畢業(yè)論文—水果損傷紅外檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　水果損傷紅外檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　摘 要：在水果的整個(gè)生產(chǎn)和消費(fèi)過程中，水果損傷檢測始終不容忽視，本文嘗試運(yùn)用脈沖紅外熱波技術(shù)進(jìn)行檢測，以具有代表性的蘋果和甜瓜為例，所檢測的損傷類型包括表面壓傷、碰傷、表面腐爛和表面疤痕等。該檢測系統(tǒng)以脈沖閃光燈作為熱激勵(lì)源，當(dāng)被測物體即水果感受到脈沖光的作用時(shí)會產(chǎn)生熱響應(yīng)，將水果熱響應(yīng)的圖像用紅外熱像儀記錄下來，再對圖像進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析

2、，據(jù)此判斷所測物體是否含有缺陷。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：水果損傷; 脈沖紅外熱波技術(shù); 熱響應(yīng); 損傷檢測</p><p>　　Abstract：In the entire process of production and consumption of the fruit, the detection of the damage would never be ignored. I

3、n this paper, we tried to test whether the technology of the thermal wave imaging would work in detecting the damage, we chose apples and melon as experimental subject, the damage types we tested include the bruised in t

4、he surface, bruising, decay and the scars in the surface, etc. The detection system uses pulse flash as a heat source, when the object, that is to say, </p><p>　　Key words： Fruit damage; Thermal wave imaging

5、; Thermal response; Damage detection</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　我國水果的種植面積大、產(chǎn)量高，而現(xiàn)在，水果生產(chǎn)的重點(diǎn)已經(jīng)慢慢從提高數(shù)量轉(zhuǎn)移到提高質(zhì)量上來了。但由于水果的收購來源不一，因而水果的品質(zhì)就有好有壞，再加上在采摘、儲存及運(yùn)輸?shù)冗^程中極易造成水果表面或內(nèi)部不同程度的損傷，因而進(jìn)行水果損

6、傷檢測很有必要。一般來說，比較嚴(yán)重的損傷(如破損、 腐爛等)肉眼即可識別或者可運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在可見光范圍內(nèi)檢出。而輕微受損的水果從外表看不出明顯的變化, 受水果果皮顏色的影響，運(yùn)用傳統(tǒng)的視覺檢測技術(shù)也很難檢出，但這些損傷卻導(dǎo)致水果極易被感染，隨著時(shí)間的推移,損傷部位就會慢慢腐爛變質(zhì)且影響周圍其他水果。與此同時(shí)，由于水果損傷檢測技術(shù)的短板，我國現(xiàn)在的果品分級系統(tǒng)遠(yuǎn)落后于國際標(biāo)準(zhǔn)，這也是導(dǎo)致我國水果售價(jià)遠(yuǎn)低于其它發(fā)達(dá)國家售價(jià)的一大原因。

7、所以，及時(shí)檢出受損水果對于減少經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義，也有利于提高我國水果在國際市場中的競爭力等。</p><p>　　關(guān)于水果損傷的檢測，早已提出多種方法，每個(gè)方法都各有其優(yōu)、缺點(diǎn)。其中，X射線成像技術(shù)和核磁共振成像技術(shù)均可用于檢測水果內(nèi)部缺陷，但由于設(shè)備昂貴難以運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)[1-2]。計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)可用于檢測較嚴(yán)重的損傷，如明顯的腐爛和破損等[3]，但對于水果表皮下的損傷則無能為力，而且對于深色水果的擦傷檢測

8、易產(chǎn)生誤判。近紅外光譜分析技術(shù)可檢測出多種水果損傷，如蘋果內(nèi)部發(fā)生的褐變、水心、淀粉、淺層損傷等，又如柑橘的局部失水、浮皮等，檢測范圍也很廣泛，包括薄皮中小型果實(shí)如桃等，及厚皮大型果實(shí)如西瓜等[4-5]。高光譜圖像技術(shù)可檢測出圖像信息和光譜信息，圖像信息可反映出水果的外部品質(zhì)，光譜信息則可反映出水果的內(nèi)部品質(zhì)，根據(jù)水果內(nèi)、外部的綜合品質(zhì)就可實(shí)現(xiàn)分類的目的[6-7]。</p><p>　　近年來，紅外熱成像技術(shù)被發(fā)

9、現(xiàn)可應(yīng)用于水果損傷的檢測，國內(nèi)外均有相關(guān)研究。江蘇大學(xué)的黃星奕等人設(shè)計(jì)了一種可在900～1100nm處采用近紅外圖像處理技術(shù)對水果輕微損傷進(jìn)行在線檢測的裝置[3] 。J.Varith等以熱風(fēng)作為熱激勵(lì)源，同時(shí)運(yùn)用3.4-5µm熱像儀成功檢測到蘋果碰傷缺陷[8]。X. Cheng等同時(shí)使用近紅外和中紅外攝像機(jī)成功實(shí)現(xiàn)了對經(jīng)過4攝氏度冷藏后的水果的外部品質(zhì)檢測[9]。Baranowsk等利用長波熱像儀檢測了經(jīng)過1.5度冷藏后到室溫

