專利名稱：：用于水果內(nèi)部品質(zhì)無損檢測的手持式近紅外探頭及探測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種水果內(nèi)部品質(zhì)無損壞的檢測方式，特別是用于水果內(nèi)部品質(zhì)無損檢測的手持式近紅外探頭及探測方法。
背景技術(shù)：
：水果作為人類生活重要的食品資源，其品質(zhì)的優(yōu)劣對(duì)提高人民生活水平具有重要意義。隨著人們生活質(zhì)量的提高，消費(fèi)者在購買水果時(shí)除了注重大小、顏色、外觀形狀等外部品質(zhì)之外，對(duì)于內(nèi)部品質(zhì)如口感、糖酸度、和維生素含量等也是看重的指標(biāo)。隨著光譜分析技術(shù)的發(fā)展在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，以光纖傳感器為探頭的光纖光度分析儀器作為一種新型分析測試技術(shù)，以其可以屏蔽外界雜散光、減少電磁干擾、充分聚集微區(qū)信號(hào)、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，正越來越廣泛地應(yīng)用在農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)無損檢測中。目前有一種已經(jīng)商業(yè)化的漫反射光纖探頭，它是采用光纖束技術(shù)。多根光纖用于傳輸來自光源的光，照射到待測物上，多根光纖用于接收漫反射光，并傳回光譜儀。該類探頭由于采用光纖束，光能量衰減嚴(yán)重，傳輸距離不宜過長。另外一種是環(huán)形冷光源光纖探頭，在國外近紅外儀器上得到廣泛應(yīng)用，如Foss公司生產(chǎn)的Model6500和KUB0TA公司生產(chǎn)的K-BA100R。該類探頭光源內(nèi)置，透過環(huán)形溝槽發(fā)光，與樣品發(fā)生作用的光是光源發(fā)射出的連續(xù)光，穩(wěn)定性高，但是其使用受環(huán)境溫濕度限制且價(jià)格昂貴，限制了其推廣應(yīng)用。此前曾有專利CN2546846Y提出一種二維光纖傳感探頭，能實(shí)現(xiàn)反射體的一個(gè)自轉(zhuǎn)的自由度和一個(gè)唯一的自由度的二維探測。但是該發(fā)明應(yīng)用于水果檢測時(shí)也仍有不足照射到水果表面的是個(gè)很小的光斑，無法得到完整的水果成分含量信息，直接導(dǎo)致儀器不穩(wěn)定。本發(fā)明將四個(gè)不同波長的LED光源與檢測光纖集為一體，有效的解決了光能量衰減問題，結(jié)構(gòu)簡單，降低成本。既考慮光源穩(wěn)定性控制，又考慮使用中采樣的自動(dòng)控制。采用DC/DC變換器控制光源的穩(wěn)定性，采用單次脈沖發(fā)生器控制光譜采樣，通過溫濕度傳感器實(shí)時(shí)傳輸作業(yè)環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理中的溫濕度補(bǔ)償，使其可廣泛用于水果在線監(jiān)測和現(xiàn)場采樣。另外本發(fā)明通過語音系統(tǒng)和無線傳輸系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的人性化及易操作性，更加拓展了應(yīng)用空間。
發(fā)明內(nèi)容鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種用于水果內(nèi)部品質(zhì)檢測的手持式近紅外探頭。手持式近紅外探頭類似手電筒的結(jié)構(gòu)，因此絕大多數(shù)部件都設(shè)置在類似手電筒的殼體內(nèi)，大多數(shù)部件的安裝方式和安裝的部位均類似手電筒的結(jié)構(gòu)，但四個(gè)LED光源8與光纖12之間的相對(duì)位置與夾角是提高檢測效率的關(guān)鍵。采用不同波段的LED光源，有利于收集更多的信息，提高最終檢測效率。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用技術(shù)方案如下本發(fā)明是將光源與檢測光纖集為一體，利用波長分別為810nm、840nm、880nm和940nm的LED組合光源作為LED光源，呈十字排列均勻圍繞與檢測光纖周圍。