CN114047147A - 基于光谱技术的猕猴桃品质在线无损检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于光谱技术的猕猴桃品质在线无损检测装置和方法。本发明包括探头检测装置、光谱仪、光源、输送平台、光电传感器、暗箱，暗箱顶部安装有探头检测装置，探头检测装置包括随动杂散光消除机构和反射光纤探头，暗箱底部安装有输送平台，输送平台包括输送轨道、安装于输送轨道上的滑台，滑台上方固定有夹持猕猴桃样品的果杯；本发明利用光谱仪获取猕猴桃动态漫反射光谱数据；对光谱进行预处理以减少果实形状和光的散射引起的检测误差；建立猕猴桃糖度和硬度的线性预测模型。本发明实现了对特定输送速度下猕猴桃糖度和硬度的在线检测，具有效率高、准确性高、无损、快速便捷的优点。
Description
技术领域
本发明涉及可见/近红外水果品质无损检测技术领域，特别是涉及基于光谱技术的猕猴桃品质在线无损检测装置和方法。
背景技术
猕猴桃又称奇异果，富含葡萄糖、果糖、维生素和矿物质等人体所必须的营养成分，被称为“维C之王”。近10年来，猕猴桃种植规模迅速增长，已经成为世界主流消费水果。中国的猕猴桃种植总面积和总产量均稳居世界第一。随着猕猴桃消费市场的扩大，人们对于高品质猕猴桃的需求与日俱增。为了兼顾猕猴桃的储存时间和口感，通常需要在其未完全成熟时进行采摘。采摘后的猕猴桃需要一定时间达到生理成熟，在成熟的过程中，不溶性淀粉逐渐转化为可溶性固形物，果实中葡萄糖、果糖等糖含量增加，产生酸味的有机酸和产生涩感的蛋白酶减少，同时果实的硬度明显降低。因此，猕猴桃的糖度和果实硬度是决定猕猴桃品质和成熟度的重要指标。随着猕猴桃产业的扩大以及消费需求的提升，迫切需要对猕猴桃糖度和硬度进行快速无损在线检测。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提供了基于光谱技术的猕猴桃品质在线无损检测方法和装置，通过采集一批猕猴桃样本的动态反射光谱以及糖度和硬度数据，建立定量预测模型。
本发明采用的技术方案如下：
一、基于光谱技术的猕猴桃品质在线无损检测装置
包括探头检测装置、光谱仪、光源、输送平台、光电传感器、暗箱；暗箱顶部安装有探头检测装置，探头检测装置包括随动杂散光消除机构和反射光纤探头；反射光纤探头的输入端和输出端分别连接有光源和光谱仪，反射光纤探头探测端中部设置接收光纤，沿接收光纤周向等间隔设置有6-12个发射光纤，反射光纤探头通过环绕式多点反射检测猕猴桃样品；暗箱底部安装有输送平台，输送平台包括输送轨道、安装于输送轨道上的滑台，滑台上方固定有夹持猕猴桃样品的果杯；暗箱两侧安装有光电传感器。
所述随动杂散光消除机构包括机架、横向运动轨道、纵向运动轨道、遮光筒支架、橡胶遮光筒、凸轮块、滑块；机架竖直固定于检测探头侧方，反射光纤探头上套设有橡胶遮光筒；机架靠近检测探头的一侧设置有纵向运动轨道，纵向运动轨道上滑动安装有沿轨道上下移动的凸轮块，凸轮块通过遮光筒支架固定有橡胶遮光筒；机架远离检测探头的一侧设置有横向运动轨道，横向运动轨道上滑动安装有沿轨道横向移动的滑块，横向运动轨道上套装有弹簧，弹簧一端抵住滑块，另一端抵住机架；滑块底部通过铰接连接有离合块，离合块和滑块之间连接有弹性金属片。
凸轮块远离探头的一侧开有滑动槽，滑块通过嵌装于滑动槽内的连接块与凸轮块滑动连接，滑块沿横向运动轨道横向移动的同时带动凸轮块沿纵向运动轨道纵向移动。
机架顶端安装有限位板，橡胶遮光筒顶部从限位板穿出，且与限位板之间间隙配合。
果杯侧面固定有驱动杆，驱动杆顶部端面与离合块位于同一高度。
当离合块受到大于弹性金属片弹力的推力时，离合块绕滑块从滑块下方转动至底部侧方。
滑块的横向移动方向与输送平台的输送方向一致。
当猕猴桃样品被输送至反射光纤探头正下方时，反射光纤探头的探测端距离猕猴桃样品正上方8-10mm处。
光源采用20W卤素灯，反射光纤探头通过光源补光。
