CN101920245A - 基于可见近红外光谱的水果糖酸度在线检测与分选生产线 - Google Patents

Abstract

一种基于可见近红外光谱的水果糖酸度在线检测与分选生产线，由机械输送装置(III)，可见近红外光谱检测装置(I)和分选控制装置(II)所组成。其工作流程为，水果由生产线的机械输送装置输送，进入可见近红外光谱检测装置工位；由安装在链轮轴上的编码盘(2)和接近开关(1)检测水果运动的位置信息，传递给光谱仪(24)；光谱仪经接近开关触发后，采集水果吸收反射后的可见近红外光谱，并将光谱信号传送至计算机软件的水果糖酸度模型中，计算出水果糖酸度的含量，分段划分水果糖酸度等级；计算机通过接口与可编程控制器PLC(10)通信，把等级信号赋值给PLC，控制各分选口的执行元件，实现不同等级水果的分选。本发明适用于水果内部糖酸度在线检测与分选。

Description

基于可见近红外光谱的水果糖酸度在线检测与分选生产线

技术领域

本发明涉及水果内部糖酸度在线检测与分选，属水果在线无损检测及分选技术领域。

背景技术

随着人们生活水平的不断提高，消费者在选购水果时不仅注重大小，颜色和外观形状等外部品质，而且更注重内部品质，如口感、糖度和酸度等指标。目前国外水果采摘后分选，开始由外部品质检测走向内外部兼顾的全品质量检测，如日本，美国等一些水果生产公司纷纷标榜其品牌水果除具大小、外观等最佳品质外，更具有内部营养品质的保证。近红外光谱无损检测技术是既能检测水果内部品质又不破坏水果的新技术，目前在国外如：日本，美国，比利时，新西兰，以色列等国已将该技术投入到农产品产后处理和加工过程中，并研发了相关的检测装置。如日本开发了可见近红外光谱检测梨、苹果成熟度的传感器，又研制了快速判别柑桔类水果成熟度和色泽的选果装置，并将此技术用于自动化选果线上，把成熟度和色彩传感器与自动化分选，包装线集成在一起，率先实现了柑桔类水果实时检测。比利时利用可见近红外光谱技术，研制了用于苹果糖度、酸度和维生素C含量等内部品质的在线检测。

美国专利NO.4883953，NO.5089701分别介绍了对于不同的检测水果，如：哈密瓜，柑桔，苹果等，运用不同的光谱波段进行了水果内部品质检测装置的开发，但没有充分考虑水果检测外部信号和逻辑器件对控制的干扰。公开号CN2779390的中国专利公开了一种近红外水果糖酸度分析用检测装置，但没有涉及产后水果的分选。公告号2553907、公告号2555109、公开号1394699、公告号2555110的中国专利公开了基于水果机器视觉生产线的分选装置，利用图像处理对水果形状，大小，色泽，表皮光滑度等外部品质进行分选，但均采用单片机实现自动控制，容易受到逻辑器件的干扰，造成控制的紊乱。公告号100449301的中国专利公开了多级输送及分选的光特性水果内部品质分选装置，但生产线复杂，可靠性受限于***分选逻辑器件的影响。

从国内研究报道来看，国内使用可见近红外光谱在农产品品质分析方面，主要集中在谷物和部分果蔬内部品质实验室分析上，而对内部品质指标(糖度、酸度、硬度和VC含量等)的无损检测装置至今还未见报道。分析目前国内引进的相关农产品品质无损检测设备，大部分是高精密度的实验室光谱分析仪器，除检测成本高，检测时间长外，更不适合于实时高速作业的生产线。另外，随着农业信息化技术的不断推进，给水果生产提出了更高要求，适时判断水果的营养品质，及时优化水果生产链的规模是确保水果品质大规模商品化的关键步骤。

