一种自动参比的果蔬光谱在线检测装备

本发明涉及一种检测装备，具体涉及一种自动参比的果蔬光谱在线检测装备，用于蜜柚、西瓜、甜瓜、南瓜等农产品的采后品质评价与智能分级，设计了自动参比模块，可实现自动参比和自动暗场的采集。

背景技术：

大尺寸果蔬农作物，如蜜柚、甜瓜、西瓜等在我国农业生产中的地位非常重要，是很多地区的重要经济作物。然而现有的大尺寸果蔬的产后处理还不够完善，难以实现大尺寸农作物分级分选，使其产品附加值低，经济效益无法最大化。光谱技术对于农产品的产后分级检测已有很多成熟的案例，但对于大尺寸果蔬而言，大尺寸厚果皮使得光衰减严重，采集到的光谱信号强度低，信噪比差。增加积分时间可以一定程度上提高信号强度，但会极大的限制检测速度。而增加光源功率，往往会造成空气参比的信号饱和现象，需要设计合理的参比系统来解决这一问题。因此，我们关注大尺寸果蔬的光谱检测关键技术，其中重点关注的是光源强度和光源排布问题，以及参比的自动化采集问题。

目前国内市场上常用的水果的光谱检测多为小型球形水果的检测分级产线。多采用单一光源或双光源，辐射强度低是的在大尺寸果蔬中不能适用。而增加辐射强度会使得光源系统更加复杂。高辐射功率会使得空气参比饱和，同时光谱采集组件，尤其是光纤准直镜温度升高，给长时间检测带来安全隐患。现有的光照模式和自动参比系统未能很好的解决这一问题。

公告号为cn106018322b的专利公开了一种能自动参比和暗场采集的水果内部品质光谱检测装置，包括光照单元、参比旋转机构、光接收单元等。可实现单一光源水平透射模式下的自动参比和暗场采集。该专利所设计的装置采用两个舵机分别带动扇形挡板和参比转动，实现参比和暗场的采集。但此装置仅适用于单一卤钨灯作为光源。当采用多光源照射半透射模式采集时，无法实现自动参比采集。

公告号为cn105911018a的专利公开了一种自动放置参比的近红外光谱水果品质在线检测系统，包括光源系统、光谱采集系统、传输系统和参比自动进给系统。其采用双光源对射的模式采集水果透射光谱，设计了由电动伸缩杆驱动的参比球，在参比采集时，电动伸缩杆推动参比球到检测位置。该专利需要在光照箱中预留足够的空间来安装参比自动进给系统，对于复杂的多光源检测线设计仍然存在不足。且该系统无法实现暗场参比的采集。

公告号为cn208420694u的专利公开了一种用于近红外光谱仪上的样品自动参比组件，采用步进电机驱动转杆使参比板转动到通孔位置，从而实现自动参比。参比薄膜采用聚苯烯薄膜。该专利可实现自动参比功能，但无法实现暗场的采集。单一参比在光源功率变化是也会出现信号饱和或过低的情况。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种自动参比的大尺寸果蔬光谱在线检测装备，尤其是用于蜜柚、西瓜、甜瓜等农产品的产后分级检测。

本发明采用的技术方案如下：

本发明包括光源系统、自动参比模块和传输系统；光源系统布置在传输系统的两侧，自动参比模块布置于传输系统上。

传输系统包括挡板、果杯、机架槽钢、机架、滚筒、传送带、减速电机和链条；两个机架槽钢平行地安装在机架上，两个机架槽钢之间固定安装有传送带支撑板，两个机架槽钢的两端之间均安装有一个滚筒，机架槽钢的其中一个滚筒上装有齿轮，位于机架槽钢的滚筒下方的机架中部安装有两个滚筒，传送带环绕布置于所有滚筒外并形成倒梯形形状，减速电机安装在齿轮同侧的机架下方，减速电机通过链条与装有齿轮的滚筒传动连接，驱动滚筒旋转带动其他滚筒运转，进而带动传送带转动；果杯上用于放置待测果蔬，果杯放置于传送带上，能随传送带一起向前实现果杯的输送，果杯经过光源系统以采集果蔬的透射光谱；

