便携式水果硬度检测仪器的制作方法

本发明涉及了一种便携检测仪器，尤其是涉及了一种便携式水果硬度检测仪器，适用于果园及超市等场合进行水果硬度快速检测。

背景技术：

水果是重要的农产品之一，水果产业作为劳动密集型产业是种植业中仅次于粮食蔬菜的第三大支柱产业，年产量达上亿吨，在我国的国民经济中占有非常重要的地位。每年有20％-30％的水果因各种原因浪费，其中因采摘期不当、贮藏时间过长、运输损伤等原因导致的浪费的占很大的比重。若能提供可在果园、超市等场合实时检测水果成熟度的便携仪器，帮助果农、经销商合理判断水果采收期，货架期等，则可有效改善水果的浪费现状。

硬度是评估水果成熟度的重要指标之一，对指导水果的采摘、储藏、运输和加工均具有重要的作用。为从源头上确保水果品质，方便确定水果的采摘时间和后续的管理，生产更优质的水果，实时对水果硬度进行测试意义重大。因此，测量准确、操作简单的便携水果硬度检测仪器具有很大的发展空间。

现有的水果硬度评估方法主要有：

感官鉴定法，主要凭借手指按压的触觉来评估。判定的准确性受人为因素影响大，可靠性不高。

手持穿刺水果硬度计，这是目前国内应用最为广泛的便携硬度检测仪器，方法是将圆柱形压头以一定的力压入去皮水果的果肉中一定深度测量最大穿透力，但其缺点是测量步骤较为繁琐，测量对水果的损伤较大且无法控制手施加的压力和加载速度，易造成测量误差。

声学响应法，通过检测锤击果实的声音信号来评估果实硬度，水果应变足够小通常可认为是无损的。但仪器存在的主要问题是测量结果受水果质量、形状影响，易受仪器本身噪音的干扰。

国内外许多研究机构已经对台式无损硬度检测设备进行了多年研究，并且研发出了用于硬度分选的自动化商业生产线。但在果园或偏远地区等场合，台式设备并不适用。因此便携硬度检测仪器的研发意义重大。目前国内外在水果内部品质无损检测装备上都进行了一些基础研究，但能投入实际生产应用的并不多。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种可在果园及超市等场合对水果硬度进行快速现场检测的便携仪器。本发明仪器相对于现有便携仪器，测量结果不受手施加压力不同的影响，具有携带方便、操作简单、测量速度快、检测精度高等特点。

本发明能够实现每次检测过程的一致性，能不同人操作和实施均能准确检测，解决了现有机械压力传感检测下不同人操作施加不同干扰压力而导致测量结果不一致性的技术问题；同时无需深入插入水果内部，解决了现有压力测试手持式测试后水果无法食用的问题。

本发明采用的技术方案如下。

本发明包括硬度检测机构，硬度检测机构主要由外套筒、内套筒、探头、第一压电薄膜、弹簧挡块、第二压电薄膜、施力弹簧、导杆、弹性组件和压力传感器；外套筒套装在内套筒外，内套筒底端固定连接环形的弹簧挡块，外套筒从中部到底部的内壁设有上下连续两道周向凹槽，上周向凹槽的直径小于下周向凹槽的直径，上周向凹槽和外套筒顶部内壁之间形成第一环形台阶面，上周向凹槽和下周向凹槽之间形成第二环形台阶面，第一环形台阶面和弹簧挡块上端面之间连接有施力弹簧，第二环形台阶面的内径小于弹簧挡块的外径，使得外套筒向下移动时阶梯台阶被弹簧挡块上端面阻挡限位；压力传感器通过紧定螺钉固定安装在内套筒中间，压力传感器下端经弹性组件和导杆上端连接，导杆下端和探头固接，探头从弹簧挡块中间向下伸出于弹簧挡块，弹簧挡块的下端面设置有第一压电薄膜，第二环形台阶面对应的弹簧挡块上端面上设置有第二压电薄膜。

所述的弹性组件包括上下安装座和连接在上下安装座之间的压力弹簧，上安装座固定于压力传感器底部，下安装座固接导杆上端。

所述的内套筒中部设有内凸缘，内凸缘位于下安装座下方，阻挡下安装座下行限位。

包括外壳，外壳固定于内套筒上端部，外壳内安装有控制单元和显示单元；第一压电薄膜、第二压电薄膜和压力传感器均连接到控制单元的输入端，控制单元的输出端连接到显示单元；通过控制单元检测到两个第一压电薄膜、第二压电薄膜信号后，立即锁定并读取压力传感器信号作为测量结果。