10、的蘋果，可檢測蘋果水心[10],用兩只大功率碘鎢燈加熱3秒，分析加熱過程溫度變化規(guī)律以及用脈沖相位算法分析降溫特征，實(shí)現(xiàn)了蘋果的早期碰傷檢測[11]。</p><p>　　我們所使用的脈沖紅外熱波技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)無損檢測，不破壞被測水果，還具有檢測速度快的特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)上具有較高的可行性。在簡要介紹反射式脈沖紅外熱波技術(shù)的基本原理后，我們以蘋果和甜瓜為例，檢測了包括表面腐爛、表面壓傷、碰傷和表面疤痕在內(nèi)的損傷類

11、型，記錄下實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)分析了各種缺陷在熱圖中反映出熱異常的原因。</p><p>　　2 脈沖紅外熱波技術(shù)原理</p><p>　　無損檢測技術(shù)是指在不破壞被檢測對象的前提下，通過運(yùn)用物理方法，包括聲、光、電、圖像視覺技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)對物體內(nèi)、外部品質(zhì)的檢測分析。一般情況下是將一個(gè)較高的能量施加給待測物體，通過研究待測物在所施加能量下的表現(xiàn)獲得待測物的某些物理化學(xué)特性。無損檢測技術(shù)最大的特

12、點(diǎn)就是在獲取所需待測物體的信息的同時(shí)保證了樣本的完整性。脈沖紅外熱波技術(shù)作為光技術(shù)，就是一種無損檢測技術(shù)，在不損傷待測水果的條件下實(shí)現(xiàn)損傷檢測。</p><p>　　水果損傷紅外檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖1所示，實(shí)驗(yàn)中所用熱源是兩個(gè)脈沖閃光燈，它們在脈沖模式下可以釋放出高熱量，實(shí)現(xiàn)對被測水果表面的瞬時(shí)加熱。當(dāng)水果表面吸收了瞬時(shí)熱量后溫度會瞬間升高，緊接著熱量逐漸從水果表面向內(nèi)部傳遞，從而導(dǎo)致表面溫度的降低和內(nèi)部溫度的升高

13、。當(dāng)水果內(nèi)部有變質(zhì)腐爛等損傷時(shí)，會表現(xiàn)出不同于正常果肉的溫度變化。在整個(gè)過程中使用高速紅外熱像儀記錄下水果表面溫度的變化過程，通過后期處理和分析熱圖，我們就能判斷被測水果是否有缺陷。</p><p>　　圖1 水果損傷紅外檢測系統(tǒng)</p><p>　　當(dāng)物體表面感受到脈沖閃光燈的作用后，其表面會吸收瞬時(shí)熱能，熱量以熱波的形式迅速從物體表面向其內(nèi)部傳播，當(dāng)遇到兩種不同材料的非絕熱界面后會發(fā)

14、生反射和透射，受損果肉和正常果肉就是兩種不同材料，所以在熱圖上會表現(xiàn)出兩種狀態(tài)。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)前需要對被測物體表面進(jìn)行處理，使其表面更均勻且具有較好的表面熱輻射率和熱吸收率，這在一定程度上可以減少實(shí)驗(yàn)誤差。處理過后的表面可近似看做是均勻的，當(dāng)被測物體內(nèi)部有缺陷或結(jié)構(gòu)有異常時(shí)，通過觀察熱對比度可明顯看出正常區(qū)域和缺陷區(qū)域之間的差異，從而實(shí)現(xiàn)對物體缺陷的檢測。同時(shí)熱對比度與缺陷部位所在的深度有關(guān)，當(dāng)深度越

15、小時(shí)，熱對比度越大，在熱圖序列中出現(xiàn)的時(shí)間越早。</p><p>　　將其應(yīng)用于水果檢測時(shí)，因?yàn)樗砻婵赡艽嬖诓煌瑩p傷，所以不可能做類似于其他無損檢測時(shí)的表面均勻處理。而對于已經(jīng)變黑的表面腐爛果肉，相對于正常區(qū)域的果肉，由于水分流失且存在微生物反應(yīng)等，其熱特性相差會更大，同時(shí)其熱輻射率和熱吸收率也有較大差異。這些因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響會在后文對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析中進(jìn)行解釋。</p><p>&

16、lt;b>　　3 材料和實(shí)驗(yàn)</b></p><p>　　準(zhǔn)備貯存的水果，要保證其表面無黑、紅點(diǎn)且無碰撞、破損等，這樣的水果才能真正實(shí)現(xiàn)長期貯存，所以分級過程就要求要能夠正確識別出這些缺陷。我們知道水果在采摘、包裝、儲運(yùn)及加工等各個(gè)環(huán)節(jié)中都有可能受到損傷，而且受損傷的概率較高，各種外力作用或是水果間的相互碰撞等就是造成機(jī)械損傷的主要原因之一。在這里我們選擇了易出現(xiàn)常見缺陷類型的蘋果和甜瓜作為實(shí)

