近红外光谱无损检测水果内部品质的系统及方法

摘要

本发明提供了一种近红外光谱无损检测水果内部品质的系统，包括：采集器和微型计算机；所述采集器包括采集探头（3）和贯穿设置于所述采集器内部的光纤探头（6）；所述采集探头（3）上设有弹性遮光垫（11）和校正轮（1）；所述校正轮（1）连接步进电机（2），所述步进电机（2）与所述微型计算机（22）连接。本发明通过在采集探头的光路内设计可自动切换的白板、黑板和通孔，自动采集全反射参考光谱、暗光谱和样品光谱，进行光谱的自动标定，减少探测器噪声的影响；并通过在采集探头的前部设有弹性遮光垫，阻挡环境光对近红外光谱造成的干扰，同时通过弹性遮光垫和测量对象接触时产生的力触发自动采集开关，实现光谱的自动采集。

说明书

技术领域

本发明涉及近红外光谱技术领域，特别涉及一种近红外光谱检测 水果内部品质的系统及方法。

背景技术

随着生活水平的提高，消费者对水果品质要求越来越高，不仅关 注水果的外部品质，同时对糖度、酸度等内部品质也极为注重。水果 内部品质检测通常采用破坏性的检测方法，检测工作量大，每个指标 都需要采用不同的方法检测，无法实现样品的快速、非破坏性检测。 利用近红外光谱技术可以快速、无损地检测水果内部品质如糖度、酸 度和成熟度，是一种高效的检测手段。近年来，近红外光谱应于水果 品质检测的研究开始注重便携式光谱仪的使用，注重发展便携式糖酸 度检测装置，在水果成长过程中随时监测果实内部成分的变化，为栽 培管理和适时收获提供科学依据。

Zude在2006年研究了小型近红外光谱仪用于检测树上和货架期 苹果的果肉硬度和可溶性固形物含量（SSC,Soluble Solid Content），并 建立了偏最小二乘法（PLS,Partial Least-Squares）校正模型，果肉硬度 的决定系数为0.81，SSC的决定系数为0.94。Alarmar在2007年采用 分段直接标准化方法成功将傅里叶变换近红外光谱仪所建立的水果可 溶性固形物预测模型传递到阵列传感器近红外光谱仪上，在477个苹 果的试验表明预测均方根误差为0.85°Brix。Bobelyn在2010年研究 了品种、季节、货架期和采摘地对苹果近红外可溶性固形物含量和硬 度校正模型的预测精度的影响，对大约6000个苹果的光谱数据进行方 差功能分析，结果表明品种、货架期和采摘地对近红外光谱的影响显 著，需要收集足够多的代表性样品才能提高校正模型的适应性。Sanchez 在2011年利用便携式光谱仪对油桃的品质进行预测，比较了多重偏最 小二乘法（Multiple PLS）回归和局部回归的方法用于建立不同采收期 和管理方式下的油桃大小、硬度和可溶性固形物含量的预测模型，结 果表明局部回归的方法在预测硬度时优于多重偏最小二乘法方法，预 测标准误差（Standard Error Prediction,SEP）降低27%，决定系数从0.47 提高到0.68，但在预测可溶性固形物含量和大小时与多重偏最小二乘 法效果一样。

上述研究均是以商业化的光纤检测探头为近红外光谱采集装置， 由于近红外光谱仪的小型化造成的分光方式的不同和探测器精度的下 降，探测器本身存在较大的噪声，而且野外作业时也容易受到环境光 的干扰。为了消除这些影响，通常的做法是在每次测量光谱之前，采 集全反射参考光谱和暗光谱来标定采集到的样品光谱以消除检测器的 噪声，但这一过程影响了采集速度，无法实现动态标定。因此，需要 开发水果内部品质快速无损检测的近红外光谱自动采集、标定方法及 其系统。

现有技术中有一种用于水果内部品质无损检测的手持式近红外探 头，该光纤探头由四个不同波长的LED光源、检测光纤、自动采样控 制系统、光源稳定电路、数字温湿度传感器、圆形凸台、遮光圈、软 橡胶圈、开关、线路盒和外壳构成，可用于水果在线监测和现场采样， 但不能够实现光谱自动标定的功能。

发明内容

（一）解决的技术问题

本发明解决的技术问题是提供一种近红外光谱检测水果内部品质 的系统及方法，用于水果内部品质无损检测，实现近红外光谱的自动 采集和动态标定。

（二）技术方案

本发明提出了一种近红外光谱无损检测水果内部品质的系统，其 特征在于，包括：采集器、微型计算机（22）、小型光谱仪（19）、光 源（20）；所述采集器包括采集探头（3）和贯穿设置于所述采集器内 部的光纤探头（6）；所述采集探头（3）上设有弹性遮光垫（11）和校 正轮（1）；所述校正轮（1）连接步进电机（2），所述步进电机（2） 与所述微型计算机（22）连接，所述小型光谱仪（19）和所述光源（20） 与所述微型计算机（22）连接。

