專利名稱：基于可見近紅外光譜的水果糖酸度在線檢測與分選生產(chǎn)線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水果內(nèi)部糖酸度在線檢測與分選，屬水果在線無損檢測及分選技術(shù)領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
隨著人們生活水平的不斷提高，消費(fèi)者在選購水果時(shí)不僅注重大小，顏色和外觀 形狀等外部品質(zhì)，而且更注重內(nèi)部品質(zhì)，如口感、糖度和酸度等指標(biāo)。目前國外水果采摘后 分選，開始由外部品質(zhì)檢測走向內(nèi)外部兼顧的全品質(zhì)量檢測，如日本，美國等一些水果生產(chǎn) 公司紛紛標(biāo)榜其品牌水果除具大小、外觀等最佳品質(zhì)外，更具有內(nèi)部營養(yǎng)品質(zhì)的保證。近紅 外光譜無損檢測技術(shù)是既能檢測水果內(nèi)部品質(zhì)又不破壞水果的新技術(shù)，目前在國外如日 本，美國，比利時(shí)，新西蘭，以色列等國已將該技術(shù)投入到農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后處理和加工過程中，并 研發(fā)了相關(guān)的檢測裝置。如日本開發(fā)了可見近紅外光譜檢測梨、蘋果成熟度的傳感器，又研 制了快速判別柑桔類水果成熟度和色澤的選果裝置，并將此技術(shù)用于自動(dòng)化選果線上，把 成熟度和色彩傳感器與自動(dòng)化分選，包裝線集成在一起，率先實(shí)現(xiàn)了柑桔類水果實(shí)時(shí)檢測。 比利時(shí)利用可見近紅外光譜技術(shù)，研制了用于蘋果糖度、酸度和維生素C含量等內(nèi)部品質(zhì) 的在線檢測。美國專利NO. 4883953，NO. 5089701分別介紹了對于不同的檢測水果，如哈密瓜， 柑桔，蘋果等，運(yùn)用不同的光譜波段進(jìn)行了水果內(nèi)部品質(zhì)檢測裝置的開發(fā)，但沒有充分考慮 水果檢測外部信號和邏輯器件對控制的干擾。公開號CN2779390的中國專利公開了一種 近紅外水果糖酸度分析用檢測裝置，但沒有涉及產(chǎn)后水果的分選。公告號2553907、公告號 2555109、公開號1394699、公告號2555110的中國專利公開了基于水果機(jī)器視覺生產(chǎn)線的 分選裝置，利用圖像處理對水果形狀，大小，色澤，表皮光滑度等外部品質(zhì)進(jìn)行分選，但均采 用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，容易受到邏輯器件的干擾，造成控制的紊亂。公告號100449301的 中國專利公開了多級輸送及分選的光特性水果內(nèi)部品質(zhì)分選裝置，但生產(chǎn)線復(fù)雜，可靠性 受限于外圍分選邏輯器件的影響。從國內(nèi)研究報(bào)道來看，國內(nèi)使用可見近紅外光譜在農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)分析方面，主要集 中在谷物和部分果蔬內(nèi)部品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室分析上，而對內(nèi)部品質(zhì)指標(biāo)(糖度、酸度、硬度和VC含 量等)的無損檢測裝置至今還未見報(bào)道。分析目前國內(nèi)引進(jìn)的相關(guān)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)無損檢測設(shè) 備，大部分是高精密度的實(shí)驗(yàn)室光譜分析儀器，除檢測成本高，檢測時(shí)間長外，更不適合于 實(shí)時(shí)高速作業(yè)的生產(chǎn)線。另外，隨著農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)的不斷推進(jìn)，給水果生產(chǎn)提出了更高要 求，適時(shí)判斷水果的營養(yǎng)品質(zhì)，及時(shí)優(yōu)化水果生產(chǎn)鏈的規(guī)模是確保水果品質(zhì)大規(guī)模商品化 的關(guān)鍵步驟。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，根據(jù)現(xiàn)有水果內(nèi)部糖酸度的在線檢測和分選技術(shù)中的不足，本 發(fā)明綜合應(yīng)用近紅外光譜，機(jī)械電子，自動(dòng)控制和化學(xué)計(jì)量學(xué)等多學(xué)科技術(shù)，利用水果可見
