一种在线无损检测草莓可溶性固形物含量的系统及方法

技术领域

本发明属于水果分选分级技术领域，尤其涉及一种在线无损检测草莓可溶性固形物含量的系统及方法。

背景技术

草莓营养丰富，滋味酸甜，受消费者青睐，市场广阔。草莓品质质量与草莓的品牌信誉、销售量和出口创汇能力有着密切的联系。现有的草莓分选方式多是采用人工分选，但是人工分选的速度较慢，耗时耗力。随着人们对高品质草莓需求的提升，草莓的品质测控显得尤为重要，人工分选已难以满足消费者的需求。而且，目前对于草莓内部品质的检测多是采用化学方法进行测定，不仅操作烦琐，检测周期长，效率低下，而且检测费用昂贵。此外，短暂的贮藏期间对草莓品质的检测速度也提出了更高的要求。因此，依据草莓的内部品质开展快速检测及分级工作，能够在保证草莓品质的同时减少人工成本、降低草莓损失率、提高草莓的附加值。

现有技术中，在水果内部品质的在线检测方面，近红外光谱展现出巨大优势。近红外光谱分析技术具有无损伤、检测效率高、成本低、重现性好、样品测量一般不需预处理、适合于现场检测和在线分析等优势。然而，由于草莓相对于其他水果而言，其外观呈心形或者锥形，表面粗糙且颜色分布不均匀，均匀度和密实度分布各不相同，这些因素均会影响光在草莓中的传播，进而导致常规的近红外水果在线检测系统难以实现草莓品质的实时、准确检测。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种在线无损检测草莓可溶性固形物含量的系统及方法，解决草莓在线检测过程中容易受机械损伤的问题，实现草莓在线光谱的高效准确获取，进而实现对草莓可溶性固形物含量的高效准确检测，实现对草莓的无损、实时、快速、准确检测与分类。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种在线无损检测草莓可溶性固形物含量的系统，包括用于批量运输待测草莓的输送机构，所述输送机构包括输送链组，沿输送链组从头至尾依次设置理料机构、检测机构和分级机构；

所述理料机构包括引导面板，用于将所述输送机构上运输的待测草莓引导成直线排布以通过检测工位；所述检测机构设置于检测工位处，用于实时获取检测工位上待测草莓的近红外光谱，并将光谱数据传输至检测终端；所述检测终端根据光谱数据获得待测草莓的可溶性固形物含量，并传输至分级机构；所述分级机构根据待测草莓的可溶性固形物含量对草莓进行分级。

进一步的技术方案，所述输送机构还包括电机和果托，所述输送链组包括两条等距离设置的输送带，多个果托等间距设置在所述输送链组上，用于输送待测草莓；所述电机与所述输送链组电连接，用于驱动所述输送链组。

进一步的技术方案，所述果托为V型托盘，其下端两侧分别与所述输送带固定连接，用于传输待测草莓；所述V型托盘包括两组小型橡胶输送带，所述果托下端中间部位设有一短杆，所述短杆与所述橡胶输送带固定连接，以此构成滑动结构，使得橡胶输送带随短杆的移动而反向转动，用于分级卸料。

进一步的技术方案，所述理料机构还包括固定设置在所述输送机构两侧的固定结构，所述固定结构分别固定安装带有均匀分布橡胶辊的引导面板，所述引导面板形成的引导面分别向所述检测机构的检测工位处倾斜而呈V形布置。

进一步的技术方案，所述检测机构包括光源套件、近红外光谱采集单元、接近传感开关与控制单元；

所述光源套件包括至少两个近红外光源，检测工位两侧对称布置一对光源套件，用于提供检测草莓样本所需主动光源；

所述近红外光谱采集单元包括耦合光纤束及接头、光谱分光仪、线阵探测器和制冷模块，用于获取检测工位上样本的近红外光谱数据；

所述接近传感开关与控制单元在待测草莓进入检测工位时，向所述近红外光谱采集单元发送电信号，所述近红外光谱采集单元在接收所述电信号之后采集待检样本信号，并将待测草莓光谱数据传输至检测终端。