发明内容

本发明的目的是，根据现有水果内部糖酸度的在线检测和分选技术中的不足，本发明综合应用近红外光谱，机械电子，自动控制和化学计量学等多学科技术，利用水果可见近红外漫反射光谱对水果内部糖酸度进行在线检测与分级，并结合可靠性强的PLC进行水果队列动态配准，采用侧翻式果盘及分选执行机构，实现快速智能化水果内部糖酸度动态在线检测与分选。

本发明的技术方案是：提供了一种用于水果糖酸度在线检测与分选生产线，通过采集水果在300-2500nm波段范围内的可见近红外漫反射光谱，并利用预先建立的水果糖酸度预测模型，计算出水果内部的糖酸度含量，结合自动控制技术，实现水果内部糖酸度的在线检测与自动分选。

本发明水果糖酸度在线检测与分选生产线包括：机械输送装置，可见近红外光谱检测装置和分选控制装置。机械输送装置输送水果进入可见近红外光谱检测装置，可见近红外光谱检测装置把检测的结果传递给分选控制装置实现分选。

本发明的结构示意图如图1所示。图中(I)为可见近红外光谱检测装置，(II)为分选控制装置，(III)为机械输送装置。

机械输送装置(III)包括：侧翻式果盘(5)，分选执行机构(13)，电机(56)，减速器(17)，驱动链轮(18)，链轮(3)，链条(4)，分选口(12、14、16)，支撑导轨(11)和固定支架(19)。电机与减速器连接，减速器与驱动链轮连接，链轮与链条输送侧翻式果盘构成循环输送装置。三个分选执行机构分别安装在三个分选口处，执行分选指令。

可见近红外光谱检测装置(I)包括：光照箱(6)，光照单元(7)，光纤光谱仪(24)。光照单元安装在光照箱内，光照单元与光纤光谱仪连接；光谱仪通过USB口与计算机连接。

分选控制装置(II)包括：可编程控制器PLC(10)，光电接近开关(1)，编码盘(2)，分选口(12、14、16)，旋转电磁铁(15)；光电接近开关安装在编码盘前端；三个旋转电磁铁安装在分选口处的执行机构上。

本发明按以下程序完成水果内部糖酸度的在线检测与自动分选：

①生产线运行，水果由生产线机械输送装置向可见近红外光谱检测工位输送，水果进入可见近红外光谱检测工位；

②由安装在链轮轴上的编码盘和接近开关检测水果运动的位置信息，传递给光纤光谱仪；

③光纤光谱仪经接近开关触发后，采集经完整水果吸收反射后的可见近红外光谱，将光谱信号通过USB接口传送至计算机软件的水果内部糖酸度预测模型中，计算出水果内部糖酸度的含量，分段划分水果内部糖酸度等级；

④计算机通过RS232接口与PLC可编程控制器通信，把水果内部糖酸度等级信号赋值给下位机PLC；

⑤PLC通过获得的等级信号及实时捕捉的水果检测或空位信号，进行连续准确的动态队列配准，并控制分选执行机构，完成多等级水果糖酸度的自动化分选。

本发明与现有技术比较的有益效果是，所述水果糖酸度在线检测与分选生产线可以在300-2500nm可见近红外波长范围内，获取水果的可见近红外吸收光谱信息，快速无损的完成水果内部品质糖酸度在线动态检测，并通过分选控制装置自动实现对水果的分选，提高了水果内部品质的动态检测和分选的自动化水平，本发明克服了水果传统破损检测费时，效率低，费用高，精度差等缺点，满足了水果产后大规模商品化处理的需求。应用于水果分选生产后，可以提高我国水果在国际市场的竞争力。

本发明适用于水果内部糖酸度在线检测与分选。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明的侧翻式果盘结构示意图；