3近紅外漫反射光譜對水果內(nèi)部糖酸度進(jìn)行在線檢測與分級，并結(jié)合可靠性強(qiáng)的PLC進(jìn)行水 果隊(duì)列動(dòng)態(tài)配準(zhǔn)，采用側(cè)翻式果盤及分選執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)快速智能化水果內(nèi)部糖酸度動(dòng)態(tài) 在線檢測與分選。本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種用于水果糖酸度在線檢測與分選生產(chǎn)線，通過 采集水果在300-2500nm波段范圍內(nèi)的可見近紅外漫反射光譜，并利用預(yù)先建立的水果糖 酸度預(yù)測模型，計(jì)算出水果內(nèi)部的糖酸度含量，結(jié)合自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水果內(nèi)部糖酸度的 在線檢測與自動(dòng)分選。本發(fā)明水果糖酸度在線檢測與分選生產(chǎn)線包括機(jī)械輸送裝置，可見近紅外光譜 檢測裝置和分選控制裝置。機(jī)械輸送裝置輸送水果進(jìn)入可見近紅外光譜檢測裝置，可見近 紅外光譜檢測裝置把檢測的結(jié)果傳遞給分選控制裝置實(shí)現(xiàn)分選。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖中(I)為可見近紅外光譜檢測裝置，(II)為 分選控制裝置，(III)為機(jī)械輸送裝置。機(jī)械輸送裝置(III)包括側(cè)翻式果盤(5)，分選執(zhí)行機(jī)構(gòu)(13)，電機(jī)(56)，減速 器(17)，驅(qū)動(dòng)鏈輪(18)，鏈輪(3)，鏈條(4)，分選口(12、14、16)，支撐導(dǎo)軌(11)和固定支架 (19)。電機(jī)與減速器連接，減速器與驅(qū)動(dòng)鏈輪連接，鏈輪與鏈條輸送側(cè)翻式果盤構(gòu)成循環(huán)輸 送裝置。三個(gè)分選執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別安裝在三個(gè)分選口處，執(zhí)行分選指令?？梢娊t外光譜檢測裝置⑴包括光照箱(6)，光照單元(7)，光纖光譜儀(24)。 光照單元安裝在光照箱內(nèi)，光照單元與光纖光譜儀連接；光譜儀通過USB 口與計(jì)算機(jī)連接。分選控制裝置(II)包括可編程控制器PLC (10)，光電接近開關(guān)(1)，編碼盤(2)， 分選口(12、14、16)，旋轉(zhuǎn)電磁鐵(15)；光電接近開關(guān)安裝在編碼盤前端；三個(gè)旋轉(zhuǎn)電磁鐵 安裝在分選口處的執(zhí)行機(jī)構(gòu)上。本發(fā)明按以下程序完成水果內(nèi)部糖酸度的在線檢測與自動(dòng)分選①生產(chǎn)線運(yùn)行，水果由生產(chǎn)線機(jī)械輸送裝置向可見近紅外光譜檢測工位輸送，水 果進(jìn)入可見近紅外光譜檢測工位；②由安裝在鏈輪軸上的編碼盤和接近開關(guān)檢測水果運(yùn)動(dòng)的位置信息，傳遞給光纖 光譜儀；③光纖光譜儀經(jīng)接近開關(guān)觸發(fā)后，采集經(jīng)完整水果吸收反射后的可見近紅外光 譜，將光譜信號通過USB接口傳送至計(jì)算機(jī)軟件的水果內(nèi)部糖酸度預(yù)測模型中，計(jì)算出水 果內(nèi)部糖酸度的含量，分段劃分水果內(nèi)部糖酸度等級；④計(jì)算機(jī)通過RS232接口與PLC可編程控制器通信，把水果內(nèi)部糖酸度等級信號 賦值給下位機(jī)PLC;⑤PLC通過獲得的等級信號及實(shí)時(shí)捕捉的水果檢測或空位信號，進(jìn)行連續(xù)準(zhǔn)確的 動(dòng)態(tài)隊(duì)列配準(zhǔn)，并控制分選執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成多等級水果糖酸度的自動(dòng)化分選。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較的有益效果是，所述水果糖酸度在線檢測與分選生產(chǎn)線可 以在300-2500nm可見近紅外波長范圍內(nèi)，獲取水果的可見近紅外吸收光譜信息，快速無損 的完成水果內(nèi)部品質(zhì)糖酸度在線動(dòng)態(tài)檢測，并通過分選控制裝置自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對水果的分選， 提高了水果內(nèi)部品質(zhì)的動(dòng)態(tài)檢測和分選的自動(dòng)化水平，本發(fā)明克服了水果傳統(tǒng)破損檢測費(fèi) 時(shí)，效率低，費(fèi)用高，精度差等缺點(diǎn)，滿足了水果產(chǎn)后大規(guī)模商品化處理的需求。應(yīng)用于水果 分選生產(chǎn)后，可以提高我國水果在國際市場的競爭力。
