本发明涉及一种水果品质检测装置，特别是涉及一种水果品质在线检测装置。
背景技术：
随着农业生产技术的发展，水果的消费量和产量每年都持续增长，同时人们在购买水果时也越发注重风味、口感、新鲜程度等品质，水果品质准确判别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，水果的硬度与其存储时间息息相关，通过振动检测技术可以获得水果的硬度信息，进而确定水果合适的货架期和存储期。
目前已有的相关振动检测方法有摆球敲击法、扬声器激振法以及压缩空气式激励法。此外，激光多普勒测振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、不受环境噪声影响等优点，其特点满足准确测量农产品振动特性的需要，具有在线检测水果品质的潜力。
技术实现要素：
本发明主要解决的技术问题是提供一种水果品质在线检测装置，能够实现水果品质在线的功能，解决传统检测手段易受到环境干扰的问题，利用小球碰撞激励装置和激光多普勒测振来检测水果品质，并且提高水果在线检测的精度和速度。
为实现上述目的，本发明采用的一个技术方案是：
本发明包括铝型材支架、plc控制器、带式输送机、侧顶升气缸、以及安装在铝型材支架上的倍速链、小球激振单元、阻挡气缸、承载托盘单元、激光多普勒测振单元、检测顶升气缸；铝型材支架的两端均装有带式输送机，带式输送机底部连接侧顶升气缸，侧顶升气缸底部固定于铝型材支架；两条倍速链水平平行安装在铝型材支架的中部并且分别上下布置，两条倍速链的输送方向相反，承载托盘单元置于倍速链上，水果放在承载托盘单元上；铝型材支架中部设置检测工位，检测顶升气缸和阻挡气缸安装在铝型材支架上并位于检测工位，铝型材支架两侧方分别设有激光多普勒测振仪单元和小球激振单元，激光多普勒测振仪单元和小球激振单元对称地布置于检测工位的两侧；小球激振单元、带式输送机、侧顶升气缸、阻挡气缸、减速电机、激光多普勒测振单元、检测顶升气缸均与plc控制器相连。
所述的铝型材支架的两端安装有后支撑板和前支撑板，每条倍速链两端的链轮轴分别支撑连接于后支撑板和前支撑板，两条倍速链分别布置在铝型材支架沿高度的上部和中部。
两条倍速链的链轮轴通过联轴器和减速电机的输出轴相连，由减速电机驱动带动倍速链运行，承载托盘单元受倍速链带动水平移动；承载托盘单元移动到检测工位时，被阻挡气缸阻挡，被检测顶升气缸顶升。
所述小球激振单元包括步进电机、直线气缸、主动轮、小球滚动轨道、碰撞球、光电传感器、轨道同步带和从动轮；小球滚动轨道是主要由上下轨道和左右轨道相衔接构成的环形轨道，上下轨道和左右轨道均为顶面设有条形凹槽且以条形凹槽延伸方向作为轨道方向的竖直轨道板，下轨道的低位端与右轨道的低位端连接，下轨道的高位端与左轨道的低位端连接，上轨道的高位端与右轨道的高位端连接，上轨道的低位端与左轨道的高位端连接，碰撞球放置在小球滚动轨道上滚动，上下轨道和左右轨道的轨道方向与水平面之间倾角各不相同；右轨道的高位端安装有主动轮，右轨道的低位端安装有从动轮，主动轮和从动轮之间通过轨道同步带连接，轨道同步带平行于右轨道的轨道方向；步进电机安装在右轨道，步进电机的输出轴通过联轴器与主动轮同轴连接；光电传感器安装于下轨道的低位端与右轨道的低位端之间交界处，在下轨道的低位端与左轨道的低位端之间交界处开有第一通孔，第一通孔沿左轨道的低位端出口的切线方向；在上轨道的高位端与右轨道的高位端之间交界处开有第二通孔，第二通孔沿上轨道的高位端出口的切线方向，第二通孔旁的右轨道安装有直线气缸，直线气缸的输出轴轴端正对第二通孔；导轨固定于左轨道外壁，且与水平面保持30°倾角，滑块安装于导轨上，支撑块安装于滑块上部，衔铁一端通过铰链固定于支撑块上部，衔铁另一端向左轨道上方延伸并延伸到左轨道的条形凹槽，并且在衔铁另一端和支撑块上端之间设连接有弹簧，并且在支撑块上端设置电磁铁，通过电磁铁通断电实现对衔铁的吸附，控制衔铁另一端对碰撞球阻挡位置的调整。
