CN109709075A - 一种基于点光谱检测器获取面光谱的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于点光谱检测器获取面光谱的装置及方法；包括用于承托待检测水果的圆筒状外壳、依次环绕分布在圆筒状外壳的上段筒口内壁面的多个环形光源阵列、光学桶；在圆筒状外壳的环形光源阵列下方设有一环形硅胶垫；光学桶的上端口与圆筒状外壳的下端口通过内外螺纹连接；光学桶的下端口外部对接光谱仪；在光学桶内自上而下依次设置有红外检测器、玻璃板、上凹面镜、下凹面镜；本装置通过将由光学桶、圆筒状外壳及待检测苹果等的组合下，形成了腔体抽真空，通过负压将水果吸附固定在圆筒状外壳的喇叭口状斜面上；有效防止水果在检测光谱时移动，不透光材质的光学桶和圆筒状外壳同时制造了暗室环境，大大提高了检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及食品无损检测领域，尤其涉及一种基于点光谱检测器获取面光谱的装置及方法。
背景技术
目前在食品工业中，通过人工对食品进行筛选还是主流，这种做法主观性强且精度偏低。另外在食品品质检测上，大多依赖于化学法或仪器分析法，这些方法只能做到抽样检查，对食品有破坏性，检查速度慢，样品前处理复杂。
为了解决上述问题，人们发现用光谱技术可以实现对食品质量与安全的快速、无损检测。
目前已有大量的报道介绍了光谱技术在食品检测中的应用。在实际生产中，光谱技术存在诸多弊端：1、检测条件不可控，很难营造暗室条件；2、光谱技术是点扫描，随机取样误差大；3、当采用透射或透反射模式采集食品内部光谱信息时，被光谱仪采集到的信号较弱。
由于光谱法点扫描的特性，很难采集到整个水果的全部光谱信息，通常的解决办法是随机采集多个点求平均，例如发明专利申请(公开号CN107202761A)《一种快速检测水果内部品质的便携式检测设备及检测方法》中提到，随机选取每个水果的环赤道面上的点进行光谱扫描。这种方法对一个样本需要多次采集光谱，这样会花费较长的时间，且误差较大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种基于点光谱检测器获取面光谱的装置及方法；操作简单、检测精度高。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于点光谱检测器获取面光谱的装置，包括用于承托待检测水果的圆筒状外壳1、依次环绕分布在圆筒状外壳1的上段筒口内壁面的多个环形光源阵列2、光学桶7；
在圆筒状外壳1的环形光源阵列2下方设有一环形硅胶垫3；
所述光学桶7的上端口与圆筒状外壳1的下端口通过内外螺纹连接；
所述光学桶7的下端口外部对接光谱仪10；
在光学桶7内自上而下依次设置有红外检测器4、玻璃板5、上凹面镜8、下凹面镜9；所述红外检测器4分布在光学桶7的上端口内壁面。
所述上凹面镜8和下凹面镜9的中心处均开设有孔，且上凹面镜8的焦点位于下凹面镜9的孔处，下凹面镜9的焦点位于上凹面镜8的孔处。
所述圆筒状外壳1的上端筒口内壁面的截面形状呈喇叭口状斜面，该多个环形光源阵列2逐层分布在喇叭口状斜面上。
在所述光学桶7的侧壁上开设有抽真空接口6，开设位置在玻璃板5与上凹面镜8之间；抽真空接口6通过管路与设置在外部的抽气泵连接。
所述红外检测器4分为上下两组。
所述玻璃板5与光学桶7之间的连接为可拆卸式连接。
所述环形硅胶垫3为环形结构，其内表面为向上逐渐扩口的斜面。
一种基于点光谱检测器获取面光谱的方法，其包括以下步骤：
步骤S1：通过基于点光谱检测器获取面光谱的装置，对待检测水果进行光谱采集，得到原始散射光谱，具体步骤为：
