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    水果糖酸度品質(zhì)實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

    2014-11-22 03:57:30陸輝山張林
    江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年10期
    關(guān)鍵詞:水果糖酸度預(yù)處理

    陸輝山++張林

    摘要:采用近紅外光譜分析技術(shù)對(duì)水果糖酸度檢測(cè)裝置進(jìn)行研究,主要設(shè)計(jì)了水果傳輸模塊、光照模塊、光譜采集模塊和數(shù)據(jù)分析處理模塊,再以福建早桔作為試驗(yàn)樣本對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明,采用近紅外漫反射光譜分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水果糖酸度的實(shí)時(shí)檢測(cè)是可行的,且采用多元散色校正(MSC)的光譜預(yù)處理方法對(duì)水果漫反射光譜進(jìn)行預(yù)處理后建立的模型最優(yōu),模型具有良好的預(yù)測(cè)精度和預(yù)測(cè)穩(wěn)定性。

    關(guān)鍵詞:水果;糖酸度;實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置;近紅外;漫反射;多元散色校正;精度;穩(wěn)定性

    中圖分類(lèi)號(hào): TP274+.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號(hào):1002-1302(2014)10-0289-03

    收稿日期:2013-12-26

    基金項(xiàng)目:國(guó)家自然基金(編號(hào):41201294);山西省自然科學(xué)基金(編號(hào):2009021019-3、2013011026-2)。

    作者簡(jiǎn)介:陸輝山(1975—),男,山西應(yīng)縣人,博士,副教授,主要從事無(wú)損檢測(cè)技術(shù)與裝置研究。E-mail:759013520@qq.com。水果因含有人體所需的多種礦物質(zhì)、維生素等營(yíng)養(yǎng)成分而被人們作為不可或缺的日常食用品,隨著生活水平的提高,人們對(duì)食用水果的甜度好口感也有了更高的要求。傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且還會(huì)對(duì)水果造成傷害。近年來(lái),近紅外光譜檢測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展使得采用近紅外光譜分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水果糖濃度的快速、無(wú)損檢測(cè)成為可能。近紅外光譜檢測(cè)技術(shù)具有快速簡(jiǎn)便、無(wú)損、準(zhǔn)確等特點(diǎn),已在農(nóng)業(yè)和食品行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1]。國(guó)內(nèi)外研究人員利用近紅外(NIR)分析技術(shù)對(duì)水果內(nèi)部品質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)已取得了重大成績(jī),Kawano選用680~1 235 nm光譜范圍近紅外光譜,采用透射的方法對(duì)柑橘的糖濃度進(jìn)行了檢測(cè)分析[2];Slaughter采用近紅外光譜分析技術(shù)對(duì)油桃內(nèi)可溶性固形物含量、糖度和葉綠素A含量等指標(biāo)進(jìn)行了定量研究[3];McGlone研究了不同的近紅外檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的蘋(píng)果內(nèi)部糖濃度檢測(cè)的影響[4]。在國(guó)內(nèi),近紅外光譜分析技術(shù)在農(nóng)副產(chǎn)品中的研究雖然起步比較晚,但也已取得了相當(dāng)多的成就。孫通等采用近紅外光譜結(jié)合可見(jiàn)光對(duì)南豐蜜桔的可溶性固形物含量的影響進(jìn)行了研究[5];劉燕德等利用近紅外漫反射技術(shù)對(duì)蘋(píng)果糖濃度的影響進(jìn)行了定量研究[6];董小玲等采用近紅外漫反射技術(shù)結(jié)合小波壓縮技術(shù)對(duì)馬鈴薯淀粉含量的影響進(jìn)行了深入研究[7];高海龍等利用近紅外漫反射光譜實(shí)現(xiàn)了對(duì)鮮棗品種的鑒別和對(duì)劣棗的剔除工作[8]。前人通過(guò)大量的試驗(yàn)證明,采用近紅外漫反射技術(shù)間接實(shí)現(xiàn)對(duì)水果糖濃度和酸度的檢測(cè)是可行的,在這方面積累了大量的經(jīng)驗(yàn),然而大多數(shù)研究?jī)H僅停留在試驗(yàn)層次,還沒(méi)有一套完整的水果糖酸度實(shí)時(shí)檢測(cè)的設(shè)計(jì)研究方案。因此,本試驗(yàn)在前人理論研究的基礎(chǔ)上探索性地設(shè)計(jì)了一個(gè)水果糖酸濃度實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置。

