基于主動(dòng)熱成像技術(shù)的蘋(píng)果表面缺陷分類(lèi)方法

周建民，張瑞豐

（華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌 330013）

蘋(píng)果的分級(jí)技術(shù)一直以來(lái)都是農(nóng)產(chǎn)品加工中的重要步驟之一。目前常用的是基于可見(jiàn)光檢測(cè)技術(shù)[1-2]和建立水果空間模型的技術(shù)[3]，這些檢測(cè)技術(shù)可以檢測(cè)比較嚴(yán)重的缺陷，但蘋(píng)果的早期機(jī)械損傷、深度顏色的缺陷果以及水果表面斑所造成的干擾卻很難識(shí)別[4]。這些方法的局限性就在于蘋(píng)果缺陷特征必須非常的明顯，因此尋求一種能夠減少水果表面其他因素的干擾，準(zhǔn)確識(shí)別水果缺陷特征的方法就具有非常現(xiàn)實(shí)的意義。主動(dòng)紅外熱成像技術(shù)具有高靈敏度、非接觸式、實(shí)時(shí)與快速的檢測(cè)特性。由于水果缺陷部位與正常部位的熱傳導(dǎo)率不同，在熱激勵(lì)的作用下這兩個(gè)區(qū)域表面就會(huì)出現(xiàn)溫度差異，這就為利用主動(dòng)紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)蘋(píng)果缺陷和實(shí)現(xiàn)蘋(píng)果的缺陷分類(lèi)提供了理論依據(jù)和可能。

1 檢測(cè)原理

紅外熱成像技術(shù)是利用物體因自身各部分溫度差異，其向外的紅外熱輻射存在不同，把物體不可見(jiàn)的熱輻射情況轉(zhuǎn)換為可視化熱像圖的技術(shù)[5]。自然界中，凡高于絕對(duì)溫度零度的任何物體都會(huì)不停地向外界輻射紅外電磁波。對(duì)于均勻表面，如果物體內(nèi)部溫度相同，則理論上其向外輻射的電磁波（表現(xiàn)為紅外輻射能量）就應(yīng)相同。但如果物體表面或內(nèi)部存在缺陷，則理論上其內(nèi)部溫度也會(huì)存在一定的差異，這種差異必然導(dǎo)致其表面溫度場(chǎng)也存在差異，從而向外輻射的紅外能量也會(huì)存在差異。紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)就是利用物體發(fā)射的紅外波段對(duì)物體內(nèi)的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。

圖1 物體內(nèi)部缺陷的熱傳導(dǎo)過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic diagram of thermal conduction in inner defect

物體被周期或脈沖熱源加熱后，在趨于熱平衡的過(guò)程中，其表面溫度場(chǎng)的三維變化方式既與物體材料的性質(zhì)有關(guān)，同時(shí)也與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的不均勻性有關(guān)[6]。根據(jù)熱輻射理論，物體的材料特性、幾何邊界形狀和邊界條件決定了熱波的傳播方式。不同材料表面及表面下的物理特性以及相同材料的材質(zhì)不均勻性將影響熱波的傳輸。如圖1所示，大多數(shù)情況下，材料內(nèi)部局部的缺陷將導(dǎo)致非均勻熱傳播，此時(shí)熱波將會(huì)發(fā)生散射和反射等，這種散射和反射會(huì)造成紅外輻射的差異，這種差異會(huì)在材料表面的溫度場(chǎng)變化上反映出來(lái)，這種溫度場(chǎng)變化載有材料的缺陷特征信息，利用紅外熱成像技術(shù)記錄材料表面的溫度圖像，即可以達(dá)到檢測(cè)和探傷目的[6-9]。

由此可見(jiàn)，通過(guò)熱像儀接收來(lái)自物體的輻射，從而測(cè)定物體表面的溫度場(chǎng)分布，然后根據(jù)溫度場(chǎng)的異常分布情況可以識(shí)別物體內(nèi)是否存在缺陷。

2 材料與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

如圖2所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置包括1臺(tái)紅外熱像儀，2個(gè)250 W的紅外燈。紅外熱像儀為加拿大加創(chuàng)公司生產(chǎn)的IR970型，視場(chǎng)角20.4°×15.4°，波長(zhǎng)范圍8～14 μm，在30℃時(shí)熱靈敏度為0.1℃，空間分辨率為1.1 mrad。為保證蘋(píng)果受熱的均勻性，2個(gè)紅外燈對(duì)稱(chēng)放置，互成90°分布，離蘋(píng)果表面為0.8 m，紅外熱像儀的鏡頭離蘋(píng)果表面為1 m。為防止外界環(huán)境的熱噪聲干擾，將采集箱內(nèi)壁涂黑以降低熱反射，采集箱開(kāi)有采集口以方便紅外輻射、主動(dòng)熱激勵(lì)及紅外熱像儀采集信息。

圖2 水果缺陷紅外熱成像檢測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of thermography detecting system of fruit defect

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用人工模擬的方法，將購(gòu)買(mǎi)回來(lái)的蘋(píng)果置于室內(nèi)26℃，85%濕度24 h，將蘋(píng)果從0.5 m高投到光滑的混凝土地面上形成早期的機(jī)械損傷。在蘋(píng)果表面用直徑為2 mm的鐵絲制造出深度為1 cm，直徑為2 mm的孔洞。用鑰匙在蘋(píng)果表面輕劃模仿蘋(píng)果擦傷的情況，然后放置于溫度為3℃的環(huán)境中24 h，瘀傷發(fā)展。腐爛的蘋(píng)果則由瘀傷發(fā)展到較長(zhǎng)時(shí)間后形成。

