水果糖酸度品質實時檢測裝置的設計

陸輝山++張林

摘要：采用近紅外光譜分析技術對水果糖酸度檢測裝置進行研究，主要設計了水果傳輸模塊、光照模塊、光譜采集模塊和數據分析處理模塊，再以福建早桔作為試驗樣本對系統進行驗證。結果表明，采用近紅外漫反射光譜分析技術實現對水果糖酸度的實時檢測是可行的，且采用多元散色校正（MSC）的光譜預處理方法對水果漫反射光譜進行預處理后建立的模型最優，模型具有良好的預測精度和預測穩定性。

關鍵詞：水果；糖酸度；實時檢測裝置；近紅外；漫反射；多元散色校正；精度；穩定性

中圖分類號： TP274+.5文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）10-0289-03

收稿日期：2013-12-26

基金項目：國家自然基金（編號：41201294）；山西省自然科學基金（編號：2009021019-3、2013011026-2）。

作者簡介：陸輝山（1975—），男，山西應縣人，博士，副教授，主要從事無損檢測技術與裝置研究。E-mail：759013520@qq.com。水果因含有人體所需的多種礦物質、維生素等營養成分而被人們作為不可或缺的日常食用品，隨著生活水平的提高，人們對食用水果的甜度好口感也有了更高的要求。傳統的檢測技術不但費時費力，而且還會對水果造成傷害。近年來，近紅外光譜檢測技術的快速發展使得采用近紅外光譜分析技術實現對水果糖濃度的快速、無損檢測成為可能。近紅外光譜檢測技術具有快速簡便、無損、準確等特點，已在農業和食品行業中得到廣泛應用[1]。國內外研究人員利用近紅外（NIR）分析技術對水果內部品質指標檢測已取得了重大成績，Kawano選用680～1 235 nm光譜范圍近紅外光譜，采用透射的方法對柑橘的糖濃度進行了檢測分析[2]；Slaughter采用近紅外光譜分析技術對油桃內可溶性固形物含量、糖度和葉綠素A含量等指標進行了定量研究[3]；McGlone研究了不同的近紅外檢測系統對高速運動的蘋果內部糖濃度檢測的影響[4]。在國內，近紅外光譜分析技術在農副產品中的研究雖然起步比較晚，但也已取得了相當多的成就。孫通等采用近紅外光譜結合可見光對南豐蜜桔的可溶性固形物含量的影響進行了研究[5]；劉燕德等利用近紅外漫反射技術對蘋果糖濃度的影響進行了定量研究[6]；董小玲等采用近紅外漫反射技術結合小波壓縮技術對馬鈴薯淀粉含量的影響進行了深入研究[7]；高海龍等利用近紅外漫反射光譜實現了對鮮棗品種的鑒別和對劣棗的剔除工作[8]。前人通過大量的試驗證明，采用近紅外漫反射技術間接實現對水果糖濃度和酸度的檢測是可行的，在這方面積累了大量的經驗，然而大多數研究僅僅停留在試驗層次，還沒有一套完整的水果糖酸度實時檢測的設計研究方案。因此，本試驗在前人理論研究的基礎上探索性地設計了一個水果糖酸濃度實時檢測裝置。

1系統設計

為了實現水果糖度和酸度內部品質的檢測，根據近紅外在線檢測的設計要求，設計了基于試驗臺基礎的實時檢測系統，為在線實時檢測試驗提供了良好的硬件支持。

1.1整體設計

為建立一種基于近紅外光譜分析的水果內部品質（糖度和酸度）在線實時檢測系統，使該裝置可以實現水果在一定范圍內的傳輸、水果定位、光譜采集、定量/定性分析等功能。因此，該系統主要包括傳輸單元、控制單元、光譜采集單元和數據處理單元等部分（圖1）。傳輸單元包括托盤、軌道、輸送小車等部分，輸送小車帶動裝有水果的托盤在軌道上運動，完成水果傳輸的任務，輸送小車的最終動力來源于電動機，控制系統通過控制電機的運轉，達到控制水果的運輸?？刂茊卧?對檢測出發裝置和用于試驗臺上所需控制的部件通信接口構成，負責控制小車的動作，完成水果定位、光譜采集等工作。光譜采集單元包括采集探頭、光纖、光譜儀等部分構成，負責完成對每個水果的光譜采集的任務。數據處理單元由特定的DSP處理器和事先建立的水果糖酸度預測算法模型組成，通過對光譜的預處理去除噪聲，然后輸入到預測模型得到水果的內部品質指標。

