一种水果的内部品质无损检测装置及方法与流程

本发明涉及一种水果的内部品质无损检测装置及方法。

背景技术

苹果、梨、柑橘等水果是人们日常生活重要的食品资源。随着生活水平的提高，人们除了注重水果外观，更注重其内在质量。

近年来，近红外光谱检测技术在农产品无损检测方面应用日渐广泛，许多关于水果内部品质信息检测研究和专利技术，但实用化程度不高，主要原因是近红外光谱技术抗干扰能力弱、检测设备成本高，无法满足市场需求。

采集水果光谱的方法，常见的有漫反射法、透射法、漫透射法。其中，对于漫反射法而言，往往受到果皮颜色、纹理、平滑度等因素影响，使得检测结果不够稳定、可靠，而且漫反射法是属于局部的单点检测，往往需要多次检测取平均值作为最终结果；而对于水果，采用透射的光谱检测方法虽然能获取大部分水果的内部品质信息，但往往需要大功率的光源光照，容易使水果表皮灼伤，且透射光谱一般掺夹着水果内核等组分信息，影响后续光谱模型预测的稳定性。漫透射法是一种可靠的光谱采集方法，对于水果而言，该方法避免了局部单点检测，避免大功率光照灼伤果皮及掺夹果核的光谱信息。

光照系统是可见-近红外光谱检测技术的重要组成部分，直接关系到光谱信号采集的可靠性。国内外已有一些水果检测的便携装置研究，目前有一种已经商业化的漫反射光纤检测探头，形状呈y型，能同时传输光源与光谱的信号接收，但是这种漫反射光谱的采集受限于水果的单点检测，仅能反映水果表层的局部信息，不能有效表征水果全部信息。国内专利cn101799401a公开了一种水果内部品质检测的手持式近红外探头与探测方法，运用4个水果特征波长的led光源与检测光纤集合在一起，该方法虽然以漫透射法获取的光谱信息能表征绝大部分果品内部信息，但有限的光源波谱供足建模光谱信息不足。

另外，在论文“基于可见/近红外光谱技术的便携分析仪的应用”(引自《食品安全质量检测学报》,2017,08(09):3455-3460)比较了样本光谱数据的建模及预测方法，一种是将多次采集的光谱数据进行平均，作为该样本的最终光谱数据，用于预测水果品质指标；另一种是将多次采集的光谱数据视作为多个平行样本，模型预测后的多个数值取平均值作为水果品质指标。该项研究的结果表明第二种方法具有更好的预测结果，特别是预测偏差远低于第一种方法。而专利201210330564.2虽采用了卤素灯提供丰富的光谱信息及漫透射的光谱采集方式，但需要翻转水果才能获取多个水果采样的光谱信息，这极易引入操作过程中的噪声信号。当前绝大多数的水果品质检测装置是收集了水果平均光谱信息来预测水果品质信息，这就造成水果预测结果的偏移。

基于当前研究存在的问题，为减少水果转动等操作来快速获取水果的多个平行漫透射光谱信息，本发明将采用多通道漫透射光谱采集探头来获取水果的光谱信息，并以各采样光谱构建定量模型，以各采样光谱预测结果的平均值为所测水果的品质指标。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种水果的内部品质无损检测装置及方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种水果的内部品质无损检测装置，包括托盘、环形遮光圈、卤素灯光源、底座、多通道传输光纤及电机，所述的托盘用于承载并限位水果，所述的底座设于托盘的下方并用于支撑及固定托盘，所述的环形遮光圈位于托盘内并沿托盘的内周壁周向设置；

所述的环形遮光圈沿周向分布有将自身的内环壁与外环壁相连通的若干透光窗和若干透光孔组，各所述的透光窗等距排列并与任一透光孔组之间均存在间隔，各所述的透光孔组均包括一定位类透光孔和一透光孔，各所述的定位类透光孔等距排列，沿所述的环形遮光圈的逆时针方向依次排列的各透光孔组上的透光孔与对应的定位类透光孔之间的距离逐渐变大；所述的卤素灯光源的数量有若干个，各所述的卤素灯光源均设于托盘的内周壁并与各透光窗的位置一一对应，所述的多通道传输光纤具有若干光信号接收端口和一个光信号输出端口，各所述的光信号接收端口均设于托盘的内周壁并与各透光孔组的位置一一对应；所述的环形遮光圈的外周设有若干齿轮槽，其中一所述的齿轮槽上设有与之啮合传动的主动齿轮、其余所述的齿轮槽上设有与之啮合传动的从动齿轮，所述的电机设于托盘，所述的电机具有一输出轴，该输出轴与主动齿轮连动设置，通过输出轴的转动可驱动主动齿轮与对应的齿轮槽的啮合传动，以带动环形遮光圈的顺时针转动；当所述的托盘上的各光信号接收端口与环形遮光圈上的各透光孔组的位置均不吻合时无光谱信号输出；当所述的托盘上的各光信号接收端口与各对应的定位类透光孔的位置均相吻合时输出光谱信号；在环形遮光圈的转动过程中，托盘上的其中一光信号接收端口会与对应的透光孔的位置相吻合并输出对应的光谱信号，其余的各光信号接收端口则与对应的各透光孔的位置均不吻合并无光谱信号输出，且所述的托盘上的各卤素灯光源始终与对应的透光窗的位置构成局部或全部吻合。