所述的光源系统包括两个光模块组和暗箱；两个光模块组对称地布置于传输系统的机架的两侧，暗箱安装于两个光模块组上，暗箱用于防止环境光的干扰；每个光模块组均包括光源模块、触发激光器、光学平板和暗箱底板；暗箱底板位于暗箱内，暗箱底板上放置光学平板和触发激光器，暗箱底板上方设有光源模块；

自动参比模块包括自动参比箱、光纤准直镜、套筒、散热片、参比调节转盘、步进电机支架、法兰和步进电机；自动参比箱固定于两个光模块组之间的机架槽钢上，步进电机通过步进电机支架固定于自动参比箱中，步进电机的输出轴竖直向上穿出步进电机支架的顶部后与法兰的底部连接，法兰的顶部与参比调节转盘的中心同轴固定连接，通过驱动步进电机来实现参比调节转盘的转动；套筒位于参比调节转盘一侧下方，套筒竖直固定在自动参比箱中，电机支架位于套筒后方，光纤准直镜的上端同轴嵌装于套筒内，光纤准直镜的下端竖直向下穿出自动参比箱底部的通孔后通过光纤连接至光谱仪，用于采集光谱数据；套筒外部嵌套安装有散热片；

参比调节转盘的上表面紧贴两个光模块组之间的传送带支撑板的底部，两个光模块组之间的传送带支撑板上开有一个圆孔作为通光孔，参比调节转盘的圆周表面上开有通光孔、第一参比孔和第二参比孔，且参比调节转盘的圆周表面上没有开孔的部分均为遮光板，通光孔为通孔不安装任何元件，第一参比孔和第二参比孔各安装有一种不同透射率的参比片，较高透射率的参比片用于光源部分开启情况下的参比采集，较低透射率的参比片用于光源全开情况下的参比采集，参比调节转盘上具有不同透光率的孔或板分别与传送带支撑板上的通光孔和光纤准直镜对准时，完成不同的信号采集。

所述的自动参比箱的两侧对称地安装有两个参比箱支架，自动参比箱通过参比箱支架固定于两个光模块组之间的机架槽钢，自动参比箱的另外两侧对称地安装两个散热风扇。一侧的散热风扇为负压，另一侧的散热风扇为正压，使散热片中形成气流进行散热。

所述的光源模块包括第一光源组件、第二光源组件、导轨滑块模组、调节手轮、l形支架、光源固定滑块和光源支架；导轨滑块模组的底部固定于光学平板上，光源支架的底部固定于导轨滑块模组的底端上，导轨滑块模组的顶部控制端固定有调节手轮，可通过调节手轮控制导轨滑块模组工作调节第一光源组件的高度；l形支架的竖直端固定于导轨滑块模组的滑动端上，l形支架在导轨滑块模组上进行上下移动，以调节第一光源组件和第二光源组件之间的距离，第二光源组件通过t形支架可调节安装角度地铰接安装在光源支架上，第一光源组件通过光源固定滑块可调节安装角度地铰接安装在l形支架上。第一光源组件顶部的两侧均布置一个t形支架，l形支架水平端的两侧均固定一个光源固定滑块，两个t形支架分别与两个光源固定滑块铰接，用于第一光源组件的固定和角度调节；第二光源组件底部的两侧均布置一个t形支架，两个t形支架分别与光源支架的两端铰接，用于第二光源组件的固定和角度调节。

所述的第一光源组件和第二光源组件均包括卤钨灯盖板、散热风扇、灯箱盖板、灯箱、l形固定板和卤钨灯；卤钨灯盖板上开有多个圆形凹槽，多个水平排布的卤钨灯的前部嵌装于卤钨灯盖板中各自的圆形凹槽中，l形固定板固定于灯箱中，第一光源组件的灯箱铰接于l形支架的水平端上，第二光源组件的灯箱铰接于光源支架上，l形固定板上开有多个圆通孔，多个卤钨灯的后部嵌装于各自的圆通孔中，卤钨灯盖板与灯箱固定连接，使得卤钨灯被卤钨灯盖板和l形固定板夹紧；灯箱盖板固定于灯箱的后侧，灯箱盖板上留有线孔，用于光源接线；灯箱的左右两侧均安装有一个散热风扇用于降温散热。

