一种花椒品质快速检测方法、装置和应用与流程

本发明涉及农产品品质检测领域，具体涉及一种花椒品质快速检测方法、装置和应用。

背景技术：

花椒，位列调味料“十三香”之首，是一种药食同源植物，具有色泽饱满、鲜香味麻的特点，因而受到人们的广泛青睐。花椒在生产、加工、贮藏、运输的过程中，极易受到外界因素的影响，例如氧气、温度、水分、机械损伤，会导致水分含量增大、易潮湿发霉，颜色改变、油腺破裂、麻味下降、香味减弱的现象。

目前判定花椒品质常用的检测方法有人为感官检测、化学方法检测和仪器检测，但均存在一定的不足，难以区分相似的品质。常采用的花椒检测方法包括：1、花椒的水分检测通常采用加热干燥法，通过计算花椒干燥前后的重量差值预测水分含量，此法耗时长、操作繁琐、结果不精确。2、花椒外观、色泽、爆籽、霉变检测通常采用人工肉眼观察的方法，检测速度慢、耗费人力物力，无法达到客观、准确的效果，难以实现标准化、定量化。3、花椒麻味和香味的检测通常采用人工鼻闻、口尝的方法，外部坏境条件、感官评定人员、制备的样品三个因素会单独或协同影响感官检测结果。

如今，国内外虽然已经利用气体传感器、电化学传感器、视觉传感器检测花椒的品质指标，大多着重于单个指标对整体品质的贡献。但是，仅从单个指标进行评判不具有整体性和代表性，忽略了指标之间的协同或拮抗作用对整体品质的影响，导致不能综合检测花椒的品质。因此，如何设计一种能够快速检测花椒综合品质方法，是本领域技术人员的研究方向。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种花椒品质快速检测方法，通过传感器对花椒进行整体性评定，保证检测体系的稳定性和检测结果的均一性，实现了花椒品质的快速、无损、智能检测，解决现有的花椒检测方法无法准确评定花椒的品质以及现有的传感器只能对单个指标进行评定、评定的结果不具有整体性和代表性的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种花椒品质快速检测方法，利用声音传感器，通过测定不同含水量的花椒触碰撞击盘的发出的声音频率以及振幅的大小，间接检测含水量；利用视觉传感器采集花椒的动态图像，检测花椒大小、颜色、爆籽率、霉变度，将图像传入计算机系统，使图像信息数据化；利用气味传感器检测花椒发出的气味，将待测花椒的香味、麻味与标准品的浓度对比，检测花椒的气味品质；利用压力传感器测量花椒的重量；

通过数据处理系统采集上述传感器的信号，经过放大、滤波、除噪，将上述传感器、采集的模拟信号转化为数字信号，并按权重进行融合，最终反馈由单片机进行数据处理；

单片机将花椒水分与声音的关系模型，花椒形态、颜色、爆籽、霉变识别算法，花椒气味识别模型方程，压力、温湿度数据处理算法分类决策，最终获得花椒品质指标。

本发明还提供一种花椒品质快速检测装置，根据所述方法设计而成，包括测试箱、恒温恒湿装置、功能检测系统和数据处理系统；其中，

测试箱的箱体内壁附着隔音棉，整个箱体呈密封状态；

恒温恒湿装置包括安装在箱体底部的温控系统和安装在箱体内壁的干湿器；其中，温控系统由加热板和控温器组成，用于调节、控制箱内的温度；干湿器主要用于保持箱内湿度；

功能检测系统包括基于声音传感器的花椒含水量检测系统、基于视觉传感器的花椒外观品质检测系统、基于气体传感器的花椒气味品质检测系统和重量检测装置；

数据处理系统包括信号放大器、ad转换电路和单片机；信号放大器用于传感器信号的放大、过滤、除噪，ad转换电路即为模数转换，将声音传感器、视觉传感器、气体传感器、压力传感器采集的模拟信号转化为数字信号，将各系统的检测结果按一定权重进行融合，最终反馈实时数据；单片机是运算的核心，内部写入了花椒水分与声音的关系模型，花椒形态、颜色、爆籽、霉变识别算法，花椒气味识别模型方程，压力、温湿度数据处理算法以及多传感器融合的数据采集、数据处理、分类决策和融合分析算法。