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本發(fā)明適用于水果內(nèi)部糖酸度在線檢測與分選。


圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的側(cè)翻式果盤結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的分選執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意圖；圖4是南豐蜜桔樣本可溶性固形物的實(shí)測值與預(yù)測值的相關(guān)關(guān)系圖；圖5為本發(fā)明的工作過程流程圖；圖中圖號表示為I、近紅外光譜檢測裝置；II、分選控制裝置；III、機(jī)械輸送裝置；(1)光電接近開關(guān)；(2)編碼盤；(3)鏈輪；(4)鏈條；(5)側(cè)翻式果盤；(6)光照 箱；(7)光照單元；(8)水果；(9)計(jì)算機(jī)和軟件；(10)PLC(FX2N)可編程控制器；(11)導(dǎo)軌； (12)分選口一；(1 3)分選執(zhí)行機(jī)構(gòu)；(1 4)分選口二； (1 5)旋轉(zhuǎn)電磁鐵；(1 6)分選口 三；(1 7)減速器；(1 8)驅(qū)動(dòng)鏈輪；(1 9)固定支架；(24)USB4000光纖光譜儀；(30)導(dǎo)輪； (31)導(dǎo)輪支撐架；(32)水果托架；(33)銷軸；(34)分選杠桿；(35)動(dòng)作執(zhí)行位置；(36)動(dòng) 作未執(zhí)行位置；(40)導(dǎo)向板；(41)轉(zhuǎn)臂；(42)支撐板；(56)電機(jī)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明實(shí)施例水果糖酸度在線檢測與分選生產(chǎn)線的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，機(jī)械輸 送裝置(III)包括分選執(zhí)行機(jī)構(gòu)(13)，電機(jī)(56)，減速器(17)，驅(qū)動(dòng)鏈輪(18)，鏈輪(3)， 鏈條(4)，支撐導(dǎo)軌(11)和固定支架(1 9)。電機(jī)與減速器連接，減速器與驅(qū)動(dòng)鏈輪連接， 鏈輪與鏈條構(gòu)成循環(huán)輸送裝置?？梢娊t外光譜檢測裝置(I)包括光照箱(6)，光照單元 (7)，光纖光譜儀(24)。光照單元與光纖光譜儀連接；光譜儀通過USB 口與計(jì)算機(jī)連接。分 選控制裝置(II)包括可編程控制器PLC(10)，光電接近開關(guān)(1)，編碼盤(2)，分選口(12、 14、16)，旋轉(zhuǎn)電磁鐵(15)；光電接近開關(guān)安裝在編碼盤前端；三個(gè)旋轉(zhuǎn)電磁鐵分別安裝在 三個(gè)分選口的執(zhí)行機(jī)構(gòu)上。本發(fā)明實(shí)施例水果糖酸度在線檢測與分選生產(chǎn)線的側(cè)翻式果盤結(jié)構(gòu)如圖2所示， 側(cè)翻式果盤包括導(dǎo)輪(30)，導(dǎo)輪支撐架(31)，水果托架(32)，銷軸(33)及分選杠桿(34)。 導(dǎo)輪與導(dǎo)輪支撐架連接并固定在鏈條上；水果托架與導(dǎo)輪支撐架通過槽連接，保證水果托 架能在鏈輪與鏈條嚙合處伸展自如；分選杠桿(34)與固定在導(dǎo)輪支撐架的銷軸連接，可使 分選杠桿圍繞銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)。本發(fā)明實(shí)施例水果糖酸度在線檢測與分選生產(chǎn)線的分選執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖3所示，分 選執(zhí)行機(jī)構(gòu)(13)包括旋轉(zhuǎn)電磁鐵(15)，導(dǎo)向板(40)，轉(zhuǎn)臂(41)，支撐板(42)；旋轉(zhuǎn)電磁鐵 固定在支撐板上；導(dǎo)向板固定在支撐板上端。本發(fā)明實(shí)施例水果糖酸度在線檢測與分選生產(chǎn)線的用于檢測南豐蜜桔可溶性固 形物(糖度)實(shí)測值與預(yù)測值的相關(guān)關(guān)系如圖4所示，根據(jù)南豐蜜桔可溶性固形物(糖度) 的預(yù)測集樣本實(shí)測值(散點(diǎn))，可建立預(yù)測值(斜線)的數(shù)學(xué)模型，并可將糖度預(yù)測含量分 級。本發(fā)明實(shí)施例水果糖酸度在線檢測與分選生產(chǎn)線的工作流程如圖5所示，機(jī)械輸
