CN108613951A - 便携水果硬度无损检测装置和检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携水果硬度无损检测装置和检测方法。检测壳体内，光纤模块分别与探头、UV荧光灯模块、卤素灯模块和光谱数据采集模块连接，探头端部伸出检测壳体朝向水果，探头贴近水果表面进行光发射和漫反射接收；分别通过UV荧光灯模块、卤素灯模块处理获得荧光光谱数据和漫反射光光谱数据，对荧光光谱数据和漫反射光光谱数据进行参比和背景校正预处理获得荧光光谱特征峰强度和漫反射光光谱特征峰强度，再利用荧光光谱特征峰强度、漫反射光光谱特征峰强度与水果硬度数据构建模型并进行检测获得水果硬度结果。本发明体积小易于便携，检测过程对水果没有损伤，操作简便适合现场水果硬度检测，而且应用对象广，具有较大的现场应用价值。
Description
技术领域
本发明属于检测领域，具体涉及了一种便携水果硬度无损检测装置和检测方法。
背景技术
硬度是一个与物质密度、细胞结构和组织结构有关的综合物理指标。硬度是评价水果成熟度的重要指标之一。目前，水果硬度的检测主要采用感官评定和质构仪测定。感官评定主观性强，大型质构仪检测方法虽然能准确评定水果硬度，但处理程序复杂，所需专业操作繁琐，装置成本贵，检测速度慢且具有破坏性，无法满足水果储藏现场快速检测、田间野外快速检测需求。水果硬度有关组成物主要是果胶、叶绿色等物质，果实硬度的果胶物质含有O-H、C-H等化学键，能吸收近红外光等波段光源，而叶绿色可以通过荧光激发实现检测，因此采用近红外漫反射技术和荧光激发技术检测水果的硬度从理论上是可行的。因此实现一种便携水果硬度无损检测装置，方便工作人员现场获得水果硬度数据，能降低的检测成本，简化检测流程，提高水果储藏管理、田间野外的检测效率。
目前一些研究人员对水果硬度进行了一些基础研究，开发了一些检测硬度的装置。
1)现有技术存在一种水果硬度计，借助压头刻度线、升降手柄、机架、紧固旋钮等机械单元构成测量装置实现水果硬度检测；该测量方法是有损检测方式，测量过程会损伤水果；测量过程比较繁琐，需要专业人员操作。
2)现有技术存在一种水果糖度和硬度检测装置，其中硬度检测单元使用压力弹簧在水果表面产生形变和位移电容传感器采集形变量数据计算水果硬度。该测量方法如果检测质地较为脆的梨子或者质地较为软的桃子，压力弹簧测量硬度过程会导致水果表面产生压伤，表面存在压伤的水果存储过程中更容易变质；压力弹簧存在机械老化因素，长时间使用导致测量时候水果表面作用受力不再相同从而影响硬度检测准确性。
因此，传统检测水果硬度装置虽然能评定水果硬度，但是测量过程容易对水果产生损伤，或者测量过程处理程序复杂所需专业操作繁琐装置成本贵或者检测速度慢且具有破坏性，无法满足水果储藏现场快速检测、田间野外快速检测需求。
以上方法存在步骤较复杂难以用于现场或者无损快速检测应用或者依赖成本高的大型专业装置等问题，因此需要新方法的检测装置。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出一种便携水果硬度无损检测装置和检测方法，具有重要现实意义，能够快速无损检测水果的硬度。
本发明采用的技术方案是：
一、一种便携水果硬度无损检测装置：
本发明包括安装在检测壳体内的光谱数据采集模块、UV荧光灯模块、卤素灯模块、光纤模块和探头，光纤模块分别与探头、UV荧光灯模块、卤素灯模块和光谱数据采集模块连接，探头端部伸出检测壳体朝向水果，探头贴近水果表面进行光发射和漫反射接收。本发明的UV荧光灯模块和卤素灯模块同时安装在检测壳体内，对水果发射光进行光谱检测。
UV荧光灯模块、卤素灯模块分别发出荧光和白光，经光纤模块传输到探头，由探头照射到水果发生反射，探头接收反射光后经由光纤模块传输到光谱数据采集模块。
所述的光纤模块为四通道光纤模块。
还包括安装在检测壳体内的嵌入式处理器电路板卡模块、触摸屏模块和锂电池模块，嵌入式处理器电路板卡模块分别连接UV荧光灯模块和卤素灯模块实现光源供电和控制，光谱数据采集模块连接到嵌入式处理器电路板卡模块，锂电池模块连接到嵌入式处理器电路板卡模块进行供电，嵌入式处理器电路板卡模块连接触摸屏模块进行显示输出。