进一步，所述基于声音传感器的花椒含水量检测系统包括落料装置、撞击盘、收纳盒和声音传感器，所述落料装置设在所述箱体的上部，所述撞击盘位于落料装置的下方，所述声音传感器位于该撞击盘的下方，并靠近撞击盘，所述收纳盒位于箱体的底部。

进一步，所述落料装置包括设置在箱体上方并与箱体内部连通的下料斗和倾斜设置在所述箱体内的滑槽；所述滑槽为三角形滑槽，该滑槽的槽口呈u型，在滑槽的底部连接有震动板，该震动板上装有震动马达。所述滑槽的槽口向撞击盘方向倾斜，确保花椒能够顺畅的从滑槽的槽口落下并撞击撞击盘。

进一步，所述基于视觉传感器的花椒外观品质检测系统包括光电传感器和两个摄像头，所述光电传感器位于箱体的上部中间并位于滑槽的下方；两个所述摄像头分别设置在箱体的左右侧壁上，并位于光电传感器与撞击盘之间。

进一步，所述基于气体传感器的花椒气味品质检测系统包括至少一个气体传感器阵列，所述传感器阵列设在箱体的内壁上。

进一步，所述气体传感器阵列包括四个气体传感器，其中，所述气体传感器的型号为mq-2、mq-3、mq-5、mq-7、mq135、mq136、mq137或mq138中的一种或多种。

进一步，所述基于气体传感器的花椒气味品质检测系统还包括混气扇，所述混气扇安装在所述容置腔室的左侧壁上，并位于摄像头的上方。

进一步，所述重量检测装置为压力传感器，该压力传感器设置在所述撞击盘的下方，并与该撞击盘紧贴。

本发明还提供一种花椒品质快速检测装置的应用，取定量的待测花椒从下料斗进入滑槽内，并从滑槽的槽口处下落，光电传感器检测到花椒下落信息并进行计数，同时将该下落信息传送至数据处理模块，数据处理模块控制摄像头对花椒摄像，获取花椒下落时的动态图像；计数信息和动态图像传送至数据处理模块进行分析和处理；

下落的花椒撞击到撞击盘时，压力传感器收集压力数据，并将收集到的压力数据传送至数据处理模块；同时，所述声音传感器收集花椒撞击撞击盘时的声音，并将声音信号传送至数据处理模块；在混气扇的作用下，气体传感器阵列收集花椒的香味和麻味信息，并将香味和麻味信息传送至数据处理系统；待测花椒下落并撞击撞击盘后，全部落入收纳盒内；

所述数据处理模块对上述步骤收集到的动态图像、计数信息、压力数据、声音信号以及香味和麻味信息进行分析和处理，输出花椒的品质结果。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明中的花椒品质快速检测方法能够保证在不损坏花椒原有理化性质的情况下，通过声音检测装置振幅预测花椒含水量，解决了传统检测耗时长、操作繁琐的问题，具有快速、智能的特点；视觉检测装置将采集的花椒图像信息数据化，减少人为感官误差；气味检测装置可以采集花椒散发的香味、麻味气体，对花椒产生的气体品质进行快速、无损、智能、综合的检测；恒温恒湿装置保证了整个检测体系温度及湿度的恒定，使检测过程不受外界影响。数据处理模块将声音传感器、视觉传感器、气体传感器、压力传感器产生的模拟信号转换、放大为数字信号，使花椒检测与信息化技术融合，体现了该技术的智能性、先进性。本发明提供的花椒品质快速检测方法能够短时内采集分析多个检测指标，对花椒的综合品质进行准确评定，且评定的花椒品质具有整体性和代表性。

2、本发明提供的花椒品质快速检测装置功能齐全、轻小便携、箱体呈密封状态，隔绝外界噪音，防止气体挥发，保证了花椒气味检测的精确性。多传感器融合的花椒综合品质检测装置可根据不同客户的需求，调整各指标的权重，为客户制定个性化检测方案。为实现花椒品质的快速、无损、智能检测。此外，花椒检测装置便于携带，操作简单，能广泛运用于家庭用户、花椒深加工企业、花椒运输企业、机关、食堂、超市等。