    1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    為了實(shí)現(xiàn)水果糖度和酸度內(nèi)部品質(zhì)的檢測(cè),根據(jù)近紅外在線(xiàn)檢測(cè)的設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)了基于試驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng),為在線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)試驗(yàn)提供了良好的硬件支持。

    1.1整體設(shè)計(jì)

    為建立一種基于近紅外光譜分析的水果內(nèi)部品質(zhì)(糖度和酸度)在線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng),使該裝置可以實(shí)現(xiàn)水果在一定范圍內(nèi)的傳輸、水果定位、光譜采集、定量/定性分析等功能。因此,該系統(tǒng)主要包括傳輸單元、控制單元、光譜采集單元和數(shù)據(jù)處理單元等部分(圖1)。傳輸單元包括托盤(pán)、軌道、輸送小車(chē)等部分,輸送小車(chē)帶動(dòng)裝有水果的托盤(pán)在軌道上運(yùn)動(dòng),完成水果傳輸?shù)娜蝿?wù),輸送小車(chē)的最終動(dòng)力來(lái)源于電動(dòng)機(jī),控制系統(tǒng)通過(guò)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),達(dá)到控制水果的運(yùn)輸??刂茊卧?對(duì)檢測(cè)出發(fā)裝置和用于試驗(yàn)臺(tái)上所需控制的部件通信接口構(gòu)成,負(fù)責(zé)控制小車(chē)的動(dòng)作,完成水果定位、光譜采集等工作。光譜采集單元包括采集探頭、光纖、光譜儀等部分構(gòu)成,負(fù)責(zé)完成對(duì)每個(gè)水果的光譜采集的任務(wù)。數(shù)據(jù)處理單元由特定的DSP處理器和事先建立的水果糖酸度預(yù)測(cè)算法模型組成,通過(guò)對(duì)光譜的預(yù)處理去除噪聲,然后輸入到預(yù)測(cè)模型得到水果的內(nèi)部品質(zhì)指標(biāo)。

    1.2傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)水果保持特定的姿態(tài)以一定的速度進(jìn)入光譜檢測(cè)箱中,為光譜的采集做好實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)備工作。這個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)特點(diǎn)在于保證水果的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)、托盤(pán)與水果之間的避光區(qū)、傳輸速度的調(diào)節(jié)等。具體設(shè)計(jì)如下所述。

    1.2.1軌道設(shè)計(jì)根據(jù)水果的實(shí)際大小和實(shí)現(xiàn)水果的平穩(wěn)傳輸?shù)囊?,軌道采用市?chǎng)上的型材加工而成,使用2根平行的三角鐵型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),保證2根角鐵的平行,角鐵的角為小車(chē)提供導(dǎo)向作用,保證小車(chē)的有向運(yùn)動(dòng)。

    1.2.2水果托盤(pán)和小車(chē)設(shè)計(jì)水果托盤(pán)和小車(chē)的設(shè)計(jì)主要要完成水果的運(yùn)輸和定位功能,設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    1.3光照系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    光照系統(tǒng)由光源和光照箱兩部分構(gòu)成,為水果在線(xiàn)檢測(cè)提供穩(wěn)定、可控的近紅外光源,使整個(gè)系統(tǒng)有足夠強(qiáng)的光線(xiàn)被照射到水果表面,協(xié)助光譜采集模塊完成漫反射光譜的采集

    工作。光照系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

    1.4光譜采集部分設(shè)計(jì)

    光譜采集單元包括近紅外探測(cè)器、光纖、光譜儀等部分,主要完成對(duì)水果漫反射回的近紅外光譜進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,光譜采集部分流程圖如圖4所示。本系統(tǒng)中采用的近紅外漫反射吸光度計(jì)算公式為:

    3結(jié)論

    本研究首先對(duì)水果糖酸度近紅外檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì),主要對(duì)傳輸模塊、光照模塊、光譜采集模塊和數(shù)據(jù)分析處理模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)說(shuō)明,然后采用100個(gè)福建早桔作為試驗(yàn)樣本對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果表明采用近紅外光譜漫反射技術(shù)間接實(shí)現(xiàn)對(duì)水果糖酸度的檢測(cè)是可行的,且具有較好的效果。其中,用光譜預(yù)處理后建立的水果糖酸度模型效果更佳,采用多元散色校正(MSC)的光譜預(yù)處理方法對(duì)光譜預(yù)處理后建立的模型最優(yōu)。

    參考文獻(xiàn):

    [1]王偉明,董大明,鄭文剛,等. 梨果糖濃度近紅外漫反射光譜檢測(cè)的預(yù)處理方法研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析,2013,33(2):359-362.

    [2] Kawano S. Present condition of nondestructive quality evaluation of fruits and vegetables in Japan[J]. JARQ,1992,28:212.

    [3]Slaughter D C. Nondestructive determination of internal quality in peaches and nectarines[J]. Transactions of The ASAE,1995,38(2):617-623.

    [4]McGlone V A. Transmission measurements on intact apples moving at high speed[J]. Journal of Near Infrared Spectroscopy,2004,12(1):37-43.

    [5]孫通,許文麗,胡田,等. 基于UVE-ICA和支持向量機(jī)的南豐蜜桔可溶性固形物可見(jiàn)-近紅外檢測(cè)[J]. 光譜學(xué)與光譜分析,2013,33(12):3235-3239.

    [6]劉燕德,應(yīng)義斌. 蘋(píng)果糖分含量的近紅外漫反射檢測(cè)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2004,20(1):189-192.

    [7]董小玲,孫旭東. 基于小波壓縮的馬鈴薯全粉還原糖近紅外光譜檢測(cè)研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析,2013,33(12):3216-3220.

    [8]高海龍,李小昱. 近紅外光譜鑒別鮮棗品種及裂果研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析,2013,33(12):3231-3234.

    [9]劉蘭濤,陳曉光,吳文福,等. 三波長(zhǎng)谷物蛋白質(zhì)近紅外檢測(cè)儀[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2009,39(1):93-97.

    摘要:采用近紅外光譜分析技術(shù)對(duì)水果糖酸度檢測(cè)裝置進(jìn)行研究,主要設(shè)計(jì)了水果傳輸模塊、光照模塊、光譜采集模塊和數(shù)據(jù)分析處理模塊,再以福建早桔作為試驗(yàn)樣本對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明,采用近紅外漫反射光譜分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水果糖酸度的實(shí)時(shí)檢測(cè)是可行的,且采用多元散色校正(MSC)的光譜預(yù)處理方法對(duì)水果漫反射光譜進(jìn)行預(yù)處理后建立的模型最優(yōu),模型具有良好的預(yù)測(cè)精度和預(yù)測(cè)穩(wěn)定性。

    關(guān)鍵詞:水果;糖酸度;實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置;近紅外;漫反射;多元散色校正;精度;穩(wěn)定性

    中圖分類(lèi)號(hào): TP274+.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號(hào):1002-1302(2014)10-0289-03

    收稿日期:2013-12-26

    基金項(xiàng)目:國(guó)家自然基金(編號(hào):41201294);山西省自然科學(xué)基金(編號(hào):2009021019-3、2013011026-2)。