图3为本发明的分选执行机构示意图；

图4是南丰蜜桔样本可溶性固形物的实测值与预测值的相关关系图；

图5为本发明的工作过程流程图；

图中图号表示为：

I、近红外光谱检测装置；II、分选控制装置；III、机械输送装置；

(1)光电接近开关；(2)编码盘；(3)链轮；(4)链条；(5)侧翻式果盘；(6)光照箱；(7)光照单元；(8)水果；(9)计算机和软件；(10)PLC(FX2N)可编程控制器；(11)导轨；(12)分选口一；(1 3)分选执行机构；(1 4)分选口二；  (1 5)旋转电磁铁；(1 6)分选口三；(1 7)减速器；(1 8)驱动链轮；(1 9)固定支架；(24)USB4000光纤光谱仪；(30)导轮；(31)导轮支撑架；(32)水果托架；(33)销轴；(34)分选杠杆；(35)动作执行位置；(36)动作未执行位置；(40)导向板；(41)转臂；(42)支撑板；(56)电机。

具体实施方式

本发明实施例水果糖酸度在线检测与分选生产线的总体结构如图1所示，机械输送装置(III)包括：分选执行机构(13)，电机(56)，减速器(17)，驱动链轮(18)，链轮(3)，链条(4)，支撑导轨(11)和固定支架(1 9)。电机与减速器连接，减速器与驱动链轮连接，链轮与链条构成循环输送装置。可见近红外光谱检测装置(I)包括：光照箱(6)，光照单元(7)，光纤光谱仪(24)。光照单元与光纤光谱仪连接；光谱仪通过USB口与计算机连接。分选控制装置(II)包括：可编程控制器PLC(10)，光电接近开关(1)，编码盘(2)，分选口(12、14、16)，旋转电磁铁(15)；光电接近开关安装在编码盘前端；三个旋转电磁铁分别安装在三个分选口的执行机构上。

本发明实施例水果糖酸度在线检测与分选生产线的侧翻式果盘结构如图2所示，侧翻式果盘包括导轮(30)，导轮支撑架(31)，水果托架(32)，销轴(33)及分选杠杆(34)。导轮与导轮支撑架连接并固定在链条上；水果托架与导轮支撑架通过槽连接，保证水果托架能在链轮与链条啮合处伸展自如；分选杠杆(34)与固定在导轮支撑架的销轴连接，可使分选杠杆围绕销轴转动。

本发明实施例水果糖酸度在线检测与分选生产线的分选执行机构如图3所示，分选执行机构(13)包括旋转电磁铁(15)，导向板(40)，转臂(41)，支撑板(42)；旋转电磁铁固定在支撑板上；导向板固定在支撑板上端。

本发明实施例水果糖酸度在线检测与分选生产线的用于检测南丰蜜桔可溶性固形物(糖度)实测值与预测值的相关关系如图4所示，根据南丰蜜桔可溶性固形物(糖度)的预测集样本实测值(散点)，可建立预测值(斜线)的数学模型，并可将糖度预测含量分级。

本发明实施例水果糖酸度在线检测与分选生产线的工作流程如图5所示，机械输送装置向近红外光谱检测工位输送水果；可见近红外光谱检测装置采集信号，并计算划分水果糖酸度等级；通过计算机与PLC的通信，由PLC程序进行连续动态配准，实时提取分选口的等级信息，控制分选口的执行机构动作。

下面结合图1-图5介绍工作过程：

①按下启动按钮/停止按钮，电机(56)启动/停止，调节调速电位器，控制在线检测与分选生产线的运行速度，开启光照单元(7)，在线检测与分选生产线正常运行；

②当水果(8)随机械输送装置(III)进入可见近红外光谱检测装置(I)工位，光照单元(7)射出的光线照射到水果(8)表面，经内部组织吸收反射，反射光经探头，由接近开关(1)对光纤光谱仪(24)外部触发后，进入光纤光谱仪(24)，经分光及A/D转换后进入计算机(9)，计算机软件自动将水果吸光度光谱带入已建立的水果糖酸度预测模型，计算并显示出水果糖酸度含量的大小，分段划分水果糖酸度等级；

