專利名稱：用于測定梨的多指標參數(shù)的裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及水果檢測領域，具體涉及用于測定梨的多指標參數(shù)的裝置和方法。
背景技術：
硬度是指液體或流體食品中所有溶解于水的化合物的總稱。在水果中，主要包括可溶性糖類、蛋白質(zhì)、酸、維生素等物質(zhì)，它是表征水果成熟程度的一個重要指標。水果中的硬度對其口感有著很大的影響，它是評價水果內(nèi)部品質(zhì)的重要指標之一，此外，水果的重量、高度和體積是分級篩選過程中需考慮的重要因素，因此，需要對水果中硬度、水果的重量、高度和體積實現(xiàn)快速、準確的測定。國家標準中對水果的硬度的測量采用的是折射儀法，該法需對水果組織進行破碎，利用光的折射率進行測定，不僅費時、費力、耗材成本高，而且破壞了水果的完整度，檢·測完畢后的水果不能再食用，造成了浪費。將一束不同波長的紅外光照射到物質(zhì)的分子上，某些特定波長的紅外光被吸收，形成這一分子的紅外吸收光譜。每種分子都有由其組成和結構決定的獨有的紅外吸收光譜，據(jù)此可以對分子進行結構分析和鑒定。紅外吸收光譜是由分子不停地作振動和轉動運動而產(chǎn)生的，分子振動是指分子中各原子在平衡位置附近作相對運動，多原子分子可組成多種振動圖形。分子振動的能量與紅外光的光子能量正好對應，因此當分子的振動狀態(tài)改變時，就可以發(fā)射紅外光譜，也可以因紅外光激發(fā)分子躍遷而產(chǎn)生紅外吸收光譜。目前，已有利用可見紅外光評價水果的糖度和酸度的報道。申請?zhí)枮?01120364408. 9的實用新型公開了一種果實硬度測定儀，包含有底座、平臺、夾持架、硬度計、手輪、立柱和緊固螺桿，在底座上設置有中心線相互平行的平臺和立柱，立柱設置為與底座固定聯(lián)接，平臺設置為通過螺紋與底座聯(lián)接，夾持架設置為與立柱套裝式聯(lián)接，在夾持架上設置有緊固螺桿，緊固螺桿的頂端設置為與立柱接觸式聯(lián)接，手輪設置為通過齒輪齒條與立柱聯(lián)接，硬度計設置為通過夾緊螺桿螺母與夾持架聯(lián)接，硬度計的中心線設置為與平臺的中心線相重合。水果中硬度是衡量水果品質(zhì)的重要因素，現(xiàn)有技術中對于水果硬度的測定制樣繁瑣，費時費力，因此，需要提供一種快速有效的測量水果中硬度的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了用于測定梨的多指標參數(shù)的裝置和方法，在保持梨的完整度的同時，對梨的重量、高度、體積和硬度進行測定，操作簡單，提高對梨的品質(zhì)的評估效率。用于測定梨的多指標參數(shù)的裝置，包括暗箱；位于所述暗箱內(nèi)，用于測量梨的重量的電子稱重旋轉平臺；位于所述暗箱內(nèi)，用于測量梨的高度的高度測量裝置；
用于向梨發(fā)射檢測光的光照模塊；用于接收梨的反射光的光譜采集模塊；用于接收接收所述電子稱重旋轉平臺和高度測量裝置的信號計算樣品體積，以及用于接收所述光譜采集單元信號計算樣品硬度的控制單元；所述光照模塊包括在光路上依次布置的LED點光源陣列、反射蓋、第一聚焦透鏡、第二聚焦透鏡以及輸出光纖，所述LED點光源陣列包括480nm、500nm、600nm、650nm、700nm、850nm、900nm、950nm、1155nm、1400nm、1467nm 和 1759nm 的 LED 點光源各一盞，所有 LED 點光源呈圓環(huán)形排列且均勻分布。將梨的果梗朝上，果萼朝下置于所述暗箱內(nèi)的電子稱重旋轉平臺上，利用電子稱重旋轉平臺稱量得到梨的重量G，利用所述高度測量裝置測量梨的高度H，所述高度H指果梗根部到果萼之間的距離，將所得重量G和高度H帶入V = 0. 218*G+0. 123*H-8. 8計算得·