二、一种基于光谱技术的猕猴桃品质在线无损检测方法
包括以下步骤：
1)选取200-300个无破损、无缺陷的猕猴桃样品，将所有猕猴桃样品在采摘后放入0-4℃冷库中冷藏，检测前从冷库中取出放置在室温下，使样本恢复至室温；
2)获取每个猕猴桃样品的光谱数据；
2.1)将待测样品放置于果杯上，由输送平台带动果杯做匀速直线运动；当果杯靠近检测探头时，果杯上的驱动杆顶部端面与离合块接触，并通过离合块推动滑块沿横向运动轨道移动，从而带动凸轮块沿纵向运动轨道移动，橡胶遮光筒在凸轮块的带动下向下运动；
2.2)当果杯运动至反射光纤探头正下方时，离合块和滑块移动至横向运动轨道端部，橡胶遮光筒运动至最下端，橡胶遮光筒底端贴合待测样品表面以消除光谱检测时外界的杂散光；此时离合块在弹性金属片的弹力作用下不发生转动；
当果杯运动至反射光纤探头正下方时，同时触发光电传感器，光电传感器发送信号给光谱仪，光谱仪通过反射光纤探头进行光谱检测得到动态漫反射光谱，并对动态漫反射光谱进行预处理得到猕猴桃样品的光谱数据；
橡胶遮光筒底端贴合待测样品表面的同时完成光谱检测，通过橡胶遮光筒贴合待测样品使光谱检测在避光条件下进行；
2.3)果杯继续移动，驱动杆继续推动离合块，由于机架的阻挡，滑块无法继续运动，弹性金属片受力增大而产生弹性形变，离合块发生转动，从而使驱动杆与离合块分离，与驱动杆相连的滑块失去驱动杆的推力，滑块在横向运动轨道上弹簧的弹力作用下移动至初始位置，从而带动凸轮块和橡胶遮光筒回到初始位置；
3)采用偏最小二乘法和主成分回归法建立猕猴桃糖度与硬度的线性预测模型，将样本集输入猕猴桃糖度与硬度的线性预测模型中进行训练得到猕猴桃糖度与硬度检测模型；
4)采用步骤2)检测待测猕猴桃的光谱数据，将光谱数据输入步骤3)的猕猴桃糖度与硬度检测模型中，得到待测猕猴桃的糖度与硬度。
所述步骤3)中，样本集由猕猴桃光谱数据以及对应的猕猴桃糖度和硬度值组成，将样本集分为校正集和预测集；猕猴桃光谱数据为预测模型的输入数据，对应的猕猴桃糖度和硬度为预测模型的输出参数；
所述样本集中的猕猴桃糖度和硬度值通过下述方法得到：
使用质构仪对完成光谱采集的猕猴桃进行硬度检测：取2mm直径圆形探头下压1mm时的压力数据衡量猕猴桃样本的硬度；
将猕猴桃样本切块打碎，用200目以上的滤网过滤出果汁，采用糖度计对果汁糖度进行测量得到猕猴桃样本的糖度。
本发明的有益效果是：
1)实现了对猕猴桃糖度与硬度的同时在线检测，并且提高了检测结果的准确性。
2)能够实现猕猴桃无损检测，并且提高检测速度，操作简单便捷，能够满足生产分级需求。
附图说明
图1为本发明检测装置结构示意图；
图2为0.3m/s运输速度下采集的猕猴桃反射光谱图；
图3为0.5m/s运输速度下采集的猕猴桃反射光谱图；
图4为反射光纤探头的端面结构示意图；
图5为随动杂散光消除装置结构示意图；
图6为随动杂散光消除装置的平面图，(a)(b)为随动杂散光消除装置在不同角度的侧视图。
1探头检测装置、2光谱仪、3光源、4输送平台、5光电传感器、6暗箱、7果杯、8猕猴桃样品、201光纤、202反射光纤探头探测端、203机架、204横向运动轨道、205纵向运动轨道、206弹簧、207移动凸轮块、208滑块、209离合块、210弹性金属片、211橡胶遮光筒、212遮光筒支架、213驱动杆。
具体实施方式
本发明方法对不同品种的猕猴桃糖度与硬度的无损检测具有很好的通用性。全世界范围内猕猴桃品种众多，本发明以“海沃德”猕猴桃作为实施实例，其他猕猴桃品种可参照该实施例方法进行。根据不同的猕猴桃品种建立适用于该品种的糖度与硬度预测模型，对其进行在线无损检测。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的无损检测装置包括探头检测装置1、光谱仪2、光源3、输送平台4、光电传感器5、暗箱6；暗箱6顶部安装有探头检测装置1，探头检测装置1包括随动杂散光消除机构和反射光纤探头；反射光纤探头的输入端和输出端分别连接有光源3和光谱仪2；暗箱6底部安装有输送平台4，输送平台4包括输送轨道、安装于输送轨道上的滑台，滑台上方固定有夹持猕猴桃样品8的果杯7；暗箱6两侧安装有光电传感器5。
