飞行时间光谱水果成熟度无损快速检测方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种飞行时间光谱水果成熟度无损快速检测方法及系统，检测方法包括以下步骤：首先激光驱动器驱动激光器产生激光脉冲信号，激光脉冲信号作用在水果表面，并穿透水果表皮与水果内的粒子发生碰撞而散射，经散射光束从水果表面反射出来；然后高速响应的光电探测器探测从水果反射回来的脉冲信号，上述脉冲信号经放大和A/D转换后进入微控制器，通过微控制器处理后将处理后的脉冲信号在示波器上显示，最后根据展宽后的脉冲信号形状来评估水果的散射系数；利用散射系数和水果成熟度之间的关系判别水果的品质和成熟度。本发明方法能够准确快速的进行无损的水果品质和成熟度的检测。
【专利说明】飞行时间光谱水果成熟度无损快速检测方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及植物组织光学漫反射领域，具体涉及飞行时间光谱水果成熟度无损快速检测方法及系统。
【背景技术】
[0002]水果作为一种重要的农产品，是人们日常的主要消费食品，其质量与人民的生活密切相关。随着市场国际化水平以及人民生活水平的提高，消费者对水果品质的要求也越来越高。水果的成熟度直接影响着水果的风味、硬度和果皮色泽等品质，未完全成熟或过于成熟的水果上市后都不被消费者亲睐，因此一定程度上影响了市场的流通状况，甚至将造成果商和果农的经济损失。此外，水果的成熟度亦影响着水果的采摘、储存等多个环节。据统计，水果在采摘、包装、储存、运输和加工等作业环节中的损失率高达30%，造成这项损失的主要原因之一就是将不同成熟度的水果相互混杂。由此可见，对水果成熟度的检测与区分至关重要。在对水果成熟度做出良好区分的情况下，可根据水果的成熟度选择合适的采收期，进而有助于在后续的加工处理过程中延长水果的货架期，延缓其硬度下降、色泽变差和营养散失；另外，恰当地判断水果的成熟度，可让果商更精确掌握水果入库和出库的时间，以及销售的期限，避免在储存和销售的过程中造成不必要的经济损失。更为重要的是，根据其成熟度区分与筛选并及时的对水果进行加工处理，对于改善水果品质，提升水果等级有着重要的意义。
[0003]随着科学技术的飞速发展和人民生活水平的不断提高，水果的品质及其是否成熟越来越受到人们的关注。中国是世界上水果生产大国之一，就拿苹果来说每年年产量达到1850万吨甚至更多，但其出口量只占总产量的1.46%，也就是说每年还约有1600万吨的苹果需要贮藏消费掉。目前国内大型分选企业每到一批货都要进行抽样破坏性检测，以决定其贮藏和包装的时间，抽样数量一般为10个/批。如以每批一车水果大约10t，生产季节按每天70车收购算，一天就要破坏掉200kg水果，一年大约是十几吨，再加上分级贮藏过程中的抽样损失，这个损失数目是多么令人触目惊心。如果运用便携式无损检测设备进行抽样，不但可以增加抽样数量，提高检测效率，彻底避免浪费而且还可以解决果农卖果难的问题，并且还可以增加果农的收入。
[0004]传统地，判断水果的成熟度可以采用看外形、看色泽、闻香味和轻轻敲击水果表皮听声音等几种方法。这些方法无需借助仪器设备，较为方便快捷。然而当采用这四种方法时，个人主观意识对结果的影响非常大，因此其可信度往往遭受质疑。
[0005]现有的水果成熟度检测方法包括利用硬度计、糖度计和酸度计等来检测水果内部的硬度，可溶性糖，可滴定酸等一些与水果成熟度相关的指标。虽然，通过糖度检测判断水果成熟度的过程和用于判断水果成熟度的硬度计能较为准确的判断成熟度，然而，这些方法在检测过程中都需要破坏水果的皮表组织甚至果实，属于有损检测，因此无法大规模地逐个进行测试，难以适用于现代果品的生产。另外还有针对水果香味与芳香物质的检测一般采用气相色谱法和气相色谱-质谱联用技术，但这些检测方法所用气味成分都是样品经分离后的产物，需要把产物重组才可作对比，因此检测过程繁琐复杂，周期长，且费用昂贵。
[0006]检索现有专利得出，目前对水果成熟度检测的方法如基于红外气体传感器的水果成熟度检测系统(对比专利20131054452.8)，其包括水果气体收集装置和气体检测装置，这种方法操作复杂，由于水果成熟产生的乙烯气体浓度低，容易带来很大的检测误差；还有利用水果可溶性固形物含量的变化规律来检测水果的成熟度(对比专利20141005435.9)，该方法检测效率较低；五点式近红外水果成熟度集品质检测仪(对比专利201410059370.2)，该装置复杂，检测繁琐，降低了工作效率。
