一种果蔬干燥实时形貌监测装置及方法与流程

技术领域：

本发明涉及果蔬干燥加工及品质在线无损检测领域，具体涉及一种果蔬干燥实时形貌监测装置及方法。

背景技术：
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干制果蔬作为一种果蔬深加工产品日益成为现代生活中代表性的方便营养食品。新鲜果蔬通过不同的脱水方式(热风干燥、真空冷冻干燥、真空微波干燥、膨化干燥等)实现水分脱除，体积减小，降低与水分活度相关的微生物活动及不良反应，实现保质期延长，提高附加值。热风干燥是商业应用最广泛的果蔬脱水方式，其设备、操作相对简单，处理量大。经热风干燥的果蔬结构、颜色、形貌和营养品质均会发生变化。

果蔬等农产品含水率高达80％～97％，干燥前后重量变化巨大，极易发生收缩变形。收缩引起的尺寸变化是改变最明显的品质指标，影响产品卖相和吸引力。此外，不断减小的果蔬面积还会改变传热传质效率，影响干燥过程。伴随着干燥中的尺寸减小还会出现果蔬表面开裂、凹陷、表面硬化等复杂现象。因此，形貌变化的定量研究一直是果蔬干燥研究领域的难点。果蔬物料本身的复杂结构以及相关理化特性仍未完全明确，通过理论计算方法研究收缩十分困难。传统方法研究收缩或形貌局限于体积的测定，对整个干燥过程中产品表面积的变化过程没有深入研究。另外，许多研究都需要将样品间歇地从干燥室中取出再进行测量，操作十分繁复。目前，通过非传统的图像技术分析产品形貌逐渐成为一种实用有效的外观分析方法。专利号cn108051333a公开了一种利用顶置双相机重构果蔬三维立体结构、确定收缩特性的装置。该发明专利虽然能够实现较完整的线上三维形态监测，但实施、校正过程较为复杂，不利于实际应用中快速定量果蔬的收缩过程。

因此，建立一种快速、有效、实用的果蔬形貌监测装置及方法对指导干燥工艺优化、提高产品品质具有重要意义，且监控设备和测量方法要相对简单，易于实际生产实施。

技术实现要素：
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针对现有技术的缺乏和不足，本发明提供一种果蔬干燥实时形貌监测装置及方法，能够实现连续的、非侵入性的果蔬收缩形貌的定量监测，设备简单，易于实际使用，尺寸定量过程简单快速，测得的形貌收缩显著提高果蔬干燥动力学模拟精度。

本发明通过以下技术手段实现上述技术目的。

一种果蔬干燥实时形貌监测装置，包括热风干燥系统、实时称重系统、形貌捕捉系统、控制单元及计算机；

所述热风干燥系统包括干燥室，该干燥室的一端设有进风口连接供热设备，另一端设有出风口，所述进风口处设置有金属格栅，所述干燥室相对的两侧壁面上设有可视观察口；

所述实时称重系包括电子天平，支撑平台及物料托盘，所述支撑平台通过四个支撑柱对称焊接在干燥室上方，所述电子天平置于支撑平台内，通过金属挂钩穿过支撑平台及干燥室连接位于干燥室内的物料托盘，所述物料托盘处于自然垂直状态；

所述形貌捕捉系统包括外置相机，所述相机正对干燥室一侧的可视观察口，使物料托盘上的果蔬样品位于拍摄画面中心；

所述热风干燥系统和实时称重系统与控制单元连接，控制单元接收干燥室内的温度数据以及果蔬样品的实时重量数据，并实时反馈给计算机，计算机根据相机拍摄干燥图像，并利用图片处理软件分析拍摄的产品尺寸结构。