3、本发明中花椒品质快速检测装置的应用步骤少，使用简单的步骤就能快速的得到花椒的品质评价结果，并且通过显示屏显示，直观的呈现出来，能够节约大量的人力资源，极大的提升花椒品质评定效率且准确度高。

附图说明

图1为本发明方法原理图。

图2为本发明中花椒品质快速检测装置的结构示意图。

图3为图2的俯视图（箱门未示出）。

图4为图3中a-a向剖视图。

图5为本发明中花椒品质快速检测装置中滑槽的结构示意图。

图中：1、下料斗，2、箱体，3、隔音棉，4、照明灯，5、混气扇，6、气体传感器阵列1，7、摄像头1，8、摄像头2，9、气体传感器阵列2，10、压力传感器，11、声音传感器，12、收纳盒，13、气体传感器阵列3，14、撞击盘，15、光电传感器，16、滑槽。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

一、参见图1，一种花椒品质快速检测方法，包括以下步骤：

由数据采集机构获取花椒的特征量，经数据处理系统进行分类运算得到检测结果；其中，利用声音传感器，通过测定不同含水量的花椒触碰撞击盘的发出的声音频率以及振幅的大小，间接检测含水量；利用视觉传感器采集花椒的动态图像，检测花椒大小、颜色、爆籽率、霉变度，将图像传入计算机系统，使图像信息数据化；利用气味传感器检测花椒发出的气味，将待测花椒的香味、麻味与标准品的浓度对比，检测花椒的气味品质；利用压力传感器测量花椒的重量；

通过数据处理系统采集上述传感器的信号，经过放大、滤波、除噪，将上述传感器、采集的模拟信号转化为数字信号，并按权重进行融合，最终反馈由单片机进行数据处理；

单片机将花椒水分与声音的关系模型，花椒形态、颜色、爆籽、霉变识别算法，花椒气味识别模型方程，压力、温湿度数据处理算法分类决策，最终获得花椒品质指标。

二、参见图2，一种花椒品质快速检测装置，根据上述方法设计而成，包括测试箱、恒温恒湿装置、功能检测系统和数据处理系统。其中，

1、测试箱：箱体2采用高强度合成木板制成，呈长方体形状，长250mm、宽250mm、高300mm，箱体2内壁附着隔音棉3以达到较好的隔音效果，避免外界因素对声音信号采集过程产生影响。整个箱体2呈密封状态，防止待测气体成分外泄，便于气体传感器阵列采集花椒的挥发性物质，箱体2底部安装有温控系统，用于维持箱内温度的恒定。

2、恒温恒湿装置：采用加热板进行加热使体系温度恒定在37摄氏度，放置变色硅胶吸收体系中的水分，使检测空间达到恒温恒湿的效果，保证检测体系的稳定性和检测结果的均一性。箱底安装温控系统，温控系统能够使体系温度恒定在室温；箱体2内壁距离箱顶150mm处装有干湿器，控制箱体2内部的水分含量恒定在标准范围。

3、功能检测系统，包括：

（1）基于声音传感器的花椒含水量检测系统

本系统包括落料装置、撞击盘14、收纳盒12、声音传感器11。落料装置由下料斗1与滑槽16组成。选择15mm口径的下料斗，保证花椒顺利下落无卡口现象；震动板与滑槽16相互连接组装，板底采用v型滑槽设计，板面装有1015型动力震动马达与1234型扁平震动马达。滑槽16口采用u型设计，对花椒的下落起到一定缓冲作用，有效控制花椒下落速度，实现了花椒的单粒下落，同时也利于其他传感系统的协同检测。撞击收纳装置由撞击盘14和收纳盒12组成。撞击盘14为直径70mm的蓝铜圆盘，震动板下10mm处装有声音传感器11。根据落料轨迹，震动板与箱底呈最佳角度和高度进行安置，便于扩大声音信号和声音数据的采集，同时按照花椒的反弹轨迹确认收纳盒12的最佳安装位置，避免花椒掉出散在箱体2内。声音传感器11采用awa14608u型接口传声器，通过优化位置，安置在撞击盘14下方，用于对声音信号的接收、放大、滤噪、传递，使得声音传感器11采集的信号强度大。隔音棉3附着于箱体2内部，隔绝外界噪音，减小声音检测装置的误差，为声音检测系统提供无噪音、无干扰的检测环境。