进一步的技术方案，所述耦合光纤束的一端安装于检测工位果托上方，另一端通过所述接头与光谱分光仪连接，待测草莓的光谱信号由所述光纤经光谱分光仪传输到线阵探测器，利用所述线阵探测器感兴趣区域获取各待测样本的近红外光谱。

进一步的技术方案，所述分级机构包括拨杆、滑轨、输送带组和控制单元，用于根据接收的待测草莓的可溶性固形物含量对待测草莓进行分级；所述拨杆固定设置在所述输送链组的中间，其一端与所述滑轨相连接，所述拨杆与所述果托上设置的短杆相配合，通过拨杆使得果托上的滑动机构沿滑轨方向移动，使果托上的待测草莓滑动到相应的输送带组。

本发明第二方面提供了一种在线无损检测草莓可溶性固形物含量的方法，基于所述的在线无损检测草莓可溶性固形物含量的系统，包括以下步骤：

预先设定检测机构中光纤与草莓样本的相对位置，确定耦合光纤的根数、尺寸和光源排布方式；

获取所述光纤对应草莓样品与探测器划定感兴趣区域响应获取的近红外光谱信号间的对应关系；

利用批量草莓样品的可溶性固形物含量值和探测器获取的近红外光谱，建立并训练草莓可溶性固形物含量检测模型；

输送机构上运输的待测草莓通过检测工位时，检测机构采集待测草莓的近红外光谱，检测终端对接收的光谱数据进行预处理后输入所述草莓可溶性固形物含量检测模型，输出待测草莓的可溶性固形物含量，分级机构根据该可溶性固形物含量预测值对待测草莓进行分级。

进一步的技术方案，所述预处理包括平滑处理、多元散射校正、标准正态变换、一阶导数、二阶导数中的一种或多种组合的方式。

进一步的技术方案，利用批量草莓样品可溶性固形物含量和探测器获取的近红外光谱，建立并训练检测模型的具体过程为：

利用批量获取的草莓样本的近红外光谱原始信号，经内置的全反射光谱与暗噪声自动校正变换为吸光度光谱，采用光谱预处理法修正近红外光谱，对修正后的近红外光谱，结合实测的草莓样本的可溶性固形物含量参考值，采用多元线性回归、偏最小二乘法、人工神经网络、主成分分析中的一种或多种结合的方式，建立并训练得到草莓可溶性固形物含量检测模型。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

(1)本发明提出了一种在线无损检测草莓可溶性固形物含量的系统及方法，解决草莓在线检测过程中容易受机械损伤的问题，实现草莓在线光谱的高效准确获取，实现对草莓可溶性固形物含量的高效准确检测，实现对草莓的无损、实时、快速、准确检测与分类。

(2)针对草莓形状不规则且表面粗糙特性，本发明实现草莓在分选过程中各环节柔性输送，显著减少草莓在上料、理料、检测、分级过程中的机械损伤。

(3)本发明建立线阵探测器划定感兴趣区域响应与获取的草莓近红外光谱信号间的对应关系，通过强度校正对光谱实时校正，突破草莓近红外光谱高速稳定获取的瓶颈问题，实现草莓在线可溶性固形物含量快速检测分级。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例一所述系统的结构示意图；

图2为本发明实施例二所述方法的流程图；

图3为本发明实施例一中理料机构的结构示意图；

图4为本发明实施例一中果托的结构示意图；

图5为本发明实施例一中分级机构的结构示意图。

其中，101、输送机构，102、理料机构，103、检测机构，104、分级机构，105、检测终端，501、滑轨，502、拨杆，503、输送带组。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

本实施例提出了一种在线无损检测草莓可溶性固形物含量的系统，实现对草莓的无损、实时、快速、准确检测与分类，如图1所示，该系统包括用于批量运输待测草莓的输送机构101，所述输送机构包括输送链组，沿输送链组从头至尾依次设置理料机构102、检测机构103和分级机构104。