    作者簡(jiǎn)介:陸輝山(1975—),男,山西應(yīng)縣人,博士,副教授,主要從事無(wú)損檢測(cè)技術(shù)與裝置研究。E-mail:759013520@qq.com。水果因含有人體所需的多種礦物質(zhì)、維生素等營(yíng)養(yǎng)成分而被人們作為不可或缺的日常食用品,隨著生活水平的提高,人們對(duì)食用水果的甜度好口感也有了更高的要求。傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且還會(huì)對(duì)水果造成傷害。近年來(lái),近紅外光譜檢測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展使得采用近紅外光譜分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水果糖濃度的快速、無(wú)損檢測(cè)成為可能。近紅外光譜檢測(cè)技術(shù)具有快速簡(jiǎn)便、無(wú)損、準(zhǔn)確等特點(diǎn),已在農(nóng)業(yè)和食品行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1]。國(guó)內(nèi)外研究人員利用近紅外(NIR)分析技術(shù)對(duì)水果內(nèi)部品質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)已取得了重大成績(jī),Kawano選用680~1 235 nm光譜范圍近紅外光譜,采用透射的方法對(duì)柑橘的糖濃度進(jìn)行了檢測(cè)分析[2];Slaughter采用近紅外光譜分析技術(shù)對(duì)油桃內(nèi)可溶性固形物含量、糖度和葉綠素A含量等指標(biāo)進(jìn)行了定量研究[3];McGlone研究了不同的近紅外檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的蘋(píng)果內(nèi)部糖濃度檢測(cè)的影響[4]。在國(guó)內(nèi),近紅外光譜分析技術(shù)在農(nóng)副產(chǎn)品中的研究雖然起步比較晚,但也已取得了相當(dāng)多的成就。孫通等采用近紅外光譜結(jié)合可見(jiàn)光對(duì)南豐蜜桔的可溶性固形物含量的影響進(jìn)行了研究[5];劉燕德等利用近紅外漫反射技術(shù)對(duì)蘋(píng)果糖濃度的影響進(jìn)行了定量研究[6];董小玲等采用近紅外漫反射技術(shù)結(jié)合小波壓縮技術(shù)對(duì)馬鈴薯淀粉含量的影響進(jìn)行了深入研究[7];高海龍等利用近紅外漫反射光譜實(shí)現(xiàn)了對(duì)鮮棗品種的鑒別和對(duì)劣棗的剔除工作[8]。前人通過(guò)大量的試驗(yàn)證明,采用近紅外漫反射技術(shù)間接實(shí)現(xiàn)對(duì)水果糖濃度和酸度的檢測(cè)是可行的,在這方面積累了大量的經(jīng)驗(yàn),然而大多數(shù)研究?jī)H僅停留在試驗(yàn)層次,還沒(méi)有一套完整的水果糖酸度實(shí)時(shí)檢測(cè)的設(shè)計(jì)研究方案。因此,本試驗(yàn)在前人理論研究的基礎(chǔ)上探索性地設(shè)計(jì)了一個(gè)水果糖酸濃度實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置。

    1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    為了實(shí)現(xiàn)水果糖度和酸度內(nèi)部品質(zhì)的檢測(cè),根據(jù)近紅外在線(xiàn)檢測(cè)的設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)了基于試驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng),為在線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)試驗(yàn)提供了良好的硬件支持。

    1.1整體設(shè)計(jì)

    為建立一種基于近紅外光譜分析的水果內(nèi)部品質(zhì)(糖度和酸度)在線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng),使該裝置可以實(shí)現(xiàn)水果在一定范圍內(nèi)的傳輸、水果定位、光譜采集、定量/定性分析等功能。因此,該系統(tǒng)主要包括傳輸單元、控制單元、光譜采集單元和數(shù)據(jù)處理單元等部分(圖1)。傳輸單元包括托盤(pán)、軌道、輸送小車(chē)等部分,輸送小車(chē)帶動(dòng)裝有水果的托盤(pán)在軌道上運(yùn)動(dòng),完成水果傳輸?shù)娜蝿?wù),輸送小車(chē)的最終動(dòng)力來(lái)源于電動(dòng)機(jī),控制系統(tǒng)通過(guò)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),達(dá)到控制水果的運(yùn)輸??刂茊卧?對(duì)檢測(cè)出發(fā)裝置和用于試驗(yàn)臺(tái)上所需控制的部件通信接口構(gòu)成,負(fù)責(zé)控制小車(chē)的動(dòng)作,完成水果定位、光譜采集等工作。光譜采集單元包括采集探頭、光纖、光譜儀等部分構(gòu)成,負(fù)責(zé)完成對(duì)每個(gè)水果的光譜采集的任務(wù)。數(shù)據(jù)處理單元由特定的DSP處理器和事先建立的水果糖酸度預(yù)測(cè)算法模型組成,通過(guò)對(duì)光譜的預(yù)處理去除噪聲,然后輸入到預(yù)測(cè)模型得到水果的內(nèi)部品質(zhì)指標(biāo)。