在檢測光纖端部裝有聚焦鏡，使攜帶有水果內(nèi)部品質(zhì)信息的漫反射光線盡可能多的被光纖傳遞。將凸臺(tái)結(jié)構(gòu)體由螺釘固定于探頭端面，對(duì)應(yīng)的檢測光纖和LED光源位置處轉(zhuǎn)有通孔。在凸臺(tái)結(jié)構(gòu)與探頭本體接觸面上，遮光圈裝配在圍繞檢測光纖留有的溝槽內(nèi)。這種凸臺(tái)結(jié)構(gòu)和遮光圈結(jié)構(gòu)阻隔了光源和檢測光線間的直接光路，避免了水果表面的反射光和外部光線的干擾。本發(fā)明探頭光源和光纖的結(jié)構(gòu)布置實(shí)現(xiàn)了光從四周不同的方向照射在水果上，探頭中心的檢測光纖負(fù)責(zé)收集與樣品作用產(chǎn)生的光，采集的光譜基本包含了水果內(nèi)部品質(zhì)的全部信息，有力增強(qiáng)了儀器的穩(wěn)定性。本發(fā)明通過對(duì)比不同夾角放置時(shí)探頭的實(shí)驗(yàn)效果(如表1)，確定四個(gè)光源和探頭中心線成8度的夾角放置，使LED光源更充分的照射在待測水果表面。表一采用的技術(shù)參數(shù)如下四個(gè)LED光源8采用波段為810nm、840nm、880nm、940nm,四個(gè)LED光源8和聚焦鏡9中心線成8度的夾角放置。表一四個(gè)光源和探頭中心線成不同夾角時(shí)檢測效果對(duì)比<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>表二四個(gè)LED光源8和聚焦鏡9中心線成8度的夾角放置的效果<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>注r表示預(yù)測集相關(guān)系數(shù)和SEP表示預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)差如下預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)偏差(SEP)預(yù)測集樣品的近紅外預(yù)測值與參考值的標(biāo)準(zhǔn)偏差,<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>相關(guān)系數(shù)(r)用來描述近紅外測量值于參考值之間的線性相關(guān)程度,<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>yi-第i個(gè)樣品的參考值(實(shí)際測量值)i個(gè)樣品的近紅外預(yù)測值yi一是所有樣品參考值的平均值nc-建模集的樣品數(shù)量np_預(yù)測集的樣品數(shù)量n-建模集和預(yù)測集的樣品數(shù)量總和本發(fā)明的電源穩(wěn)定性控制是通過DC/DC轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)的。直流有不穩(wěn)定性，DC/DC轉(zhuǎn)換電路的主要作用是穩(wěn)壓，穩(wěn)流，控制功率，保護(hù)直流線路(LED)。本發(fā)明采用單次脈沖發(fā)生電路實(shí)現(xiàn)光譜采樣的可控性，通過開關(guān)作用，是電路中產(chǎn)生一高電平信號(hào)至光譜儀的觸發(fā)管角，完成一次采樣。電路中采用了防抖動(dòng)電路，所以輸出電平時(shí)無抖動(dòng)的，有效的防止發(fā)生光譜儀誤觸發(fā)。本發(fā)明采用數(shù)字溫濕度傳感器實(shí)時(shí)傳輸作業(yè)環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理中的溫濕度補(bǔ)償，提高儀器的環(huán)境適應(yīng)能力。本發(fā)明通過外擴(kuò)語音芯片控制系統(tǒng)、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)和GPS芯片實(shí)現(xiàn)模擬語音報(bào)數(shù)、遠(yuǎn)程協(xié)助和精準(zhǔn)定區(qū)域檢測。