所述的暗箱顶部的中心设有暗箱散热风扇，暗箱散热风扇用于调节暗箱内温度，起到散热的作用；暗箱在沿传送方向开设入口和出口，暗箱在入口和出口均开有遮光布帘，并在底面正中间形成轴向通道；暗箱沿传送方向下游一侧的传送带上方布置有挡板，挡板在传送带的两侧对称布置。

每个光模块组均还包括配电箱，配电箱底部的四角均安装有一个蹄脚，配电箱的底部通过蹄脚布置于地面上，暗箱底板固定于配电箱和机架槽钢上。

所述机架的底部安装有若干蹄脚用于调平，机架通过蹄脚放置在地面上。

所述的信号采集包括暗场信号采集、两种透过率参比信号采集和果蔬的光谱信号采集，在进行果蔬的光谱信号采集前，先进行暗场信号采集和两种透过率参比信号采集，信号采集具体如下：

暗场信号采集：传送带支撑板上的通光孔和遮光板均对准光纤准直镜时将光纤准直镜完全遮挡，完成暗场光谱信号采集；

两种透过率参比信号采集：传送带支撑板上的通光孔和第一参比均对准光纤准直镜时完成一种透过率参比信号采集，传送带支撑板上的通光孔均和第二参比孔对准光纤准直镜时完成另外一种透过率参比信号采集；

果蔬的光谱信号采集：果杯上的果蔬经传送带运输到开有通光孔的传送带支撑板时，果蔬与通光孔和光纤准直镜对准，完成果蔬的光谱信号采集。

信号采集时，传送带支撑板上的通光孔的中心、光纤准直镜的中心、以及参比调节转盘的通光孔、遮光板、第一参比孔或第二参比孔的中心在同一竖直轴线上，通光孔为果蔬透过光谱采集状态；遮光板为暗场采集状态，暗场采集时遮光板将光纤准直镜完全遮挡；第一参比孔和第二参比孔为不同透过率参比采集状态。

所述的参比片为中性密度滤光片或不同厚度的特氟龙片，参比片的透射率根据光源实际情况进行选择和更换。

本发明具有的有益效果是：

本发明可用于农产品的内部品质检测，尤其是用于蜜柚、西瓜、甜瓜等大型果蔬农产品的光谱检测和品质分选，如对可溶性固形物、内部缺陷等的无损快速检测，实现农产品品质的产后检测和分级，本发明通过双层可调的平行光源，可实现光源功率和照射角度的调节，以适应不同尺寸果蔬的光谱检测需要；

本发明设计了自动参比模块，可实现自动参比、自动暗场的采集；针对自主的光功率选择，可根据需要更换不同透射率的参比片来实现参比的采集；多功能集成，自动化程度高。

附图说明

图1是本发明的等轴测图；

图2是主视图结构示意图；

图3是右视图结构示意图；

图4是光源系统和自动参比模块的装配示意图；

图5是光源模块的等轴侧图；

图6是光源模块部分组件的结构示意图；

图7是光源组件及局部爆炸图；

图8是自动参比模块及其局部爆炸图；

图9是参比箱结构示意图；

图10是步进电机安装结构示意图；

图11是自动参比模块俯视图；

图12为图11中a-a面的剖面图。

图中：1、光源模块；2、暗箱；3、暗箱散热风扇；4、遮光布帘；5、挡板；6、果杯；7、机架槽钢；8、机架；9、蹄脚；10、滚筒；11、传送带；12、触发激光器；13、配电箱；14、光学平板；15、自动参比模块；16、减速电机；17、链条；18、传输带支撑板；19、第一光源组件；20、导轨滑块模组；21、调节手轮；22、l形支架；23、光源固定滑块；24、光源支架；25、卤钨灯盖板；26、散热风扇；27、t形支架；28、灯箱盖板；29、灯箱；30、l形固定板；31、卤钨灯；32、自动参比箱；33、光纤准直镜；34、套筒；35、散热片；36、参比片；37、参比调节转盘；37a、通光孔；37b、遮光板；37c、第一参比孔；37d、第二参比孔；38、步进电机支架；39、参比箱支架；40、法兰；41、步进电机；42、暗箱底板；43、第二光源组件。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1和图2所示，本发明包括光源系统、自动参比模块15和传输系统；光源系统布置在传输系统的两侧，自动参比模块15布置于传输系统上。