所述激光多普勒测振单元包括激光多普勒测振仪、升降台和仪器支架；升降台安装在仪器支架上，激光多普勒测振仪安装于升降台的顶部，激光多普勒测振仪的探头正对对准第一通孔。
位于检测工位并且被检测顶升气缸顶升后承载托盘单元上的水果位于小球激振单元和激光多普勒测振单元之间，具体位于第一通孔和激光多普勒测振仪的探头之间，并且水果表面与第一通孔紧贴。
通过调节上轨道和左轨道的倾角调整碰撞球沿小球滚动轨道滚动后从第一通孔滚出碰撞到水果表面的碰撞力。
上下轨道的轨道方向与水平面之间倾角为5°且上下轨道的轨道方向不平行，左轨道的轨道方向与水平面之间的倾角为30°，右轨道的轨道方向与水平面之间的倾角为34°。
所述承载托盘结构包括滚轮、托盘垫片、托盘底座、工装板和防撞块；工装板的两侧开有用于连接倍速链的定位槽，托盘底座固定于工装板的顶面中央，托盘垫片安装在托盘底座上，滑轮安装在工装板两侧开有的定位槽旁，防撞块安装在工装板的前侧。
所述带式输送机包括机壳和安装在机壳上的皮带、同步带、主滚筒、从滚筒、可逆电机和第一同步轮；机壳的两侧对称布置有相同的滚筒组件，中间布置有可逆电机；滚筒组件包括主滚筒、从滚筒以及连接在主滚筒和从滚筒之间的皮带，两侧滚筒组件的主滚筒之间以及两侧的滚筒组件的从滚筒之间各自均通过传动轴同轴连接，两侧滚筒组件的主滚筒之间的传动轴上固定套装有第二同步轮，可逆电机的输出轴同轴固定有第一同步轮，第一同步轮通过同步带与第二同步轮连接；可逆电机输出动力经同步带传递动力给与主滚筒连接的传动轴，主滚筒通过皮带传递动力给从滚筒。
两侧滚筒组件的皮带用于支撑放置承载托盘结构。
本发明还可包括数据采集及控制电路，数据采集及控制电路包括ni数据采集卡、plc控制器、电磁阀和电机驱动器；激光多普勒测振经数据采集卡和上位机连接，plc控制器与光电传感器连接获取检测对象位置信息，并与上位机通讯，上位机发送激励启动信号和采集启动信号分别给数据采集卡、电磁阀和电机控制器，激励产生的振动信号由激光多普勒测振仪经ni数据采集卡采集后上传到上位机。
由于不同品种、不同成熟度的瓜果表现的硬度不同，敲击时需要不同材料的碰撞球和碰撞速度以达到最佳的激励效果。本发明通过可更换碰撞球来激励样品，利用滑轨和电磁铁相互配合的阻挡机构控制碰撞球滚落速度，通过激光多普勒测振仪采集其中的振动变化信号，具体是由上位机通过激光多普勒测振仪采集到瓜果敲击时的振动信号和通过电子秤采集到的瓜果质量信号后，对其振动特征进行提取，并和质量信号通过建立的模型进而判断瓜果的坚实度，实现在线检测。
本发明通过小球激振单元的结构设计以及与激光多普勒测振单元配合工作实现了水果品质在线检测的可调整、可更换的灵活性，并使得检测准确性提高。
本发明的有益效果是：
本发明能够实现在线检测水果品质，并且提高水果在线检测的精度和速度。
本发明可以根据瓜果品种自由更换碰撞球材质，并控制碰撞球的速度，输送单元采用上下水平倍速链和顶升气缸相互配合减少了一定的占地面积，适用于现场检测并可以根据水果品质进行分级。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图；
图2是小球激振单元结构示意图；
图3是小球激振单元控速结构示意图；
图4是承载托盘结构示意图；
图5是带式输送机结构示意图；
图6是激光多普勒测振单元结构示意图。