通过上述技术方案,托盘用于承载并限位水果，防止水果的脱落而影响采集数据的持续性；透光窗的设置，使得卤素灯光源的照射光能透过透光窗照射到水果，卤素灯光源的光谱较长，接近于太太阳光，对水果的测量结果更加真实，同时卤素灯光源能够发出丰富的连续波段的光谱，充分反映与水果内部组织的作用，以提高检测到的光谱信号的准确性；透光孔组的设置，使得多通道传输光纤的光信号接收端口能通过透光孔组检测水果的光谱信号，光纤的传输速度更快，增加本发明的信号传输及处理速度，效率更高；同时环形遮光圈的设置，能使得卤素灯的光照呈环型的均匀分布，与水果的表面相匹配，更好的直射到水果并获取水果表层信息；同时，考虑到需要对水果各角度光谱信号的单点检测所获取水果光谱信号不足，误差大的问题，本发明于环型透光圈上设置多个定位类透光孔和透光孔，并将各信号接收端口与各透光孔组的位置相吻合，通过多角度连续的多次的采集，提高光谱信号的准确性，以充分反映水果内部信息；另外，本发明具有采集暗场光谱spec_dark,和亮场光谱spec_refer的功能，通过电机可带动环形遮光圈的转动，环形遮光圈上各透光窗与各卤素灯光源的位置始终会构成局部或全部吻合，保证了托盘内壁的卤素灯光源能顺利透过透光窗照射到水果的外表面。同时，各光信号接收端口与各透光孔组的位置相对应，当各透光孔组均被遮挡时，此时多通道传输光纤无任何光信号输出，即暗场光谱spec_dark；当环形遮光圈转动固定角度时，由于各透光孔组上的透光孔与对应的定位类透光孔之间的距离沿形遮光圈的逆时针逐渐变大，故此其中一个透光孔可与对应光信号接收端口的位置相吻合，其余透光孔均被遮挡，继续转动环形遮光圈，下一个透光孔会与对应光信号接收端口的位置相吻合，其余透光孔均被遮挡，环形遮光圈的每次转动，均可使得其中一个光信号接收端口与对应的透光孔位置相吻合，直至所有的光信号接收端口均透过对应的透光孔采集到了水果的光谱信号；另外，转动环形遮光圈，由于定位类透光孔等距设置，故可使得各光信号接收端口均与定位类透光孔相吻合，此时各光信号接收端口均能同时采集光谱信号，即亮场光谱spec_refer；结构合理，只需驱动电机使得环形遮光圈间隔转动固定角度即可充分获得水果的内部品质信息，无需人工转动苹果，检测效率高，且结构简单，便于生产加工，极具推广及普及前景，另外，更是通过多角度的采集来避免水果的转动，在短时间内更准确地检测出水果的内部品质信息。

进一步设置是各所述的卤素灯光源和各光信号接收端口均向上倾斜设置。

通过上述技术方案,以便于卤素灯光源的光照及光信号接收端口的采集角度与水果的表面垂直接触，更好地获得水果内部信息。

进一步设置是所述的光信号接收端口数量和卤素灯光源的数量均为四个。

通过上述技术方案,应用于实际的具体使用情景，能够在满足多角度光谱信号采集的同时，节省材料，降低成本。

进一步设置是所述的底座的外表面固定设置有显示屏，所述的底座的内部固定设置有风扇、微型光谱仪及控制器，所述的风扇位于托盘的下方，所述的微型光谱仪与多通道传输光纤的光信号输出端口电连接，所述的控制器与电机电连接。

