信息。要提到的是，光谱光测量信号LM1-LM4在其处理之前还可以经受预处理。对光谱的预处理包含功能:
籲强度均衡 缺陷像素处理 籲噪声抑制 局部校正
导数(I阶和2阶导数)
标准化
平滑。在探測马铃薯中的“糖尖峰”缺陷的另ー个变型方案中，从位置点P1-P4的相应光谱或相应光谱的n阶导数中确定分类特征，其方式是，如在图7的图表中所示，通过形成在相应位置点的光谱光测量信号与一系列波长的參考光谱的光谱值之间的差来形成针对相应位置点？144的差变化曲线0( 1)，D(P2), D(P3), D (P4)，或者其方式是，形成在相应位置点的光谱光测量信号的n阶导数与一系列波长的參考光谱的n阶导数之间的差。分类特征从这样确定的差变化曲线中确定，其方式是例如定义第三阈值光强度值T3，并且将“糖尖峰”标准定义为在例如1150与1300nm之间的波长范围内、或者特别在诸如1150nm处的唯一的波长时低于阈值光强度值T3。如从图7的图表中看出的，相应位置点P1-P4的差变化曲线D(P1)，D(P2), D(P3), D(P4)剧烈彼此不同，并且毫无疑问:与靠近中心的位置点P3的差变化曲线D(P3)相比，位置点Pl的差变化曲线D(Pl)指出“糖尖峰”缺陷。下面将差变化曲线称为差光谱。有意义地，这也指的是I阶和2阶导数的差变化曲线。定义:
被減数光谱:(位置点的)当前所测量的光谱 减数光谱:(存放在存储器中的)參考光谱。首先计算与减数光谱(r)的差光谱(Ar):
权利要求
1.用于探测马铃薯(K)中的“糖尖峰”缺陷的方法，包括: 利用至少ー个光源(11)照射马铃薯(K)， 对于每个马铃薯(K)上的多个位置点(P1-P4)，其中位置点(Pl，P2, P4)位于马铃薯(K)的两个端部区域处并且其它位置点(P3)位于马铃薯(K)的中心区域中，将在相应的位置点(P1-P4)处反射的和/或透射的光(LP1-LP4)选择性地投射到至少ー个光电传感器(12)上，通过至少一个光电传感器(12)从接收的光(LP1-LP4)中针对每个位置点(P1-P4)记录光測量信号(LM1-LM4)，并且对这样地针对每个位置点(P1-P4)记录的光測量信号(LM1-LM4)进行中间存储， 其特征在干， 从光测量信号(LM1-LM4)中确定至少ー个分类特征，并且 当至少ー个分类特征与预定的“糖尖峰”标准相应时，将马铃薯(K)分类为患有“糖尖峰”缺陷。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，将由位置点(P1-P4)反射和/或透射的光(LP1-LP4)顺序地投射到至少ー个光电传感器(12)上。
3.根据权利要求2的方法，其特征在干，马铃薯(K)沿着输送方向(F)以定义的输送速度(V)运动并且由位置点(P1-P4)反射或透射的光(LP1-LP4)相继地、在时间上相间隔地投射到同一个光电传感器(12)上。
4.根据权利要求3的方法,其特征在于,分布式地横向于输送方向(F)布置多个光电传感器(12),其中在输送方向上看,ー个接ー个的位置点(P1-P4)分别被分配给同一个光电传感器(12)。
5.根据权利要求1至4之一的方法,其特征在于,光测量信号(LM1-LM4)包含用于ー个波长(TWl)或波长带(TWBl)，或者用于多个彼此相间隔的波长或波长带的光强度值，其中这些光強度值是分类特征并且“糖尖峰”标准被定义为与阈值光强度值(Tl，T2)的偏差。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于，在确定的波长(TWl)或波长带(TWBl)情况下光強度值通过以下方式获得:利用具有所述确定的波长(TWl)或波长带(TWBl)的窄带光井行地或顺序地照射马铃薯(K);和/或利用宽带光来照射马铃薯(K)和利用带通滤波器(19)对在相应的位置点(P1-P4)处反射的和/或透射的光进行滤波，所述带通滤波器的通过范围包含所述确定的波长或波长带；和/或提供在所述确定的波长或波长带中是灵敏的光电传感器。