如图1和图2所示，传输系统包括挡板5、果杯6、机架槽钢7、机架8、滚筒10、传送带11、减速电机16和链条17；两个机架槽钢7平行地安装在机架8上，两个机架槽钢7之间固定安装有传送带支撑板18，两个机架槽钢7的两端之间均安装有一个滚筒10，机架槽钢7的其中一个滚筒10上装有齿轮，位于机架槽钢7的滚筒10下方的机架8中部安装有两个滚筒10，传送带11环绕布置于所有滚筒10外并形成倒梯形形状，减速电机16安装在齿轮同侧的机架8下方，减速电机16通过链条17与装有齿轮的滚筒10传动连接，驱动滚筒旋转带动其他三个滚筒10运转，进而带动传送带11转动；果杯6上用于放置待测果蔬，果杯6放置于传送带11上，能随传送带11一起向前实现果杯6的输送，果杯6经过光源系统以采集果蔬的透射光谱。

如图2-图4所示，光源系统包括两个光模块组和暗箱2；两个光模块组对称地布置于传输系统的机架8的两侧，暗箱2安装于两个光模块组上，暗箱2用于防止环境光的干扰；每个光模块组均包括光源模块1、触发激光器12、光学平板14和暗箱底板42；暗箱底板42位于暗箱2内，暗箱底板42上放置光学平板14和触发激光器12，暗箱底板42上方设有光源模块1；触发激光器12分为发射端和接收端，其中心轴线对齐，固定在光学平板14上，用于果杯6通过时激发光谱采集触发信号。

如图8-图10所示，自动参比模块15集合了自动参比和光谱采集功能，自动参比模块15包括自动参比箱32、光纤准直镜33、套筒34、散热片35、参比调节转盘37、步进电机支架38、法兰40和步进电机41；自动参比箱32固定于两个光模块组之间的机架槽钢7上，步进电机41通过步进电机支架38固定于自动参比箱32中，步进电机41的输出轴竖直向上穿出步进电机支架38的顶部后与法兰40的底部连接，法兰40的顶部与参比调节转盘37的中心同轴固定连接，通过驱动步进电机41来实现参比调节转盘37的转动；套筒34位于参比调节转盘37一侧下方，套筒34竖直固定在自动参比箱32中，电机支架38位于套筒34后方，光纤准直镜33的上端同轴嵌装于套筒34内，光纤准直镜33的下端竖直向下穿出自动参比箱32底部的通孔后通过光纤连接至光谱仪，用于采集光谱数据；套筒34外部嵌套安装有散热片35；具体实施中，通过法兰40带都参比调节转盘37转动，实现参比、暗场和光谱信号的采集。光纤准直镜33由光纤连接至光谱仪，采集并记录参比和透射光谱信息。

如图4和图11所示，参比调节转盘37的上表面紧贴两个光模块组之间的传送带支撑板18的底部，两个光模块组之间的传送带支撑板18上开有一个圆孔作为通光孔，其与光纤准直镜33同心且直径相同，光源模块1的光照向通光孔。传送带支撑板18需强度高，散热量好的材料制成。参比调节转盘37的圆周表面上开有通光孔37a、第一参比孔37c和第二参比孔37d，且参比调节转盘37的圆周表面上没有开孔的部分均为遮光板37b，通光孔37a为通孔不安装任何元件，第一参比孔37c和第二参比孔37d各安装有一种不同透射率的参比片36，较高透射率的参比片用于光源部分开启情况下的参比采集，较低透射率的参比片用于光源全开情况下的参比采集，参比调节转盘37上具有不同透光率的孔或板分别与传送带支撑板18上的通光孔和光纤准直镜33对准时，完成不同的信号采集。

如图8所示，自动参比箱32的两侧对称地安装有两个参比箱支架39，自动参比箱32通过参比箱支架39固定于两个光模块组之间的机架槽钢7，自动参比箱32的另外两侧对称地安装两个散热风扇26。一侧的散热风扇26为负压，另一侧的散热风扇26为正压，使散热片35中形成气流进行散热。具体实施的参比箱底部开有孔，用于安装套筒34和步进电机支架38，两侧各开设两个大孔，用于安装散热风扇26，其中一侧两个散热风扇之间留有接线孔。