优选的，所述金属格栅表面矩阵分布有多个圆孔，所述圆孔孔径为4mm，孔间隔为3mm。

优选的，所述相机正对的可视观察口为开合结构，另一侧的可视观察口为固定结构。

优选的，开合结构的可视观察口的玻璃表面设有防雾层。

优选的，固定结构的可视窗口外部固定有led光源，照射干燥室内部。

优选的，所述led光源为白色亮光。

优选的，所述支撑平台为封闭金属平台。

一种果蔬干燥过程收缩形貌尺寸的监测方法，包括以下步骤：

g、准备待干燥的新鲜果蔬产品，预先处理成规则形状的果蔬样品；

h、将处理好的果蔬样品放置到物料托盘上，调整相机摆放位置和画面放大倍数，使产品清晰居于画面中心；

i、待干燥开始后，立即启动相机摄像模式，开始记录果蔬脱水收缩过程；

j、在干燥一定时间后，停止热风干燥系统工作，拷贝相机记录的收缩过程在计算机中打开，截取任意时刻的果蔬形貌画面；

k、打开图像分析软件，依据预先处理得到的初始状态果蔬尺寸和图片像素，设定参数，根据同一拍摄过程中固定的画面大小，以及后续不同时刻样品形貌尺寸所占像素大小，依次分析各时刻下画面中的果蔬收缩尺寸；

l、将上述步骤得到的果蔬收缩尺寸与称重装置记录的水分数据或干燥时间进行关联，得到该干燥条件下的果蔬尺寸定量数据，实现对果蔬干燥实时形貌进行监测。

优选的，所述步骤a中规则形状为立方体、球形、半球形、矩形或圆片。

有益效果：本发明所揭示的一种果蔬干燥实时形貌检测装置及方法，具有如下有益效果：

利用外置的形貌捕捉装置和计算机软件处理获取果蔬干燥过程中产品的形貌尺寸变化，能够实现连续、快速、灵活、非侵入性地读取收缩面积及分析不同果蔬干燥中收缩特性等品质，克服了传统定量收缩方法中需要间隔取出产品，再用刻度设备进行测量和读数，需要接触物料，破坏干燥环境及操作繁复等诸多问题；

可以广泛用于对高度对称的果蔬原料进行收缩分析，由捕捉画面可以间接得到整个形状的收缩特效；

创造性地使用图像处理软件进行尺寸分析，简单快捷，适宜在实际生产中利用其进行定量分析；

分析得到的经验性果蔬收缩数据可以用于干燥动力学的模拟研究，可以反映干燥中产品变化细节，提高拟合精度，有利于准确描述果蔬热量质量交换实际过程。

附图说明

图1为本发明所述一种果蔬干燥实时形貌监测装置示意图；

图2为本发明应用imagej软件分析胡萝卜样品形貌尺寸示意图；

图3为本发明捕捉的胡萝卜样品的收缩形貌；

图4为本发明得到的胡萝卜样品收缩尺寸与对应含水量的关系；

图5为本发明得到的胡萝卜收缩面积模拟出的干燥动力学过程。

图中：1-干燥室，2-进风口，3-出风口，4-金属栅格，5-圆孔，6-可视观察口，7-相机，8-led光源，9-支架，10-果蔬样品，11-电子天平，12-支撑平台，13-物料托盘，14-支撑柱，15-金属挂钩。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合附图以及实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对发明权利要求的限制。

本发明所述的一种果蔬干燥实时形貌监测装置包括形貌捕捉系统、热风干燥系统、在线称重系统、控制单元和计算机，控制单元实时获取干燥室内的温度，并随时进行调整，在线称重系统实时称量果蔬样品的重量，传输给控制单元，形貌捕捉系统录制果蔬样品干燥过程的形貌变化，控制单元将获取的重量以及控制的干燥参数上传计算机，计算机再结合形貌捕捉系统获取的形貌图片进行分析，得到相关的定量数据，为后续干燥工艺优化提供理论数据及监测依据。

具体如图1所示，所述热风干燥系统包括干燥室1，所述干燥室的一端设有与供热设备连接的进风口2，另一端设有供干燥介质流通的出风口3，在进风口处设置了金属格栅4，该金属栅格表面矩阵分布有多个孔径为4mm的圆孔5，所述圆孔的孔间隔为3mm，矩阵分布的圆孔使得干燥介质可以水平均匀的进入干燥室，不会在干燥室内部产生紊乱的气流冲击，所述干燥室相对的两侧壁面上开设有可视观察口6，其中一个可视观察口为开合结构，另一个为固定结构，所述开合机构的可视观察口的玻璃上具有防雾层，可以防止玻璃表面起雾从而影响形貌拍摄。