7.根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于，利用宽带光对马铃薯(K)进行照射，借助至少ー个光电传感器(12)记录由位置点(P1-P4)反射和/或透射的光(LP1-LP4)的光谱作为光測量信号(LM1-LM4)，并且从所述光谱或所述光谱的n (n=l, 2,...)阶导数中确定至少ー个分类特征。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，通过将光谱分裂成多个光谱分量来记录由位置点反射和/或透射的相应光，并且将每ー个光谱分量辐射到装配有多个像点的光电传感器(12)的、分配给该光谱分量的光敏像点(Bxy)上，其中可选地ニ维地布置光电传感器的像点(Bxy)，其中第一维代表位置点，并且第二维代表光的光谱分量。
9.根据权利要求7或8的方法，其特征在于，从位置点的相应光谱或相应光谱的n阶导数中确定至少ー个分类特征包括:通过形成相应位置点(P1-P4)的光谱光测量信号(LM1-LM4)与一系列波长的參考光谱的光谱值之间的差，或者通过形成相应位置点(P1-P4)的光谱光测量信号(LM1-LM4)的n阶导数与一系列波长的參考光谱的n阶导数之间的差，计算相应位置点(P1-P4)的差变化曲线，并且从这样确定的差变化曲线(D(P1)-D(P4))中确定分类特征。
10.根据权利要求9的方法，其特征在干，从差变化曲线中推导出的分类特征是相应差变化曲线在波长上的强度变化曲线并且从超出或低于定义的波长或波长带处的强度极限值中选择分类标准，必要时在形成波长带内的强度值的平均值的条件下，和/或强度值存在于定义的波长或波长带处的定义的强度值范围之内或之外，必要时在形成波长带内的强度值的平均值的条件下，和/或强度变化曲线的至少ー个分段与预先定义的模式的相似度。
11.根据权利要求9或10的方法，其特征在干，从差变化曲线中推导出的分类特征是相应差变化曲线的第一或第二微商的变化曲线并且从超出或低于定义的波长或波长带处的微商的极限值中选择分类标准，必要时在形成波长带内的微商值的平均值的条件下，和/或微商值存在于定义的波长或波长带处的定义的微商值范围之内或之外，必要时在形成波长带内的微商值的平均值的条件下，和/或微商变化曲线的至少ー个分段与预先定义的模式的相似度。
12.根据权利要求9至11之一的方法，其特征在干，从差变化曲线中推导出的分类特征从差变化曲线至少逐段地变换成可见的波长范围来获得，由此获得伪彩色图像，其中优选地，将差变化曲线的至少3个分段变换为可见的波长范围，并且分类标准是颜色或颜色范围或颜色过渡在伪彩色图像中的位置分辨的出现和/或缺乏。
13.根据权利要求9至12之一的方法，其特征在于，将參考光谱计算为来自至少ー个马铃薯(K)的位置点(P1-P4)的光谱图像数据、优选来自被分配给ー个或多个马铃薯(K)的中心区域的位置点(P1-P4)的光谱图像数据的平均光谱。
14.根据权利要求13的方法，其特征在于，參考光谱被计算或更新为来自ー个或多个在“糖尖峰”缺陷方面待研究的马铃薯(K)的位置点(P1-P4)的光谱图像数据的位置上和/或时间上平均的光谱，可选地在马铃薯(K)沿着输送方向运动期间。
15.根据权利要求7或8的方法，其特征在于，从位置点(P1-P4)的相应光谱或相应光谱的n阶导数中确定至少ー个分类特征包括计算诸如葡萄糖、淀粉、固体的内容物质的浓度，和/或从相应位置点的光谱或光谱的n阶导数中检测玻璃状态，并且分类特征从所确定的内容物质浓度值或其组合，例如葡萄糖与淀粉的比例，和/或玻璃状态中选择。
16.根据权利要求15的方法，其特征在于，从至少ー个位置点(P1-P4)的光谱或光谱的n阶导数中确定诸如葡萄糖、淀粉、固体的内容物质的參考浓度，和/或玻璃状态，其中位置点(P1-P4)优选位于马铃薯的中心区域中，其中可选地多个位置点(P1-P4)在形成其光谱或光谱的n阶导数的平均值的条件下被采用，并且内容物质的所确定的參考浓度值或其组合，例如葡萄糖与淀粉的比例，和/或參考玻璃状态与内容物质的浓度或其组合和/或位于马铃薯的端部区域处的位置点(P1-P4)处的玻璃状态的偏差表示“糖尖峰”标准。