花椒下落撞击金属板后，为保证声音传感器11采集声音信号的稳定性与灵敏性，通过单因素试验、正交试验，确定最佳试验条件。最优的试验条件为花椒下落高度10cm，撞击盘14材料为蓝铜，撞击盘14倾角45度，传感器离声源距离1cm。使用声音传感器11采集的声学信号，将其导入praat软件，设置采样频率为44100hz，得到声学信号时域图，对图像进行预处理。在滤波、滤噪后，提取声音强度、幅度差、持续时间、峰值、最小值、音高与到达峰值所需的时间等声音特征参数。运用matlab进行bp网络训练，输入120组样本数，将数据进行归一化处理后，所训练的模型参数设定为：期望误差最小值为1e^-10，学习率为2，动量常数为0.9。训练过程达到设定参数时，自动停止训练。再将建立好的神经网络预测模型进行测试、验证、修正，从而形成花椒含水量与花椒撞击声音参数的关系模型。将建立的关系模型输入单片机，单片机运算后输出到显示器上获得花椒水分信息，从而形成基于声音传感器11的花椒含水量检测系统。

（2）基于视觉传感器的花椒外观品质检测系统

主要由摄像头7、照明灯4、光电传感器15等构成。摄像头7、8用于采集花椒下落时的动态图像，摄像头7、8选择具有固定成像、信息处理、大容量存储器的优质ccd摄像头，通过单因素试验调整安装位置，将摄像头7、8安装在测试箱两侧壁上，从而采集的花椒的完整图像。照明灯4为检测空间提供光源，使摄像头7、8采集的图像清晰可见；为保证光源的发光效率及使用寿命，同时考虑光源的照明亮度、均匀度等因素，选用led可控光源灯。光电传感器15作为计数传感器和触发传感器，选用qs18系列光电传感器。

花椒从滑槽16下落后，通过光电传感器15，光电传感器15感应并发出信号，摄像头7、8开始采集花椒颗粒的图像，图像经过预处理、灰度变化、阈值分割后，提取花椒的形状尺寸、颜色数据等特征参数，这些特征数据传送到单片机中，与花椒标准品进行分析比较，从而得到花椒大小、颜色、爆籽率、霉变度等品质。花椒图像图像格式转换后运用中值滤波法进行灰度值排序等预处理以保护边缘信息、去除拍摄噪声，从而获得更接近于真实值的高质量图像，基于his颜色空间将灰度图进行图像分割，通过试验确定颜色分割阈值，霉变分割阈值，爆籽颜色阈值，提取r、g、b、h、s、v，通过计算霉变像素面积确定霉变率，通过籽粒像素面积确定爆籽率。与花椒标准品进行分析比较时采用差异性分析，并进行t检验，其中爆籽率小于8%，霉变度小于2%。基于视觉传感器的花椒外观品质检测系统

（3）基于气体传感器的花椒气味品质检测系统

主要由气体传感器，混气扇5构成。混气扇5的主要作用是将整个检测体系内的待测气体混匀，使得密闭空间内各个区域的浓度一致，保证检测结果具有均一性。其次，混气扇5具有引流作用，让花椒散发出的香味、麻味气体与气体传感器阵列6、9、13快速接触。首先根据花椒产生特定的香味、麻味气体筛选气体传感器阵列，气体传感器阵列6、9、13采集到电信号，将电信号通过事先录入单片机的标准方程，电信号转化为具体数据，通过数据判定花椒的气味品质。通过分析花椒产生的气味主要有醇类、脂类、单萜烯类等，筛选灵敏度高的气体传感器，即mq-2、mq-3、mq-5、mq-7、mq135、mq136、mq137、mq138型号传感器，将这几种传感器组成气体传感器阵列6、9、13，将气体传感器得到的电信号进行归一化处理、信号图形分析，并采用差分法和差商法进行预处理，然后提取信号曲线的峰值、峰值时间、上升速度、出峰时间作为特征值，采用rbf神经网络作为模型方程建立方法。通过试验将气体传感器阵列6、9、13安装在合适的位置，例如箱体2顶部、四周等位置，使气体充分与传感器接触。将混气扇5安装在合适的位置，保证检测气体的浓度均匀一致。

