一种光照参数可调的近红外水果糖度无损检测装置

摘要

一种光照参数可调的近红外水果糖度无损检测装置，由光谱采集模块和数据处理及操作界面模块两部分组成。光谱采集模块主要实现光源照射参数的调节和样品光谱信息的采集功能；数据处理及操作界面模块主要实现光谱信息的读、存、显示、转换，以及参数设置、水果样品糖度的预测和显示功能。本发明可以通过调节光源的照射角度，或是改变光源在灯支架滑槽中的位置，达到检测不同水果部位、不同大小水果以及不同种类水果的目的。通过改变灯支架在V形支架滑槽中的位置，可以改变光源照在水果上强度的大小，从而可以检测不同果皮厚度及不同大小的水果。

说明书

技术领域

本发明公开了一种光照参数可调的近红外水果糖度无损检测装置，属于应用近红外光谱，对农产品进行无损检测的技术领域。

背景技术

随着生活水平的不断提高，消费者在购买水果时，不仅关注大小、颜色和外形等外部品质，而且对口感、糖度和酸度等内部品质也提出了更高的要求。目前， 对于水果内部品质的检测，大多采用人工感官评定和常规化学分析的方法。人工感官评定法，具有主观性强、评价标准不一等缺点；而对于常规化学分析方法，虽然其具有检测准确度高和准确性强等优点，但其检测工作量大，检测时间长，并且需对样品进行破坏，这些都不适用于水果内部品质的快速无损检测。

近红外光谱技术具有分析速度快、非破坏性、样品无需预处理，可以实现对多组分同时测定，以及低成本和操作简单等优点。目前，利用近红外光谱技术对农产品的相关品质进行无损检测已有较多的报道，如：美国专利NO. 6754600 B2公开了一种带有预热可控装置的便携式近红外蔬菜、水果内部品质无损检测装置，以对水果的糖度和成熟度进行检测；公布号CN 101308086 A 的中国专利公开了一种基于近红外光谱技术的水果品质在线检测方法及装置；公布号CN 101799401 A的中国专利公开了一种用于水果内部品质无损检测的手持式近红外探头及探测方法； 公布号CN 103048277 A公开了一种近红外光谱无损检测水果内部品质的系统及方法。上述近红外光谱检测仪器或装置多是光源的照射角度及照射距离固定的，有时要对其他检测对象进行检测时，需重新设置光源照射的角度及照射距离。

发明内容

本发明的目是针对上述现有技术的不足，提供一种近红外水果糖度无损检测装置，尤其是一种光源照射角度及照射距离可调的近红外水果糖度无损检测装置，以实现根据不同的检测对象，方便的调整光源的照射角度及照射距离。

本发明提出的技术方案为：

本发明提出了一种光照参数可调的近红外水果糖度无损检测装置，其特征在于，所述装置包括光谱采集模块和数据处理及操作界面模块两个部分。其中：

光谱采集模块：包括灯支架、水果托盘、光源和V形支架、光纤、聚焦透镜、聚焦透镜支架、风扇及风扇支架，本装置光源采用两盏卤素灯（规格：12V， 100W）两边对称布置方式，卤素灯的灯杯两端，相隔180°角钻有两个螺栓孔，卤素灯通过螺栓固定在灯支架的滑槽上。灯支架通过螺栓固定在V形支架的滑槽上，而V形支架通过螺栓固定在装置的箱壁上，V形支架的弯曲角度为45度。待测水果放置在橡胶材质的水果托盘上，这样既可以起到固定水果的作用，又可以提高密封性能，减小沿水果表面产生的衍射光对检测结果的影响。光纤前端加装聚焦透镜，以增强收集到的透过水果样品的光谱信息，聚焦透镜通过螺纹连接固定在聚焦透镜支架上。光源前面分别加装一台风扇，并通过螺栓联接固定风扇支架上，风扇对光源进行散热。

数据处理及操作界面模块：包括微处理器、微处理器支架、微型光纤光谱仪、USB线、触摸显示屏，聚焦透镜通过光纤连接到微型光纤光谱仪的SMA905接口上；微型光纤光谱仪通过USB线接到微处理器上。微型光纤光谱仪的作用是将光纤传递过来的水果样品的光谱信息，转化成数字信息，并通过USB线传递给微处理器进行数据处理。微处理器通过COM口和RS232线与触摸显示屏进行通讯；12V稳压直流电源通过DC/DC变换器将电压转换成5V后供给微处理器；12V稳压直流电源通过电源线给光源及风扇供电。触摸显示屏的作用是对仪器的软件进行操作，以及对被测样品的光谱信息及检测结果进行显示。