所述理料机构包括引导面板，用于将所述输送机构上运输的待测草莓引导成直线排布以通过检测工位；所述检测机构设置于检测工位处，用于实时获取检测工位上待测草莓的近红外光谱，并将光谱数据传输至检测终端105；所述检测终端根据光谱数据获得待测草莓的可溶性固形物含量，并传输至分级机构；所述分级机构根据待测草莓的可溶性固形物含量对草莓进行分级。

在本实施例中，所述输送机构还包括电机和果托，所述输送链组包括两条等距离设置的输送带，多个果托等间距设置在所述输送链组上，用于输送待测草莓；所述电机与所述输送链组电连接，用于驱动所述输送链组运行，使输送链组上的多个果托从头至尾运输待测草莓。

可选的，如图4所示，所述果托为V型托盘，其下端两侧分别与所述橡胶输送带固定连接，实现果托随橡胶输送带的移动而移动，用于传输待测草莓。所述V型托盘包括两组小型橡胶输送带，这两组小型橡胶输送带两端的滚筒配合呈V型设置在固定座上，所述果托下端中间部位设有一短杆，所述短杆与所述橡胶输送带固定连接，以此构成滑动结构，使得橡胶输送带随短杆的移动而反向转动，用于分级卸料。多个果托设置在同一直线上，与输送链组在同一水平面上，且果托中滑动结构的滑动方向垂直于输送链组的运输方向。

所述理料机构还包括固定设置在所述输送机构两侧的固定结构，所述固定结构分别固定安装带有均匀分布橡胶辊的引导面板，使果托上的待测草莓成直线排布以通过检测工位。

可选的，如图3所示，所述理料机构包括两条引导面板，所述引导面板中间阵列布置柔性托辊，所述引导面板形成的引导面分别向所述检测机构的中心位置(即检测工位处)倾斜而呈V形布置。

所述检测机构包括光源套件、近红外光谱采集单元、接近传感开关与控制单元。所述光源套件包括至少两个近红外光源，检测工位两侧对称布置一对光源套件，用于提供检测草莓样本所需主动光源。

所述近红外光谱采集单元包括耦合光纤束及接头、光谱分光仪、线阵探测器和制冷模块，用于获取检测工位上样本的近红外光谱数据。其中，所述耦合光纤束的一端安装于检测工位果托上方，另一端通过所述接头与光谱分光仪连接，待测草莓的光谱信号由所述光纤经光谱分光仪传输到线阵探测器，利用所述线阵探测器感兴趣区域获取各待测样本的近红外光谱；所述制冷模块用于保持线阵探测器处于稳定低温状态，降低暗电流干扰，可长时间测量使用。

所述接近传感开关与控制单元在待测草莓样本进入检测工位时，向所述近红外光谱采集单元发送电信号，所述近红外光谱采集单元在接收所述电信号之后采集待检样本信号，并将待测草莓光谱数据传输至检测终端；所述检测终端在接收到所述待测草莓的近红外光谱信号之后，利用检测模型预测待测草莓的可溶性固形物含量值。

可选的，所述光谱分光仪采用棱镜-光栅-棱镜的分光方式，将光纤点状光信号分成线状光带，投射在线阵探测器中；所述线阵探测器优选地使用近红外加强背照式制冷型CCD线阵探测器，将热电冷却器封装在CCD线阵探测器内以在操作期间保持组件温度恒定。

可选的，所述耦合光纤束及接头中，所述光纤采用规格400μm的石英光纤；所述耦合光纤束的一端配置可调透镜组，通过螺纹及尾座以调整其中透镜的位置，调节该端接受样本信号的区域大小，从而调节接受样本信号的强度；所述耦合光纤束的一端安装于待检工位果托的倾斜上方，光纤束的第一端位于照射角度可调成对光源的中间位置，且倾斜角度可调，用于获取置于果托上待测草莓的漫反射光谱。

可选的，所述线阵探测器经空间校正和波长校正之后获取各待测草莓的近红外光谱信号，信号获取设有控制提取模块；在信号提取时，高性能RISC微控制器组成可获取感兴趣区域的信号，提高数据的有效利用率。

