CN114235720A - 一种杨梅果实糖酸度便携式无损检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种杨梅果实糖酸度便携式无损检测装置。该检测装置包括外壳，以及安装在外壳上的特定波段光源、光照强度传感器和控制模块。外壳上设置有遮光壁7。特定波段光源和光照强度传感器均安装在遮光壁7的内侧。特定波段光源包括第一LED灯和第二LED灯。所述第一LED灯和第二LED灯的发光位置分别设置有570nm和610nm的滤光片。本发明使用32nm带宽的滤光片与光照强度传感器相配合，实现了低成本的杨梅糖度、酸度的无损检测。此外，本发明在降低成本的情况下达到了与利用4nm光谱分辨率光谱图像求得值相近的检测精度。
Description
技术领域
本发明属于果实糖酸度无损检测技术领域，具体涉及一种杨梅果实糖酸度便携式无损检测装置及其检测方法。
背景技术
杨梅是浙江省的一种重要经济作物，浙江省杨梅栽培的总面积约为70万亩，年总产量为21万吨。杨梅树性强健，易于栽培，经济寿命长，生产成本明显比其他水果低，因此，被人们誉为“绿色企业”和“摇钱树”。我国的杨梅主要集中在六月至七月进行采摘，采摘时间短，杨梅产量高，并且同一株杨梅树的杨梅成熟期不同，需要多次采摘。杨梅的口感和营养决定了杨梅的质量等级，较高等级的杨梅产生的经济价值也较高，以往人工分类杨梅取决于经验，因此分类标准参差不齐，不能充分发挥高质量杨梅的经济价值。同时，由于夏天的高温高湿的天气，杨梅的质地又较为柔软，没有外果皮进行保护，因此杨梅的耐储藏性较差，如果分类效率较低则会导致杨梅腐烂，影响质量。基于上述问题，目前急需一种高效而精确的杨梅分类方法与仪器。
杨梅的质量等级主要是由杨梅的甜度和酸度决定，质量较高的杨梅吃起来香甜可口，而在化学组分中的反应则是其果肉中所含糖度和酸度，因此如果能对杨梅果实的糖度和酸度进行准确的检测，就能够对杨梅进行分类。以往的水果质量检测方法需要破坏水果的成分，提取果肉通过化学组分分析，得到其相关组分，而随着光谱分析技术的兴起，使得对于水果的无损检测成为现实。光谱分析技术因具有分析时间短，无需样品预处理，非破坏性，无污染以及成本低等特点，已成为20世纪90年代以来发展最快，最引人注目的现代定量分析技术，广泛应用于农产品，食品的品质检测。近年来我国的水果无损检测研究主要应用于苹果等水果，尚未有研究用于杨梅的无损质量检测，而且所采用的光谱分析仪器均是一些较复杂的光谱仪，造价昂贵而且不易于使用。
申请号为“2020107825636”，名称为“一种杨梅品质无损检测方法”，以及申请号为“2020105424195”，名称为“一种基于高光谱的杨梅果实糖酸度无损检测方法”的专利申请中均记载了无损检测杨梅果实糖酸度的方法，但是二者分别需要使用工业相机、高光谱仪；而工业相机和高光谱仪均存在成本昂贵的缺点；因此，目前具有造价较低、便于使用的杨梅无损质量检测仪器尚未实现，因此具有极大的发展前景。
发明内容
本发明的目的在于解决以往人工判别杨梅成熟度的局限性，通过采集杨梅表面对相关特征波长光的反射信息，反演杨梅的酸度和糖度的便携式无损检测装置。
本发明提供一种杨梅果实糖酸度的便携式无损检测装置，其包括外壳，以及安装在外壳上的特定波段光源、光照强度传感器和控制模块。光照强度传感器的光谱分辨率为32nm。外壳上设置有遮光壁7。特定波段光源和光照强度传感器均安装在遮光壁7的内侧。特定波段光源包括第一LED灯和第二LED灯。所述第一LED灯和第二LED灯的发光位置分别设置有570nm和610nm的滤光片。
控制模块安装在外壳内。控制模块利用糖酸度检测模型，以第一LED灯、第二LED灯分别发光时检测到的光强度为输入信号，计算被测杨梅果实的糖度Csugar和酸度PH如下：
Csugar＝A*Canth+B
PH＝A*R1 -B+C
Canth＝A*R2 2-B*R620+C
其中，Canth为杨梅的花青素含量，R1为第一LED灯照射被测杨梅果实的反射率，其表达式为R1＝LLED1/ELED1；LLED1、ELED1分别为第一LED灯照射被测杨梅果实测得的光强度、第一LED灯对应的标准光强度。R2为第二LED灯照射被测杨梅果实的反射率，其表达式为R2＝LLED2/ELED2；LLED2、ELED2分别为第二LED灯照射被测杨梅果实测得的光强度和第二LED灯对应的标准光强度。A、B、C为三个待定参数，其值通过提前标定得到。