如图5所示，光源模块1包括第一光源组件19、第二光源组件43、导轨滑块模组20、调节手轮21、l形支架22、光源固定滑块23和光源支架24；导轨滑块模组20的底部固定于光学平板14上，光源支架24的底部固定于导轨滑块模组20的底端上，导轨滑块模组20的顶部控制端固定有调节手轮21，可通过调节手轮21控制导轨滑块模组20工作调节第一光源组件19的高度；l形支架22的竖直端固定于导轨滑块模组20的滑动端上，l形支架22在导轨滑块模组20上进行上下移动，以调节第一光源组件19和第二光源组件43之间的距离，第二光源组件43通过t形支架27可调节安装角度地铰接安装在光源支架24上，第一光源组件19通过光源固定滑块23可调节安装角度地铰接安装在l形支架22上。第一光源组件19顶部的两侧均布置一个t形支架27，l形支架22水平端的两侧均固定一个光源固定滑块23，两个t形支架27分别与两个光源固定滑块23铰接，用于第一光源组件19的固定和角度调节；第二光源组件43底部的两侧均布置一个t形支架27，两个t形支架27分别与光源支架24的两端铰接，用于第二光源组件43的固定和角度调节。

如图6和图7所示，第一光源组件19和第二光源组件43均包括卤钨灯盖板25、散热风扇26、灯箱盖板28、灯箱29、l形固定板30和卤钨灯31；卤钨灯盖板25上开有多个圆形凹槽，多个水平排布的卤钨灯31的前部嵌装于卤钨灯盖板25中各自的圆形凹槽中，l形固定板30固定于灯箱29中，具体实施的灯箱29的前侧开有孔，l形固定板30的竖直端位于灯箱29前侧的孔中，l形固定板30的水平端固定于灯箱29底部，第一光源组件19的灯箱29铰接于l形支架22的水平端上，第二光源组件43的灯箱29铰接于光源支架24上，l形固定板30上开有多个圆通孔，多个卤钨灯31的后部嵌装于各自的圆通孔中，卤钨灯盖板25与灯箱29固定连接，使得卤钨灯31被卤钨灯盖板25和l形固定板30夹紧；灯箱盖板28固定于灯箱29的后侧，灯箱盖板28上留有线孔，用于光源接线；灯箱29的左右两侧均安装有一个散热风扇26用于降温散热。具体实施中，卤钨灯盖板25上开有六个圆形凹槽，水平排布的卤钨灯31的数量也为6个，l形固定板30上开有六个圆通孔；每个卤钨灯31均可单独控制，可根据检测需求选择相应的卤钨灯数量和照射模式。

如图3所示，光谱采集模式为透射或半透射模式，光源模块1包括第一光源组件19和第二光源组件43，第一光源组件19和第二光源组件43的照射角度分别可调，使光照向自动参比模块15。

如图1所示，暗箱2顶部的中心设有暗箱散热风扇3，暗箱散热风扇3用于调节暗箱内温度，起到散热的作用；暗箱2在沿传送方向开设入口和出口，暗箱2在入口和出口均开有遮光布帘4，并在底面正中间形成轴向通道；暗箱2沿传送方向下游一侧的传送带11上方布置有挡板5，挡板5在传送带11的两侧对称布置。果杯6在传动带11上移动过程中通过挡板5进行位置校正，使其通过光源模块1时，果杯通光孔与光纤准直镜轴线在传输方向上共线。

每个光模块组均还包括配电箱13，配电箱13底部的四角均安装有一个蹄脚9，配电箱13的底部通过蹄脚9布置于地面上，暗箱底板42固定于配电箱13和机架槽钢7上，配电箱13用于电源器件的布置和接线。

信号采集包括暗场信号采集、两种透过率参比信号采集和果蔬的光谱信号采集，在进行果蔬的光谱信号采集前，先进行暗场信号采集和两种透过率参比信号采集，信号采集具体如下：

暗场信号采集：传送带支撑板18上的通光孔和遮光板37b均对准光纤准直镜33时将光纤准直镜33完全遮挡，完成暗场光谱信号采集；

两种透过率参比信号采集：传送带支撑板18上的通光孔和第一参比37c均对准光纤准直镜33时完成一种透过率参比信号采集，传送带支撑板18上的通光孔均和第二参比孔37d对准光纤准直镜33时完成另外一种透过率参比信号采集；第一参比孔37c和第二参比孔37d为不同透过率参比采集状态。参比片36为中性密度滤光片或不同厚度的特氟龙片，参比片36的透射率根据光源实际情况进行选择和更换。