高度測量時，果梗會被壓至與梨頂部平齊位置，高度測量裝置的大致構造和現(xiàn)有測量身高的裝置一樣。所述光照模塊向暗箱中的梨發(fā)射特定波長的檢測光，所述電子稱重旋轉平臺旋轉，所述光譜采集模塊采集不同波長處梨的不同部位的反射光，所述控制單元接收所述反射光，提取不同波長的反射光的反射率，利用式Y = 133. 611^-39. 762X2-94. 374X3_62. 545X4+204. 408X5-411. 368X6+554. 071X7_194. 192X8_158. 072X9+149. 384X10-365. 744Xn+282. 136X12+4. 2計算得到梨的硬度，式中Y為梨中硬度J1 X12分別為波長480nm、500nm、600nm、650nm、700nm、850nm、900nm、950nm、1155nm、1400nm、1467nm 和 1759nm 所對應的梨的反射率。將梨置于所述暗箱內(nèi)，隔離外界光線，避免外界光線對梨反射光的采集形成干擾，提高梨硬度的檢測結果的準確性。所述LED點光源發(fā)出特定波長的光，經(jīng)反射蓋反射后，由第一聚焦透鏡變?yōu)槠叫泄?，該平行光?jīng)第二聚焦透鏡聚焦后，進入輸出光纖，由輸出光纖傳遞至暗箱中梨的上方。作為優(yōu)選，每盞LED點光源的光軸沿光路方向與所述圓環(huán)形的軸線成30度夾角。以便于在適宜的距離上聚焦。作為優(yōu)選，所述光譜采集模塊包括接收樣品反射光的接收光纖以及接收該接收光纖所傳送信號的光敏傳感器。所述光敏傳感器相對應不同波長的檢測光設置，即相對應波長480nm、500nm、600nm、650nm、700nm、850nm、900nm、950nm、1155nm、1400nm、1467nm 和 1759nm 分別設有光敏傳感器，所述光敏傳感器接收來自梨的不同波長的反射光。作為優(yōu)選，所述輸出光纖的發(fā)射端以及接收光纖的采集端均位于所述暗箱內(nèi)。所述光照模塊的輸出光纖將LED點光源陣列發(fā)出的光傳遞至輸出光纖位于暗箱內(nèi)的發(fā)射端，向暗箱中的梨發(fā)射不同波長的檢測光，檢測光經(jīng)梨反射后得到反射光，反射光由所述接收光纖的采集端采集后，由接收光纖傳輸至控制單元，由控制單元處理得到梨中硬度。作為優(yōu)選，設有調(diào)節(jié)輸出光纖以及第二聚焦透鏡間距的伸縮機構。所述伸縮機構可以調(diào)節(jié)所述輸出光纖與第二聚焦透鏡間的距離，即調(diào)節(jié)輸出光纖接受到的第二聚焦透鏡輸出的檢測光光強大小，經(jīng)過梨反射后，得到合適的反射光光強，用于計算梨的硬度。作為優(yōu)選，所述暗箱的側壁設有豎直布置的兩條平行導軌以及沿平行導軌滑動的升降座，所述升降座上設有插入暗箱內(nèi)的光纖套管，所述輸出光纖以及接收光纖沿所述光纖套管延伸入暗箱內(nèi)。所述升降座可沿平行導軌上下滑動，帶動光纖套管上下滑動，也即調(diào)整輸出光纖的發(fā)射端以及接受光纖的采集端的位置，使其位于梨的赤道部位，也即梨的圓周最大的位置?；谏鲜鰷y定梨的多指標參數(shù)的裝置，本發(fā)明還提供了一種利用該測定梨的多指標參數(shù)的裝置測定梨的多指標參數(shù)的方法，包括以下步驟(I)將梨放入所述暗箱中，利用所述電子稱重旋轉平臺測定梨的重量G，利用所述·高度測量裝置測量高度H ；(2)將梨的重量G和高度H信息輸入控制單元，控制單元依據(jù)公式V =0. 218*G+0. 123*H-8. 