    1.2傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)水果保持特定的姿態(tài)以一定的速度進(jìn)入光譜檢測(cè)箱中,為光譜的采集做好實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)備工作。這個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)特點(diǎn)在于保證水果的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)、托盤(pán)與水果之間的避光區(qū)、傳輸速度的調(diào)節(jié)等。具體設(shè)計(jì)如下所述。

    1.2.1軌道設(shè)計(jì)根據(jù)水果的實(shí)際大小和實(shí)現(xiàn)水果的平穩(wěn)傳輸?shù)囊?,軌道采用市?chǎng)上的型材加工而成,使用2根平行的三角鐵型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),保證2根角鐵的平行,角鐵的角為小車(chē)提供導(dǎo)向作用,保證小車(chē)的有向運(yùn)動(dòng)。

    1.2.2水果托盤(pán)和小車(chē)設(shè)計(jì)水果托盤(pán)和小車(chē)的設(shè)計(jì)主要要完成水果的運(yùn)輸和定位功能,設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    1.3光照系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    光照系統(tǒng)由光源和光照箱兩部分構(gòu)成,為水果在線(xiàn)檢測(cè)提供穩(wěn)定、可控的近紅外光源,使整個(gè)系統(tǒng)有足夠強(qiáng)的光線(xiàn)被照射到水果表面,協(xié)助光譜采集模塊完成漫反射光譜的采集

    工作。光照系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

    1.4光譜采集部分設(shè)計(jì)

    光譜采集單元包括近紅外探測(cè)器、光纖、光譜儀等部分,主要完成對(duì)水果漫反射回的近紅外光譜進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,光譜采集部分流程圖如圖4所示。本系統(tǒng)中采用的近紅外漫反射吸光度計(jì)算公式為:

    3結(jié)論

    本研究首先對(duì)水果糖酸度近紅外檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì),主要對(duì)傳輸模塊、光照模塊、光譜采集模塊和數(shù)據(jù)分析處理模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)說(shuō)明,然后采用100個(gè)福建早桔作為試驗(yàn)樣本對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果表明采用近紅外光譜漫反射技術(shù)間接實(shí)現(xiàn)對(duì)水果糖酸度的檢測(cè)是可行的,且具有較好的效果。其中,用光譜預(yù)處理后建立的水果糖酸度模型效果更佳,采用多元散色校正(MSC)的光譜預(yù)處理方法對(duì)光譜預(yù)處理后建立的模型最優(yōu)。

    參考文獻(xiàn):

    [1]王偉明,董大明,鄭文剛,等. 梨果糖濃度近紅外漫反射光譜檢測(cè)的預(yù)處理方法研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析,2013,33(2):359-362.

    [2] Kawano S. Present condition of nondestructive quality evaluation of fruits and vegetables in Japan[J]. JARQ,1992,28:212.

    [3]Slaughter D C. Nondestructive determination of internal quality in peaches and nectarines[J]. Transactions of The ASAE,1995,38(2):617-623.

    [4]McGlone V A. Transmission measurements on intact apples moving at high speed[J]. Journal of Near Infrared Spectroscopy,2004,12(1):37-43.

    [5]孫通,許文麗,胡田,等. 基于UVE-ICA和支持向量機(jī)的南豐蜜桔可溶性固形物可見(jiàn)-近紅外檢測(cè)[J]. 光譜學(xué)與光譜分析,2013,33(12):3235-3239.

    [6]劉燕德,應(yīng)義斌. 蘋(píng)果糖分含量的近紅外漫反射檢測(cè)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2004,20(1):189-192.

    [7]董小玲,孫旭東. 基于小波壓縮的馬鈴薯全粉還原糖近紅外光譜檢測(cè)研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析,2013,33(12):3216-3220.

    [8]高海龍,李小昱. 近紅外光譜鑒別鮮棗品種及裂果研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析,2013,33(12):3231-3234.

    [9]劉蘭濤,陳曉光,吳文福,等. 三波長(zhǎng)谷物蛋白質(zhì)近紅外檢測(cè)儀[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2009,39(1):93-97.