本装置采用的软件系统用Java编程语言编写，包括光谱采集和光谱分析两个模块。其主要作用是将微型光纤光谱仪传递过来的关于水果样品糖度的光谱信息进行处理，并输送给触摸显示屏进行显示。其中，光谱采集模块除具有装置参数设置（包括积分时间设置和平均数设置）、数据采集、数据处理外，还具有数据存储及数据打印等基本功能。光谱分析模块主要是用于对采集到的光谱数据进行分析处理，在触摸显示屏上显示出被测样品的原始光谱或者透射光谱，并能将光谱的变化实时地显示出来。

本发明提供了一种光照参数可调的近红外水果糖度无损检测装置，其工作过程如下：

1、根据不同种类的水果，设置光照参数（光源照射角度、光源照射距离）；

2、打开装置开关，待软件系统自动进入检测界面，并使光源预热20分钟；

3、测定装置的参比、暗电流，参比为聚四氟乙烯白板；

4、将待测水果放在水果托盘上，并使水果与水果托盘贴紧，光源发出的光照射到水果后，透射光由聚焦透镜聚焦后，由光纤传入微型光纤光谱仪；

5、光谱采集和分析软件控制微型光纤光谱仪采集水果的透射光谱，并计算水果的糖度；

6、将结果显示在显示屏上。

本发明具有的有益效果是：在这种结构设计下，可以通过调节光源的照射角度θ，或是改变光源在灯支架滑槽中的位置，达到检测不同水果部位、不同大小水果以及不同种类水果的目的。通过改变灯支架在V形支架滑槽中的位置，可以改变光源照在水果上强度的大小，从而可以检测不同果皮厚度及不同大小的水果；被检测水果放置在橡胶材质的水果托盘上面，这样既可以起到固定水果的作用，又可以提高密封性能，减小沿水果表面产生的衍射光对检测结果的影响；光纤前端加装了聚焦透镜，增强了收集到的透过水果样品的光谱信息；该装置采用密封的形式，这样在采集水果样品的光谱时，就避免了外部杂散光的影响；采用12V稳压直流电源为光源供电，有利于光源发光的稳定性；光源前面分别加装风扇，有利于光源的散热，以及光源发光的稳定性。本发明检测精度较高，速度快，适用于水果糖度的快速无损检测与分级。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明的结构主视图；

图3是本发明的结构左视图；

图4是本发明的结构俯视图；

图5是本发明的灯支架的三视图；

图6是本发明的V形支架三视图；

图7是本发明的水果糖度检测过程流程图；

图8是本发明的苹果糖度预测值和实际值的关系图。

附图中图号标记：

（1）灯支架；（2）水果托盘；（3）光源；（4）滑槽；（5）散热孔；（6）V形支架；（7）滑槽；（8）角码；（9）微处理器；（10）微处理器支架；（11）DC/DC变换器；（12）USB线；（13）光纤；（14）微型光纤光谱仪；（15）开关；（16）聚焦透镜；（17）聚焦透镜支架；（18）底板；（19）12V稳压直流电源；（20）电源线孔；（21）合页；（22）风扇；（23）风扇固定支架；（24）把手；（25）触摸显示屏（26）盖子。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本发明实施例的结构如图1~图6所示，一种光照参数可调的近红外水果糖度无损检测装置，包括光谱采集模块和数据处理及操作界面模块两个部分。

本发明由光谱采集模块和数据处理及操作界面模块两个部分组成，光谱采集模块连接数据处理及操作界面模块，所述光谱采集模块实现光源照射参数调节和采集样品光谱信息的功能；数据处理及操作界面模块实现光谱信息的读、存、显示、转换，以及参数设置、水果样品糖度的预测和显示功能，参数设置包括积分时间设置和平均数设置。

所述光谱采集模块包括灯支架1、水果托盘2、光源3、V形支架6、光纤13、聚焦透镜16、聚焦透镜支架17、风扇22及风扇支架23，所述光源3采用两盏卤素灯两边对称布置方式，卤素灯的灯杯两端，相隔180°角钻有两个螺栓孔，卤素灯通过螺栓固定在灯支架1的滑槽上4，灯支架1通过螺栓固定在V形支架6的滑槽7上，而V形支架6通过螺栓固定在装置的箱壁上，V形支架的弯曲角度为45度，待测水果放置在橡胶材质的水果托盘2上，光纤前端加装聚焦透镜16，聚焦透镜16通过螺纹连接固定在聚焦透镜支架17上，光源3前面分别加装一台风扇22，并通过螺栓联接固定风扇支架23上，风扇22对光源3进行散热。

