CN102829849B - 一种梨的多指标参数测定装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种梨的多指标参数测定装置，包括：暗箱；位于所述暗箱内，用于测量梨的重量的电子称重旋转平台；位于所述暗箱内，用于测量梨的高度的高度测量装置；用于向梨发射检测光的光照模块；用于接收梨的反射光的光谱采集模块；用于接收所述电子称重旋转平台和高度测量装置的信号计算样品体积，以及用于接收所述光谱采集单元信号计算样品可溶性固形物含量的控制单元。本发明还公开了一种利用所述的梨的多指标参数测定装置测定梨的多指标参数的方法。本发明实现了梨的重量、高度、体积以及可溶性固形物含量的多项物理参数的快速检测，检测快速准确，检测成本低，环境污染小。
Description
技术领域
本发明涉及水果检测领域，具体涉及一种梨的多指标参数测定装置和方法。
背景技术
可溶性固形物是指液体或流体食品中所有溶解于水的化合物的总称。在水果中，主要包括可溶性糖类、蛋白质、酸、维生素等物质，它是表征水果成熟程度的一个重要指标。
水果中的可溶性固形物含量对其口感有着很大的影响，它是评价水果内部品质的重要指标之一，此外，水果的重量、高度和体积是分级筛选过程中需考虑的重要因素，因此，需要对水果中可溶性固形物含量、水果的重量、高度和体积实现快速、准确的测定。
国家标准中对水果的可溶性固形物的测量采用的是折射仪法，该法需对水果组织进行破碎，利用光的折射率进行测定，不仅费时、费力、耗材成本高，而且破坏了水果的完整度，检测完毕后的水果不能再食用，造成了浪费。
将一束不同波长的红外光照射到物质的分子上，某些特定波长的红外光被吸收，形成这一分子的红外吸收光谱。每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，据此可以对分子进行结构分析和鉴定。
红外吸收光谱是由分子不停地作振动和转动运动而产生的，分子振动是指分子中各原子在平衡位置附近作相对运动，多原子分子可组成多种振动图形。分子振动的能量与红外光的光子能量正好对应，因此当分子的振动状态改变时，就可以发射红外光谱，也可以因红外光激发分子跃迁而产生红外吸收光谱。
目前，已有利用可见红外光评价水果的糖度和酸度的报道。
申请号为201010247589.7的发明公开了一种水果内部品质检测分级方法，具体为一种基于支持向量机模型和近红外光谱检测技术的水果内部品质检测分级方法，该方法针对水果口感的模糊性，将隶属度概念引入水果的品质分析，在确定水果品质测定隶属度的过程中，同时考虑水果近红外光谱特性和理化测量的品质参数，利用基于支持向量数据域描述的隶属度来对基于糖度和酸度确定的测定隶属度进行修正，从而建立出有效的水果分级的支持向量机模型。
水果中可溶性固形物的含量是衡量水果品质的重要因素，现有技术中对于水果可溶性固形物含量的测定制样繁琐，费时费力，因此，需要提供一种快速有效的测量水果中可溶性固形物的方法。
发明内容
本发明提供了一种梨的多指标参数检测装置及检测方法，在保持梨的完整度的同时，对梨的重量、高度、体积和可溶性固形物进行测定，操作简单，提高对梨的品质的评估效率。
一种梨的多指标参数测定装置，包括：
暗箱；
位于所述暗箱内，用于测量梨的重量的电子称重旋转平台；
位于所述暗箱内，用于测量梨的高度的高度测量装置；
用于向梨发射检测光的光照模块；
用于接收梨的反射光的光谱采集模块；
用于接收接收所述电子称重旋转平台和高度测量装置的信号计算样品体积，以及用于接收所述光谱采集单元信号计算样品可溶性固形物含量的控制单元；
所述光照模块包括在光路上依次布置的LED点光源阵列、反射盖、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜以及输出光纤，所述LED点光源阵列包括610nm、680nm、690nm、950nm、1027nm、1131nm、1220nm、1437nm、1484nm、1580nm、1667nm和1768nm的LED点光源各一盏，所有LED点光源呈圆环形排列且均匀分布。
将梨的果梗朝上，果萼朝下置于所述暗箱内的电子称重旋转平台上，利用电子称重旋转平台称量得到梨的重量G，利用所述高度测量装置测量梨的高度H，所述高度H指果梗根部到果萼之间的距离，将所得重量G和高度H带入V＝0.218*G+0.123*H-8.8计算得到梨的体积V。