8，計算得到梨的體積V ；(3)沿著梨的赤道部位確定至少兩個檢測點，所述光照模塊向該兩個檢測點發(fā)送檢測光，利用光譜采集模塊采集每個檢測點處在波長為480nm、500nm、600nm、650nm、700nm、850nm、900nm、950nm、1155nm、1400nm、1467nm 和 1759nm 所對應的梨的反射率；(4)將所得反射率輸入控制單元，控制單元依據(jù)多元線性回歸方程Y = 133. 611X「39. 762X2-94. 374X3_62. 545X4+204. 408X5_411. 368X6+554. 071X7_194. 192X8_158. 072X9+149. 384X10-365. 744Xn+282. 136X12+4. 2，計算得到梨的硬度；式中Y 為梨中硬度；X1 X12 分別為波長 480nm、500nm、600nm、650nm、700nm、850nm、900nm、950nm、1155nm、1400nm> 1467nm 和 1759nm 所對應的梨的反射率。通過向梨的赤道部位，即梨的圓周最大的部位，發(fā)射不同波長的光，采集梨的反射光信息，提取不同波長處梨的反射率，計算得到梨的硬度。本發(fā)明建立的用于計算梨的體積的方程V = 0. 218*G+0. 123*H_8. 8，其中，重量G的單位為g，高度H的單位為cm，體積V的單位為cm3 ;對于其他水果的體積計算不適用，如果需要檢測其他水果，需另外建立計算體積的方程。由于體積V在數(shù)值上是通過方程擬合而來，因此方程兩側的數(shù)值單位并不參與計算，僅僅是便于明確數(shù)據(jù)的取值。本發(fā)明實現(xiàn)了梨的重量、高度、體積以及硬度的多項物理參數(shù)的快速檢測，檢測快速準確，檢測成本低，環(huán)境污染小。


圖I為本發(fā)明用于測定梨的多指標參數(shù)的裝置示意圖；圖2為本發(fā)明用于測定梨的多指標參數(shù)的裝置光照模塊示意圖；圖3為圖2的側視圖；圖4為圖I中暗箱的側視圖；圖5為梨的示意圖；圖6為本發(fā)明方法建模時測得的梨的硬度的預測值與梨的硬度的實際值間的關系圖；圖I為本發(fā)明方法預測時測得的梨的硬度的預測值與梨的硬度的實際值間的關系圖。
具體實施例方式下面結合附圖，對本發(fā)明用于測定梨的多指標參數(shù)的裝置做詳細描述。用于測定梨的多指標參數(shù)的裝置，包括暗箱11、位于暗箱11內(nèi)的用于測量梨10的重量的電子稱重旋轉平臺9、位于暗箱11內(nèi)的用于測量梨10的高度的高度測量裝置14、用于向梨10發(fā)射檢測光的光照模塊2、用于接收梨10的反射光的光譜采集模塊以及用于接收所述電子稱重旋轉平臺9和高度測量裝置14的信號計算樣品體積和接收所述光譜采集單元信號計算樣品硬度的控制單元3。暗箱11設有推拉門8，將梨10放入暗箱11后，關閉推拉門8，可以減少外界光線·對光譜采集模塊采集梨10的反射光的干擾。光照模塊2包括在光路上依次布置的LED點光源19陣列、反射蓋25、第一聚焦透鏡22、第二聚焦透鏡17以及輸出光纖15，所述LED點光源19陣列包括480nm、500nm、600nm、650nm、700nm、850nm、900nm、950nm、1155nm、1400nm、1467nm 和 1759nm 的 LED 點光源 19 各一蓋，所有LED點光源19呈圓環(huán)形排列且均勻分布，每盞LED點光源19的光軸沿光路方向與所述圓環(huán)形的軸線成30度夾角。光譜采集模塊包括接收樣品反射光的接收光纖以及接收該接收光纖所傳送信號的光敏傳感器，光敏傳感器相對應LED點光源19不同波長的檢測光設置，即相對應波長480nm、500nm、600nm、650nm、700nm、850nm、900nm、950nm、1155nm、1400nm、1467nm 和 1759nm分別設有光敏傳感器，光敏傳感器接收來自梨10的不同部位的不同波長的反射光。