所述的施力弹簧弹性系数大于弹性组件中压力弹簧的弹性系数，确保施力弹簧完全压缩时探头能回缩到位。

所述的水果可以为桃子、李子、梨、苹果、芒果、柑橘、香蕉、西瓜、西红柿、草莓等。

本发明套筒内设计施力弹簧和压力弹簧，下压到位时提供稳定弹簧力，避免测量结果受到手施加压力不同的影响；相对于现有的手持式穿刺计，不需削皮且压入深度限制在水果弹性形变内，为无损或微损测量。弹簧挡块上、下端面安装压电薄膜，当两个压电薄膜均检测压力时立即读取压力传感器信号，保证测量结果精确性。

本发明的有益效果是：

1.本发明套筒内设计施力弹簧，且弹簧挡块两端面安装压电薄膜，可避免手施加压力不同对测量结果造成的影响，具有测量速度快，精度高等特点。

2.采用多种可更换探头，可根据水果种类做快速更换。

3.本发明结构简单，轻便，便于携带，对操作者技术性要求不高，测量时可有效避免手施加压力大小的影响，只需要完成探头更换、施力、读数这几个简单动作，可在几秒至内完成测试。

4.本发明可随时利用标准硬度块对仪器测量值进行校正，仪器长期使用后仍可保持高精度。

5.测量简单，可不削皮测果实硬度，可削皮测果肉硬度，适合现场使用。

相对于传统力-变形原理仪器，本发明仪器优点在于：

第一点，通过弹簧结构，压电薄膜，可避免手施加压力和施加速度对测量结果的影响，通过数位操作者的测量结果发现，操作者施加压力的速度、大小对测量结果基本无影响，误差稳定在±0.5％以内；

第二点，本发明相对传统穿刺仪器，发明仪器可不削皮测果实硬度，测量对水果基本无损，也可削皮测果肉硬度。

第三点，实验得知仪器测量硬度与质构仪测量(标准方法)的屈服力有极显著相关性，相关系数为0.8(p<0.01)。较传统仪器使用更为简单，适合果农等了解专业知识较少的人使用。

附图说明

图1是本发明整体结构三维示意图；

图2是本发明内部结构示意图；

图3是本发明工作不同状态过程示意图；

图4是本发明实施列原理框图。

图中，1-探头，2-第一压电薄膜，3-弹簧挡块，4-第二压电薄膜，5-施力弹簧，6-导杆，7-内套筒，8-压力弹簧，9-紧定螺钉，10-压力传感器，11-外套筒，12-控制单元，13-外壳，14-显示单元。

具体实施方式

本发明提供的便携式水果硬度检测仪器，基于力-变形原理，可对水果品质中的重要指标之一硬度进行现场快速检测，方便携带，不受场地限制。

以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

如图1和图2所示，包括硬度检测机构和外壳13，硬度检测机构主要由外套筒11、内套筒7、探头1、第一压电薄膜2、弹簧挡块3、第二压电薄膜4、施力弹簧5、导杆6、弹性组件8和压力传感器10；外套筒11套装在内套筒7外，外套筒11外壁用于人手持，内套筒7底端固定连接环形的弹簧挡块3，外套筒11从中部到底部的内壁设有上下连续两道周向凹槽，两道周向凹槽连通连接，上周向凹槽的直径小于下周向凹槽的直径，上周向凹槽和外套筒11顶部内壁之间形成第一环形台阶面，上周向凹槽和下周向凹槽之间形成第二环形台阶面，第一环形台阶面和弹簧挡块3上端面之间连接有施力弹簧5，施力弹簧5套装于内套筒7外，外套筒11在施力弹簧5作用下相对于内套筒7可轴向上下运动，第二环形台阶面的内径小于弹簧挡块3的外径，使得外套筒11向下移动时阶梯台阶被弹簧挡块3上端面阻挡限位；压力传感器10探测端通过紧定螺钉9固定安装在内套筒7中间，压力传感器10下端经弹性组件8和导杆6上端连接，导杆6下端和探头1固接，探头1通过螺纹固定在导杆6上，探头1下端从弹簧挡块3中间向下伸出于弹簧挡块3，弹簧挡块3的下端面设置有环形的第一压电薄膜2，第一压电薄膜2围于探头1周围，第二环形台阶面对应的弹簧挡块3上端面上设置有环形的第二压电薄膜4。

弹性组件8包括上下安装座和连接在上下安装座之间的压力弹簧，上安装座固定于压力传感器10探测端底部，下安装座固接导杆6上端。导杆6和探头1在内套筒7内上下活动，内套筒7中部设有内凸缘，内凸缘位于下安装座下方，阻挡下安装座下行限位。

外壳13固定于内套筒7上端部，内套筒7通过螺钉与外壳11固定，外壳13内安装有控制单元12和显示单元14；第一压电薄膜2、第二压电薄膜4和压力传感器10均连接到控制单元12的输入端，控制单元12的输出端连接到显示单元14；

当探头2和外套筒11下压到位时，第一压电薄膜2受到水果压力，第二压电薄膜4收到外套筒11内壁阶梯台阶压力，通过控制单元检测到两个第一压电薄膜2、第二压电薄膜4信号后，立即锁定并读取压力传感器10信号作为测量结果。