果蔬的光谱信号采集：果杯6上的果蔬经传送带运输到开有通光孔的传送带支撑板18时，果蔬与通光孔37a和光纤准直镜33对准，完成果蔬的光谱信号采集。

图12为图11中a-a面的剖面图，如图中所示，光纤准直镜33一端卡在自动参比箱32的孔中，由套筒34嵌套并固定，套筒34外层嵌套散热片35，用于光纤准直透镜33的散热降温。步进电机41固定在步进电机支架上，驱动轴由法兰40连接参比调节转盘37。自动参比箱32的两侧安装有散热风扇26。参比调节转盘37位于光纤准直镜33和传送带支撑板18的狭缝中，此类设计为减少光信号损失和环境光的干扰。

在本发明实施例中，采用上述的一种自动参比的大尺寸果蔬光谱在线检测装备对蜜柚进行检测，其主要包括以下步骤：

步骤1、确定光源工作功率、卤钨灯数量与分布，调节光照距离、高度和照射角度，根据光源功率在参比调节转盘37上安装适用的中性密度参比片，用于参比光谱的采集；

步骤2、启动减速电机16，使其带动传送带11运转，调节传送带11速度，使其符合检测需求；

步骤3、开启暗箱散热风扇3、光源和自动参比模块的散热风扇26，然后逐一开启卤钨灯，光源预热20分钟，使光源温度和工作状态趋于稳定；

步骤4、控制自动参比模块15的步进电机41转动，使参比调节转盘37旋转至遮光板37b处，给出光谱采集指令采集并记录暗场参比光谱强度；然后控制参比调节转盘37旋转至参比孔1位37c处采集参比光谱强度，若参比孔1处无法满足要求，可尝试采集参比板2处的参比光谱信息。

步骤5、调节参比调节转盘37旋转至通光孔37a处，此时光纤准直镜33无任何遮挡。随后开启工作状态，将样本逐一放置在果杯6上，使果杯6经过光源模块1，果杯6通过时会遮挡激光触发器12的激光并产生触发信号，光信号通过光纤准直镜33和光纤由光谱仪采集并记录。将此光谱信息传输到计算机内置的分析检测软件，根据前期大批量实验获得的模型，预测获得蜜柚内部品质(糖度、酸度、病害等)信息。

步骤6、蜜柚样本逐一检测，待检测结束后，先关闭光源，待各组件降温后，关闭所有电源，结束检测工作。

以蜜柚为例的具体实施中，光源组件开启中间4盏卤钨灯，双层光源照射，共开设16盏卤钨灯，下层光源照射角度与水平面夹角约10°(锐角)，上层光源与水平面夹角约36°(锐角)，传送带速度1m/s，光谱采集的积分时间100ms；

启动减速电机16，调节传送带11速度为1m/s，开启所有散热风扇26，逐一开启光源，光源预热20分钟，使环境温度趋于稳定。调节参比调节转盘37至遮光板位37b，采集暗场参比，再调节参比调节转盘37至参比孔1位37c，采集参比光谱。将参比调节转盘37调整至通光孔位37a后开始光谱采集。依次将蜜柚放置在果杯6上，使其通过光源模块1采集其透射光谱信息并记录。待所有蜜柚均检测完毕后，关闭光源，继续运行传送带16和散热风扇26，等装备稳定趋于常温后，关闭传送带16和散热风扇26。

本发明采用双层平行排布的光源模块来增加大尺寸果蔬检测时所有的光功率，采用果杯的传输形式采集样本的透射光谱，为农产品光谱品质检测和分级装备。

本发明利用参比调节盘转动的形式，采用参比片对光谱的参比进行采集，解决了大功率光照时的参比饱和问题，结构紧凑。配备了暗箱散热、光源散热和参比组件散热器，有效降低工作温度，可实现稳定的在线检测应用。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。