輸出光纖15的發(fā)射端以及接收光纖的米集端均位于暗箱11內(nèi)，光照模塊2的輸出光纖15將LED點光源19陣列發(fā)出的光傳遞至輸出光纖15位于暗箱11內(nèi)的發(fā)射端，向梨10發(fā)射不同波長的檢測光，檢測光經(jīng)梨10反射后得到反射光，反射光由接收光纖的采集端采集后，由接收光纖傳輸至控制單元3，由控制單元3處理得到梨10的硬度。設有調(diào)節(jié)輸出光纖15以及第二聚焦透鏡17間距的伸縮機構16，伸縮機構16可以調(diào)節(jié)輸出光纖15與第二聚焦透鏡17間的距離，即調(diào)節(jié)輸出光纖15接受到的第二聚焦透鏡17輸出的檢測光光強大小，經(jīng)過梨10的反射后，得到合適的反射光光強，用于梨10的硬度。設有放置控制單元3，光照模塊2的支架，支架上還設有用于顯示控制單元處理結果的顯示屏4，光譜采集模塊開關7以及電源開關6。暗箱11的側壁設有豎直布置的兩條平行導軌12以及沿平行導軌12滑動的升降座28，平行導軌12的兩側相對設置帶有三角螺紋的第一矩形條27和第二矩形條29，其中第一矩形條27固定，第二矩形條29可上下滑動，升降座28為環(huán)形，升降座28外圓周設有與第一矩形條27和第二矩形條29相嚙合的螺紋，升降座28上設有插入暗箱11內(nèi)的光纖套管13，輸出光纖15以及接收光纖沿光纖套管13延伸入暗箱11內(nèi)，通過驅(qū)動第二矩形條29的升降，帶動升降座28沿第一矩形條27上下滑動，第一矩形條27和第二矩形條29與升降座28之間的嚙合，可以保持升降座28的平穩(wěn)升降并便于控制和計算升降的高度。
嚙合部分采用三角螺紋不僅強度高，牙根厚，牙形角大，而且當量摩擦系數(shù)大，自鎖性能好，傳動效率低，升降座調(diào)整至合適位置后，可以固定升降座的位置。本發(fā)明所述的光照模塊2、光譜采集模塊以及控制單元3均為用電部件，為了保證光照模塊2、光譜采集模塊以及控制單元3的正常工作，在沒有特殊說明的前提下應當理解為光照模塊2、光譜采集模塊以及控制單元3均連接有相匹配的電源，光照模塊2、光譜采集模塊以及控制單元3可以采用同一總電源，也可以根據(jù)實際需要單獨設置電源，或者是通過光照模塊2、光譜采集模塊以及控制單元3之間的電路實現(xiàn)電源信號的傳遞。各用電部件之間的空間位置關系沒有嚴格限制，但為了便于加工和安裝盡可能的采用集成度較高的電路布置。本發(fā)明測定梨的多指標參數(shù)的裝置工作時，將梨10的果梗30朝上，果萼31朝下，放入暗箱11內(nèi)，關閉推拉門8，調(diào)節(jié)升降座28高度，使輸出光纖15的發(fā)射端以及接收光纖的采集端位于梨10的赤道部位32，打開電源開關6，電子旋轉稱重平臺9稱量梨10的重量G，高度測量裝置14測量梨10的高度H，并將所得信息傳遞至控制單元3，光照模塊2發(fā)出480nm、500nm、600nm、650nm、700nm、850nm、900nm、950nm、1155nm、1400nm、1467nm 和· 1759nm波長的光，經(jīng)輸出光纖15的發(fā)射端照射至梨10，打開光譜采集模塊開關7，轉動電子旋轉稱重平臺，每旋轉一次，接收光纖的采集端采集該部位處梨10的反射光信號，傳遞至控制單元3，經(jīng)控制單元3處理后，將梨10的重量，高度，體積，硬度顯示在顯示屏4上。利用上述的測定梨的多指標參數(shù)的裝置測定梨的多指標參數(shù)的方法，包括以下步驟(I)將梨放入所述暗箱中，利用所述電子稱重旋轉平臺測定梨的重量G，利用所述高度測量裝置測量高度H ；(2)將梨的重量G和高度H信息輸入控制單元，控制單元依據(jù)公式V =0. 218*G+0. 