具体实施中，探头1提供多种规格探头，可根据水果种类快速选择更换。

施力弹簧5弹性系数远大于弹性组件8中压力弹簧的弹性系数，确保施力弹簧5完全压缩时探头1能回缩到位。

如图4所示，控制单元包括压力传感器测力系统、压电薄膜传感器测力系统、mcu控制系统和供电单元。其中mcu控制系统包括a/d转换、数据提取存储单元、人机界面单元(包括按键及oled显示模块)和上位机通信单元。供电单元为整个仪器提供工作电源。传感器测力系统将测得的压力值转换成电压信号通过mcu控制系统中a/d转换存储于数据提取存储单元，再将数据输出到显示单元显示，另外还可以将测得的数据存储于flash数据存储中，远程通过上位机通信单元调用存储数据，以便进一步分析。

如图3所示，本发明的工作过程是：

操作者手持外套筒11将仪器贴近放置于水果表面，将探头1接触压到水果表面，但第一压电薄膜2不和水果表面接触，然后握住外套筒11开始向下施压，弹性组件8中压力弹簧收缩，克服压力弹簧的弹簧力，探头1相对于第一压电薄膜2上移，使得第一压电薄膜2接触压到水果表面。

由于施力弹簧5弹性系数远大于弹性组件8中压力弹簧的弹性系数，因此首先下压过程中，弹性组件8中压力弹簧先于施力弹簧5收缩。

接着继续向下施压，施力弹簧5收缩，克服施力弹簧5弹簧力作用，使得第二环形台阶面接触压到弹簧挡块3上端面的第二压电薄膜4。

在两个压电薄膜均同时检测压力时即认为下压到位，即第二压电薄膜4刚检测到压力时认为下压到位，取此时的压力传感器10信号数值作为测量结果，这样可提高测量的精度，保证不同人手持操作下每次测量的一致性，解决了每次测量的力均衡性问题。图中2所示，距离a为探头压入水果的深度，水果硬度不同，压入深度a不同。

通过本发明实施，采用水果为来自山东潍坊的金秋红蜜桃，共210个，随机分为7组，在室温条件下保存，每两天随机测量一组桃子。测试时，在每个桃子赤道部位间隔120°选取三个点使用本发明进行测量，测量的平均值作为该桃子的有效测量值。此外，在本发明三个测量点附近使用质构仪进行穿刺实验，提取测得的力-位移曲线上的屈服力和初始段斜率，分别计算三次测量的平均值用于与本发明测量结果的比对。实验结果表明，本发明测试结果与质构仪屈服力测量结果呈极显著相关关系(p<0.01)，相关系数为0.8260；样机测试结果与质构仪初始段斜率呈极显著相关关系(p<0.01)，相关系数为0.9472。

若没有本发明仪器的特殊设计结构，人手持仪器施加压力到水果表面，人手持仪器压到水果表面时无法控制人手相仪器施加的压力，且该压力也无法准确测量，因此在不同人和不同次测量等不同测量情况下，无法实现唯一一致的施加压力。由于不同测量情况下压力的不同，形成干扰和影响，导致压力传感器每次测量检测获得信号数据的差异和不同。

对比实施例

目前国际上使用最广泛、认可度最高的手持穿刺水果硬度计(如：gy1水果硬度计)，为机械仪表式硬度计，测量时首先使用专用削皮刀将水果去皮，然后将探头垂直对准测量表面均匀缓慢下压，仪器可自动保持测量过程中的力最大值，当探头压至刻度线处时停止下压，读取仪表盘示数，旋旋钮后回零。

采用水果为来自山东潍坊的金秋红蜜桃，共10个。测试时，以桃子腹缝线为分界线将桃子分为两部分，分别在桃子两部分的中心部位进行测量。此外，在两个测量点附近使用gy1水果硬度计进行穿刺实验。计算本发明与gy1水果硬度计对同一桃子两次测量结果的变异系数，用于比对。

实验结果表明：对于每个桃子，gy1水果硬度计测试结果的变异系数均远大于本发明，其中gy1水果硬度计所得变异系数为0.445-20.20(平均值为4.529)，本发明所得变异系数为0.020-0.429(平均值为0.179)，现有的gy1水果硬度计变异系数的平均值是本发明的25倍。

由此，通过上述实施可见，本发明在每次测量可保证施力弹簧5压缩量相同，下压到位时提供稳定弹簧力，每次下压检测得到均只有固定的压力值(为施力弹簧5和弹性组件8中压力弹簧的固定压缩量对应的压力之和)，压电薄膜可进一步避免操作者手施加的压力和加载速度对测量带来的影响，能避免测量结果受到手将仪器施加水果表面压力不同的影响和干扰而造成了不准确的问题。