可见近红外反射光纤探头的探测端202安装于猕猴桃果实赤道部位的运动路径正上方8-10mm处，输入端和输出端分别连接20W卤素灯光源和光谱仪。
如图4所示，反射光纤探头通过环绕式多点反射检测猕猴桃样品8，反射光纤探头探测端202中部设置接收光纤102，沿接收光纤102周向等间隔设置有6-12个发射光纤101，该种布置方式能够获得多个位置的果蔬内部品质信息，实现定点检测和形态感知，提高检测准确性。接收光纤102和发射光纤101向上延伸后集成为一束光纤201。
如图5-6所示，随动杂散光消除装置可以根据果杯的移动位置，随动伸缩软橡胶套筒，当水果样品到达检测位置时，套筒覆盖在水果表面，使探头只能接收到水果反射出的带有内部品质信息的反射光，从而防止环境中的杂散光对检测数据造成影响。具体结构如下：
横向运动轨道204和纵向运动轨道205分别横向和纵向安装在机架203上，凸轮块207安装在纵向运动轨道205上，可以沿着轨道上下滑动，滑块208安装在横向运动轨道204上，同时滑块208设置在凸轮块207中的凹槽轨道内，与凹槽轨道保持贴合，横向运动轨道204上安装有弹簧206，滑块208的一端与离合块209通过转轴相连，离合块209的两侧设置有弹性金属片210，遮光筒支架212固定在凸轮块207上，橡胶遮光筒211穿过机架203的限位板和遮光筒支架212上的通孔安装在遮光筒支架212上，可以随着遮光筒支架212一起上下运动，光纤201穿过橡胶遮光筒211，驱动杆213的底部与果杯通过螺栓连接，驱动杆213的上部圆形端面与离合块210在同一水平线上。
实施例：
步骤一，样本准备。选取180个无破损、无缺陷的“海沃德”猕猴桃样品作为样本，其中130个样本分为校正集，50个样本分为预测集，所有待测样品在采摘后检测前需放入0-4℃冷库中冷藏，检测前需从冷库中取出放置在室温下24小时，使样本恢复至室温；
步骤二，通过无损检测装置采集猕猴桃反射光谱数据。本实施例采用图1所示的无损检测装置，其中配备了美国海洋光学公司的QE65 Pro光谱仪，光谱范围400-1180nm，光谱分辨率为0.7nm，信噪比为1000：1。光源采用美国海洋光学公司的HL-2000-HP高功率钨卤灯，波长范围为360-2400nm，功率为20W。反射探头采用雷畴公司的定制反射探头，波长范围为200-1100nm，材料为紫外石英光纤，芯径为1000μm，共有6个出射端和1个接收端。光谱采集条件是：光谱采集范围为400-1180nm，积分时间为50ms，平均次数为3次。
采集时，猕猴桃样本在输送装置上以0.3m/s和0.5m/s分别作匀速直线运动通过检测位置，反射光纤探头探测端距离猕猴桃赤道位置8-10mm，分别获得如图2、图3所示的反射光谱。
无损检测装置的工作过程具体如下：当输送平台带动果杯运动时，驱动杆随着果杯一起运动，当运动到一定位置时，驱动杆与离合块相接触，此时弹性金属片受到的力较小，离合块不会发生偏转，从而被驱动杆推动而运动，离合块带动滑块沿着横向运动轨道运动，滑块在做横向运动时会带动凸轮块沿着纵向运动轨道做同步的纵向运动，凸轮块的运动带动遮光筒支架向下运动，从而使遮光筒向下运动，当水果运动到反射光纤探头正下方时，离合块和滑块移动到最后端，凸轮块、遮光筒支架和遮光筒运动到最下端，遮光筒的下端贴合住水果表面，同时完成光谱数据采集，之后果杯继续运动，驱动杆继续推动离合块，由于机架的阻挡，滑块无法继续运动，弹性金属片受力增大而产生弹性形变，离合块发生转动，从而使驱动杆与离合块分离，滑块受到横向运动轨道上弹簧的力而向前运动回到最初位置，凸轮块和橡胶遮光筒也随之回到最初位置。