附图中各部件的标记如下：100、倍速链；200、小球激振单元，201、步进电机，202、直线气缸，203、主动轮，204、小球滚动轨道，205、碰撞球，206、光电传感器，207、轨道同步带，208、从动轮，209、第一通孔，210、第二通孔，211、导轨，212、衔铁，213、铰链，214、弹簧，215、电磁铁，216、支撑块，217、滑块；300、阻挡气缸；400、承载托盘单元，401、滚轮，402、样品，403、托盘垫片，404、托盘底座，405、工装板，406、防撞块；500、带式输送机，501、皮带，502、同步带，503、主滚筒，504、从滚筒，505、可逆电机，506、同步轮；600、侧顶升气缸，700、减速电机，800、后支撑板；900、激光多普勒测振单元，901、激光多普勒测振仪，902、升降台，903、铝型材支架，1000、检测顶升气缸，1100、前支撑板。
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、plc控制器、带式输送机500、侧顶升气缸600、以及安装在铝型材支架上的倍速链100、小球激振单元200、阻挡气缸300、承载托盘单元400、激光多普勒测振单元900、检测顶升气缸1000；铝型材支架的两端均装有带式输送机500，带式输送机500底部连接侧顶升气缸600，侧顶升气缸600底部固定于铝型材支架；两条倍速链100水平平行安装在铝型材支架的中部并且分别上下布置，两条倍速链100的输送方向相反，承载托盘单元400置于倍速链100上，水果402放在承载托盘单元400上；铝型材支架中部设置检测工位，检测顶升气缸1000和阻挡气缸300通过气缸底板安装在铝型材支架上并位于检测工位，阻挡气缸300位于检测顶升气缸1000旁，铝型材支架两侧方分别设有激光多普勒测振仪单元900和小球激振单元200，激光多普勒测振仪单元900和小球激振单元200对称地布置于检测工位的两侧；小球激振单元200、带式输送机500、侧顶升气缸600、阻挡气缸300、减速电机700、激光多普勒测振单元900、检测顶升气缸1000均与plc控制器相连。
具体实施中，步进电机201、、直线气缸202、光电传感器206、阻挡气缸300、可逆电机500、顶升气缸600、减速电机700、激光多普勒测振仪901、顶升气缸1000均与plc控制器相连。
铝型材支架的两端安装有后支撑板800和前支撑板1100，每条倍速链100两端的链轮轴分别支撑连接于后支撑板800和前支撑板1100，两条倍速链100分别布置在铝型材支架沿高度的上部和中部。
两条倍速链100的链轮轴通过联轴器和减速电机700的输出轴相连，承载托盘结构400的工装板上的托盘垫片放置待测水果，由减速电机700驱动带动倍速链100运行，承载托盘单元400受倍速链100带动水平移动；承载托盘单元400移动到检测工位时，被阻挡气缸300阻挡，被检测顶升气缸1000顶升，然后小球激振单元根据不同的水果类型，选择合适材料的激振球来撞击水果，并由安装于另一端的激光多普勒测振单元检测水果的振动信号。
如图2所示，小球激振单元200包括步进电机201、直线气缸202、主动轮203、小球滚动轨道204、碰撞球205、光电传感器206、轨道同步带207和从动轮208、第一通孔209、第二通孔210、导轨211、衔铁212、铰链213、弹簧214、电磁铁215、支撑块216、滑块217；小球滚动轨道204是主要由上下轨道和左右轨道相衔接构成的环形轨道，上下轨道和左右轨道均为顶面设有条形凹槽且以条形凹槽延伸方向作为轨道方向的竖直轨道板，上下轨道的轨道板平面平行于倍速链100，左右轨道的轨道板平面垂直于于倍速链100，下轨道的低位端与右轨道的低位端连接，下轨道的高位端与左轨道的低位端连接，上轨道的高位端与右轨道的高位端连接，上轨道的低位端与左轨道的高位端连接，碰撞球205放置在小球滚动轨道204上滚