作为优选，该杨梅果实糖酸度便携式无损检测装置还包括检测结果显示模块和控制开关。检测结果显示模块和控制开关安装在外壳的同一侧面上；控制开关控制糖酸度检测模型的启动；检测结果显示模块用于将检测结果可视化；可视化结果包括第一LED灯、第二LED灯的光强度值，以及糖酸度检测模型计算出的糖度值、酸度值。
作为优选，所述滤光片的滤波带宽为32nm。
作为优选，所述的遮光壁为3D打印得到的黑色空心圆柱体，其底面直径为15mm，高度为15mm，内端与两个LED灯的安装平面贴合并固定，外端用于与杨梅果实贴合。
作为优选，第一LED灯对应的标准光强度ELED1和第二LED灯对应的标准光强度ELED2，通过将遮光壁抵住标准白板后，第一LED灯和第二LED灯分别发光的方式，由光照强度传感器测量得到。
本发明的有益效果为：
1.本发明使用波长范围32nm的LED灯和光照强度传感器相配合，实现了低成本的杨梅糖度、酸度的无损检测。相比于现有技术中利用光谱分辨率达到4nm的光谱图像进行无损检测的技术方案，本申请只需使用现有的32nm带宽滤波片配合较低检测精度的光照强度传感，大大降低了设备成本，且经实测，对于570nm和610nm波段光谱在杨梅果实上的反射率，32nm带宽的特征波段的光谱信息与4nm带宽的特征波段的光谱信息呈现较高的一致性，使得本发明在降低成本的情况下达到了与利用4nm光谱分辨率光谱图像求得值相近的检测精度。
2.本发明使用遮光壁抵住杨梅果实进行检测，能够有效避免外界的干扰光信号对检测结果造成影响，从而提高检测精度。此外，本发明提供的杨梅果实糖酸度便携式无损检测装置能够快速测量杨梅果实糖度和酸度，并且具有较高精度，相较于目前市面上果实无损检测仪器如日本的K-SS900LC检测仪、美国的F-750检测仪和我国的TPF-750检测仪等，本发明的突出优点在于便携式与低成本。市面上检测仪多采用近红外光谱，对于传感器要求较高，因此普遍重量在1-10kg之间，而本仪器仅300g左右，近红外检测仪的售价普遍在几万元以上，而本仪器成本在几千元以内。
附图说明
图1为本发明中提供的杨梅果实糖酸度便携式无损检测装置的结构示意图
图2为本发明中特定波段光源和光照强度传感器的安装位置示意图；
图3为本发明提供的杨梅果实糖酸度便携式无损检测装置的内部示意图；
图4为本发明提供的杨梅果实糖酸度便携式无损检测装置的***框图；
图5为本发明提供的杨梅果实糖酸度便携式无损检测装置进行检测的流程图；
图6为杨梅果实在570nm和610nm波段下的光谱与其在554-586nm平均光谱、594-626nm平均光谱的对比图(a部分为570nm光谱与554-586nm平均光谱的对比图；b部分为610nm光谱与594-626nm平均光谱的对比图)；
图7为杨梅果实在特征波段下测得pH值、糖度与特征波段32nm带宽下测得的pH值、糖度对比图(a部分为pH值对比图；b部分为糖度对比图)；
图8为本发明测得的糖度、pH值反演结果与实测值的对比图(a部分对应糖度，b部分对应pH值)。
具体实施方式
以下根据附图对本发明作进一步说明。
一种杨梅果实糖酸度便携式无损检测装置，可用于对杨梅果实进行无损的糖酸度检测，参照附图：
实施例1：杨梅传感器低成本化方法验证
杨梅果实糖度和酸度的光谱检测中，酸度检测对应570nm波长光源，糖度检测对应610nm波长光源；在光谱图像中光谱分辨率较高(具体为4nm)；为降低设备成本，避免使用4nm光谱分辨率的传感器进行检测，以特征波段为中心波长，分别向两侧延伸16nm波长作为扩展后的低光谱分辨率(32nm)，即554-586nm和594-626nm特征波段。由不同品质杨梅的光谱响应特征，分别在对应的光谱数据集中挑选若干个样本光谱，并从中分别提取554-586nm以及594-626nm范围内的平均光谱，并与570nm、610nm的特征光谱进行对比，所获得的光谱数据如图6。从图6中可以看出，不同品质杨梅样本的特征波段32nm带宽光谱与特征波段光谱确实存在着一定的一致性，每个样本的光谱反射率均较为接近，570nm和610nm特征波段的光谱间RMSE分别为0.0023及0.0021，满足精度要求，说明杨梅的光谱响应在两个特征光谱附近具有很高的一致性。因此使用32nm带宽的光谱信息来替代特征波段光谱信息是可行的。