步骤三，采集猕猴桃糖度与硬度数据，本实施例使用安装2mm圆柱形探头的英国Stable Micro Systems质构仪对样品进行检测，将猕猴桃样品放置在圆形样品台上，以0.3mm/s的速度进行挤压，获得样品的压力曲线。将挤压1mm时的压力数值作为该样品的硬度。之后用榨汁机对猕猴桃果肉进行榨汁，用200目以上的滤网过滤后用日本爱拓PR-101α糖度计对样品糖度进行测定并记录数据。
步骤四，光谱预处理。去除光谱两端噪声较多的波段，选取500-1150nm的波长范围，采用内部参照校正方法对猕猴桃反射光谱进行预处理，以减少猕猴桃果实形状和光的散射引起的检测误差。
步骤五，通过校正集样本建立预测模型。以步骤四所选取的光谱数据和步骤三获得的猕猴桃糖度和硬度数据，采用偏最小二乘法、主成分回归法和逐步多元线性回归法建立0.3m/s和0.5m/s在线状态下猕猴桃糖度与硬度的线性预测模型。使用预测集样本检验所建模型对猕猴桃糖度和硬度的预测准确度和可靠性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种基于光谱技术的猕猴桃品质在线无损检测装置，其特征在于，包括探头检测装置(1)、光谱仪(2)、光源(3)、输送平台(4)、光电传感器(5)、暗箱(6)；
暗箱(6)顶部安装有探头检测装置(1)，探头检测装置(1)包括随动杂散光消除机构和反射光纤探头；反射光纤探头的输入端和输出端分别连接有光源(3)和光谱仪(2)，反射光纤探头探测端中部设置接收光纤(102)，沿接收光纤(102)周向等间隔设置有6-12个发射光纤(101)，反射光纤探头通过环绕式多点反射检测猕猴桃样品(8)；
暗箱(6)底部安装有输送平台(4)，输送平台(4)包括输送轨道、安装于输送轨道上的滑台，滑台上方固定有夹持猕猴桃样品(8)的果杯(7)；
暗箱(6)两侧安装有光电传感器(5)。
2.根据权利要求1所述的基于光谱技术的猕猴桃品质在线无损检测装置，其特征在于，所述随动杂散光消除机构包括机架(203)、横向运动轨道(204)、纵向运动轨道(205)、遮光筒支架(212)、橡胶遮光筒(211)、凸轮块(207)、滑块(208)；机架(203)竖直固定于检测探头侧方，反射光纤探头上套设有橡胶遮光筒(211)；机架(203)靠近检测探头的一侧设置有纵向运动轨道(205)，纵向运动轨道(205)上滑动安装有沿轨道上下移动的凸轮块(207)，凸轮块(207)通过遮光筒支架(212)固定有橡胶遮光筒(211)；机架(203)远离检测探头的一侧设置有横向运动轨道(204)，横向运动轨道(204)上滑动安装有沿轨道横向移动的滑块(208)，横向运动轨道(204)上套装有弹簧，弹簧一端抵住滑块，另一端抵住机架(203)；滑块(208)底部通过铰接连接有离合块(209)，离合块(209)和滑块之间连接有弹性金属片(201)。
3.根据权利要求2所述的基于光谱技术的猕猴桃品质在线无损检测装置，其特征在于，凸轮块(207)远离探头的一侧开有滑动槽，滑块(208)通过嵌装于滑动槽内的连接块与凸轮块(207)滑动连接，滑块(208)沿横向运动轨道(204)横向移动的同时带动凸轮块(207)沿纵向运动轨道(205)纵向移动。
4.根据权利要求2所述的基于光谱技术的猕猴桃品质在线无损检测装置，其特征在于，果杯侧面固定有驱动杆(213)，驱动杆(213)顶部端面与离合块(209)位于同一高度。
5.根据权利要求2所述的基于光谱技术的猕猴桃品质在线无损检测装置，其特征在于，当离合块(209)受到大于弹性金属片(201)弹力的推力时，离合块(209)绕滑块(208)从滑块下方转动至底部侧方；
滑块(208)的横向移动方向与输送平台的输送方向一致。
6.根据权利要求2所述的基于光谱技术的猕猴桃品质在线无损检测装置，其特征在于，当猕猴桃样品(8)被输送至反射光纤探头正下方时，反射光纤探头的探测端距离猕猴桃样品(8)正上方8-10mm处；