1.2傳輸系統設計

傳輸系統負責水果保持特定的姿態以一定的速度進入光譜檢測箱中，為光譜的采集做好實現準備工作。這個環節的技術特點在于保證水果的穩定運動、托盤與水果之間的避光區、傳輸速度的調節等。具體設計如下所述。

1.2.1軌道設計根據水果的實際大小和實現水果的平穩傳輸的要求，軌道采用市場上的型材加工而成，使用2根平行的三角鐵型鋼結構設計，保證2根角鐵的平行，角鐵的角為小車提供導向作用，保證小車的有向運動。

1.2.2水果托盤和小車設計水果托盤和小車的設計主要要完成水果的運輸和定位功能，設計結構如圖2所示。

1.3光照系統設計

光照系統由光源和光照箱兩部分構成，為水果在線檢測提供穩定、可控的近紅外光源，使整個系統有足夠強的光線被照射到水果表面，協助光譜采集模塊完成漫反射光譜的采集

工作。光照系統設計結構圖如圖3所示。

1.4光譜采集部分設計

光譜采集單元包括近紅外探測器、光纖、光譜儀等部分，主要完成對水果漫反射回的近紅外光譜進行實時采集，光譜采集部分流程圖如圖4所示。本系統中采用的近紅外漫反射吸光度計算公式為：

3結論

本研究首先對水果糖酸度近紅外檢測系統進行整體設計，主要對傳輸模塊、光照模塊、光譜采集模塊和數據分析處理模塊進行了詳細設計說明，然后采用100個福建早桔作為試驗樣本對系統進行驗證，驗證結果表明采用近紅外光譜漫反射技術間接實現對水果糖酸度的檢測是可行的，且具有較好的效果。其中，用光譜預處理后建立的水果糖酸度模型效果更佳，采用多元散色校正（MSC）的光譜預處理方法對光譜預處理后建立的模型最優。

參考文獻：

[1]王偉明，董大明，鄭文剛，等. 梨果糖濃度近紅外漫反射光譜檢測的預處理方法研究[J]. 光譜學與光譜分析，2013，33（2）：359-362.

[2] Kawano S. Present condition of nondestructive quality evaluation of fruits and vegetables in Japan[J]. JARQ，1992，28：212.

[3]Slaughter D C. Nondestructive determination of internal quality in peaches and nectarines[J]. Transactions of The ASAE，1995，38（2）：617-623.

[4]McGlone V A. Transmission measurements on intact apples moving at high speed[J]. Journal of Near Infrared Spectroscopy，2004，12（1）：37-43.

[5]孫通，許文麗，胡田，等. 基于UVE-ICA和支持向量機的南豐蜜桔可溶性固形物可見-近紅外檢測[J]. 光譜學與光譜分析，2013，33（12）：3235-3239.

[6]劉燕德，應義斌. 蘋果糖分含量的近紅外漫反射檢測研究[J]. 農業工程學報，2004，20（1）：189-192.

[7]董小玲，孫旭東. 基于小波壓縮的馬鈴薯全粉還原糖近紅外光譜檢測研究[J]. 光譜學與光譜分析，2013，33（12）：3216-3220.

[8]高海龍，李小昱. 近紅外光譜鑒別鮮棗品種及裂果研究[J]. 光譜學與光譜分析，2013，33（12）：3231-3234.

[9]劉蘭濤，陳曉光，吳文福，等. 三波長谷物蛋白質近紅外檢測儀[J]. 吉林大學學報：工學版，2009，39（1）：93-97.