【发明内容】
[0007]本发明要解决的技术问题是提供一种能快速无损的检测水果品质及其成熟度的飞行时间光谱水果成熟度无损快速检测方法及系统。
[0008]本发明采用如下技术方案:一种飞行时间光谱水果成熟度无损快速检测方法，其特征在于，它包括以下步骤:
首先激光驱动器驱动激光器产生激光脉冲信号，激光脉冲信号作用在水果表面，并穿透水果表皮与水果内的粒子发生碰撞而散射，经散射光束从水果表面反射出来；然后高速响应的光电探测器探测从水果反射回来的脉冲信号，上述脉冲信号经放大和A/D转换后进入微控制器，通过微控制器处理后将处理后的脉冲信号在示波器上显示，最后根据展宽后的脉冲信号形状来评估水果的散射系数；根据展宽后的脉冲信号形状的面积、上升沿平均斜率、下降沿平均斜率和幅度建立其与散射系数的关系，利用散射系数和水果成熟度之间的关系判别水果的品质和成熟度。
[0009]飞行时间光谱水果成熟度无损快速检测系统包括，激光驱动控制电路�？楹凸獾缣讲庾坏缏纺？榉直鹩胛⒖刂破飨嗔樱龀宸糯笃鞣糯蠊獾缣讲庾坏缏纺？榛袢〉穆龀逍藕牛糯蠛蟮穆龀逍藕啪鼳/D转换器与微控制器连接，脉冲信号经过微控制器处理后在示波器上显示。
[0010]所述激光驱动控制电路�？榘ǎ⒖刂破骺刂萍す馇髑す舛懿嘤Φ穆龀逍藕牛穆龀逍藕抛饔糜谒砻妫⌒в骞芨す舛芄┑纾β士胤质笨刂萍す舛�。
[0011]所述光电探测转换电路�？椋ü獾缣讲馄魈讲馑⑸浠乩吹穆龀逍藕牛龀宸糯笃鞫陨⑸浠乩吹穆龀逍藕沤蟹糯螅糯蠛蟮穆龀逍藕啪咚貯/D转换器转换与微控制器连接，上述脉冲信号经过微控制器处理后在示波器上显示。
[0012]所述光电探测器包括一个光纤探头，所述光纤探头用来收集从水果中散射出来的脉冲信号。
[0013]用微控制器搭建的软件平台记录测得的散射系数和水果成熟的数据，并在显示器上显示。
[0014]所述微控制器通过USB接口与上位机进行数据传输。
[0015]所述脉冲信号的宽度可以通过微控制器来动态的进行设置。
[0016]本发明的优点:
(I)本发明方法能够准确快速的进行无损的水果品质和成熟度的检测，既可以检测水果的品质，又不会对水果造成破坏，保证了水果的完整性，具有无损和实时性的特点。
[0017](2)本发明方法在水果检测及水果分级领域都有广阔的应用前景，是确定水果最佳采收期和按成熟期度进行准确分级的关键。
[0018](3)本发明方法检测过程简单，检测周期短，大大提高了检测效率。
[0019](4)本发明检测方法及系统设计巧妙简单，检测准确度高，提高了工作效率。
[0020](4)如果用此便携式无损检测设备进行抽样检测，不但可以增加抽样数量，提高检测效率，彻底避免浪费而且还可以解决果农卖果难的问题，并且还可以增加果农的收入。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为激光驱动控制电路�？槭疽馔�。
[0022]图2为光电探测转换电路�？槭疽馔�。
[0023]图3为散射系数和水果成熟度的关系示意图。
【具体实施方式】
[0024]一种飞行时间光谱水果成熟度无损快速检测方法，它包括以下步骤:首先激光驱动器驱动激光器产生脉冲信号，激光脉冲信号作用在水果表面，并穿透水果表皮与水果内的粒子发生碰撞而散射，经散射光束从水果表面反射出来；然后高速响应的光电探测器探测从水果反射回来的脉冲信号，上述脉冲信号经放大和A/D转换后进入微控制器，通过微控制器处理后将处理后的脉冲信号在示波器上显示，最后根据展宽后的脉冲信号形状来评估水果的散射系数；根据展宽后的脉冲信号形状的面积、上升沿平均斜率、下降沿平均斜率和幅度建立其与散射系数的关系，利用散射系数和水果成熟度之间的关系判别水果的品质和成熟度。
[0025]一种飞行时间光谱水果成熟度无损快速检测系统包括，激光驱动控制电路模块和光电探测转换电路�？榉直鹩胛⒖刂破飨嗔樱龀宸糯笃鞣糯蠊獾缣讲庾坏缏纺？榛袢〉穆龀逍藕牛糯蠛蟮穆龀逍藕啪鼳/D转换器与微控制器连接，脉冲信号经过微控制器处理后在示波器上显示。
[0026]如图1所示，激光驱动控制电路模块中，USB接口表示数据通过USB接口总线上传输数据；微控制器用于控制和触发电路板上的电子元器件；脉冲生成器用来生成作用于水果的脉冲信号。两个场效应晶体管分别使对应的激光二极管的使能端使能，脉冲产生器和放大器分别控制激光二极管的控制端分时进行开和关，从而使两个激光器分时工作，一个工作时另一个停止，不断的来回切换。