123*H-8. 8，計算得到梨的體積V ;其中，重量G的單位為g，高度H的單位為cm，V的單位為cm3 ；(3)沿著梨的赤道部位確定至少兩個檢測點，所述光照模塊向該兩個檢測點發(fā)送檢測光，利用光譜采集模塊采集每個檢測點處在波長為480nm、500nm、600nm、650nm、700nm、850nm、900nm、950nm、1155nm、1400nm、1467nm 和 1759nm 所對應的梨的反射率；(4)將所得反射率輸入控制單元，控制單元依據(jù)多元線性回歸方程Y = 133. 611X「39. 762X2-94. 374X3_62. 545X4+204. 408X5_411. 368X6+554. 071X7_194. 192X8_158. 072X9+149. 384X10-365. 744Xn+282. 136X12+4. 2，計算得到梨的硬度。式中Y 為梨中硬度；X1 X12 分別為波長 480nm、500nm、600nm、650nm、700nm、850nm、900nm、950nm、1155nm、1400nm> 1467nm 和 1759nm 所對應的梨的反射率。本發(fā)明所選定的特征波長(其中有一個作為參照波長，其余11個參與計算)僅針對梨的硬度的快速檢測，如果需要測量其他水果或者測量梨的其他指標，需要重新選定特定波長，通過多元線性回歸，建立模型，計算得到相應的指標值。利用本發(fā)明提供的方法建立模型的相關指標見表1，其中，建模集表示建立模型時，利用梨的反射率以及現(xiàn)有方法測試得到的梨的硬度擬合得到模型方程，預測集表示，預測時，即建立完模型后，使用梨依據(jù)模型方程得到的硬度擬合得到的標準曲線。表I
數(shù)據(jù)集樣本個決定系均方根偏差斜率截距 數(shù)數(shù)R2 誤差
建模集 1800.7038 0.4137 2.53370.8265 2.4274
預測集 600.6875 0 4231 2.64150.8156 2.7085實施例I 10利用本發(fā)明提供的裝置和方法對梨的重量、高度、體積、硬度進行測試，測試結果見表2。表2·
實施例I重量g I高度體積硬度預測值硬度實際值偏差
編號cm cm3
I350632 68J 1L6lT8 0.2
^2 40003 79^4 \\3112 oT~
3 450725 903 \\2123 ET"
^4 3686^64 125 \0A123 h9~
54207J5 83^8 iol5T6 L5~
64357J8 86^5 9j1Z3 2.6^7 3806J8 743 jJs\32 \J~
83906^81 112 iolfT9 lX"
9445723 893 108109 0.1^10 3786^69 14~5 IZO123 0.3由表2數(shù)據(jù)，可以看出，利用本發(fā)明方法測得的梨的重量、高度、體積、硬度與現(xiàn)有方法測試得到的數(shù)據(jù)接近，利用本發(fā)明可以快速測定梨的重量、高度、體積、硬度，結果可
O
權利要求
1.用于測定梨的多指標參數(shù)的裝置，其特征在于，包括 暗箱； 位于所述暗箱內(nèi)，用于測量梨的重量的電子稱重旋轉平臺； 位于所述暗箱內(nèi)，用于測量梨的高度的高度測量裝置； 用于向梨發(fā)射檢測光的光照模塊； 用于接收梨的反射光的光譜采集模塊； 用于接收所述電子稱重旋轉平臺和高度測量裝置的信號計算樣品體積，以及用于接收所述光譜采集單元信號計算樣品硬度的控制單元； 所述光照模塊包括在光路上依次布置的LED點光源陣列、反射蓋、第一聚焦透鏡、第二聚焦透鏡以及輸出光纖，所述LED點光源陣列包括480nm、500nm、600nm、650nm、700nm、850nm、900nm、950nm、1155nm、1400nm、1467nm 和 1759nm 的 LED 點光源各一盞，所有 LED 點光源呈圓環(huán)形排列且均勻分布。