5送裝置向近紅外光譜檢測工位輸送水果；可見近紅外光譜檢測裝置采集信號，并計(jì)算劃分 水果糖酸度等級；通過計(jì)算機(jī)與PLC的通信，由PLC程序進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)配準(zhǔn)，實(shí)時(shí)提取分選 口的等級信息，控制分選口的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。下面結(jié)合圖I-圖5介紹工作過程①按下啟動(dòng)按鈕/停止按鈕，電機(jī)(56)啟動(dòng)/停止，調(diào)節(jié)調(diào)速電位器，控制在線檢 測與分選生產(chǎn)線的運(yùn)行速度，開啟光照單元(7)，在線檢測與分選生產(chǎn)線正常運(yùn)行；②當(dāng)水果⑶隨機(jī)械輸送裝置(III)進(jìn)入可見近紅外光譜檢測裝置⑴工位，光 照單元(7)射出的光線照射到水果(8)表面，經(jīng)內(nèi)部組織吸收反射，反射光經(jīng)探頭，由接近 開關(guān)(1)對光纖光譜儀(24)外部觸發(fā)后，進(jìn)入光纖光譜儀(24)，經(jīng)分光及A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入 計(jì)算機(jī)(9)，計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)將水果吸光度光譜帶入已建立的水果糖酸度預(yù)測模型，計(jì)算并 顯示出水果糖酸度含量的大小，分段劃分水果糖酸度等級；③計(jì)算機(jī)(9)把水果糖酸度等級信號通過通信口 RS232傳遞給程序控制器 PLC(IO)，由PLC(IO)通過獲得的等級信號及由接近開關(guān)⑴實(shí)時(shí)捕捉的水果⑶檢測或空 位信號，進(jìn)行連續(xù)準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)隊(duì)列配準(zhǔn)；④計(jì)算機(jī)(9)通信觸發(fā)PLC(IO)，利用傳輸指令，把構(gòu)建中間橋梁的數(shù)據(jù)，傳給數(shù) 據(jù)寄存單元并壓入由24個(gè)數(shù)據(jù)寄存單元組成的隊(duì)列右端，左移一位；水果(8)每移動(dòng)一個(gè) 工位，接近開關(guān)(1)被觸發(fā)一次，隊(duì)列左移一位，至此，水果(8)跟蹤被有效移植到PLC(IO) 程序中；⑤計(jì)算好三個(gè)分選口分別對應(yīng)的三個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元地址，采用比較指令，比較代 表三個(gè)等級并被賦值的數(shù)和指向的這三個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的數(shù)，若相等，使旋轉(zhuǎn)電磁鐵(15) 上電，若不等，水果(8)隨生產(chǎn)線轉(zhuǎn)移到下一個(gè)分選口判斷；⑥當(dāng)水果(8)糖酸度信息同步于水果到位時(shí)，若旋轉(zhuǎn)電磁鐵上電動(dòng)作，則轉(zhuǎn)臂 (41)旋轉(zhuǎn)α角，處于動(dòng)作執(zhí)行(36)位置，使分選杠桿(34)沿著導(dǎo)向板(40)的斜波面運(yùn) 動(dòng)，迫使分選杠桿(34)提升，連接分選杠桿(34)的銷軸(33)轉(zhuǎn)動(dòng)，使側(cè)翻式果盤側(cè)翻，把 水果推向分選口(12)；若旋轉(zhuǎn)電磁鐵(11)失電，則轉(zhuǎn)臂(41)處于動(dòng)作未執(zhí)行(35)狀態(tài)， 分選杠桿(34)沿著導(dǎo)向板(40)的下沿運(yùn)動(dòng)，水果隨著機(jī)械輸送系統(tǒng)輸送到向下一個(gè)分選