本發(fā)明具有穩(wěn)定性高，結(jié)構(gòu)簡單，成本低以及其采譜可控性的特點(diǎn)，可廣泛用于水果在線監(jiān)測和現(xiàn)場采樣。圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)主視圖；圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)左視圖；圖3是本發(fā)明的DC/DC轉(zhuǎn)換電路圖；圖4是本發(fā)明的自動(dòng)采樣控制電路圖；圖5是本發(fā)明的工作過程示意圖。附圖標(biāo)記遮光圈1、數(shù)字溫濕度傳感器2、螺釘3、開關(guān)4、電線5、軟橡膠圈6、圓形凸臺(tái)7、LED光源8、聚焦鏡9、手柄10、線路盒11、光纖12。具體實(shí)施例方式實(shí)施例1、用于水果內(nèi)部品質(zhì)無損檢測的手持式近紅外探頭，其中四個(gè)LED光源8采用波段為810-940nm，在探頭檢測端部LED光源8圍繞光纖12，按上下、左右十字結(jié)構(gòu)排列；LED光源8、聚焦鏡9均位于殼體內(nèi)；光纖12位于殼體的中軸線上。實(shí)施例2、用于水果內(nèi)部品質(zhì)無損檢測的手持式近紅外探頭，其中四個(gè)LED光源8采用波段為810-940nm，在探頭檢測端部LED光源8圍繞光纖12，按上下、左右十字結(jié)構(gòu)排列；四個(gè)LED光源8和聚焦鏡9中心線均成7-10度的夾角放置；LED光源8、聚焦鏡9均位于殼體內(nèi)；光纖12位于殼體的中軸線上。實(shí)施例3、用于水果內(nèi)部品質(zhì)無損檢測的手持式近紅外探頭，其中四個(gè)LED光源8采用波段為810nm、840nm、880nm、940nm，四個(gè)LED光源8和聚焦鏡9中心線成8度的夾角放置。其余同實(shí)施例2。實(shí)施例4、用于水果內(nèi)部品質(zhì)無損檢測的手持式近紅外探頭，其中包括四個(gè)LED光源8、光纖12、自動(dòng)采樣控制系統(tǒng)、光源穩(wěn)定電路、數(shù)字溫濕度傳感器2、圓形凸臺(tái)7、遮光圈1、軟橡膠圈6、開關(guān)4、線路盒11和外殼。其余同實(shí)施例2。實(shí)施例5、用于水果內(nèi)部品質(zhì)無損檢測的手持式近紅外探頭，其中圓形凸臺(tái)7由螺釘3固定于探頭端面，對(duì)應(yīng)的光纖12和LED光源8位置處鉆有通孔；遮光圈1裝配在圓形凸臺(tái)7與探頭接觸面上的溝槽內(nèi)。其余同實(shí)施例2或3。實(shí)施例6、用于水果內(nèi)部品質(zhì)無損檢測的手持式近紅外探頭，其中數(shù)字溫濕度傳感器2裝配于探頭檢測端部。實(shí)時(shí)記錄作業(yè)溫度和濕度，并且傳輸測量值于主機(jī)數(shù)據(jù)處理機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了處理光譜數(shù)據(jù)時(shí)的溫濕度補(bǔ)償，提高儀器的環(huán)境適應(yīng)能力。其余同實(shí)施例4。專業(yè)術(shù)語解釋手持式近紅外探頭還包括LED光源8、聚焦鏡9、光纖12之外其他部件，其他部件可以是遮光圈1、數(shù)字溫濕度傳感器2、螺釘3、開關(guān)4、電線5、軟橡膠圈6、圓形凸臺(tái)7、手柄10、線路盒11中的一種或數(shù)種。手持式近紅外探頭類似手電筒的結(jié)構(gòu)，因此絕大多數(shù)部件都設(shè)置在類似手電筒的殼體內(nèi)，大多數(shù)部件的安裝方式和安裝的部位均類似手電筒的結(jié)構(gòu)，但四個(gè)LED光源8與光纖12之間的相對(duì)位置與夾角是提高檢測效率的關(guān)鍵。下面結(jié)合附圖1-5解釋工作過程1、通過計(jì)算機(jī)設(shè)置好光源功率、積分時(shí)間、平均次數(shù)、窗口平滑寬度、光譜存儲(chǔ)路徑和光譜名稱；預(yù)熱光源20分鐘。2、手持探頭靠近待測水果，直至水果表面貼上圓形凸臺(tái)中心部位。3、用握持探頭的手指，輕輕觸動(dòng)探頭手柄部的開關(guān)一次，則單次脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生一正脈沖至光譜儀觸發(fā)管角，完成一次采譜。