优选地，所述采集探头（3）上还设有自动采集开关（10），用于 触发所述步进电机（2）控制所述校正轮（1）进行旋转。

优选地，所述系统还包括手柄（13），在所述手柄（13）上还设有 手动触发按钮（5），用于触发所述步进电机（2）控制所述校正轮（1） 进行旋转。

优选地，所述校正轮（1）上设有三个测量位对应的白板（9）、黑 板（8）和通孔（7）。

优选地，所述三个测量位间隔为120°。

优选地，所述白板（9）、所述黑板（8）和所述通孔（7）的孔径 与所述光纤探头（6）的直径大小相同。

优选地，所述系统还包括指示灯（4）和液晶显示器（21），其中， 指示灯（4）和液晶显示器（21）用于指示采集过程。

优选地，所述微型计算机包括接口（14）、接口（15）、接口（16） 和接口（17），所述接口（14）与所述步进电机（2）相连接，所述接 口（15）与所述自动采集开关（10）相连接，所述接口（16）与所述 手动触发按钮（5）相连接，所述接口（17）与所述指示灯（4）相连 接。

本发明还提出了一种近红外光谱无损检测水果内部品质的方法， 其特征在于，所述方法包括：

A、微型步进电机（2）控制校正轮（1）进行旋转，进入全反射参 考光谱测量状态S1；

B、微型计算机（22）控制小型光谱仪（19）进行全反射参考光谱 R_ref的采集，并存储R_ref；

C、微型步进电机（2）控制校正轮（1）进行旋转，进入暗光谱测 量状态S2，并控制光源（20）关闭；

D、微型计算机（22）控制小型光谱仪（19）进行暗光谱R_dark的 采集，并存储R_dark；

E、微型步进电机（2）控制校正轮（1）进行旋转，进入样品光谱 测量状态S3，并控制光源（20）打开；

F、微型计算机（22）控制小型光谱仪（19）进行水果样品光谱R_sample的采集，并存储R_sample。

优选地，步骤C、D中所述微型步进电机（2）控制校正轮（1） 进行旋转具体包括：所述微型步进电机（2）控制校正轮（1）进行顺 时针旋转120°。

优选地，步骤A之前还包括：调整采集探头（3）的位置。

优选地，步骤A之前还包括：位于采集探头（3）上的弹性遮光垫 （11）接触被测水果，利用所述弹性遮光垫（11）的推力触发自动采 集开关（10），所述自动采集开关（10）向所述微型计算机（22）发送 触发信号。

优选地，向所述微型计算机（22）发送触发信号用手柄（13）上 的手动触发按钮（5）或软件程序控制进行。

优选地，所述微型计算机（22）控制所述校正轮（1）进行旋转具 体包括：所述微型计算机（22）的接口（15）接收到所述自动采集开 关（10）发送的触发信号，通过所述微型计算机（22）的接口（14） 控制所述微型步进电机（2）带动所述校正轮（1）进行旋转。

优选地，步骤F之后还包括：根据光谱标定公式对采集到的光谱 进行标定，并保存标定后的光谱R_cal；

所述光谱标定公式为$R_{\mathrm{cal}}=\frac{R_{\mathrm{sample}}-R_{\mathrm{dark}}}{R_{\mathrm{ref}}-R_{\mathrm{dark}}}*100\%.$

（三）有益效果

本发明通过在采集探头的光路内设计可自动切换的白板、黑板和 通孔，自动采集全反射参考光谱、暗光谱和样品光谱，进行光谱的自 动标定，减少探测器噪声的影响；并通过在采集探头的前部设有弹性 遮光垫，阻挡环境光对近红外光谱造成的干扰，同时通过弹性遮光垫 和测量对象接触时产生的力触发自动采集开关，由软件控制实现光谱 的自动采集。

附图说明

图1是本发明提出的近红外光谱检测水果内部品质的系统图；

图2是本发明提出的近红外光谱检测水果内部品质的系统图；

图3是本发明提出的近红外光谱检测水果内部品质的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述。

本发明提出的一种近红外光谱无损检测水果内部品质的系统，如 图1~图2所示，附图中的编号分别为：1-校正轮；2-微型步进电机； 3-采集探头；4-指示灯；5-手动触发按钮；6-光纤探头；7-通孔；8-黑 板；9-白板；10-自动采集开关；11-弹性遮光垫；12-导轨；13-手柄； 14-接口；15-接口；16-接口；17-接口；18-SMA905接口；19-小型光 谱仪；20-光源；21-液晶显示器；22-微型计算机；P1为校正轮（1）的 剖面图，P2、P3为光纤探头（6）的剖面图；状态S1为全反射参考光 谱测量位置，状态S2为暗光谱测量位置，状态S3为样品光谱测量位 置。