摘要：采用近紅外光譜分析技術對水果糖酸度檢測裝置進行研究，主要設計了水果傳輸模塊、光照模塊、光譜采集模塊和數據分析處理模塊，再以福建早桔作為試驗樣本對系統進行驗證。結果表明，采用近紅外漫反射光譜分析技術實現對水果糖酸度的實時檢測是可行的，且采用多元散色校正（MSC）的光譜預處理方法對水果漫反射光譜進行預處理后建立的模型最優，模型具有良好的預測精度和預測穩定性。

關鍵詞：水果；糖酸度；實時檢測裝置；近紅外；漫反射；多元散色校正；精度；穩定性

中圖分類號： TP274+.5文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）10-0289-03

收稿日期：2013-12-26

基金項目：國家自然基金（編號：41201294）；山西省自然科學基金（編號：2009021019-3、2013011026-2）。

作者簡介：陸輝山（1975—），男，山西應縣人，博士，副教授，主要從事無損檢測技術與裝置研究。E-mail：759013520@qq.com。水果因含有人體所需的多種礦物質、維生素等營養成分而被人們作為不可或缺的日常食用品，隨著生活水平的提高，人們對食用水果的甜度好口感也有了更高的要求。傳統的檢測技術不但費時費力，而且還會對水果造成傷害。近年來，近紅外光譜檢測技術的快速發展使得采用近紅外光譜分析技術實現對水果糖濃度的快速、無損檢測成為可能。近紅外光譜檢測技術具有快速簡便、無損、準確等特點，已在農業和食品行業中得到廣泛應用[1]。國內外研究人員利用近紅外（NIR）分析技術對水果內部品質指標檢測已取得了重大成績，Kawano選用680～1 235 nm光譜范圍近紅外光譜，采用透射的方法對柑橘的糖濃度進行了檢測分析[2]；Slaughter采用近紅外光譜分析技術對油桃內可溶性固形物含量、糖度和葉綠素A含量等指標進行了定量研究[3]；McGlone研究了不同的近紅外檢測系統對高速運動的蘋果內部糖濃度檢測的影響[4]。在國內，近紅外光譜分析技術在農副產品中的研究雖然起步比較晚，但也已取得了相當多的成就。孫通等采用近紅外光譜結合可見光對南豐蜜桔的可溶性固形物含量的影響進行了研究[5]；劉燕德等利用近紅外漫反射技術對蘋果糖濃度的影響進行了定量研究[6]；董小玲等采用近紅外漫反射技術結合小波壓縮技術對馬鈴薯淀粉含量的影響進行了深入研究[7]；高海龍等利用近紅外漫反射光譜實現了對鮮棗品種的鑒別和對劣棗的剔除工作[8]。前人通過大量的試驗證明，采用近紅外漫反射技術間接實現對水果糖濃度和酸度的檢測是可行的，在這方面積累了大量的經驗，然而大多數研究僅僅停留在試驗層次，還沒有一套完整的水果糖酸度實時檢測的設計研究方案。因此，本試驗在前人理論研究的基礎上探索性地設計了一個水果糖酸濃度實時檢測裝置。

1系統設計

為了實現水果糖度和酸度內部品質的檢測，根據近紅外在線檢測的設計要求，設計了基于試驗臺基礎的實時檢測系統，為在線實時檢測試驗提供了良好的硬件支持。

1.1整體設計

為建立一種基于近紅外光譜分析的水果內部品質（糖度和酸度）在線實時檢測系統，使該裝置可以實現水果在一定范圍內的傳輸、水果定位、光譜采集、定量/定性分析等功能。因此，該系統主要包括傳輸單元、控制單元、光譜采集單元和數據處理單元等部分（圖1）。傳輸單元包括托盤、軌道、輸送小車等部分，輸送小車帶動裝有水果的托盤在軌道上運動，完成水果傳輸的任務，輸送小車的最終動力來源于電動機，控制系統通過控制電機的運轉，達到控制水果的運輸。控制單元由1對檢測出發裝置和用于試驗臺上所需控制的部件通信接口構成，負責控制小車的動作，完成水果定位、光譜采集等工作。光譜采集單元包括采集探頭、光纖、光譜儀等部分構成，負責完成對每個水果的光譜采集的任務。數據處理單元由特定的DSP處理器和事先建立的水果糖酸度預測算法模型組成，通過對光譜的預處理去除噪聲，然后輸入到預測模型得到水果的內部品質指標。