通过上述技术方案,风扇的设置，能有效的解决本发明中底座及托盘的散热问题，防止内部温度过高。

本发明还提供了一种水果的内部品质无损检测方法，采用如上所述的一种水果的内部品质无损检测装置对水果进行检测。

进一步设置是具体包括以下步骤：

步骤1、将水果放置于托盘；

步骤2、控制器检查环形遮光圈是否处于初始位置，并驱使电机使环形遮光圈复位至初始位置，间隔固定时间后，控制器驱使电机带动主动齿轮使环形遮光圈旋转固定角度，此时多通道传输光纤的第一个光信号接收端口恰好与环形遮光圈中对应的透光孔位置相吻合并采集光谱信号，剩余透光孔均被都遮挡；

步骤3、间隔固定时间后，环形遮光圈继续旋转固定角度，依次排列的下一个光信号接收端口恰好与环形遮光圈中对应的透光孔位置相吻合并采集光谱信号，剩余透光孔均被遮挡；

步骤4、重复步骤3，直至依次排列的最后一个光信号接收端口与环形遮光圈中对应的透光孔位置相吻合，当多通道传输光纤的所有光信号接收端口都完成光谱信号采集后，将每次采集的漫透射光谱信号传输至控制器的内部模型，计算出对应的水果的理化指标，并计算理化指标的平均值及标准差。

通过上述技术方案,采用多通道漫透射光谱采集探头来获取水果的光谱信息，可减少水果转动等操作来快速获取水果的多个平行漫透射光谱信息，并以各采样光谱构建定量模型，以各采样光谱预测结果的平均值为所测水果的品质指标，准确性高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中托盘的结构示意图图；

图3为本发明中环形遮光圈的横切面示意图；

图4为本发明中环形遮光圈的局部纵切面示意图；

图5为本发明中部分样本的各次采样漫透射光谱图；

图6为本发明中基于平均光谱的pls模型的平均光谱及采样光谱的预测散点图；

图7为本发明中基于各采用光谱预测的平均光谱及采样光谱的预测散点图。

图中：01、托盘；02、环形遮光圈；3、卤素灯光源；04、底座；05、风扇；06、多通道传输光纤；07、微型光谱仪；08、控制器；09、显示屏；10、电压变换器；11、电源开关；12、主动齿轮；13、电机；14、硅胶软垫圈；15、光信号接收端口；16、透光窗；17、透光孔；170、定位类透光孔；18、齿轮槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1至图4所示，为本发明实施例中，提出的一种水果的内部品质无损检测装置，包括托盘01、环形遮光圈02、卤素灯光源3、底座04、多通道传输光纤06及电机13，托盘01用于承载并限位水果，托盘01的内周壁还设有硅胶软垫圈14，可使水果更好的限位于托盘01内，底座04设于托盘01的下方并用于支撑及固定托盘01，环形遮光圈02位于托盘01内并沿托盘01的内周壁周向设置；

其中，环形遮光圈02沿周向分布有将自身的内环壁与外环壁相连通的4个透光窗16和4个透光孔组，各所述的透光窗16等距排列并与任一透光孔组之间均存在间隔，各透光孔组均包括一定位类透光孔170和一透光孔17，各定位类透光孔170等距排列，沿环形遮光圈02的逆时针方向依次排列的各透光孔组上的透光孔17与对应的定位类透光孔170之间的距离逐渐变大；

卤素灯光源3的数量有4个，各卤素灯光源3均设于托盘01的内周壁并与各透光窗16的位置一一对应，多通道传输光纤06具有4个光信号接收端口15和1个光信号输出端口，各光信号接收端口15均设于托盘01的内周壁并与各透光孔17的位置一一对应；

环形遮光圈02的外周等距固定设有4个齿轮槽18，其中一个齿轮槽18上设有与之啮合传动的主动齿轮12、其余齿轮槽18上设有与之啮合传动的从动齿轮，电机13固定设置于托盘01，电机13具有一输出轴，该输出轴与主动齿轮12连动设置，通过输出轴的转动可驱动主动齿轮12与对应的齿轮槽18的啮合传动，以带动环形遮光圈02的顺时针转动；

当托盘1上的各光信号接收端口15与环形遮光圈02上的各透光孔组的位置均不吻合时无光谱信号输出；当托盘1上的各光信号接收端口15与各对应的定位类透光孔170的位置均相吻合时输出光谱信号；在环形遮光圈02的转动过程中，托盘1上的其中一光信号接收端口15会与对应的透光孔17的位置相吻合并输出对应的光谱信号，其余的各光信号接收端口15则与对应的各透光孔1的位置均不吻合并无光谱信号输出，且托盘上的各卤素灯光源3始终与对应的透光窗16的位置构成局部或全部吻合。。