动；右轨道的高位端安装有主动轮203，右轨道的低位端安装有从动轮208，主动轮203和从动轮208之间通过轨道同步带207连接，轨道同步带207平行于右轨道的轨道方向；步进电机201安装在右轨道，步进电机201的输出轴通过联轴器与主动轮203同轴连接；光电传感器206安装于下轨道的低位端与右轨道的低位端之间交界处，在下轨道的低位端与左轨道的低位端之间交界处开有第一通孔209，第一通孔209沿左轨道的低位端出口的切线方向；在上轨道的高位端与右轨道的高位端之间交界处开有第二通孔210，第二通孔210沿上轨道的高位端出口的切线方向，第二通孔210旁的右轨道安装有直线气缸202，直线气缸202的输出轴轴端正对第二通孔210。本发明设置的小球激振单元控速结构如图3所示，导轨211固定于左轨道外壁，且与水平面保持30°倾角，滑块217安装于导轨211上，支撑块216安装于滑块217上部，衔铁212一端通过铰链213固定于支撑块216上部，衔铁212另一端向左轨道上方延伸并延伸到左轨道的条形凹槽，并且在衔铁212另一端和支撑块216上端之间设连接有弹簧214，并且在支撑块216上端设置电磁铁215，通过电磁铁215通断电实现对衔铁212的吸附，控制衔铁212另一端对碰撞球205阻挡位置的调整。
位于检测工位并且被检测顶升气缸1000顶升后承载托盘单元400上的水果位于小球激振单元200和激光多普勒测振单元900之间，具体位于第一通孔209和激光多普勒测振仪901的探头之间，并且水果表面与第一通孔209紧贴。
具体实施中，上下轨道和左右轨道的轨道方向与水平面之间倾角各不相同，上下轨道的轨道方向与水平面之间倾角为5°且上下轨道的轨道方向不平行，左轨道的轨道方向与水平面之间的倾角为30°，右轨道的轨道方向与水平面之间的倾角为34°。
如图6所示，激光多普勒测振单元900包括激光多普勒测振仪901、升降台902和仪器支架903；升降台902安装在仪器支架903上，激光多普勒测振仪901通过定位孔安装于升降台902的顶部，激光多普勒测振仪901的探头垂直于于倍速链100且正对对准第一通孔209。
如图4所示，承载托盘结构400包括滚轮401、托盘垫片403、托盘底座404、工装板405和防撞块406；工装板405的两侧开有用于连接倍速链100的定位槽，托盘底座404固定于工装板405的顶面中央，托盘垫片403安装在托盘底座404上，水果402通过托盘垫片403放置在托盘底座404上，滑轮401安装在工装板405两侧开有的定位槽旁，滑轮401用于与倍速链100连接，防撞块406安装在工装板405的前侧，防撞块406用于与阻挡气缸300碰撞连接。
不同口径的托盘垫片固定在托盘底座上并将底座固定在工装板上，工装板四侧开槽并安装防撞块，阻挡气缸固定于检测工位，利用顶升气缸实现工装板的垂直移动。
如图5所示，带式输送机500包括机壳和安装在机壳上的皮带501、同步带502、主滚筒503、从滚筒504、可逆电机505和第一同步轮506；机壳的两侧对称布置有相同的滚筒组件，中间布置有可逆电机505；滚筒组件包括主滚筒503、从滚筒504以及连接在主滚筒503和从滚筒504之间的皮带501，两侧滚筒组件的主滚筒503之间以及两侧的滚筒组件的从滚筒504之间各自均通过传动轴同轴连接，两侧滚筒组件的主滚筒503之间的传动轴上固定套装有第二同步轮507，可逆电机505的输出轴同轴固定有第一同步轮506，第一同步轮506通过同步带502与第二同步轮507连接；可逆电机505输出动力经同步带502传递动力给与主滚筒503练级的传动轴，主滚筒503通过皮带501传递动力给从滚筒504。