1.2傳輸系統設計

傳輸系統負責水果保持特定的姿態以一定的速度進入光譜檢測箱中，為光譜的采集做好實現準備工作。這個環節的技術特點在于保證水果的穩定運動、托盤與水果之間的避光區、傳輸速度的調節等。具體設計如下所述。

1.2.1軌道設計根據水果的實際大小和實現水果的平穩傳輸的要求，軌道采用市場上的型材加工而成，使用2根平行的三角鐵型鋼結構設計，保證2根角鐵的平行，角鐵的角為小車提供導向作用，保證小車的有向運動。

1.2.2水果托盤和小車設計水果托盤和小車的設計主要要完成水果的運輸和定位功能，設計結構如圖2所示。

1.3光照系統設計

光照系統由光源和光照箱兩部分構成，為水果在線檢測提供穩定、可控的近紅外光源，使整個系統有足夠強的光線被照射到水果表面，協助光譜采集模塊完成漫反射光譜的采集

工作。光照系統設計結構圖如圖3所示。

1.4光譜采集部分設計

光譜采集單元包括近紅外探測器、光纖、光譜儀等部分，主要完成對水果漫反射回的近紅外光譜進行實時采集，光譜采集部分流程圖如圖4所示。本系統中采用的近紅外漫反射吸光度計算公式為：

3結論

本研究首先對水果糖酸度近紅外檢測系統進行整體設計，主要對傳輸模塊、光照模塊、光譜采集模塊和數據分析處理模塊進行了詳細設計說明，然后采用100個福建早桔作為試驗樣本對系統進行驗證，驗證結果表明采用近紅外光譜漫反射技術間接實現對水果糖酸度的檢測是可行的，且具有較好的效果。其中，用光譜預處理后建立的水果糖酸度模型效果更佳，采用多元散色校正（MSC）的光譜預處理方法對光譜預處理后建立的模型最優。

參考文獻：

[1]王偉明，董大明，鄭文剛，等. 梨果糖濃度近紅外漫反射光譜檢測的預處理方法研究[J]. 光譜學與光譜分析，2013，33（2）：359-362.

[2] Kawano S. Present condition of nondestructive quality evaluation of fruits and vegetables in Japan[J]. JARQ，1992，28：212.

[3]Slaughter D C. Nondestructive determination of internal quality in peaches and nectarines[J]. Transactions of The ASAE，1995，38（2）：617-623.

[4]McGlone V A. Transmission measurements on intact apples moving at high speed[J]. Journal of Near Infrared Spectroscopy，2004，12（1）：37-43.

[5]孫通，許文麗，胡田，等. 基于UVE-ICA和支持向量機的南豐蜜桔可溶性固形物可見-近紅外檢測[J]. 光譜學與光譜分析，2013，33（12）：3235-3239.

[6]劉燕德，應義斌. 蘋果糖分含量的近紅外漫反射檢測研究[J]. 農業工程學報，2004，20（1）：189-192.

[7]董小玲，孫旭東. 基于小波壓縮的馬鈴薯全粉還原糖近紅外光譜檢測研究[J]. 光譜學與光譜分析，2013，33（12）：3216-3220.

[8]高海龍，李小昱. 近紅外光譜鑒別鮮棗品種及裂果研究[J]. 光譜學與光譜分析，2013，33（12）：3231-3234.

[9]劉蘭濤，陳曉光，吳文福，等. 三波長谷物蛋白質近紅外檢測儀[J]. 吉林大學學報：工學版，2009，39（1）：93-97.