高度测量时，果梗会被压至与梨顶部平齐位置，高度测量装置的大致构造和现有测量身高的装置一样。
所述光照模块向暗箱中的梨发射特定波长的检测光，所述电子称重旋转平台旋转，所述光谱采集模块采集不同波长处梨的不同部位的反射光，所述控制单元接收所述反射光，提取不同波长的反射光的反射率，利用式Y＝12.976X1+12.793X2-22.304X3+26.986X4+357.516X5-560.708X6+205.118X7+293.066X8-390.814X9+290.461X10-257.144X11+42.664X12+6.2计算得到梨的可溶性固形物含量，式中Y为梨中可溶性固形物含量；X1～X12分别为波长610nm、680nm、690nm、950nm、1027nm、1131nm、1220nm、1437nm、1484nm、1580nm、1667nm、1768nm所对应的梨的反射率。
将梨置于所述暗箱内，隔离外界光线，避免外界光线对梨反射光的采集形成干扰，提高梨可溶性固形物的检测结果的准确性。
所述LED点光源发出特定波长的光，经反射盖反射后，由第一聚焦透镜变为平行光，该平行光经第二聚焦透镜聚焦后，进入输出光纤，由输出光纤传递至暗箱中梨的上方。
作为优选，每盏LED点光源的光轴沿光路方向与所述圆环形的轴线成30度夹角。以便于在适宜的距离上聚焦。
作为优选，所述光谱采集模块包括接收样品反射光的接收光纤以及接收该接收光纤所传送信号的光敏传感器。
所述光敏传感器相对应不同波长的检测光设置，即相对应波长610nm、680nm、690nm、950nm、1027nm、1131nm、1220nm、1437nm、1484nm、1580nm、1667nm和1768nm分别设有光敏传感器，所述光敏传感器接收来自梨的不同波长的反射光。
作为优选，所述输出光纤的发射端以及接收光纤的采集端均位于所述暗箱内。
所述光照模块的输出光纤将LED点光源阵列发出的光传递至输出光纤位于暗箱内的发射端，向暗箱中的梨发射不同波长的检测光，检测光经梨反射后得到反射光，反射光由所述接收光纤的采集端采集后，由接收光纤传输至控制单元，由控制单元处理得到梨中可溶性固形物含量。
作为优选，设有调节输出光纤以及第二聚焦透镜间距的伸缩机构。
所述伸缩机构可以调节所述输出光纤与第二聚焦透镜间的距离，即调节输出光纤接受到的第二聚焦透镜输出的检测光光强大小，经过梨反射后，得到合适的反射光光强，用于计算梨的可溶性固形物含量。
作为优选，所述暗箱的侧壁设有竖直布置的两条平行导轨以及沿平行导轨滑动的升降座，所述升降座上设有***暗箱内的光纤套管，所述输出光纤以及接收光纤沿所述光纤套管延伸入暗箱内。
所述升降座可沿平行导轨上下滑动，带动光纤套管上下滑动，也即调整输出光纤的发射端以及接受光纤的采集端的位置，使其位于梨的赤道部位，也即梨的圆周最大的位置。
基于上述梨的多指标参数测定装置，本发明还提供了一种利用该梨的多指标参数测定装置测定梨的多指标参数的方法，包括以下步骤：
(1)将梨放入所述暗箱中，利用所述电子称重旋转平台测定梨的重量G，利用所述高度测量装置测量高度H；
(2)将梨的重量G和高度H信息输入控制单元，控制单元依据公式V＝0.218*G+0.123*H-8.8，计算得到梨的体积V；
(3)沿着梨的赤道部位确定至少两个检测点，所述光照模块向该两个检测点发送检测光，利用光谱采集模块采集每个检测点处在波长为610nm、680nm、690nm、950nm、1027nm、1131nm、1220nm、1437nm、1484nm、1580nm、1667nm和1768nm所对应的梨的反射率；
(4)将所得反射率输入控制单元，控制单元依据多元线性回归方程：Y＝12.976X1+12.793X2-22.304X3+26.986X4+357.516X5-560.708X6+205.118X7+293.066X8-390.814X9+290.461X10-257.144X11+42.664X12+6.2，计算得到梨的可溶性固形物含量；
式中Y为梨中可溶性固形物含量；X1～X12分别为波长610nm、680nm、690nm、950nm、1027nm、1131nm、1220nm、1437nm、1484nm、1580nm、1667nm、1768nm所对应的梨的反射率。