通过侧顶升气缸600的带动带式输送机500上下升降移动，将带式输送机500上的承载托盘结构400垂直移动；通过可逆电机505调节同步带502的正反转，将承载托盘结构400水平移动到上倍速链或者下倍速链上。
具体实施综合了数据采集卡、小球激振单元200、激光多普勒测振仪901等，结合激光多普勒原理，实现了对水果硬度的在线检测，其中采用了倍速链100、光电传感器、阻挡气缸300、带式输送机500、顶升气缸600等部件实现了装置的自动化，实现了工装板的垂直循环。其中控制器例如可以采用了西门子s7-200系列的plc。
本发明装置在线检测水果品质的实施过程包括以下步骤：
(1)将被测水果置于承载托盘单元400上，并将工装板405水平放置于由减速电机700驱动的倍速链100的原点上，当承载托盘单元400运输到顶升气缸1000上方时，承载托盘单元400上的光电传感器检测到位置信号，并发送给plc控制器，plc控制器控制阻挡气缸阻挡工装板405，并控制顶升气缸1000抬起承载托盘单元400，使其脱离倍速链100进入检测工位，顶升气缸1000上的压力传感器采集样品的质量信息，并将质量信号发送到上位机。
(2)plc控制器控制小球激振单元和激光多普勒测振仪901工作，滑块217沿着导轨211移动到目标位置，电磁铁215通电并吸住衔铁212，衔铁212落下，其右端的半圆形挡板阻挡小球的左轨道，上轨道的高位端与右轨道的高位端之间交界处的位置作为碰撞球205的起点位置，直线气缸202工作其输出端推动碰撞球205，碰撞球205先沿上轨道移动，然后碰撞球205通过自身重力从左轨道滚下，直至被半圆形挡板阻挡停下，待完全静止后，电磁铁215失电，衔铁212由于弹簧214的作用抬起，碰撞球205继续沿左轨道滚动，获得预计的速度后碰撞承载托盘单元400上的被测水果。
碰撞的同时激光多普勒测振仪901采集被测水果的振动信号，通过数据采集卡将所测振动信号传输到上位机中。在激励被测水果振动后，碰撞球205与水果402分离，通过自身重力从下轨道滚下，光电传感器206获取碰撞球的位置信息，并将该信号传递给plc控制器，碰撞球205通过轨道同步带207运输到上轨道的高位端与右轨道的高位端之间交界处，此时plc控制器控制直线气缸202将碰撞球205推入上轨道，并通过碰撞球205自身重力作用回到起点位置，等待下一次激振信号。
(3)上位机根据激光多普勒测振仪采集的振动信号分析出该水果的第二共振频率，集合压力传感器获得的质量信号，计算出作为表征成熟度的物理检验指数：
ei＝f22m2/3
其中，ei表示弹性系数，f2表示第二共振频率，m表示测被测样品质量。
分析出水果坚实度情况，并判断该被测水果的成熟情况。此外，也可分析振动信号的基频频率和频率峰值作为判断水果成熟度的依据。
(4)检测结束，plc控制顶升气缸1000复位，并控制阻挡气缸300落下，处于放行状态，此时，工装板405重新落到倍速链100上，并继续前行进入带式输送机500。可逆电机505正转，将承载托盘单元400通过皮带501迎入，使得承载托盘单元400完全进入带式输送机500。然后开始卸料，将检测水果402取出，然后顶升气缸600开始工作，将其垂直运输到下倍速链侧方位于同一水平位置，此时可逆电机505反转，将承载托盘单元400卸出带式输送机而输送到下倍速链上，待完全卸出后，顶升气缸600复位，并等待下一次工作。
工装板405通过下倍速链运输到另一台带式输送机内，再通过另一台带式输送机和另一台顶升气缸600抬升并输送到上倍速链100，经历上述相反的过程将承载托盘单元400送回到原点。
为获得较佳的样品振动信号，需要根据样品种类和质地选择不同材料的碰撞球，并且通过滑轨调节控速机构高度来控制碰撞球达到预计速度。本发明还可以更换托盘垫片403的型号，改变孔径大小，来适应不同的形状大小的待测样品。