实施例一

本发明提出的一种近红外光谱无损检测水果内部品质的系统，所 述系统包括：采集器和微型计算机；所述采集器包括采集探头（3）和 贯穿设置于所述采集器内部的光纤探头（6），光纤探头（6）上均匀分 布有六根直径较小的光纤用于光源输出，中间为一根直径较大的光纤 用于采集近红外光谱信号；所述采集探头（3）上设有弹性遮光垫（11） 和校正轮（1）；所述校正轮（1）连接步进电机（2），所述步进电机（2） 与所述微型计算机（22）连接。

光纤探头（6）与小型光谱仪（19）和光源（20）通过标准的SMA905 接口（18）相连接。

所述采集探头（3）上还设有自动采集开关（10），用于触发所述 步进电机（2）控制所述校正轮（1）进行旋转。

所述系统还包括手柄（13），在所述手柄（13）上还设有手动触发 按钮（5），用于触发所述步进电机（2）控制所述校正轮（1）进行旋 转。

所述校正轮（1）上设有三个间隔120°的测量位分别对应的参考 白板（9）、黑板（8）和通孔（7）。

所述白板（9）、所述黑板（8）和所述通孔（7）的孔径与所述光 纤探头（6）的直径大小相同。

所述系统还包括指示灯（4）、小型光谱仪（19）、光源（20）和液 晶显示器（21），其中，指示灯（4）和液晶显示器（21）用于指示采 集过程。

所述微型计算机包括接口（14）、接口（15）、接口（16）和接口 （17），所述接口（14）与所述步进电机（2）相连接，所述接口（15） 与所述自动采集开关（10）相连接，所述接口（16）与所述手动触发 按钮（5）相连接，所述接口（17）与所述指示灯（4）相连接，当近 红外光谱采集过程开始后，通过接口（17）控制指示灯（4）的交替闪 烁实现采集过程的指示，同时液晶显示器（21）显示相应的文字信息。

所述系统还包括导轨（12）、SMA905接口（18）。

实施例二

本发明还提出了一种近红外光谱无损检测水果内部品质的方法， 所述方法流程图如图3，所述方法包括：

A、微型步进电机（2）控制校正轮（1）进行旋转，进入全反射参 考光谱测量状态S1；

B、微型计算机（22）控制小型光谱仪（19）进行全反射参考光谱 R_ref的采集，并存储R_ref；

C、微型步进电机（2）控制校正轮（1）进行旋转，进入暗光谱测 量状态S2，并由微型计算机（22）控制光源（20）关闭；

D、微型计算机（22）控制小型光谱仪（19）进行暗光谱R_dark的 采集，并存储R_dark；

E、微型步进电机（2）控制校正轮（1）进行旋转，进入样品光谱 测量状态S3，并由微型计算机（22）控制光源（20）打开；

F、微型计算机（22）控制小型光谱仪（19）进行水果样品光谱R_sample的采集，并存储R_sample。

步骤C、D中所述微型步进电机（2）控制校正轮（1）进行旋转 具体包括：所述微型步进电机（2）控制校正轮（1）进行顺时针旋转 120°。

步骤A之前还包括：利用导轨（12）调整采集探头（3）的位置， 确定光纤探头（6）与校正轮（1）的距离d合理，以实现不同光程下 的近红外光谱的采集。采集开始时，通过位于采集探头（3）前方上设 置的弹性遮光垫（11）接触被测水果，弹性遮光垫可以阻挡环境对惊 鸿舞光谱造成的干扰，利用所述弹性遮光垫（11）的推力触发自动采 集开关（10），所述自动采集开关（10）向所述微型计算机（22）发送 触发信号。所述微型计算机（22）的接口（15）接收到所述自动采集 开关（10）发送的触发信号，启动近红外光谱的自动采集，通过所述 微型计算机（22）的接口（14）控制所述微型步进电机（2）带动所述 校正轮（1）进行旋转。

手柄（13）上设置的手动触发按钮（5）于微型计算机（22）的接 口（16）连接，按下手动触发按钮（5）将启动近红外光谱的自动采集， 或利用微型计算机（22）中的软件程序进行触发，并进行定时或周期 性的光谱采集，以实现近红外光谱的多次测量并求其平均值。

步骤F之后还包括：根据光谱标定公式对采集到的光谱进行标定， 并保存标定后的光谱R_cal；

所述光谱标定公式为$R_{\mathrm{cal}}=\frac{R_{\mathrm{sample}}-R_{\mathrm{dark}}}{R_{\mathrm{ref}}-R_{\mathrm{dark}}}*100\%.$

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关 技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下， 还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明 的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。