另外，各卤素灯光源3和各光信号接收端口15均向上倾斜设置。

另外，底座04的外表面固定设置有显示屏09，底座04的内部固定设置有风扇05、微型光谱仪07及控制器08，风扇05位于托盘01的下方，微型光谱仪07与多通道传输光纤06的光信号输出端口电连接，控制器08与电机13电连接，底座04内还设置有电压变换器10的输入端与市电相连输出端为本发明中的显示屏09、风扇05、微型光谱仪07、控制器08、卤素灯光源3供电，电压变换器10可将200v的交流市电转换为低压的直流电，其可通过整流桥等方式实现，为现有的产品。另外，底座04外在电压变换器10和市电之间串联有一电源开关11，用于联通或切断对电压变换器的供电。

在本发明实施例中，还提出的一种水果的内部品质无损检测方法，采用如上所述的一种水果的内部品质无损检测装置对水果进行检测，其主要包括以下步骤：

步骤1、将水果放置于托盘01；

步骤2、控制器08检查环形遮光圈02是否处于初始位置，并驱使电机13使环形遮光圈02复位至初始位置，间隔固定时间后，控制器08驱使电机13带动主动齿轮12使环形遮光圈02旋转固定角度，此时多通道传输光纤6的第一个光信号接收端口15恰好与环形遮光圈02中对应的透光孔17位置相吻合并采集光谱信号，剩余透光孔17均被都遮挡；

步骤3、间隔固定时间后，环形遮光圈02继续旋转固定角度，依次排列的下一个光信号接收端口15恰好与环形遮光圈02中对应的透光孔17位置相吻合并采集光谱信号，剩余透光孔17均被遮挡；

步骤4、重复步骤3，直至依次排列的最后一个光信号接收端口15与环形遮光圈02中对应的透光孔17位置相吻合，当多通道传输光纤6的所有光信号接收端口15都完成光谱信号采集后，将每次采集的漫透射光谱信号传输至控制器08的内部模型，计算出对应的水果的理化指标，并计算理化指标的平均值及标准差。

本发明的具体工作原理为：不论环形遮光圈02的角度如何调整，都能保证卤素灯光源3光线能够通过透光窗16照射到水果；当环形遮光圈02调整至第零位置时，所有的光信号接收端口15的位置与各透光孔组的位置均不吻合，使全部光信号接收端口15被遮挡，此时多通道传输光纤06无任何光信号输出，即暗场光谱spec_dark；当环形遮光圈02调整至第五位置时，可以使全部透光孔17(即4个透光孔17)与各光信号接收端口15位置均吻合，此时多通道传输光纤06中所有光信号接收端口15都可以采集光谱信号，即亮场光谱spec_refer；当环形遮光圈02调整至第一位置时，能打开第一透光孔组(即定位类透光孔170和透光孔17距离最近的一透光孔组)上的透光孔17，即该透光孔17与对应的光信号接收端口的位置相吻合，剩余透光孔17都被遮挡；当环形遮光圈02调整至第二位置时，能打开沿环形遮光圈02顺时针方向依次设置的第二个透光孔组上的透光孔17，剩余透光孔17都被遮挡；当环形遮光圈02调整至第三位置时，能打开沿环形遮光圈02顺时针方向依次设置的第三个透光孔组上的透光孔17，剩余透光孔17都被遮挡；当环形遮光圈02调整至第四位置时，能打开沿环形遮光圈02顺时针方向依次设置的第四个透光孔组上的透光孔17。

其中，当电源开关11启动时，控制器08检查环形遮光圈02是否处于初始第一位置，并驱使电机13复位为第一位置；间隔t0时间后(t0可为10秒)，控制器08驱使电机13带动主动齿轮12使环形遮光圈02至第二、三、四或五位置，此时多通道传输光纤06对应的光信号接收端口15恰好与环形遮光圈02中对应的透光孔17的位置相吻合，其余光信号接收端口15均被环形遮光圈02遮挡；当第所有的光信号接收端口15采集到漫透射谱信号后，由控制器08发出指令复位到初始第一位置；

另外，当环形遮光圈02处于任一位置时，控制器08发出指令，使微型光谱仪07在t0时间内采集光谱信号；当所有多通道传输光纤06的光信号接收端口15都完成光谱信号采集后，将采集到的漫透射光谱信号传输至控制器08的内部模型，计算出采集光谱信号对应着的水果的理化指标，计算对应的理化指标的平均值及标准差。

应用实施例

134个山东红富士苹果、28个陕西红富士苹果分别于6月份购自当地批发市场,要求表皮无破损、外形端正、横径>85mm。光谱采集前,表面清理并编号后于24℃空调室内放置16h。所有操作均于24±2℃的空调室内完成，避免温度对光谱检测的影响。