基于视觉传感器的花椒外观品质检测系统、基于气体传感器的花椒气味品质检测系统

（4）重量检测装置

采用压力传感器10检测花椒的重量。压力传感器10放置在撞击盘14之下，当花椒接触撞击盘14时，撞击盘14下的压力传感器10便可感知压力大小，采集压力信号并转换为重量数据，可用于千粒重、百粒重的测量。

4、数据处理系统

由信号放大器、ad转换电路、单片机等部件组成。信号放大器主要用于传感器信号的放大、过滤、除噪，为信号的转化采集做准备，主要有滤波电路、放大电路组成。ad转换电路即为模数转换，将声音传感器11、视觉传感器、气体传感器、压力传感器10采集的模拟信号转化为数字信号，将各系统的检测结果按一定权重进行融合，最终反馈实时数据。单片机相当于微型计算机，是运算的核心，内部写入了花椒水分与声音的关系模型，花椒形态、颜色、爆籽、霉变识别算法，花椒气味识别模型方程，压力、温湿度数据处理算法以及多传感器融合的数据采集、数据处理、分类决策，融合分析算法等。单片机可以选用stm32单片机，其它处理电路购置相应元器件、电路板，设计、制作、封装。

最后，将多传感器组成的多功能检测系统融合集成组装得到本发明花椒品质快速检测装置，即将箱体2内部各个部件按照顺序组装起来，首先底面安装温控系统，在温控系统上安装气体传感器阵列6、9、13与撞击收纳装置，将压力传感器10置于撞击盘14下，声音传感器11安置在距离撞击盘1410mm的位置。箱体2右侧距箱顶150mm处安装光电传感器15，左侧安装混气扇5，箱体2顶部用挂钩和弹簧固定v型滑槽震动板，并在箱顶正中安装照明灯4，箱顶安装下料斗1，箱体2内壁安装隔音棉3。将声音传感器11、气体传感器阵列6、9、13、压力传感器10、光电传感器15同单片机相连接，最后连接箱顶显示器。

三、本发明的应用：

取定量待测花椒从下料斗进入滑槽16内，并从滑槽16的槽口处下落，光电传感器15检测到花椒下落信息并进行计数，同时将该下落信息传送至数据处理模块，数据处理模块控制摄像头7、8对花椒摄像，获取花椒下落时的动态图像；计数信息和动态图像传送至数据处理模块进行分析和处理；下落的花椒撞击到撞击盘14时，压力传感器10收集压力数据，并将收集到的压力数据传送至数据处理模块；同时，所述声音传感器11收集花椒撞击撞击盘14时的声音，并将声音信号传送至数据处理模块；在混气扇5的作用下，气体传感器阵列收集花椒的香味和麻味信息，并将香味和麻味信息传送至数据处理模块；待测花椒下落并撞击撞击盘14后，全部落入收纳盒12内；

所述数据处理模块对上述步骤收集到的动态图像、计数信息、压力数据、声音信号以及香味和麻味信息进行分析和处理，输出花椒的品质结果。

本发明多传感器融合的花椒综合品质检测装置具有如有优点：轻小便携、功能齐全，在不损坏花椒原有理化性质的情况下，短时内采集分析多个检测指标，对花椒的综合品质进行评定。声音检测装置通过振幅预测花椒含水量，解决了传统检测耗时长、操作繁琐的问题，具有快速、智能的特点；视觉检测装置将采集的花椒图像信息数据化，减少人为感官误差；气味检测装置可以采集花椒散发的香味、麻味气体，对花椒产生的气体品质进行快速、无损、智能、综合的检测；恒温恒湿装置保证了整个检测体系温度及湿度的恒定，使检测过程不受外界影响；数据处理系统将声音传感器、视觉传感器、气体传感器、压力传感器产生的模拟信号转换、放大为数字信号，使花椒检测与信息化技术融合，体现了该技术的智能性、先进性；隔音箱轻小便携，便于挪动、摆放，箱体呈密封状态，隔绝外界噪音，防止气体挥发，保证了花椒气味检测的精确性。多传感器融合的花椒综合品质检测装置可根据不同客户的需求，调整各指标的权重，为客户制定个性化检测方案。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。