17.用于探测马铃薯(K)中的“糖尖峰”缺陷的传感器単元(10)，该传感器単元包括: -至少ー个用于照射马铃薯(K)的光源(11)， -至少ー个光电传感器(12)，-光学装置(13)，利用该光学装置将在每个马铃薯(K)上的位置点(P1-P4)处反射和/或透射的光(LP1-LP4)选择性地投射到至少ー个光电传感器(12)上， -其中至少ー个光电传感器(12)从所接收的光(LP1-LP4)中针对每个位置点生成光测量信号(LM1-LM4)， -中间存储器(15)，利用该中间存储器针对每个位置点(P1-P4)存储由至少ー个光电传感器(12)生成的光测量信号(LM1-LM4)， 其特征在干， 计算装置(14)，其执行根据权利要求1至16之一的用于探测马铃薯中的“糖尖峰”缺陷的方法，其中当至少ー个分类特征与预定的“糖尖峰”标准相应时，该计算装置(14)将马铃薯分类为患有“糖尖峰”缺陷并且发出“糖尖峰”信号(6，7)。
18.根据权利要求17的传感器単元，其特征在于，至少ー个光源(11)辐射出在至少ー个位于350与2500nm之间的波长范围内的光。
19.根据权利要求17或18的传感器単元，其特征在于，该传感器单元与输送装置(2)的协作，在所述输送装置上马铃薯沿着输送方向(F)以定义的输送速度(V)运动。
20.根据权利要求17至19之一的传感器単元，其特征在于，光学装置(13)包括可运动的光偏转装置(20)，利用该光偏转装置将由位置点反射和/或透射的光顺序地投射到至少一个光电传感器(12)上。
21.根据权利要求17至20之一的传感器単元，其特征在干，设置多个光电传感器(12)。
22.根据权利要求17 至21之一的传感器単元，其特征在于，光学装置包括带通滤波器(19)或摄谱仪(21)。
23.根据权利要求17至22之ー的传感器单元，其特征在于在定义的波长或波长带中灵敏的光电传感器(12)。
24.根据权利要求17至23之一的传感器単元，其特征在于具有多个光敏像点(Bxy)的光电传感器(12)，其中可选地ニ维地布置光电传感器的像点，其中第一维代表位置点(P1-P4)，并且第二维代表光的光谱分量。
25.用于处理患有“糖尖峰”缺陷的马铃薯的机器(1)，该机器包括用于沿着输送方向(F)以定义的输送速度(V)输送马铃薯(K)的输送装置(2)，以及用于马铃薯(K)的处理装置(3)，其特征在于布置在输送装置(2)处的根据权利要求17至24之一的传感器単元(10)，其中由传感器単元(10 )发出的“糖尖峰”信号(6，7 )操控处理装置(3 )。
26.根据权利要求25的机器，其特征在于，处理装置(3)包括马铃薯分拣装置(5)。
27.根据权利要求25的机器，其特征在于，处理装置(3)包括用于从患有“糖尖峰”缺陷的马铃薯(K)切掉端部的切割装置(4)。
全文摘要
本发明涉及一种用于探测马铃薯(K)中的“糖尖峰”缺陷的方法、传感器单元和机器。该方法包括利用至少一个光源(11)照射马铃薯(K)，对于每个马铃薯(K)上的多个位置点(P1-P4)，其中位置点(P1,P2,P4)位于马铃薯的端部区域处并且其它位置点(P3)位于马铃薯的中心区域中，将在相应的位置点处反射的和/或透射的光(LP1-LP4)选择性地投射到至少一个光电传感器(12)上，通过至少一个光电传感器(12)从接收的光中针对每个位置点(P1-P4)记录光测量信号(LM1-LM4)，并且对这样地针对每个位置点记录的光测量信号(LM1-LM4)进行中间存储，从光测量信号(LM1-LM4)中确定至少一个分类特征，并且当至少一个分类特征与预定的“糖尖峰”标准相应时，将马铃薯(K)分类为患有“糖尖峰”缺陷。
文档编号B07C5/342GK103119423SQ201180046309
公开日2013年5月22日 申请日期2011年7月8日 优先权日2010年7月27日
发明者M.布格施塔勒, P.克施哈格尔, M.格罗尼希 申请人:Evk Di 克施哈格有限责任公司, 因弗鲁茨股份公司