所述检测终端通过数据线与所述检测机构连接，用于和各机构间的信息交互；所述检测终端中设有草莓可溶性固形物含量在线检测软件，用于采集的数据信息的滤波、筛选、特征提取、模型计算和数据存储。

如图5所示，所述分级机构包括拨杆502、滑轨501、输送带组503和控制单元，用于根据接收的待测草莓的可溶性固形物含量对待测草莓进行分级。果托在输送链条带动下水平移动，当待测草莓通过检测机构获得检测结果，V型果托运行至对应分级机构，控制单元控制拨杆502弹出，果托底部的短杆沿拨杆502进入滑轨501，果托底部的短杆沿滑轨方向在力的作用下移动，带动V型果托的橡胶输送带转动，进而使得橡胶输送带与短杆反向转动，使得橡胶输送带上的待测草莓滑动到相应的分级输送带。即，所述拨杆与所述果托上设置的短杆相配合，通过拨杆使得果托上的滑动结构沿滑轨方向移动，进而使果托上的待测草莓滑动到相应的输送带组。

进一步的，所述控制单元根据接收的待测草莓的可溶性固形物含量控制拨杆的开合，以此实现对待测草莓的分级，即使果托通过不同滑轨将待测草莓送入不同的输送带中，实现待测草莓的分级。

实施例二

本实施例提出了一种在线无损检测草莓可溶性固形物含量的方法，基于实施例一所公开的在线无损检测草莓可溶性固形物含量的系统，如图2所示，包括以下步骤：

S1、预先设定检测机构中光纤与草莓样本的相对位置，确定耦合光纤的根数、尺寸和光源排布方式；

S2、获取所述光纤对应草莓样品与探测器划定感兴趣区域响应获取的近红外光谱信号间的对应关系；

S3、利用批量草莓样品的可溶性固形物含量值和探测器获取的近红外光谱，建立并训练草莓可溶性固形物含量检测模型；

S4、输送机构上运输的待测草莓通过检测工位时，检测机构采集待测草莓的近红外光谱，检测终端对接收的光谱数据进行预处理后输入所述草莓可溶性固形物含量检测模型，输出待测草莓的可溶性固形物含量，分级机构根据该可溶性固形物含量预测值对待测草莓进行分级。

在本实施例中，上述预处理的方法包括平滑处理、多元散射校正、标准正态变换、一阶导数、二阶导数中的一种或其组合方式。

在训练草莓可溶性固形物含量检测模型的过程中，采用特征波长提取算法提取近红外光谱的特征，所述特征波长提取的方法包括遗传优化算法、联合区间算法、模拟退火算法、蚁群优化算法中的一种或其组合方式。

此外，所述光纤与草莓垂直排布，耦合光纤与光谱分光仪接头采用外置标准SMA905接口，以保证耦合光纤的中心连接线与光谱成像分光仪入射狭缝的中心线在同一平面上。

上述利用批量草莓样品可溶性固形物含量和探测器获取的近红外光谱，建立并训练检测模型的具体过程为：

利用批量获取的草莓样本的近红外光谱原始信号，经内置的全反射光谱与暗噪声自动校正变换为吸光度光谱，采用光谱预处理法修正近红外光谱，去除所述近红外光谱两端信噪比低于预设信噪比的光谱区间，对修正后的近红外光谱，结合实测的草莓样本的可溶性固形物含量参考值，采用多元线性回归、偏最小二乘法、人工神经网络、主成分分析中的一种或多种结合方式，建立并训练得到草莓可溶性固形物含量检测模型。

可选的，待测草莓通过检测工位时，传感开关与控制单元收到触发信号，并向检测机构发送光谱采集指令，检测机构获取待测草莓的近红外光谱数据，检测终端对近红外光谱数据进行校正、预处理和波段区间提取，然后输入所述草莓可溶性固形物含量检测模型，以此输出待测草莓的可溶性固形物含量预测值。

本实施例建立线阵探测器划定感兴趣区域响应与获取的草莓近红外光谱信号间的对应关系，通过强度校正对光谱实时校正，突破草莓近红外光谱高速稳定获取的瓶颈问题，实现草莓在线可溶性固形物含量快速、高效、准确检测分级。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。