    摘要:采用近紅外光譜分析技術(shù)對(duì)水果糖酸度檢測(cè)裝置進(jìn)行研究,主要設(shè)計(jì)了水果傳輸模塊、光照模塊、光譜采集模塊和數(shù)據(jù)分析處理模塊,再以福建早桔作為試驗(yàn)樣本對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明,采用近紅外漫反射光譜分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水果糖酸度的實(shí)時(shí)檢測(cè)是可行的,且采用多元散色校正(MSC)的光譜預(yù)處理方法對(duì)水果漫反射光譜進(jìn)行預(yù)處理后建立的模型最優(yōu),模型具有良好的預(yù)測(cè)精度和預(yù)測(cè)穩(wěn)定性。

    關(guān)鍵詞:水果;糖酸度;實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置;近紅外;漫反射;多元散色校正;精度;穩(wěn)定性

    中圖分類(lèi)號(hào): TP274+.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號(hào):1002-1302(2014)10-0289-03

    收稿日期:2013-12-26

    基金項(xiàng)目:國(guó)家自然基金(編號(hào):41201294);山西省自然科學(xué)基金(編號(hào):2009021019-3、2013011026-2)。

    作者簡(jiǎn)介:陸輝山(1975—),男,山西應(yīng)縣人,博士,副教授,主要從事無(wú)損檢測(cè)技術(shù)與裝置研究。E-mail:759013520@qq.com。水果因含有人體所需的多種礦物質(zhì)、維生素等營(yíng)養(yǎng)成分而被人們作為不可或缺的日常食用品,隨著生活水平的提高,人們對(duì)食用水果的甜度好口感也有了更高的要求。傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且還會(huì)對(duì)水果造成傷害。近年來(lái),近紅外光譜檢測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展使得采用近紅外光譜分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水果糖濃度的快速、無(wú)損檢測(cè)成為可能。近紅外光譜檢測(cè)技術(shù)具有快速簡(jiǎn)便、無(wú)損、準(zhǔn)確等特點(diǎn),已在農(nóng)業(yè)和食品行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1]。國(guó)內(nèi)外研究人員利用近紅外(NIR)分析技術(shù)對(duì)水果內(nèi)部品質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)已取得了重大成績(jī),Kawano選用680~1 235 nm光譜范圍近紅外光譜,采用透射的方法對(duì)柑橘的糖濃度進(jìn)行了檢測(cè)分析[2];Slaughter采用近紅外光譜分析技術(shù)對(duì)油桃內(nèi)可溶性固形物含量、糖度和葉綠素A含量等指標(biāo)進(jìn)行了定量研究[3];McGlone研究了不同的近紅外檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的蘋(píng)果內(nèi)部糖濃度檢測(cè)的影響[4]。在國(guó)內(nèi),近紅外光譜分析技術(shù)在農(nóng)副產(chǎn)品中的研究雖然起步比較晚,但也已取得了相當(dāng)多的成就。孫通等采用近紅外光譜結(jié)合可見(jiàn)光對(duì)南豐蜜桔的可溶性固形物含量的影響進(jìn)行了研究[5];劉燕德等利用近紅外漫反射技術(shù)對(duì)蘋(píng)果糖濃度的影響進(jìn)行了定量研究[6];董小玲等采用近紅外漫反射技術(shù)結(jié)合小波壓縮技術(shù)對(duì)馬鈴薯淀粉含量的影響進(jìn)行了深入研究[7];高海龍等利用近紅外漫反射光譜實(shí)現(xiàn)了對(duì)鮮棗品種的鑒別和對(duì)劣棗的剔除工作[8]。前人通過(guò)大量的試驗(yàn)證明,采用近紅外漫反射技術(shù)間接實(shí)現(xiàn)對(duì)水果糖濃度和酸度的檢測(cè)是可行的,在這方面積累了大量的經(jīng)驗(yàn),然而大多數(shù)研究?jī)H僅停留在試驗(yàn)層次,還沒(méi)有一套完整的水果糖酸度實(shí)時(shí)檢測(cè)的設(shè)計(jì)研究方案。因此,本試驗(yàn)在前人理論研究的基礎(chǔ)上探索性地設(shè)計(jì)了一個(gè)水果糖酸濃度實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置。

    1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    為了實(shí)現(xiàn)水果糖度和酸度內(nèi)部品質(zhì)的檢測(cè),根據(jù)近紅外在線(xiàn)檢測(cè)的設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)了基于試驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng),為在線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)試驗(yàn)提供了良好的硬件支持。