通过向梨的赤道部位，即梨的圆周最大的部位，发射不同波长的光，采集梨的反射光信息，提取不同波长处梨的反射率，计算得到梨的可溶性固形物含量。
本发明建立的用于计算梨的体积的方程V＝0.218*G+0.123*H-8.8，其中，重量G的单位为g，高度H的单位为cm，体积V的单位为cm3；对于其他水果的体积计算不适用，如果需要检测其他水果，需另外建立计算体积的方程。
由于体积V在数值上是通过方程拟合而来，因此方程两侧的数值单位并不参与计算，仅仅是便于明确数据的取值。
本发明实现了梨的重量、高度、体积以及可溶性固形物含量的多项物理参数的快速检测，检测快速准确，检测成本低，环境污染小。
附图说明
图1为本发明一种梨的多指标参数测定装置示意图；
图2为本发明一种梨的多指标参数测定装置光照模块示意图；
图3为图2的侧视图；
图4为图1中暗箱的侧视图；
图5为梨的示意图；
图6为本发明方法建模时测得的梨的可溶性固形物含量与实际固形物含量的关系图；
图7为本发明方法预测时测得的梨的可溶性固形物含量与实际固形物含量的关系图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明一种梨的多指标参数测定装置做详细描述。
一种梨的多指标参数测定装置，包括：暗箱11、位于暗箱11内的用于测量梨10的重量的电子称重旋转平台9、位于暗箱11内的用于测量梨10的高度的高度测量装置14、用于向梨10发射检测光的光照模块2、用于接收梨10的反射光的光谱采集模块以及用于接收所述电子称重旋转平台9和高度测量装置14的信号计算样品体积和接收所述光谱采集单元信号计算样品可溶性固形物含量的控制单元3。
暗箱11设有推拉门8，将梨10放入暗箱11后，关闭推拉门8，可以减少外界光线对光谱采集模块采集梨10的反射光的干扰。
光照模块2包括在光路上依次布置的LED点光源19阵列、反射盖25、第一聚焦透镜22、第二聚焦透镜17以及输出光纤15，所述LED点光源19阵列包括610nm、680nm、690nm、950nm、1027nm、1131nm、1220nm、1437nm、1484nm、1580nm、1667nm和1768nm的LED点光源19各一盏，所有LED点光源19呈圆环形排列且均匀分布，每盏LED点光源19的光轴沿光路方向与所述圆环形的轴线成30度夹角。
光谱采集模块包括接收样品反射光的接收光纤以及接收该接收光纤所传送信号的光敏传感器，光敏传感器相对应LED点光源19不同波长的检测光设置，即相对应波长610nm、680nm、690nm、950nm、1027nm、1131nm、1220nm、1437nm、1484nm、1580nm、1667nm和1768nm分别设有光敏传感器，光敏传感器接收来自梨10的不同部位的不同波长的反射光。
输出光纤15的发射端以及接收光纤的采集端均位于暗箱11内，光照模块2的输出光纤15将LED点光源19阵列发出的光传递至输出光纤15位于暗箱11内的发射端，向梨10发射不同波长的检测光，检测光经梨10反射后得到反射光，反射光由接收光纤的采集端采集后，由接收光纤传输至控制单元3，由控制单元3处理得到梨10的可溶性固形物含量。
设有调节输出光纤15以及第二聚焦透镜17间距的伸缩机构16，伸缩机构16可以调节输出光纤15与第二聚焦透镜17间的距离，即调节输出光纤15接受到的第二聚焦透镜17输出的检测光光强大小，经过梨10的反射后，得到合适的反射光光强，用于梨10的可溶性固形物含量。
设有放置控制单元3，光照模块2的支架，支架上还设有用于显示控制单元处理结果的显示屏4，光谱采集模块开关7以及电源开关6。
暗箱11的侧壁设有竖直布置的两条平行导轨12以及沿平行导轨12滑动的升降座28，平行导轨12的两侧相对设置带有三角螺纹的第一矩形条27和第二矩形条29，其中第一矩形条27固定，第二矩形条29可上下滑动，升降座28为环形，升降座28外圆周设有与第一矩形条27和第二矩形条29相啮合的螺纹，升降座28上设有***暗箱11内的光纤套管13，输出光纤15以及接收光纤沿光纤套管13延伸入暗箱11内，通过驱动第二矩形条29的升降，带动升降座28沿第一矩形条27上下滑动，第一矩形条27和第二矩形条29与升降座28之间的啮合，可以保持升降座28的平稳升降并便于控制和计算升降的高度。