步骤S1-1：将待检测水果放置在圆筒状外壳1的上端筒口处，并使其下表面与环形硅胶垫3的圆周面充分接触；
步骤S1-2：调整圆筒状外壳1的高度，并触发上红外检测器，不触发下红外检测器；
步骤S1-3：打开环形光源阵列2；
步骤S1-4：采用透反射模式获得水果原始散射光谱，待检测水果整个下表面光谱通过小孔成像方法照射在下凹面镜9上，之后由下凹面镜9平行反射到上凹面镜8上，之后由上凹面镜8聚焦反射到光谱仪10上；
步骤S2：对待检测水果的化学品质或病、虫害或表面损伤进行检测；
步骤S3：建立待检测水果光谱与其化学品质或病、虫害或表面损伤的预测模型；
步骤S4：采集待检测水果的原始光谱并将光谱代入步骤S3建立的预测模型中，并得到相应的预测值。
上述步骤S1-1中，将待检测水果放置在圆筒状外壳1的上端筒口处时，开启抽气泵，对其光学桶7的腔体进行抽真空，利用腔体内负压吸力，将检测水果固定在圆筒状外壳1上端筒口的喇叭口状斜面上。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明通过将由光学桶、圆筒状外壳及待检测苹果等的组合下，形成了腔体抽真空，通过负压将水果吸附固定在圆筒状外壳的喇叭口状斜面上；有效防止水果在检测光谱时移动，不透光材质的光学桶和圆筒状外壳同时制造了暗室环境，大大提高了检测精度。
本发明用两组凹面镜收集水果散射光，克服了透反射采集模式散射光较弱的弊端，同时可以采集整果的光谱信号，克服光谱法只能采集点光谱的弊端。
本发明光学桶、圆筒状外壳通过螺纹连接，拆卸、组合及维护方便等优点。
本发明的水果品质检测单元装置具有体积小、技术手段简便易行，可结合或者集成在工业水果分选传送带上或便携设备上使用。
附图说明
图1为本发明基于点光谱检测器获取面光谱的装置剖面结构示意图。
图2为本发明基于点光谱检测器获取面光谱的装置外观结构示意图。
具体实施方式
下面结合图1-2以及具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
本发明基于点光谱检测器获取面光谱的装置，包括用于承托待检测水果(图中未示出)的圆筒状外壳1、依次环绕分布在圆筒状外壳1的上段筒口内壁面的多个环形光源阵列2、光学桶7；
在圆筒状外壳1的环形光源阵列2下方设有一环形硅胶垫3；
所述光学桶7的上端口与圆筒状外壳1的下端口通过内外螺纹连接；
所述光学桶7的下端口外部对接光谱仪10；
在光学桶7内自上而下依次设置有红外检测器4、玻璃板5、上凹面镜8、下凹面镜9；所述红外检测器4分布在光学桶7的上端口内壁面。
所述上凹面镜8和下凹面镜9的中心处均开设有孔(约2mm-5mm小孔)，且上凹面镜8的焦点位于下凹面镜9的孔处，下凹面镜9的焦点位于上凹面镜8的孔处。
所述圆筒状外壳1的上端筒口内壁面的截面形状呈喇叭口状斜面，该多个环形光源阵列2逐层分布在喇叭口状斜面上。
在所述光学桶7的侧壁上开设有抽真空接口6，开设位置在玻璃板5与上凹面镜8之间；抽真空接口6通过管路与设置在外部的抽气泵连接。
所述红外检测器4分为上下两组(当水果触发上红外检测器且不触发下红外检测器时，光谱仪10工作)。
所述玻璃板5与光学桶7之间的连接为可拆卸式连接。
所述环形硅胶垫3为环形结构，其内表面为向上逐渐扩口的斜面。
本发明基于点光谱检测器获取面光谱的方法，可通过以下步骤实现：
步骤S1：通过基于点光谱检测器获取面光谱的装置，对待检测水果进行光谱采集，得到原始散射光谱，具体步骤为：
步骤S1-1：将待检测水果放置在圆筒状外壳1的上端筒口处，并使其下表面与环形硅胶垫3的圆周面充分接触；