摘要：采用近紅外光譜分析技術對水果糖酸度檢測裝置進行研究，主要設計了水果傳輸模塊、光照模塊、光譜采集模塊和數據分析處理模塊，再以福建早桔作為試驗樣本對系統進行驗證。結果表明，采用近紅外漫反射光譜分析技術實現對水果糖酸度的實時檢測是可行的，且采用多元散色校正（MSC）的光譜預處理方法對水果漫反射光譜進行預處理后建立的模型最優，模型具有良好的預測精度和預測穩定性。

關鍵詞：水果；糖酸度；實時檢測裝置；近紅外；漫反射；多元散色校正；精度；穩定性

中圖分類號： TP274+.5文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）10-0289-03

收稿日期：2013-12-26

基金項目：國家自然基金（編號：41201294）；山西省自然科學基金（編號：2009021019-3、2013011026-2）。

作者簡介：陸輝山（1975—），男，山西應縣人，博士，副教授，主要從事無損檢測技術與裝置研究。E-mail：759013520@qq.com。水果因含有人體所需的多種礦物質、維生素等營養成分而被人們作為不可或缺的日常食用品，隨著生活水平的提高，人們對食用水果的甜度好口感也有了更高的要求。傳統的檢測技術不但費時費力，而且還會對水果造成傷害。近年來，近紅外光譜檢測技術的快速發展使得采用近紅外光譜分析技術實現對水果糖濃度的快速、無損檢測成為可能。近紅外光譜檢測技術具有快速簡便、無損、準確等特點，已在農業和食品行業中得到廣泛應用[1]。國內外研究人員利用近紅外（NIR）分析技術對水果內部品質指標檢測已取得了重大成績，Kawano選用680～1 235 nm光譜范圍近紅外光譜，采用透射的方法對柑橘的糖濃度進行了檢測分析[2]；Slaughter采用近紅外光譜分析技術對油桃內可溶性固形物含量、糖度和葉綠素A含量等指標進行了定量研究[3]；McGlone研究了不同的近紅外檢測系統對高速運動的蘋果內部糖濃度檢測的影響[4]。在國內，近紅外光譜分析技術在農副產品中的研究雖然起步比較晚，但也已取得了相當多的成就。孫通等采用近紅外光譜結合可見光對南豐蜜桔的可溶性固形物含量的影響進行了研究[5]；劉燕德等利用近紅外漫反射技術對蘋果糖濃度的影響進行了定量研究[6]；董小玲等采用近紅外漫反射技術結合小波壓縮技術對馬鈴薯淀粉含量的影響進行了深入研究[7]；高海龍等利用近紅外漫反射光譜實現了對鮮棗品種的鑒別和對劣棗的剔除工作[8]。前人通過大量的試驗證明，采用近紅外漫反射技術間接實現對水果糖濃度和酸度的檢測是可行的，在這方面積累了大量的經驗，然而大多數研究僅僅停留在試驗層次，還沒有一套完整的水果糖酸度實時檢測的設計研究方案。因此，本試驗在前人理論研究的基礎上探索性地設計了一個水果糖酸濃度實時檢測裝置。

1系統設計

為了實現水果糖度和酸度內部品質的檢測，根據近紅外在線檢測的設計要求，設計了基于試驗臺基礎的實時檢測系統，為在線實時檢測試驗提供了良好的硬件支持。

1.1整體設計

為建立一種基于近紅外光譜分析的水果內部品質（糖度和酸度）在線實時檢測系統，使該裝置可以實現水果在一定范圍內的傳輸、水果定位、光譜采集、定量/定性分析等功能。因此，該系統主要包括傳輸單元、控制單元、光譜采集單元和數據處理單元等部分（圖1）。傳輸單元包括托盤、軌道、輸送小車等部分，輸送小車帶動裝有水果的托盤在軌道上運動，完成水果傳輸的任務，輸送小車的最終動力來源于電動機，控制系統通過控制電機的運轉，達到控制水果的運輸。控制單元由1對檢測出發裝置和用于試驗臺上所需控制的部件通信接口構成，負責控制小車的動作，完成水果定位、光譜采集等工作。光譜采集單元包括采集探頭、光纖、光譜儀等部分構成，負責完成對每個水果的光譜采集的任務。數據處理單元由特定的DSP處理器和事先建立的水果糖酸度預測算法模型組成，通過對光譜的預處理去除噪聲，然后輸入到預測模型得到水果的內部品質指標。