不同光谱分辨率的特征波段具有较为一致的光谱信息，但是仍存在一定差异，这些差异会对糖酸度反演带来一定误差，因此需要对每个样本的不同带宽特征光谱分别反演糖酸度结果进行对比，以分析最终误差是否满足精度需求。由酸度和糖度反演模型，每个样本的不同反演结果如图7所示。
同样的，不同光谱分辨率特征光谱的反演结果也较为一致，说明光谱间的误差导致的反演误差不会影响相关化学组分反演，计算pH值及糖度含量的反演精度RMSE分别为0.04及0.001，达到精度要求。因此，基于光谱图像的杨梅品质特征波段570nm及610nm可以分别被扩展为554-586nm波段和594-626nm波段，不同带宽的光谱信息反演糖酸度具有很高的一致性，这为RGB传感器采集特征波段信息提供了可行性。
实施例2：一种杨梅果实糖酸度便携式无损检测装置的模块构建
如图1、2和3所示，一种杨梅果实糖酸度便携式无损检测装置，包括外壳1、特定波段光源2、光照强度传感器3、控制模块4、检测结果显示模块5和控制开关6。
特定波段光源2和光照强度传感器3并排安装在外壳1上的同一个平面，所述特定波段光源2模块包括第一LED灯、第二LED灯及遮光壁7；第一LED灯和第二LED灯用于发射检测所需的特定波长光；遮光壁7套置在第一LED灯、第二LED灯和光照强度传感器3的外侧，用于去除环境光的影响，保证接收信息的准确性。所述的光照强度传感器安装于两个LED灯的安装平面，用于接收特定波长光源发射光经过被测物体反射后的反射光，记录光照的强度信息，并转化为数字信号，用于计算糖酸度。
特定波段光源2的具体技术参数如下：
(1)第一LED灯：主波长为570nm，波长范围为32nm的LED灯，能够发射该波长范围内的光。通过对多个杨梅果实的化学组分分析和高光谱分析，发现杨梅果实的酸度与PH值具有相关性，并且PH值在570nm波段附近具有反射率特征的响应，因此特定波段光源第一LED灯的发射光用于提供检测杨梅果实酸度所需的光照信息；
(2)第二LED灯：主波长为610nm，波长范围为32nm的LED灯，能够发射该波长范围的光。通过对多个杨梅果实的化学组分分析和高光谱分析，发现糖度与花青素具有较好的相关性，并且花青素含量在610nm波段附近具有反射率特征的响应，因此特定波段光源第二LED灯的发射光用于提供检测杨梅果实糖度所需的光照信息；
(3)遮光壁：由3D打印得到的黑色空心圆柱体，底面直径15mm，高为15mm，一端固定在两个LED灯的安装平面，并保证两者紧密贴合，无缝隙，另一端用于放置杨梅果实，使用过程中能够去除所有的非杨梅方向的环境光影响。
所述的光照强度传感器，为光照强度传感器，安装于两个LED灯的安装平面，用于接收特定波长光源发射光经过被测物体反射后的反射光，记录光照的强度信息，并转化为数字信号，用于计算糖酸度。
存储有糖酸度检测模型的控制模块安装在外壳1内，用于对光照强度传感器3接受到的信息进行处理后将检测结果输出。检测结果显示模块5和控制开关安装在外壳1的同一侧面上，所述的控制开关用于控制检测器检测一次被测杨梅果实，检测器的具体工作流程在实施例3和4中进行详细说明；检测结果显示屏用于将检测结果可视化；可视化结果包括第一LED灯、第二LED灯的光强度值，以及糖酸度检测模型计算出的糖度值、酸度值。
实施例3：对于特定波段光源2的标定方法及结果
一种杨梅果实糖酸度便携式无损检测装置实现检测的基础在于杨梅果实对于570、610nm波长光的反射响应能够分别对酸度和糖度进行反演。因此需要对特定波段光源2进行校正，以得到被测杨梅果实的反射率信息。下面进行具体说明：
i)所述的特定波段光源2的标定方法，需要将标准白板紧密贴合遮光壁7放置，然后依次打开第一LED灯和第二LED灯，记录光照强度传感器3分别检测到的两个LED灯的光强度值，取十次结果的平均值作为特定波段光源2的标定结果。第一LED灯和第二LED灯的发光波段分别为570nm和610nm。
ii)所述的特定波段光源2的标定结果，为第一LED灯和第二LED灯的光强度值标定结果，标定的结果作为杨梅果实反射率计算中的入射强度参数传入糖酸度检测模型。
实施例4：一种杨梅果实糖酸度便携式无损检测装置的具体工作流程
实施例1中所述的杨梅果实糖酸度便携式无损检测装置的每次检测工作均通过控制开关进行控制；当检测到控制开关被触发，则检测装置开始工作，并将检测结果输出，整体的硬件控制及仪器采集流程图分别如图4、5所示。下面对检测装置的具体工作流程进行说明：