所述数据处理及操作界面模块包括微处理器9、微处理器支架10、微型光纤光谱仪14、USB线12、触摸显示屏25，聚焦透镜16通过光纤13）连接到微型光纤光谱仪14的SMA905接口上；微型光纤光谱仪14通过USB线12接到微处理器9上，微型光纤光谱仪14的作用是将光纤13传递过来的水果样品的光谱信息，转化成数字信息，并通过USB线（12）传递给微处理器9进行数据处理，微处理器9通过COM口和RS232线与触摸显示屏25进行通讯；12V稳压直流电源19通过DC/DC变换器将电压转换成5V后供给微处理器9；12V稳压直流电源19通过电源线给光源3及风扇22供电。

光照参数调节方法如下：通过调节光源的照射角度，或是改变光源3在灯支架1上滑槽4中的位置，达到检测不同水果部位、不同大小水果以及不同种类水果的目的，通过改变灯支架1在V形支架6上滑槽7中的位置，可以改变光源照在水果上强度的大小，从而可以检测不同果皮厚度及不同大小的水果。 

卤素灯的规格为12V， 100W。

软件系统采用Java编程语言编写，包括光谱采集和光谱分析两个模块。其主要作用是将微型光纤光谱仪（14）传递过来的关于水果样品糖度的光谱信息进行处理，并输送给触摸显示屏（25）进行显示。其中，光谱采集模块除具有参数设置（包括积分时间设置和平均数设置）、数据采集、数据处理外，还具有数据存储及数据打印等基本功能。光谱分析模块主要是用于对采集到的光谱数据进行分析处理，在触摸显示屏上显示出被测样品的原始光谱或者透射光谱，并能将光谱的变化实时地显示出来。

本发明实施例的水果糖度检测过程流程如图7所示，设置光照参数（光照角度和光照距离）；开启装置，待软件系统自动进入检测界面；加载预测模型，并设置积分时间和平均数；测定装置的参比和暗电流；将待测水果样品放置在说过托盘2上，并使水果样品与水果托盘12贴紧；光源3发出的光照射到水果上，透射光经聚焦透镜16聚集后，由光纤13传给微型光纤光谱仪14；微型光纤光谱仪14将水果样品的透射光谱信息转换成数字信息，并传给微处理器9；微处理器9根据加载的模型计算出糖度预测值，并将预测值结果显示在触摸显示屏25上。

下面以检测苹果糖度为例介绍本发明实施例的工作过程：

 根据不同种类的水果，设置光照参数（光源照射角度、光源照射距离）；

打开装置开关，待软件系统自动进入检测界面，并使光源预热20分钟；

测定装置的参比、暗电流，参比为聚四氟乙烯白板；

将待测水果放在水果托盘2上，并使水果与水果托盘2贴紧，光源3发出的光照射到水果后，透射光由聚焦透镜12收集后，由光纤11传入微型光纤光谱仪15内；

光谱采集和分析软件控制微型光纤光谱仪采集苹果样品的透射光谱，代入模型后，计算苹果出的糖度；模型中Y表示待测苹果的糖度，λ_i为波长，T(λ_i)为波长λ_i处光谱的透射率。光谱的波段范围为560~940nm，回归系数a₀~a_n、截距b为通过不同苹果样品试验后，利用偏最小二乘法求得。 

利用回归系数a₀~a_n、截距b构建苹果糖度的预测模型，通过采集可见/近红外波长处的反射率T(λ_i)光谱值，代入模型，自动计算出糖度预测值；

将预测值结果显示在显示屏6上；

对不同种类的水果糖度，可以利用③–④的方法进行样品实验，构建出不同种类水果的糖度预测模型，通过检测的T(λ_i)信号，计算显示出不同种类水果内的糖度值。

本发明实施例对苹果样品进行建模与预测的效果如图8所示。此时光照参数设置情况为：光源3的照射角度θ为45°，光源3的固定螺栓位于滑槽4的中间，灯支架1的固定螺栓位于滑槽7的最上端。为提高模型建立过程中数据处理的效率和所选择的光谱波段的有效性，对具有明显噪声且不含苹果样品糖度特征光谱的波段进行去除。去除后，采用光谱范围为560nm~940nm的波段进行数据处理和建模。使用一阶平滑、结合二阶求导预处理方法对所选波段的原始吸收光谱进行降噪处理，并使用偏最小二乘法（PLS）建立校正模型。将校正模型所得到的模型及控制参数（预处理参数和光谱区间选择参数）加载到仪器中，并对剩余的60个验证集样本进行预测，建模效果与预测效果分别如图a和b所示。其中，校正集和预测集的相关系数分别为R_c=0.82 , R_p=0.79；校正集和预测集的均方根误差分别为RMSEC=0.78, RMSEP=0.97。可见仪器的预测结果较为理想，说明本仪器对苹果糖度具有较强的预测能力。