③计算机(9)把水果糖酸度等级信号通过通信口RS232传递给程序控制器PLC(10)，由PLC(10)通过获得的等级信号及由接近开关(1)实时捕捉的水果(8)检测或空位信号，进行连续准确的动态队列配准；

④计算机(9)通信触发PLC(10)，利用传输指令，把构建中间桥梁的数据，传给数据寄存单元并压入由24个数据寄存单元组成的队列右端，左移一位；水果(8)每移动一个工位，接近开关(1)被触发一次，队列左移一位，至此，水果(8)跟踪被有效移植到PLC(10)程序中；

⑤计算好三个分选口分别对应的三个数据存储单元地址，采用比较指令，比较代表三个等级并被赋值的数和指向的这三个数据存储单元的数，若相等，使旋转电磁铁(15)上电，若不等，水果(8)随生产线转移到下一个分选口判断；

⑥当水果(8)糖酸度信息同步于水果到位时，若旋转电磁铁上电动作，则转臂(41)旋转α角，处于动作执行(36)位置，使分选杠杆(34)沿着导向板(40)的斜波面运动，迫使分选杠杆(34)提升，连接分选杠杆(34)的销轴(33)转动，使侧翻式果盘侧翻，把水果推向分选口(12)；若旋转电磁铁(11)失电，则转臂(41)处于动作未执行(35)状态，分选杠杆(34)沿着导向板(40)的下沿运动，水果随着机械输送***输送到向下一个分选口。

Claims (5)

1.一种基于可见近红外光谱的水果糖酸度在线检测与分选生产线，其特征是，所述在线检测与分选生产线的检测与分选程序为：

水果由在线检测与分选生产线的机械输送装置输送，进入可见近红外光谱检测装置工位；

由安装在链轮轴上的编码盘和接近开关检测水果运动的位置信息，传递给光谱仪；

光谱仪经接近开关触发后，采集经完整水果吸收反射后的可见近红外光谱，并将光谱信号通过USB接口传送至计算机软件的水果糖酸度模型中，计算出水果糖酸度的含量，分段划分水果糖酸度等级；

计算机通过RS232接口与PLC可编程控制器通信，把等级信号赋值给PLC；

PLC控制各分选口的执行元件，实现不同等级水果的分选。

2.根据权利要求1所述的基于可见近红外光谱的水果糖酸度在线检测与分选生产线，其特征在于所述在线检测与分选生产线包括可见近红外光谱检测装置(I)、分选控制装置(II)、机械输送装置(III)。

3.根据权利要求2所述的基于可见近红外光谱的水果糖酸度在线检测与分选生产线，其特征在于所述的可见近红外光谱检测装置(I)包括：光照箱(6)，光照单元(7)，光纤光谱仪(24)；光照单元安装在光照箱内，光照单元与光纤光谱仪连接；光谱仪通过USB口与计算机连接。

4.根据权利要求2所述的基于可见近红外光谱的水果糖酸度在线检测与分选生产线，其特征在于所述的机械输送装置(III)包括：侧翻式果盘(5)，分选执行机构(13)，电机(56)，减速器(17)，驱动链轮(18)，链轮(3)，链条(4)，分选口(12、14、16)，支撑导轨(11)和固定支架(19)；电机与减速器连接，减速器与驱动链轮连接，链轮与链条输送侧翻式果盘构成循环输送装置，三个分选执行机构分别安装在三个分选口处，执行分选指令。

5.根据权利要求2所述基于可见近红外光谱的水果糖酸度在线检测与分选生产线，其特征在于所述的分选控制装置(II)包括：可编程控制器PLC(10)，光电接近开关(1)，编码盘(2)，分选口(12、14、16)，旋转电磁铁(15)；光电接近开关安装在编码盘前端；三个旋转电磁铁安装在分选口处的执行机构上。

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