[0027]如图2所示，光电探测转换电路�？橹校獾缣讲馄饔美刺讲獯铀砻嫔⑸浠乩吹穆龀逍藕牛挥捎谏⑸浠乩吹穆龀逍藕欧浅Ｎ⑷酰虼诵枰寐龀宸糯笃骼炊月龀逍藕沤蟹糯螅糯蠛蟮穆龀逍藕啪咚貯/D转换器转换后，传输给微控制器进行数据处理，然后在显示器上显示。
[0028]纳秒级的激光脉冲信号作用于水果，光电探测器收集从水果表面散射回来的脉冲信号，根据散射回来的展宽脉冲信号形状的变化来评估相应水果的散射系数，具体点就是根据检查到的散射过来的脉冲信号的峰值变化和脉冲宽度变化来估测水果的散射系数。在实验操作过程中操作者通过USB接口获取微控制器中的散射脉冲信号的数据；微控制器控制脉冲生成器产生脉冲信号，并且在显示器上进行同步显示。其中的一个高速的放大器用来放大散射回来的脉冲信号，以便于A/D转换器的数据处理，因为散射回来的脉冲信号是十分微弱的，激光功率分时开关用来控制选择每次只能使一个激光二极管进行工作；另外一个距离激光二极管I到3_的收集光纤探头用来使散射过来的光子导引到光电探测器，进行光电信号转换并进行显示。最后用微控制器搭建的软件平台用来记录测得的散射系数和水果成熟度的数据，并在显示器上显示。
[0029]根据探测到的散射脉冲信号的特征如脉冲信号的面积、上升沿平均斜率、下降沿平均斜率和脉冲幅度来建立其与散射系数的关系进而利用散射系数和水果成熟度之间的关系来判别水果的品质和其成熟度。
[0030]如图3所示，可以看出所述飞行时间光谱水果成熟度无损快速检测系统及方法的可行性、可靠性和便捷性。
[0031]本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，可以通过其它的方式进行组合，凡是根据本发明的技术方案和原理做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种飞行时间光谱水果成熟度无损快速检测方法，其特征在于，它包括以下步骤:首先激光驱动器驱动激光器产生激光脉冲信号，激光脉冲信号作用在水果表面，并穿透水果表皮与水果内的粒子发生碰撞而散射，经散射光束从水果表面反射出来；然后高速响应的光电探测器探测从水果反射回来的脉冲信号，上述脉冲信号经放大和A/D转换后进入微控制器，通过微控制器处理后将处理后的脉冲信号在示波器上显示，最后根据展宽后的脉冲信号形状来评估水果的散射系数；根据展宽后的脉冲信号形状的面积、上升沿平均斜率、下降沿平均斜率和幅度建立其与散射系数的关系，利用散射系数和水果成熟度之间的关系判别水果的品质和成熟度。
2.一种飞行时间光谱水果成熟度无损快速检测系统，其特征在于:包括激光驱动控制电路�？楹凸獾缣讲庾坏缏纺？榉直鹩胛⒖刂破飨嗔樱龀宸糯笃鞣糯蠊獾缣讲庾坏缏纺？榛袢〉穆龀逍藕牛糯蠛蟮穆龀逍藕啪鼳/D转换器与微控制器连接，脉冲信号经过微控制器处理后在示波器上显示。
3.根据权利要求2所述飞行时间光谱水果成熟度无损快速检测系统，其特征在于:所述激光驱动控制电路�？榘ǎす馇髑す舛懿嘤Φ穆龀逍藕牛穆龀逍藕抛饔糜谒砻妫⌒в骞芨す舛芄┑纾β士胤质笨刂萍す舛�。
4.根据权利要求2所述飞行时间光谱水果成熟度无损快速检测系统，其特征在于:所述光电探测转换电路�？椋ü獾缣讲馄魈讲馑⑸浠乩吹穆龀逍藕牛龀宸糯笃鞫陨⑸浠乩吹穆龀逍藕沤蟹糯螅糯蠛蟮穆龀逍藕啪咚貯/D转换器转换与微控制器连接，上述脉冲信号经过微控制器处理后在示波器上显示。
5.根据权利要求2或4所述飞行时间光谱水果成熟度无损快速检测系统，其特征在于:所述光电探测器包括一个光纤探头，所述光纤探头用来收集从水果中散射出来的脉冲信号。
6.根据权利要求2所述飞行时间光谱水果成熟度无损快速检测系统，其特征在于:用微控制器搭建的软件平台记录测得的散射系数和水果成熟的数据，并在显示器上显示。
7.根据权利要求2所述飞行时间光谱水果成熟度无损快速检测系统，其特征在于:所述微控制器通过USB接口与上位机进行数据传输。
8.根据权利要求2或3所述飞行时间光谱水果成熟度无损快速检测系统，其特征在于:所述脉冲信号的宽度可以通过微控制器来动态的进行设置。
【文档编号】G01N35/00GK104515751SQ201410813838
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年12月24日 优先权日:2014年12月24日
【发明者】胡建东, 陈睿鹏, 马刘正, 孙晓晖, 王玲, 王慧霞, �？慰� 申请人:河南农业大学
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