在70%濕度，26℃的環(huán)境中，用紅外燈加熱60 s。停止加熱，利用紅外熱像儀記錄缺陷處的熱圖像，實(shí)驗(yàn)采集圖像的速度為每30 s采集一張。

3 結(jié)果分析

如圖3所示，從采集到的紅外圖像看，有缺陷的蘋(píng)果部位與無(wú)缺陷部位的熱傳導(dǎo)系數(shù)不同，從而導(dǎo)致這兩個(gè)地方的溫度有差異。首先利用溫度曲線來(lái)判斷蘋(píng)果是否有缺陷，有缺陷的地方溫度比無(wú)缺陷地方的溫度低，所以曲線存在下降。蘋(píng)果由于其特殊的構(gòu)造，在果梗和花萼地方也存在于類(lèi)似的情況，可能造成誤判，因此需要加以單獨(dú)判斷。

圖3 蘋(píng)果損傷水平輪廓溫度曲線分布圖Fig.3 Distribution of temperature of horizontal contour of damage in apple

蘋(píng)果果梗與花萼和蘋(píng)果其他部位的材料不同，導(dǎo)熱系數(shù)也就不同，所以在熱像圖中，果梗、花萼的溫度要比果體低很多，在圖4中可以看到直線從果體到“暈環(huán)”處，溫度是一個(gè)下降的過(guò)程，而再往右時(shí)，溫度出現(xiàn)了急劇下降，再往右溫度曲線與左邊大致上是對(duì)稱(chēng)的。而缺陷部位的溫度曲線沒(méi)有像果梗和花萼部位的溫度有一個(gè)二次下降的過(guò)程。由此，我們可以在熱像圖中配合溫度曲線就可以分辨出缺陷的所在位置。

圖4 蘋(píng)果的水平輪廓溫度曲線分布圖Fig.4 Distribution of temperature of horizontal contour of pedicle in apple

蟲(chóng)孔一般比較小，在加熱的情況下，由于孔洞里是空氣與果體的熱傳導(dǎo)率有很大的差別。雖然在果體上蟲(chóng)孔的溫度曲線和果梗與花萼的差不多，但由于空氣的熱傳導(dǎo)率為0.024 W·（m·k）-1，而蘋(píng)果組織的熱傳導(dǎo)率為0.55 W·（m·k）-1。因此可以從溫差方面來(lái)識(shí)別蟲(chóng)孔，如圖5所示，可以看出溫差大概在0～2℃范圍內(nèi)。

擦傷與撞傷、腐爛的區(qū)別就是擦傷的圖像一般都是長(zhǎng)而細(xì)，而撞傷、腐爛所呈現(xiàn)的往往是圓形或者是橢圓形，而且面積比擦傷的要大很多，在圖像處理中很難辨別，只能看出缺陷的輪廓，不能辨別是那種缺陷。所以在這里可以利用缺陷處材料的導(dǎo)熱系數(shù)不同，在升溫和降溫的過(guò)程中，不同的材料升溫和降溫的幅度肯定是不一樣的，所以可以利用材料的升溫降溫曲線來(lái)定性的描述所對(duì)應(yīng)的缺陷。在降溫過(guò)程中，因?yàn)樘O(píng)果的含水量是很高的，從而在降溫過(guò)程中溫度下降的幅度與材料的含水量有很大的關(guān)系，也和蘋(píng)果的表皮厚度有很大的關(guān)系，蘋(píng)果的表皮就相當(dāng)于一層保護(hù)膜，所以綜合兩方面的因素。

圖5 蘋(píng)果蟲(chóng)孔水平輪廓溫度曲線分布圖Fig.5 Distribution of temperature of horizontal contour of wormhole in apple

由圖6可以看出，對(duì)于不同的缺陷所對(duì)應(yīng)的降溫曲線是不同的。首先，無(wú)缺陷的蘋(píng)果表面的在受熱的過(guò)程中溫度相比于缺陷處是最高的，而且在剛開(kāi)始降溫過(guò)程中，溫度下降地很快，這是由于當(dāng)撤掉熱源時(shí)，蘋(píng)果表面溫度和室溫的相差是最大的，所以冷卻地比較快，而當(dāng)表面溫度和室溫差別縮小時(shí)，降溫的幅度減緩。其次，對(duì)于撞傷、擦傷、腐爛缺陷處在撤出熱源后，溫度都低于無(wú)缺陷的地方，由曲線的下降趨勢(shì)來(lái)看，溫度下降的快慢是腐爛處下降速率是最快的，其次是擦傷處，最慢的是撞傷處。

圖6 不同缺陷溫度下降曲線圖Fig.6 Descending curve of temperature of different defects

4 結(jié)論

利用紅外熱成像技術(shù)對(duì)蘋(píng)果不同缺陷種類(lèi)的研究，發(fā)現(xiàn)有缺陷部位所對(duì)應(yīng)表面的溫度與果體的溫度有著明顯的差別?？梢酝ㄟ^(guò)熱像圖和溫度曲線判別出果梗、花萼與缺陷。從各種缺陷不同的特征來(lái)判別出不同種類(lèi)的缺陷。蟲(chóng)孔處的溫度與空氣的溫度差別最小，利用溫差范圍就可以來(lái)判斷。

紅外熱成像技術(shù)的原理就是利用不同材料在熱激勵(lì)的作用下由于材料的導(dǎo)熱系數(shù)不同而導(dǎo)致所對(duì)應(yīng)的溫度不同，所以在判斷表面所形成的缺陷輪廓差不多的情況下，可以利用溫度曲線定性判斷缺陷的類(lèi)型。

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