所述形貌捕捉系统包括外置的相机7(hdr-cx405，sony，japan)和led光源8，该相机通过支架9固定安装，且相机的拍摄头正对开合机构的可视观察口，调整相机画面的放大倍数至合适值，使拍摄的果蔬样品10位于画面中心，led光源安装在固定结构的可视观察口外侧，该led光源发出固定亮度的白光，且调整led光源照射角度，使干燥室明亮，便于相机清楚拍摄。

所述在线称重系统位于干燥室正上方，包括电子天平11，支撑平台12及物料托盘13，所述支撑平台为封闭金属平台，通过四个支撑柱14对称焊接在干燥室上方，所述电子天平置于支撑平台内，由于支撑平台为封闭结构，可以防止外界气流干扰电子天平的精度，所述物料托盘置于干燥室内，该物料托盘采用食品级不锈钢材料制成，且托盘表面磨砂处理，防止光照产生反光，在干燥室顶部与对应位置的支撑平台底部各打一小孔，电子天平通过金属挂钩15自由穿过小孔连接位于干燥室内的物料托盘，调整天平位置，使得物料托盘处于自然垂直状态，保证重量测量正确。

所述热风干燥系统和实时称重系统与控制单元连接，控制单元接收干燥室内的温度数据以及果蔬样品实时重量数据，并实时反馈给计算机，同时计算机可以实时调整、改变干燥室的干燥条件，计算机根据相机拍摄的干燥图像，利用图片处理软件分析拍摄的产品尺寸结构。

一种果蔬干燥实时形貌监测方法，具体包括如下步骤：

a、选用新鲜胡萝卜物料预切为边长1cm的立方体胡萝卜小块，设定热风干燥温度为55℃，相机设置为摄像模式：

b、将胡萝卜小块放置于干燥室物料托盘中央，调整胡萝卜块摆放位置，使其一面完全正对可视观察口，同时相机也摆放至合适拍摄位置，使得胡萝卜块位于画面中心；

c、准备工作完成后，通过计算机控制干燥装置进行预定的55℃干燥，同时启动相机进行录像；

d、干燥运行6小时后，停止热风干燥系统工作，将相机记录的干燥过程拷贝至计算机；

e、从录像中，每20分钟截取一张样品干燥图片，用photoshop软件进行适当处理，使样品形貌清晰，再用imagej软件首先打开新鲜胡萝卜块的图片，选取直线工具，准确对应胡萝卜边长长度，然后在“analyze”选项中选取“setscale”功能，在“knowndistance”框中输入立方体胡萝卜的初始边长值1，在“unitoflength”框中输入单位cm。此时，图片像素点距离则与果蔬形貌已知尺寸对应，再勾选“global”，应用于后续所有胡萝卜块的图片分析，如图2所示；

f、打开后续每20分钟选取的一张样品图片，分别用直线工具，准确对应胡萝卜块的边长，在“setscale”功能中就可以读出此状态下的胡萝卜边长数据，实现了连续、非侵入性、无需终止干燥过程的果蔬尺寸测量(如图3所示)，可以根据公式a＝6l²估算胡萝卜块的表面积；

g、分析胡萝卜整个干燥过程的收缩面积后，可以结合计算机实时记录的重量数据，进行果蔬表面积与含水量关联(如图4所示)，得到该干燥条件下果蔬尺寸收缩的定量数据，后续用于胡萝卜干燥动力学过程的模拟(如图5所示)，实现对果蔬干燥实时形貌的监测。

本发明可以用于确定果蔬干燥过程中果蔬面积的收缩动力学过程，提高对果蔬产品形貌变化的认识，良好的模拟结果证明本发明所述尺寸监测方法的有效性。

以上是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于发明技术方案的范围内。