所述的光谱数据采集模块经滤光片和光纤模块连接。
二、一种便携水果硬度无损检测方法：
首先，控制打开UV荧光灯模块向探头发出荧光，荧光散射在水果表面上所激发反射的荧光再被探头接收，荧光接收信号经光谱数据采集模块提取获得荧光光谱数据后发送到嵌入式处理器电路板卡模块，嵌入式处理器电路板卡模块存储荧光光谱数据后关闭UV荧光灯模块；
然后，控制打开卤素灯模块向探头发出白光，白光散射在水果表面上所反射形成的漫反射光再被探头接收，漫反射光接收信号景光谱数据采集模块提取获得漫反射光光谱数据后发送到嵌入式处理器电路板卡模块，嵌入式处理器电路板卡模块存储漫反射光谱数据后关闭卤素灯模块；
最后，对荧光光谱数据和漫反射光光谱数据进行参比和背景校正预处理获得荧光光谱特征峰强度和漫反射光光谱特征峰强度，再利用荧光光谱特征峰强度、漫反射光光谱特征峰强度与水果硬度数据构建模型并进行检测获得水果硬度结果。
本发明方法通过在荧光光谱特征峰强度、漫反射光光谱特征峰强度与水果硬度的三者之间建立关系构建模型，来检测获得水果硬度。
水果硬度有关组成物主要是果胶、叶绿色等物质，果实硬度的果胶物质含有O-H、C-H等化学键，能吸收近红外光等波段光源，而叶绿色可以通过荧光激发实现检测，本发明采用近红外漫反射技术和荧光激发技术检测水果的硬度从理论上是可行的。
本发明构建模型具体可采用回归方法、非线性方法或者线性方法等。
所述的锂电池模块实现装置所有模块供电。
所述的光谱数据采集模块接收到荧光和漫反射光接收信号后，获得光谱数据，通过USB接口发送到嵌入式处理器电路板卡模块。
所述的嵌入式处理器电路板卡模块实现UV荧光灯模块控制、卤素灯模块控制、荧光和漫反射光谱数据采集接收、光谱数据参比和背景校正预处理、水果硬度计算、触摸屏界面控制的功能。
所述的嵌入式系统电路板卡模块嵌入有Linux系统编写的软件。
本发明具有的有益效果是：
本发明体积小成本低、操作简便，检测过程不损伤水果，检测无损快速，避免了传统检测方法操作繁琐，避免使用价格贵的专用装置检测水果硬度，而且应用对象广，具有较大的现场应用价值。
附图说明
图1是本发明装置架构图。
图2是本发明装置的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明包括安装在检测壳体内的光谱数据采集模块4、UV荧光灯模块2、卤素灯模块3、光纤模块9和探头1，光纤模块9分别与探头1、UV荧光灯模块2、卤素灯模块3和光谱数据采集模块4连接，探头1端部伸出检测壳体朝向水果10，具体实施时的探头1安装在检测壳体上，探头1贴近水果表面进行光发射和漫反射接收。
UV荧光灯模块2、卤素灯模块3分别发出荧光和白光，经光纤模块9传输到探头1，由探头1照射到水果10发生反射，探头1接收反射光后经由光纤模块9传输到光谱数据采集模块4。
光纤模块9为四通道光纤模块，UV荧光灯模块2和卤素灯模块3发出的光、经过探头1的光和输入光谱数据采集模块4的光各自占用一个通道。
还包括安装在检测壳体内的嵌入式处理器电路板卡模块5、触摸屏模块6和锂电池模块7，嵌入式处理器电路板卡模块5分别连接UV荧光灯模块2和卤素灯模块3实现光源供电和控制，光谱数据采集模块4连接到嵌入式处理器电路板卡模块5，锂电池模块7连接到嵌入式处理器电路板卡模块5进行供电，嵌入式处理器电路板卡模块5连接触摸屏模块1进行显示输出。
光谱数据采集模块4经滤光片8和光纤模块9连接。
如图2所示，本发明的具体实施工作过程是：
首先，通过嵌入式处理器电路板卡模块5控制打开UV荧光灯模块2向探头1发出荧光，荧光散射在水果表面上所激发反射的荧光再被探头1接收，荧光接收信号经光谱数据采集模块4提取获得荧光光谱数据后发送到嵌入式处理器电路板卡模块5，嵌入式处理器电路板卡模块5存储荧光光谱数据后关闭UV荧光灯模块2；