    1.1整體設(shè)計(jì)

    為建立一種基于近紅外光譜分析的水果內(nèi)部品質(zhì)(糖度和酸度)在線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng),使該裝置可以實(shí)現(xiàn)水果在一定范圍內(nèi)的傳輸、水果定位、光譜采集、定量/定性分析等功能。因此,該系統(tǒng)主要包括傳輸單元、控制單元、光譜采集單元和數(shù)據(jù)處理單元等部分(圖1)。傳輸單元包括托盤(pán)、軌道、輸送小車(chē)等部分,輸送小車(chē)帶動(dòng)裝有水果的托盤(pán)在軌道上運(yùn)動(dòng),完成水果傳輸?shù)娜蝿?wù),輸送小車(chē)的最終動(dòng)力來(lái)源于電動(dòng)機(jī),控制系統(tǒng)通過(guò)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),達(dá)到控制水果的運(yùn)輸。控制單元由1對(duì)檢測(cè)出發(fā)裝置和用于試驗(yàn)臺(tái)上所需控制的部件通信接口構(gòu)成,負(fù)責(zé)控制小車(chē)的動(dòng)作,完成水果定位、光譜采集等工作。光譜采集單元包括采集探頭、光纖、光譜儀等部分構(gòu)成,負(fù)責(zé)完成對(duì)每個(gè)水果的光譜采集的任務(wù)。數(shù)據(jù)處理單元由特定的DSP處理器和事先建立的水果糖酸度預(yù)測(cè)算法模型組成,通過(guò)對(duì)光譜的預(yù)處理去除噪聲,然后輸入到預(yù)測(cè)模型得到水果的內(nèi)部品質(zhì)指標(biāo)。

    1.2傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)水果保持特定的姿態(tài)以一定的速度進(jìn)入光譜檢測(cè)箱中,為光譜的采集做好實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)備工作。這個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)特點(diǎn)在于保證水果的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)、托盤(pán)與水果之間的避光區(qū)、傳輸速度的調(diào)節(jié)等。具體設(shè)計(jì)如下所述。

    1.2.1軌道設(shè)計(jì)根據(jù)水果的實(shí)際大小和實(shí)現(xiàn)水果的平穩(wěn)傳輸?shù)囊?,軌道采用市?chǎng)上的型材加工而成,使用2根平行的三角鐵型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),保證2根角鐵的平行,角鐵的角為小車(chē)提供導(dǎo)向作用,保證小車(chē)的有向運(yùn)動(dòng)。

    1.2.2水果托盤(pán)和小車(chē)設(shè)計(jì)水果托盤(pán)和小車(chē)的設(shè)計(jì)主要要完成水果的運(yùn)輸和定位功能,設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    1.3光照系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    光照系統(tǒng)由光源和光照箱兩部分構(gòu)成,為水果在線(xiàn)檢測(cè)提供穩(wěn)定、可控的近紅外光源,使整個(gè)系統(tǒng)有足夠強(qiáng)的光線(xiàn)被照射到水果表面,協(xié)助光譜采集模塊完成漫反射光譜的采集

    工作。光照系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

    1.4光譜采集部分設(shè)計(jì)

    光譜采集單元包括近紅外探測(cè)器、光纖、光譜儀等部分,主要完成對(duì)水果漫反射回的近紅外光譜進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,光譜采集部分流程圖如圖4所示。本系統(tǒng)中采用的近紅外漫反射吸光度計(jì)算公式為:

    3結(jié)論

    本研究首先對(duì)水果糖酸度近紅外檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì),主要對(duì)傳輸模塊、光照模塊、光譜采集模塊和數(shù)據(jù)分析處理模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)說(shuō)明,然后采用100個(gè)福建早桔作為試驗(yàn)樣本對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果表明采用近紅外光譜漫反射技術(shù)間接實(shí)現(xiàn)對(duì)水果糖酸度的檢測(cè)是可行的,且具有較好的效果。其中,用光譜預(yù)處理后建立的水果糖酸度模型效果更佳,采用多元散色校正(MSC)的光譜預(yù)處理方法對(duì)光譜預(yù)處理后建立的模型最優(yōu)。

    參考文獻(xiàn):

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