啮合部分采用三角螺纹不仅强度高，牙根厚，牙形角大，而且当量摩擦系数大，自锁性能好，传动效率低，升降座调整至合适位置后，可以固定升降座的位置。
本发明所述的光照模块2、光谱采集模块以及控制单元3均为用电部件，为了保证光照模块2、光谱采集模块以及控制单元3的正常工作，在没有特殊说明的前提下应当理解为光照模块2、光谱采集模块以及控制单元3均连接有相匹配的电源，光照模块2、光谱采集模块以及控制单元3可以采用同一总电源，也可以根据实际需要单独设置电源，或者是通过光照模块2、光谱采集模块以及控制单元3之间的电路实现电源信号的传递。各用电部件之间的空间位置关系没有严格限制，但为了便于加工和安装尽可能的采用集成度较高的电路布置。
本发明梨的多指标参数测定装置工作时，将梨10的果梗30朝上，果萼31朝下，放入暗箱11内，关闭推拉门8，调节升降座28高度，使输出光纤15的发射端以及接收光纤的采集端位于梨10的赤道部位32，打开电源开关6，电子旋转称重平台9称量梨10的重量G，高度测量装置14测量梨10的高度H，并将所得信息传递至控制单元3，光照模块2发出610nm、680nm、690nm、950nm、1027nm、1131nm、1220nm、1437nm、1484nm、1580nm、1667nm和1768nm波长的光，经输出光纤15的发射端照射至梨10，打开光谱采集模块开关7，转动电子旋转称重平台，每旋转一次，接收光纤的采集端采集该部位处梨10的反射光信号，传递至控制单元3，经控制单元3处理后，将梨10的重量，高度，体积，可溶性固形物含量显示在显示屏4上。
利用上述的梨的多指标参数测定装置测定梨的多指标参数的方法，包括以下步骤：
(1)将梨放入所述暗箱中，利用所述电子称重旋转平台测定梨的重量G，利用所述高度测量装置测量高度H；
(2)将梨的重量G和高度H信息输入控制单元，控制单元依据公式V＝0.218*G+0.123*H-8.8，计算得到梨的体积V；其中，重量G的单位为g，高度H的单位为cm，V的单位为cm3；
(3)沿着梨的赤道部位确定至少两个检测点，所述光照模块向该两个检测点发送检测光，利用光谱采集模块采集每个检测点处在波长为610nm、680nm、690nm、950nm、1027nm、1131nm、1220nm、1437nm、1484nm、1580nm、1667nm和1768nm所对应的梨的反射率；
(4)将所得反射率输入控制单元，控制单元依据多元线性回归方程：Y＝12.976X1+12.793X2-22.304X3+26.986X4+357.516X5-560.708X6+205.118X7+293.066X8-390.814X9+290.461X10-257.144X11+42.664X12+6.2，计算得到梨的可溶性固形物含量；可溶性固形物含量单位为Brix；
式中Y为梨中可溶性固形物含量；X1～X12分别为波长610nm、680nm、690nm、950nm、1027nm、1131nm、1220nm、1437nm、1484nm、1580nm、1667nm、1768nm所对应的梨的反射率。
从微观上说，组成梨的分子的活动状态受到检测光的能量激发，产生不同的能级跃迁，吸收和释放能量，形成与分子对应的的反射光谱和吸收光谱。不同的化学键，如O-H、N-H、C-H等，化学键的转动以及伸缩振动，在能级间的跃迁会吸收特定波长的光，并激发产生特征峰，依据特征峰的强度以及波数可以判断物质的组成。
所用波长与梨的可溶性固形物及相关化学成分中的N-H、C-N、N-H等化学键的振动信息相关，这些信息能够反映梨中可溶性固形物含量的多少。例如1220nm反映了梨的可溶性固形物N-H的一级伸缩振动及N-H的平面弯曲振动，1437nm反映了梨的可溶性固形物及相关化学成分的N-H、C-N等组合伸缩振动信息，1580nm反映了梨的可溶性固形物的伸缩和弯曲振动信息，680nm和690nm反映了梨的可溶性固形物中芳烃信息，950nm反映了梨的可溶性固形物中胺基和羟基信息，1027nm反映了梨的可溶性固形物中胺基信息，1131nm反映了梨的可溶性固形物中甲基信息，1484nm反映了梨的可溶性固形物中伯酰胺信息，1667nm反映了梨的可溶性固形物中芳烃和甲基信息，1768nm反映了梨的可溶性固形物中亚甲基和次甲基信息，应用多元线性回归算法对上述特征波长进行建模分析，建立梨的可溶性固形物含量与特征波长的线性方程。