采用maya2000pro(美国海洋光学公司)微型光谱仪07，光谱扫描波长为550.44～985.30nm,共计2068个波数点。光谱采集参数设置为：积分时间100ms,平均采集次数4,平滑窗口6。打开电源开关11使卤素灯光源3预热后,控制器08检查水果托盘01中的环形遮光圈02是否处于初始a1角度位置。无论环形遮光圈02转到何种角度位置，卤素灯光源3的光线都可以通过环形遮光圈02上的透光窗16，能照射到待测物体的表面。以多通道传输光纤06拥有4个光信号接收端口15为例，则存在4只卤素灯光源3，随着环形遮光圈02所处角度的不同，各光信号接收端口15会有选择地通过环形遮光圈02上的透光孔17，微型光谱仪07采收到的水果漫透射信号则有所不同，如下表所示,表中a0对应第零位置，a1对应第一位置，a2对应第二位置，a3对应第三位置，a4对应第四位置，a5对应第五位置。

在初始准备阶段，当卤素灯光源3预热后，需要采集该检测设备的暗场光信号(spec_dark)和亮场光谱(spec_refer)，以便后续待测物的漫透射光信号转换成透射率(t％)。首先电机13控制系统中的电机13会驱使环形遮光圈02转动到a0角度位置，此时多通道传输光纤06的所有光信号接收端口15被环形遮光圈02遮挡，无任何光信号透过环形遮光圈02的透光孔17，光谱采集及处理系统中的微型光谱仪07采集暗场光谱(spec_dark)，而后电机13控制系统中的电机13将环形遮光圈02旋转到a5角度位置，此时多通道传输光纤06的所有光信号接收端口15均能透过环形遮光圈02中的透光孔17，采用白板作为反射介质光谱，使卤素灯光源3产生的光线经白板反射、穿过透光孔17，进入各光信号接收端口15，采集及处理系统中的微型光谱仪07采集亮场光谱(spec_refer)。此时将采集的暗场光谱和亮场光谱均保存于控制器08的内存中。

在水果品质检测阶段，将水果置于托盘01中，花萼垂直向下，水果利用自身重力，使果面与硅胶软垫圈14紧密接触，避免杂射光经透光孔17进入光信号接收端口15。控制器08驱使电机13使环形遮光圈02依次转动到a1、a2、a3、a4等角度位置，并在各个角度位置停留时间t0，在此时间间隔t0内，启动微型光谱仪07采集水果的漫透射光谱(spec_si)。样本的各次采样漫透射信号(spec_si)按式1转换为透射率(t％)。

附图5为列举了糖度不同的三个水果样本的四次采样漫透射光谱曲线，同一样本各次采样光谱并不完全相同；t％在600～650nm、波峰715nm附近差异较大,说明水果的不同采样测量处对该光谱区域影响较大；t％在740nm之后差异变小,说明对此区域光谱信号影响较小。

取苹果可食用部分80～130g进行榨汁、过滤,用阿贝折射仪(型号:way-2s,精度0.1％brix,上海精密科学仪器有限公司)测定可溶性固形物含量(solublesolidcontent,ssc),每个样本测量3次,取相近2次的平均值作为该样本理化指标,并将山东红富士苹果按照2:1的比例划分为训练集和预测集1，将陕西红富士苹果作为预测集2，结果如下表所示：

偏最小二乘法(partialleastsquare,pls)用于回归模型的训练与预测,将各训练集样本的光谱作为模型的输入项,理化指标ssc作为模型的输出项。第一种建模方法是：将训练集中样本各采样光谱进行平均、7点平滑处理后作为pls回归模型的训练光谱,预测光谱分别为预测集1、预测集2样本的平均光谱。第二种建模方法是：将训练集中的各采样光谱直接作为pls模型的输入项，即将样本容量扩增到原来的4倍，预测光谱分别为预测集1、预测集2样本的各采样光谱。对于预测样本的各采样光谱，将四次的预测值作平均值计算，并与真实值做比较，结果如附图7所示。

从附图6中可以看出，采用基于平均光谱pls模型，虽表明漫透射光谱信号与样本ssc之间存在0.918的相关度，但预测值与实际值存在偏差bias，达到-3％brix,这是受样本产地、树龄、气候、土壤等因素影响，使预测值出现系统性地偏移；而采用基于各采样光谱pls模型，预测均方根误差为0.531％brix，预测偏差bias减少至-0.241％brix，表明基于各采样光谱pls模型更能够加大具有有效信息透射光谱区的光谱权重。在实际应用中，建议采取基于各采样光谱建立的pls回归模型，对样本进行多次采样，取预测值的平均值作为最终的检测结果。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。