與此同時(shí)，LED指示燈導(dǎo)通發(fā)光和模擬人聲讀出測量結(jié)果。權(quán)利要求用于水果內(nèi)部品質(zhì)無損檢測的手持式近紅外探頭，其特征在于四個(gè)LED光源(8)采用波段為810-940nm，在探頭檢測端部LED光源(8)圍繞光纖(12)，按上下、左右十字結(jié)構(gòu)排列；LED光源(8)、聚焦鏡(9)均位于殼體內(nèi)；光纖(12)位于殼體的中軸線上。2.用于水果內(nèi)部品質(zhì)無損檢測的手持式近紅外探頭，其特征在于四個(gè)LED光源(8)采用波段為810-940nm，在探頭檢測端部LED光源(8)圍繞光纖(12)，按上下、左右十字結(jié)構(gòu)排列；四個(gè)LED光源(8)和聚焦鏡(9)中心線均成7-10度的夾角放置；LED光源(8)、聚焦鏡(9)均位于殼體內(nèi)；光纖(12)位于殼體的中軸線上。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于水果內(nèi)部品質(zhì)無損檢測的手持式近紅外探頭，其特征在于四個(gè)LED光源(8)采用波段為810nm、840nm、880nm、940nm，四個(gè)LED光源⑶和聚焦鏡(9)中心線成8度的夾角放置。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于水果內(nèi)部品質(zhì)無損檢測的手持式近紅外探頭，其特征在于包括四個(gè)LED光源8、光纖12、自動(dòng)采樣控制系統(tǒng)、光源穩(wěn)定電路、數(shù)字溫濕度傳感器2、圓形凸臺(tái)7、遮光圈1、軟橡膠圈6、開關(guān)4、線路盒11和外殼。5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的用于水果內(nèi)部品質(zhì)無損檢測的手持式近紅外探頭，其特征在于圓形凸臺(tái)(7)由螺釘(3)固定于探頭端面，對(duì)應(yīng)的光纖(12)和LED光源(8)位置處鉆有通孔；遮光圈(1)裝配在圓形凸臺(tái)(7)與探頭接觸面上的溝槽內(nèi)。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于水果內(nèi)部品質(zhì)無損檢測的手持式近紅外探頭，其特征在于數(shù)字溫濕度傳感器(2)裝配于探頭檢測端部。7.用于水果內(nèi)部品質(zhì)無損檢測的手持式近紅外探頭及探測方法其特征在于通過計(jì)算機(jī)設(shè)置好光源功率、積分時(shí)間、平均次數(shù)、窗口平滑寬度、光譜存儲(chǔ)路徑和光譜名稱；預(yù)熱光源20分鐘；將手持式近紅外探頭靠近待測水果，直至水果表面貼上圓形凸臺(tái)中心部位；用握持手持式近紅外探頭的手指，輕輕觸動(dòng)探頭手柄部的開關(guān)一次，則單次脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生一正脈沖至光譜儀觸發(fā)管角，完成一次采譜。全文摘要本發(fā)明涉及一種用于水果內(nèi)部品質(zhì)無損檢測的手持式近紅外探頭。該光纖探頭由四個(gè)不同波長的LED光源、檢測光纖、自動(dòng)采樣控制系統(tǒng)、光源穩(wěn)定電路、數(shù)字溫濕度傳感器、圓形凸臺(tái)、遮光圈、軟橡膠圈、開關(guān)、線路盒和外殼構(gòu)成。這種探頭具有穩(wěn)定性高，結(jié)構(gòu)簡單，成本低以及其采譜可控性的特點(diǎn)，可廣泛用于水果在線監(jiān)測和現(xiàn)場采樣。通過語音系統(tǒng)和無線傳輸系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的人性化及易操作性，更加拓展了應(yīng)用空間。文檔編號(hào)G01N21/01GK101799401SQ20101015051公開日2010年8月11日申請(qǐng)日期2010年4月19日優(yōu)先權(quán)日2010年4月19日發(fā)明者劉偉,劉燕德,孫旭東,歐陽愛國,潘圓媛,高榮杰申請(qǐng)人:華東交通大學(xué)