1.2傳輸系統設計

傳輸系統負責水果保持特定的姿態以一定的速度進入光譜檢測箱中，為光譜的采集做好實現準備工作。這個環節的技術特點在于保證水果的穩定運動、托盤與水果之間的避光區、傳輸速度的調節等。具體設計如下所述。

1.2.1軌道設計根據水果的實際大小和實現水果的平穩傳輸的要求，軌道采用市場上的型材加工而成，使用2根平行的三角鐵型鋼結構設計，保證2根角鐵的平行，角鐵的角為小車提供導向作用，保證小車的有向運動。

1.2.2水果托盤和小車設計水果托盤和小車的設計主要要完成水果的運輸和定位功能，設計結構如圖2所示。

1.3光照系統設計

光照系統由光源和光照箱兩部分構成，為水果在線檢測提供穩定、可控的近紅外光源，使整個系統有足夠強的光線被照射到水果表面，協助光譜采集模塊完成漫反射光譜的采集

工作。光照系統設計結構圖如圖3所示。

1.4光譜采集部分設計

光譜采集單元包括近紅外探測器、光纖、光譜儀等部分，主要完成對水果漫反射回的近紅外光譜進行實時采集，光譜采集部分流程圖如圖4所示。本系統中采用的近紅外漫反射吸光度計算公式為：

3結論

本研究首先對水果糖酸度近紅外檢測系統進行整體設計，主要對傳輸模塊、光照模塊、光譜采集模塊和數據分析處理模塊進行了詳細設計說明，然后采用100個福建早桔作為試驗樣本對系統進行驗證，驗證結果表明采用近紅外光譜漫反射技術間接實現對水果糖酸度的檢測是可行的，且具有較好的效果。其中，用光譜預處理后建立的水果糖酸度模型效果更佳，采用多元散色校正（MSC）的光譜預處理方法對光譜預處理后建立的模型最優。

參考文獻：

[1]王偉明，董大明，鄭文剛，等. 梨果糖濃度近紅外漫反射光譜檢測的預處理方法研究[J]. 光譜學與光譜分析，2013，33（2）：359-362.

[2] Kawano S. Present condition of nondestructive quality evaluation of fruits and vegetables in Japan[J]. JARQ，1992，28：212.

[3]Slaughter D C. Nondestructive determination of internal quality in peaches and nectarines[J]. Transactions of The ASAE，1995，38（2）：617-623.

[4]McGlone V A. Transmission measurements on intact apples moving at high speed[J]. Journal of Near Infrared Spectroscopy，2004，12（1）：37-43.

[5]孫通，許文麗，胡田，等. 基于UVE-ICA和支持向量機的南豐蜜桔可溶性固形物可見-近紅外檢測[J]. 光譜學與光譜分析，2013，33（12）：3235-3239.

[6]劉燕德，應義斌. 蘋果糖分含量的近紅外漫反射檢測研究[J]. 農業工程學報，2004，20（1）：189-192.

[7]董小玲，孫旭東. 基于小波壓縮的馬鈴薯全粉還原糖近紅外光譜檢測研究[J]. 光譜學與光譜分析，2013，33（12）：3216-3220.

[8]高海龍，李小昱. 近紅外光譜鑒別鮮棗品種及裂果研究[J]. 光譜學與光譜分析，2013，33（12）：3231-3234.

[9]劉蘭濤，陳曉光，吳文福，等. 三波長谷物蛋白質近紅外檢測儀[J]. 吉林大學學報：工學版，2009，39（1）：93-97.