步骤S1-2：调整圆筒状外壳1的高度，并触发上红外检测器，不触发下红外检测器；
步骤S1-3：打开环形光源阵列2；
步骤S1-4：采用透反射模式获得水果原始散射光谱，待检测水果整个下表面光谱通过小孔成像方法照射在下凹面镜9上，之后由下凹面镜9平行反射到上凹面镜8上，之后由上凹面镜8聚焦反射到光谱仪10上；
步骤S2：对待检测水果的化学品质或病、虫害或表面损伤进行检测；
步骤S3：建立待检测水果光谱与其化学品质或病、虫害或表面损伤的预测模型；
步骤S4：采集待检测水果的原始光谱并将光谱代入步骤S3建立的预测模型中，并得到相应的预测值。
上述步骤S1-1中，将待检测水果放置在圆筒状外壳1的上端筒口处时，开启抽气泵，对其光学桶7的腔体进行抽真空，利用腔体内负压吸力，将检测水果固定在圆筒状外壳1上端筒口的喇叭口状斜面上。
下面通过两个应用实例对本发明作进一步说明。
实施例1
将本发明的装置安装在目前现有技术中的柿子加工厂的选果传送带上，并将抽气泵(真空泵)连接在抽真空接口6处。
将柿子放置在圆筒状外壳1的上端筒口处，并使其下表面与环形硅胶垫3的圆周面充分接触，通过抽真空接口用真空泵抽真空(形成负压)，将柿子固定，打开环形光源阵列2(LED环形光源)，采用透反射模式采集柿子原始散射光谱。检测柿子的糖度、酸度、硬度、是否发生病害、是否发生虫害和是否有表面损伤。
分别建立三个偏最小二乘模型预测柿子的糖度、酸度和硬度，分别建立三个支持向量机模型判别柿子是否有病害、虫害或表面损伤。
(用机械臂)将柿子逐个放在圆筒状外壳1的上端筒口处，这时光线被挡住，光谱仪10采集到的光强迅速降低，启动真空泵，由光学桶、圆筒状外壳构成的腔体内形成负压，将柿子吸住，打开环形光源阵列2并采集柿子的原始光谱。将光谱代入上述六个模型，预测或判别柿子的品质。
当柿子被检测为有病害或虫害时，载有柿子的检测单元在传送带上被传送到弃果区后，检测单元呈90°向外旋转，真空泵停止工作，腔体内负压消失，柿子掉入弃果区；
当柿子被检测为无病害或虫害，有表面损伤时，载有柿子的检测单元在传送带上被传送到柿子去皮区后，检测单元呈90°向外旋转，真空泵停止工作，腔体内负压消失，柿子掉入柔软的滚槽，并滚入去皮区；
当柿子被检测为无病害、虫害或表面损伤，但糖度小于18或酸度大于5或硬度大于20时，载有柿子的检测单元在传送带上被传送到柿子后熟区后，检测单元呈90度向外旋转，真空泵停止工作，腔体内负压消失，柿子掉入柔软的滚槽，并滚入后熟区；
否则，载有柿子的检测单元在传送带上被传送到柿子脱涩区后，检测单元呈90度向外旋转，真空泵停止工作，腔体内负压消失，柿子掉入柔软的滚槽，并滚入脱涩区。
实施例2
将本发明的装置安装在目前现有技术中的可用蓝牙传输数据的便携设备上，将气囊与抽真空接口连接，用手捏住气囊并将苹果放置在杯状外壳杯口处，与橡胶垫圈充分接触，松手后腔体内形成负压将苹果固定，打开环形光源阵列2，采用透反射模式采集苹果原始散射光谱。检测苹果的糖度、酸度、是否发生病害和是否发生虫害。
分别建立两个人工神经网络模型预测苹果的糖度、酸度，分别建立两个支持向量机模型判别苹果是否有病害或虫害。
真空泵改换为气囊；气囊连接抽真空接口；在超市中，用手捏住气囊并将苹果放置在圆筒状外壳1的上端筒口处，使其与环形硅胶垫3充分接触，松手后光学桶、圆筒状外壳1构成的腔体内形成负压，将苹果固定，打开环形光源阵列2，并采集苹果的原始光谱。将原始光谱通过蓝牙传输到手机对应的应用中。将光谱代入上述四个模型，预测或判别苹果的品质。手机应用中会显示出苹果是否有病害或虫害，同时可以显示出苹果的糖度和酸度。