權(quán)利要求
一種基于可見近紅外光譜的水果糖酸度在線檢測與分選生產(chǎn)線，其特征是，所述在線檢測與分選生產(chǎn)線的檢測與分選程序?yàn)樗稍诰€檢測與分選生產(chǎn)線的機(jī)械輸送裝置輸送，進(jìn)入可見近紅外光譜檢測裝置工位；由安裝在鏈輪軸上的編碼盤和接近開關(guān)檢測水果運(yùn)動(dòng)的位置信息，傳遞給光譜儀；光譜儀經(jīng)接近開關(guān)觸發(fā)后，采集經(jīng)完整水果吸收反射后的可見近紅外光譜，并將光譜信號通過USB接口傳送至計(jì)算機(jī)軟件的水果糖酸度模型中，計(jì)算出水果糖酸度的含量，分段劃分水果糖酸度等級；計(jì)算機(jī)通過RS232接口與PLC可編程控制器通信，把等級信號賦值給PLC；PLC控制各分選口的執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)不同等級水果的分選。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可見近紅外光譜的水果糖酸度在線檢測與分選生產(chǎn)線， 其特征在于所述在線檢測與分選生產(chǎn)線包括可見近紅外光譜檢測裝置(I)、分選控制裝置 (II)、機(jī)械輸送裝置(III)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于可見近紅外光譜的水果糖酸度在線檢測與分選生產(chǎn)線， 其特征在于所述的可見近紅外光譜檢測裝置(I)包括光照箱(6)，光照單元(7)，光纖光譜 儀(24)；光照單元安裝在光照箱內(nèi)，光照單元與光纖光譜儀連接；光譜儀通過USB 口與計(jì)算 機(jī)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于可見近紅外光譜的水果糖酸度在線檢測與分選生產(chǎn)線， 其特征在于所述的機(jī)械輸送裝置(III)包括側(cè)翻式果盤(5)，分選執(zhí)行機(jī)構(gòu)(13)，電機(jī) (56)，減速器(17)，驅(qū)動(dòng)鏈輪(18)，鏈輪(3)，鏈條(4)，分選口(12、14、16)，支撐導(dǎo)軌(11) 和固定支架(19)；電機(jī)與減速器連接，減速器與驅(qū)動(dòng)鏈輪連接，鏈輪與鏈條輸送側(cè)翻式果 盤構(gòu)成循環(huán)輸送裝置，三個(gè)分選執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別安裝在三個(gè)分選口處，執(zhí)行分選指令。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于可見近紅外光譜的水果糖酸度在線檢測與分選生產(chǎn)線，其 特征在于所述的分選控制裝置(II)包括可編程控制器PLC(IO)，光電接近開關(guān)(1)，編碼 盤(2)，分選口(12、14、16)，旋轉(zhuǎn)電磁鐵(15)；光電接近開關(guān)安裝在編碼盤前端；三個(gè)旋轉(zhuǎn) 電磁鐵安裝在分選口處的執(zhí)行機(jī)構(gòu)上。全文摘要
一種基于可見近紅外光譜的水果糖酸度在線檢測與分選生產(chǎn)線，由機(jī)械輸送裝置(III)，可見近紅外光譜檢測裝置(I)和分選控制裝置(II)所組成。其工作流程為，水果由生產(chǎn)線的機(jī)械輸送裝置輸送，進(jìn)入可見近紅外光譜檢測裝置工位；由安裝在鏈輪軸上的編碼盤(2)和接近開關(guān)(1)檢測水果運(yùn)動(dòng)的位置信息，傳遞給光譜儀(24)；光譜儀經(jīng)接近開關(guān)觸發(fā)后，采集水果吸收反射后的可見近紅外光譜，并將光譜信號傳送至計(jì)算機(jī)軟件的水果糖酸度模型中，計(jì)算出水果糖酸度的含量，分段劃分水果糖酸度等級；計(jì)算機(jī)通過接口與可編程控制器PLC(10)通信，把等級信號賦值給PLC，控制各分選口的執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)不同等級水果的分選。本發(fā)明適用于水果內(nèi)部糖酸度在線檢測與分選。
文檔編號B07C5/36GK101920245SQ200910186329
公開日2010年12月22日 申請日期2009年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月27日
發(fā)明者劉燕德, 周建民, 孫旭東, 楊超, 歐陽愛國, 章海亮, 邱英, 龔志遠(yuǎn) 申請人:華東交通大學(xué)