本发明所选定的特征波长(其中有一个作为参照波长，其余11个参与计算)仅针对梨的可溶性固形物的快速检测，如果需要测量其他水果或者测量梨的其他指标，需要重新选定特定波长，通过多元线性回归，建立模型，计算得到相应的指标值。
利用本发明提供的方法建立模型的相关指标见表1，其中，建模集表示建立模型时，利用梨的反射率以及现有方法测试得到的梨的可溶性固形物含量拟合得到模型方程，预测集表示，预测时，即建立完模型后，使用梨依据模型方程得到的可溶性固形物含量拟合得到的标准曲线。
表1
实施例1～10
利用本发明提供的装置和方法对梨的重量、高度、体积、可溶性固形物含量进行测试，测试结果见表2。
表2
由表2数据，可以看出，利用本发明方法测得的梨的重量、高度、体积、可溶性固形物含量与现有方法测试得到的数据接近，利用本发明可以快速测定梨的重量、高度、体积、可溶性固形物含量，结果可靠。
Claims (6)
1.一种利用梨的多指标参数测定装置测定梨的多指标参数的方法，其特征在于，
所述的梨的多指标参数测定装置包括：
暗箱；
位于所述暗箱内，用于测量梨的重量的电子称重旋转平台；
位于所述暗箱内，用于测量梨的高度的高度测量装置；
用于向梨发射检测光的光照模块；
用于接收梨的反射光的光谱采集模块；
用于接收所述电子称重旋转平台和高度测量装置的信号计算样品体积，以及用于接收所述光谱采集模块信号计算样品可溶性固形物含量的控制单元；
所述光照模块包括在光路上依次布置的LED点光源阵列、反射盖、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜以及输出光纤，所述LED点光源阵列包括610nm、680nm、690nm、950nm、1027nm、1131nm、1220nm、1437nm、1484nm、1580nm、1667nm和1768nm的LED点光源各一盏，所有LED点光源呈圆环形排列且均匀分布；
所述的测定梨的多指标参数的方法包括以下步骤：
（1）将梨放入所述暗箱中，利用所述电子称重旋转平台测定梨的重量G，利用所述高度测量装置测量高度H；
（2）将梨的重量G和高度H信息输入控制单元，控制单元依据公式V=0.218*G+0.123*H-8.8，计算得到梨的体积V；
（3）沿着梨的赤道部位确定至少两个检测点，所述光照模块向该两个检测点发送检测光，利用光谱采集模块采集每个检测点处在波长为610nm、680nm、690nm、950nm、1027nm、1131nm、1220nm、1437nm、1484nm、1580nm、1667nm和1768nm所对应的梨的反射率；
（4）将所得反射率输入控制单元，控制单元依据多元线性回归方程：Y=12.976X1+12.793X2-22.304X3+26.986X4+357.516X5-560.708X6+205.118X7+293.066X8-390.814X9+290.461X10-257.144X11+42.664X12+6.2，计算得到梨的可溶性固形物含量；
式中Y为梨中可溶性固形物含量；X1～X12分别为波长610nm、680nm、690nm、950nm、1027nm、1131nm、1220nm、1437nm、1484nm、1580nm、1667nm、1768nm所对应的梨的反射率。
2.如权利要求1所述的测定梨的多指标参数的方法，其特征在于，每盏LED点光源的光轴沿光路方向与所述圆环形的轴线成30度夹角。
3.如权利要求1所述的测定梨的多指标参数的方法，其特征在于，所述光谱采集模块包括接收样品反射光的接收光纤以及接收该接收光纤所传送信号的光敏传感器。
4.如权利要求3所述的测定梨的多指标参数的方法，其特征在于，所述输出光纤的发射端以及接收光纤的采集端均位于所述暗箱内。
5.如权利要求4所述的测定梨的多指标参数的方法，其特征在于，设有调节输出光纤以及第二聚焦透镜间距的伸缩机构。
6.如权利要求5所述的测定梨的多指标参数的方法，其特征在于，所述暗箱的侧壁设有竖直布置的两条平行导轨以及沿平行导轨滑动的升降座，所述升降座上设有***暗箱内的光纤套管，所述输出光纤以及接收光纤沿所述光纤套管延伸入暗箱内。
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