再用手捏气囊，腔体内负压消失，把苹果取下，并选择是否购买。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于点光谱检测器获取面光谱的装置，其特征在于：包括用于承托待检测水果的圆筒状外壳(1)、依次环绕分布在圆筒状外壳(1)的上段筒口内壁面的多个环形光源阵列(2)、光学桶(7)；
在圆筒状外壳(1)的环形光源阵列(2)下方设有一环形硅胶垫(3)；
所述光学桶(7)的上端口与圆筒状外壳(1)的下端口通过内外螺纹连接；
所述光学桶(7)的下端口外部对接光谱仪(10)；
在光学桶(7)内自上而下依次设置有红外检测器(4)、玻璃板(5)、上凹面镜(8)、下凹面镜(9)；所述红外检测器(4)分布在光学桶(7)的上端口内壁面。
2.根据权利要求1所述基于点光谱检测器获取面光谱的装置，其特征在于：所述上凹面镜(8)和下凹面镜(9)的中心处均开设有孔，且上凹面镜(8)的焦点位于下凹面镜(9)的孔处，下凹面镜(9)的焦点位于上凹面镜(8)的孔处。
3.根据权利要求2所述基于点光谱检测器获取面光谱的装置，其特征在于：所述圆筒状外壳(1)的上端筒口内壁面的截面形状呈喇叭口状斜面，该多个环形光源阵列(2)逐层分布在喇叭口状斜面上。
4.根据权利要求3所述基于点光谱检测器获取面光谱的装置，其特征在于：在所述光学桶(7)的侧壁上开设有抽真空接口(6)，开设位置在玻璃板(5)与上凹面镜(8)之间；抽真空接口(6)通过管路与设置在外部的抽气泵连接。
5.根据权利要求4所述基于点光谱检测器获取面光谱的装置，其特征在于：所述红外检测器(4)分为上下两组。
6.根据权利要求5所述基于点光谱检测器获取面光谱的装置，其特征在于：所述玻璃板(5)与光学桶(7)之间的连接为可拆卸式连接。
7.根据权利要求6所述基于点光谱检测器获取面光谱的装置，其特征在于：所述环形硅胶垫(3)为环形结构，其内表面为向上逐渐扩口的斜面。
8.一种基于点光谱检测器获取面光谱的方法，其特征在于采用权利要求7所述基于点光谱检测器获取面光谱的装置实现，其包括以下步骤：
步骤S1：通过基于点光谱检测器获取面光谱的装置，对待检测水果进行光谱采集，得到原始散射光谱，具体步骤为：
步骤S1-1：将待检测水果放置在圆筒状外壳(1)的上端筒口处，并使其下表面与环形硅胶垫(3)的圆周面充分接触；
步骤S1-2：调整圆筒状外壳(1)的高度，并触发上红外检测器，不触发下红外检测器；
步骤S1-3：打开环形光源阵列(2)；
步骤S1-4：采用透反射模式获得水果原始散射光谱，待检测水果整个下表面光谱通过小孔成像方法照射在下凹面镜(9)上，之后由下凹面镜(9)平行反射到上凹面镜(8)上，之后由上凹面镜(8)聚焦反射到光谱仪(10)上；
步骤S2：对待检测水果的化学品质或病、虫害或表面损伤进行检测；
步骤S3：建立待检测水果光谱与其化学品质或病、虫害或表面损伤的预测模型；
步骤S4：采集待检测水果的原始光谱并将光谱代入步骤S3建立的预测模型中，并得到相应的预测值。
9.根据权利要求8所述基于点光谱检测器获取面光谱的方法，其特征在：所述步骤S1-1中，将待检测水果放置在圆筒状外壳(1)的上端筒口处时，开启抽气泵，对其光学桶(7)的腔体进行抽真空，利用腔体内负压吸力，将检测水果固定在圆筒状外壳(1)上端筒口的喇叭口状斜面上。
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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 | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20190503 |