2.如權利要求I所述的測定梨的多指標參數(shù)的裝置，其特征在于，每盞LED點光源的光軸沿光路方向與所述圓環(huán)形的軸線成30度夾角。
3.如權利要求I所述的測定梨的多指標參數(shù)的裝置，其特征在于，所述光譜采集模塊包括接收樣品反射光的接收光纖以及接收該接收光纖所傳送信號的光敏傳感器。
4.如權利要求3所述的測定梨的多指標參數(shù)的裝置，其特征在于，所述輸出光纖的發(fā)射端以及接收光纖的采集端均位于所述暗箱內(nèi)。
5.如權利要求4所述的測定梨的多指標參數(shù)的裝置，其特征在于，設有調(diào)節(jié)輸出光纖以及第二聚焦透鏡間距的伸縮機構。
6.如權利要求5所述的測定梨的多指標參數(shù)的裝置，其特征在于，所述暗箱的側壁設有豎直布置的兩條平行導軌以及沿平行導軌滑動的升降座，所述升降座上設有插入暗箱內(nèi)的光纖套管，所述輸出光纖以及接收光纖沿所述光纖套管延伸入暗箱內(nèi)。
7.一種利用如權利要求I 6任一所述的測定梨的多指標參數(shù)的裝置測定梨的多指標參數(shù)的方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)將梨放入所述暗箱中，利用所述電子稱重旋轉平臺測定梨的重量G，利用所述高度測量裝置測量高度H ； (2)將梨的重量G和高度H信息輸入控制單元，控制單元依據(jù)公式V=O.218*G+0. 123*H-8. 8，計算得到梨的體積V ； (3)沿著梨的赤道部位確定至少兩個檢測點，所述光照模塊向該兩個檢測點發(fā)送檢測光，利用光譜采集模塊采集每個檢測點處在波長為480nm、500nm、600nm、650nm、700nm、850nm、900nm、950nm、1155nm、1400nm、1467nm 和 1759nm 所對應的梨的反射率； (4)將所得反射率輸入控制單元，控制單元依據(jù)多元線性回歸方程Y= 133. 611Xr39.762X2-94. 374Xs-62. 545X4+204. 408X5_411. 368X6+554. 071X7_194. 192X8_158. 072X9+149. 384X10-365. 744Xn+282. 136X12+4. 2，計算得到梨的硬度； 式中 Y 為梨中硬度；X1 X12 分別為波長 480nm、500nm、600nm、650nm、700nm、850nm、900nm、950nm、1155nm、1400nm> 1467nm 和 1759nm 所對應的梨的反射率。
全文摘要
本發(fā)明公開了用于測定梨的多指標參數(shù)的裝置，包括暗箱；位于所述暗箱內(nèi)，用于測量梨的重量的電子稱重旋轉平臺；位于所述暗箱內(nèi)，用于測量梨的高度的高度測量裝置；用于向梨發(fā)射檢測光的光照模塊；用于接收梨的反射光的光譜采集模塊；用于接收所述電子稱重旋轉平臺和高度測量裝置的信號計算樣品體積，以及用于接收所述光譜采集單元信號計算樣品硬度的控制單元。本發(fā)明還公開了一種利用所述的梨的多指標參數(shù)測定裝置測定梨的多指標參數(shù)的方法。本發(fā)明實現(xiàn)了梨的重量、高度、體積以及硬度的多項物理參數(shù)的快速檢測，檢測快速準確，檢測成本低，環(huán)境污染小。
文檔編號G01G17/00GK102788754SQ20121028672
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月13日 優(yōu)先權日2012年8月13日
發(fā)明者何勇, 章海亮 申請人:浙江大學