i)将被测杨梅果实与遮光壁7的外端开口严密贴合。
ii)使用者按下控制开关，第一LED灯通电发光，并在1s后关闭；间隔1s后，第二LED灯通电发光，并在1s后关闭。
iii)第一LED灯和第二LED灯通电的同时触发光照强度传感器3，第一LED灯打开时光照强度传感器3检测杨梅果实对第一LED灯光源的反射光照信息，第一LED灯关闭时则停止检测；同理，光照强度传感器3也检测第二LED灯通电时的反射光照信息；最终，光照强度传感器3传回两个LED灯的反射光照信息。
iv)将两个LED灯的反射光照信息与对应的标定结果作比值，转化为反射率数据，通过糖酸度的计算模型计算得到待测杨梅果实的糖酸度信息，并将相关数据输出至显示模块。
v)显示模块将数据可视化，主要包括目标杨梅对第一LED灯、第二LED灯的反射光强度值以及杨梅果实的糖度和酸度数值。
为了验证本发明中仪器的检测准确性，进行检测精度验证试验如下：
使用本发明中杨梅糖酸度无损检测仪器对15颗杨梅进行糖酸度检测，将每个杨梅样本正反面检测结果取平均及减少检测误差，将平均后的糖酸度作为样本的预测糖酸度值。通过PH计以及糖度计采集杨梅样本的PH和还原糖含量的真实值，作为样本的实测糖酸度值。通过对比样本糖酸度预测值及真实值(图8)，计算数据的标准差以及准确度，分析该仪器的准确度如式(4)和(5)所示，结果如表1所示。
绝对偏差＝|预测值-真实值| (4)
表1杨梅糖酸度精度验证
由表1可以看出，本发明中杨梅糖酸度无损检测仪器对于糖度和酸度的检测准确度分别为94.74％和97.14％，具有很高的精度。
Claims (5)
1.一种杨梅果实糖酸度便携式无损检测装置，其特征在于：包括外壳(1)，以及安装在外壳(1)上的特定波段光源(2)、光照强度传感器(3)和控制模块(4)；光照强度传感器(3)的光谱分辨率为32nm；外壳(1)上设置有遮光壁7；特定波段光源(2)和光照强度传感器(3)均安装在遮光壁7的内侧；特定波段光源(2)包括第一LED灯和第二LED灯；所述第一LED灯和第二LED灯的发光位置分别设置有570nm和610nm的滤光片；
控制模块安装在外壳(1)内；控制模块利用糖酸度检测模型，以第一LED灯、第二LED灯分别发光时检测到的光强度为输入信号，计算被测杨梅果实的糖度Csugar和酸度PH如下：
Csugar＝A*Canth+B
PH＝A*R1 -B+C
Canth＝A*R2 2-B*R620+C
其中，Canth为杨梅的花青素含量，R1为第一LED灯照射被测杨梅果实的反射率，其表达式为R1＝LLED1/ELED1；LLED1、ELED1分别为第一LED灯照射被测杨梅果实测得的光强度、第一LED灯对应的标准光强度；R2为第二LED灯照射被测杨梅果实的反射率，其表达式为R2＝LLED2/ELED2；LLED2、ELED2分别为第二LED灯照射被测杨梅果实测得的光强度和第二LED灯对应的标准光强度；A、B、C为三个待定参数，其值通过提前标定得到。
2.根据权利要求1所述的一种杨梅果实糖酸度便携式无损检测装置，其特征在于：还包括检测结果显示模块(5)和控制开关(6)；检测结果显示模块(5)和控制开关安装在外壳(1)的同一侧面上；控制开关控制糖酸度检测模型的启动；检测结果显示模块(5)用于将检测结果可视化；可视化结果包括第一LED灯、第二LED灯的光强度值，以及糖酸度检测模型计算出的糖度值、酸度值。
3.根据权利要求1所述的一种杨梅果实糖酸度便携式无损检测装置，其特征在于：所述滤光片的滤波带宽为32nm。
4.根据权利要求1所述的一种杨梅果实糖酸度便携式无损检测装置，其特征在于：所述的遮光壁为3D打印得到的黑色空心圆柱体，其底面直径为15mm，高度为15mm，内端与两个LED灯的安装平面贴合并固定，外端用于与杨梅果实贴合。
5.根据权利要求1或4所述的一种杨梅果实糖酸度便携式无损检测装置，其特征在于：所述第一LED灯对应的标准光强度ELED1和第二LED灯对应的标准光强度ELED2，通过将遮光壁抵住标准白板后，第一LED灯和第二LED灯分别发光的方式，由光照强度传感器(3)测量得到。
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Patent Citations (5)
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