然后，通过嵌入式处理器电路板卡模块5控制打开卤素灯模块3向探头1发出白光，白光散射在水果表面上所反射形成的漫反射光再被探头1接收，漫反射光接收信号景光谱数据采集模块4提取获得漫反射光光谱数据后发送到嵌入式处理器电路板卡模块5，嵌入式处理器电路板卡模块5存储漫反射光谱数据后关闭卤素灯模块3；
具体实施中针对已知水果硬度数据的样品水果采用上述方式处理获得荧光光谱数据和漫反射光光谱数据，样品水果的水果硬度数据是采用质构仪通过机械压力探头刺破果皮方式采集获得的，接着通过嵌入式处理器电路板卡模块5对荧光光谱数据和漫反射光光谱数据进行参比和背景校正预处理获得荧光光谱特征峰强度和漫反射光光谱特征峰强度，再利用荧光光谱特征峰强度、漫反射光光谱特征峰强度与水果硬度数据采用多元回归方式构建关系模型。再针对未知水果硬度数据的待测水果，利用关系模型对待测水果并进行检测获得水果硬度结果，将水果硬度结果发送到触摸屏模块6进行显示输出。
由上述各个实施步骤及图例可见，本发明体积小操作简便、检测无损快速，不必对检测样品进行预处理，具有较大的现场应用价值。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和等同替换、改进、换用检测对象等，都落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种便携水果硬度无损检测装置，其特征在于：包括安装在检测壳体内的光谱数据采集模块(4)、UV荧光灯模块(2)、卤素灯模块(3)、光纤模块(9)和探头(1)，光纤模块(9)分别与探头(1)、UV荧光灯模块(2)、卤素灯模块(3)和光谱数据采集模块(4)连接，探头(1)端部伸出检测壳体朝向水果(10)，探头(1)贴近水果表面进行光发射和漫反射接收。
2.根据权利要求1所述的一种便携水果硬度无损检测装置，其特征在于：
所述的UV荧光灯模块(2)、卤素灯模块(3)分别发出荧光和白光，经光纤模块(9)传输到探头(1)，由探头(1)照射到水果(10)发生反射，探头(1)接收反射光后经由光纤模块(9)传输到光谱数据采集模块(4)。
3.根据权利要求1所述的一种便携水果硬度无损检测装置，其特征在于：
所述的光纤模块(9)为四通道光纤模块。
4.根据权利要求1所述的一种便携水果硬度无损检测装置，其特征在于：
还包括安装在检测壳体内的嵌入式处理器电路板卡模块(5)、触摸屏模块(6)和锂电池模块(7)，嵌入式处理器电路板卡模块(5)分别连接UV荧光灯模块(2)和卤素灯模块(3)实现光源供电和控制，光谱数据采集模块(4)连接到嵌入式处理器电路板卡模块(5)，锂电池模块(7)连接到嵌入式处理器电路板卡模块(5)进行供电，嵌入式处理器电路板卡模块(5)连接触摸屏模块(1)进行显示输出。
5.根据权利要求1所述的一种便携水果硬度无损检测装置，其特征在于：
所述的光谱数据采集模块(4)经滤光片(8)和光纤模块(9)连接。
6.应用于权利要求1所述装置的一种便携水果硬度无损检测方法，其特征在于方法包括：
首先，控制打开UV荧光灯模块(2)向探头(1)发出荧光，荧光散射在水果表面上所激发反射的荧光再被探头(1)接收，荧光接收信号经光谱数据采集模块(4)提取获得荧光光谱数据后发送到嵌入式处理器电路板卡模块(5)，嵌入式处理器电路板卡模块(5)存储荧光光谱数据后关闭UV荧光灯模块(2)；
然后，控制打开卤素灯模块(3)向探头(1)发出白光，白光散射在水果表面上所反射形成的漫反射光再被探头(1)接收，漫反射光接收信号景光谱数据采集模块(4)提取获得漫反射光光谱数据后发送到嵌入式处理器电路板卡模块(5)，嵌入式处理器电路板卡模块(5)存储漫反射光谱数据后关闭卤素灯模块(3)；
最后，对荧光光谱数据和漫反射光光谱数据进行参比和背景校正预处理获得荧光光谱特征峰强度和漫反射光光谱特征峰强度，再利用荧光光谱特征峰强度、漫反射光光谱特征峰强度与水果硬度数据构建模型并用于检测获得水果硬度结果。
7.根据权利要求6所述的一种便携水果硬度无损检测方法，其特征在于：
所述的水果硬度结果发送到触摸屏模块(6)进行显示输出。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20181002 |