光源(3)采用20W卤素灯，反射光纤探头通过光源(3)补光。
7.根据权利要求1～6任一所述装置的基于光谱技术的猕猴桃品质在线无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选取200-300个无破损、无缺陷的猕猴桃样品，将所有猕猴桃样品在采摘后放入0-4℃冷库中冷藏，检测前从冷库中取出放置在室温下，使样本恢复至室温；
(2)获取每个猕猴桃样品的光谱数据；
2.1)将待测样品放置于果杯上，由输送平台带动果杯做匀速直线运动；当果杯靠近检测探头时，果杯上的驱动杆(213)顶部端面与离合块(209)接触，并通过离合块(209)推动滑块(208)沿横向运动轨道(204)移动，从而带动凸轮块(207)沿纵向运动轨道(205)移动，橡胶遮光筒(211)在凸轮块(207)的带动下向下运动；
2.2)当果杯运动至反射光纤探头正下方时，离合块(209)和滑块(208)移动至横向运动轨道(204)端部，橡胶遮光筒(211)运动至最下端，橡胶遮光筒(211)底端贴合待测样品表面；此时离合块(209)在弹性金属片(210)的弹力作用下不发生转动；
当果杯运动至反射光纤探头正下方时，同时触发光电传感器(5)，光电传感器(5)发送信号给光谱仪，光谱仪通过反射光纤探头进行光谱检测得到动态漫反射光谱，并对动态漫反射光谱进行预处理得到猕猴桃样品的光谱数据；
2.3)果杯继续移动，驱动杆(213)继续推动离合块(209)，由于机架(203)的阻挡，滑块(208)无法继续运动，弹性金属片(210)受力增大而产生弹性形变，离合块(209)发生转动，从而使驱动杆(213)与离合块(209)分离，与驱动杆(213)相连的滑块(208)失去驱动杆(213)的推力，滑块(208)在横向运动轨道(204)上弹簧(206)的弹力作用下移动至初始位置，从而带动凸轮块(207)和橡胶遮光筒(211)回到初始位置；
(3)采用偏最小二乘法和主成分回归法建立猕猴桃糖度与硬度的线性预测模型，将样本集输入猕猴桃糖度与硬度的线性预测模型中进行训练得到猕猴桃糖度与硬度检测模型；
(4)采用步骤2)检测待测猕猴桃的光谱数据，将光谱数据输入步骤3)的猕猴桃糖度与硬度检测模型中，得到待测猕猴桃的糖度与硬度。
8.根据权利要求7所述的基于光谱技术的猕猴桃品质在线无损检测方法，其特征在于，所述步骤3)中，样本集由猕猴桃光谱数据以及对应的猕猴桃糖度和硬度值组成，将样本集分为校正集和预测集；猕猴桃光谱数据为预测模型的输入数据，对应的猕猴桃糖度和硬度为预测模型的输出参数。
9.根据权利要求7所述的基于光谱技术的猕猴桃品质在线无损检测方法，其特征在于，所述样本集中的猕猴桃糖度和硬度值通过下述方法得到：
使用质构仪对完成光谱采集的猕猴桃进行硬度检测：取2mm直径圆形探头下压1mm时的压力数据衡量猕猴桃样本的硬度；
将猕猴桃样本切块打碎，用200目以上的滤网过滤出果汁，采用糖度计对果汁糖度进行测量得到猕猴桃样本的糖度。
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| CN105424653A (zh) * | 2015-11-10 | 2016-03-23 | 浙江大学 | 用集成光纤探头的水果果肉组织光学特性检测***和方法 |
| CN108507954A (zh) * | 2018-03-20 | 2018-09-07 | 南京财经大学 | 一种小型水果品质及货架期在线检测装置及方法 |
| CN111693470A (zh) * | 2020-06-04 | 2020-09-22 | 西安交通大学 | 一种皮肤表面反射光谱测量装置及其测量方法 |
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2021
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