17、驗(yàn)對象，以脈沖紅外熱波技術(shù)作為實(shí)驗(yàn)依據(jù)，以兩個(gè)高能脈沖閃光燈作為脈沖熱源。閃光燈的最高能量為4.8KJ，其輸出能量可調(diào)，距離被測水果大約30cm。實(shí)驗(yàn)中所選用的紅外熱像儀的波段范圍為8-9 μm，在室溫下其熱靈敏度低于20mk，其距離被測水果大約35cm，采集頻率均設(shè)為60Hz。</p><p>　　3.1 蘋果損傷檢測</p><p>　　4個(gè)富士蘋果，從左至右依次編為1號、2號、3號

18、、4號。1號、2號兩個(gè)蘋果較大且品種相同，1號顏色較淺，2號顏色較深；3號、4號兩個(gè)蘋果較小且品種相同，顏色均相對較淺。1號蘋果有一條縱向的較長的壓痕，并且已經(jīng)變色，在這條壓痕下方有一條較短的橫向壓痕與之相交，其顏色相對較淺，肉眼基本上發(fā)現(xiàn)不了。2號蘋果下方有一處較大的碰傷，已經(jīng)凹陷并且明顯變色。3號蘋果上方有兩處明顯的腐爛。4號蘋果左上角和右方分別有一處小的壓痕，且已變色。</p><p>　　1秒作用下時(shí)的紅

19、外熱波實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。對于1號蘋果，盡管橫向壓痕顏色比縱向壓痕淺的多，肉眼幾乎難以發(fā)現(xiàn)，但在熱圖中我們可以看到，相對于正常區(qū)域，橫向壓痕同縱向壓痕一樣均表現(xiàn)出了明顯的熱異常。對于2號蘋果，在熱圖中可以明顯看到，碰傷部位的邊緣區(qū)域相對于正常區(qū)域來說更亮，與此同時(shí)碰傷位置的中央?yún)^(qū)域相對于正常區(qū)域要稍暗一點(diǎn)。對于3號蘋果，兩處腐爛位置反映在熱圖中均較亮，而且除了這兩處以外，在熱圖中3號蘋果還有好幾處位置較亮，仔細(xì)觀察3號蘋果也隱約可發(fā)現(xiàn)對

20、應(yīng)位置其內(nèi)部為黑色，說明熱圖中所反映的蘋果內(nèi)部的相應(yīng)位置確實(shí)有變質(zhì)。而對于4號蘋果，除了可以看到兩個(gè)明顯的壓痕較亮外，圖片的下方也有較亮區(qū)域，說明其內(nèi)部果肉已變質(zhì)。</p><p>　　8秒作用下時(shí)的紅外熱波實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，該熱圖反映的是相對較晚時(shí)刻的結(jié)果，也就是說它所反映的是較深的缺陷，相對1秒時(shí)的熱圖結(jié)果，其對應(yīng)缺陷部位的熱對比度也相對較小。對于1號蘋果，此時(shí)縱向壓痕的熱對比度明顯小于與其相交的橫向壓痕，

21、表明橫向壓痕所損傷的深度與縱向壓痕相比更深；同時(shí)，與縱向壓痕平行的右側(cè)在1秒時(shí)沒有出現(xiàn)熱異常，但現(xiàn)在可以隱約看到熱異常，表明該部位內(nèi)部可能存在較深的損傷，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是越深的缺陷在熱圖中顯現(xiàn)的時(shí)間越晚。對于2號蘋果，由于其損傷面積和深度均較大，8秒時(shí)的熱圖也可以看到明顯的熱對比度差異。對于3號蘋果，除了兩處腐爛位置外，依舊存在好幾處較亮區(qū)域，與1秒時(shí)的熱圖相對比，可以確認(rèn)這些較亮區(qū)域?qū)儆趦?nèi)部損傷。對于4號蘋果，其表面存在較小壓痕，

22、但反映到較晚時(shí)刻熱圖中，熱量已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，所以其對應(yīng)熱對比度很小。</p><p>　　圖2 不同損傷類型的蘋果</p><p>　　圖3 1秒后的受損圖像</p><p>　　圖4 8秒后的受損圖像</p><p>　　3.2 甜瓜損傷檢測</p><p>　　如圖5所示，，可以看到我們所挑選的甜瓜的表面

23、有一處很明顯且面積較大的腐爛部位，同時(shí)還可看到幾處明顯的傷疤。在紅外熱波的作用下，其0.016和2秒時(shí)的熱圖如圖6、圖7所示，我們可以看到，腐爛部位和傷疤部位在熱圖中均較亮。在0.016秒時(shí)刻的熱圖中，表面存在的較小的壓痕和碰傷等都較亮，但由于熱擴(kuò)散效應(yīng)，在2秒時(shí)這些小損傷的熱量已經(jīng)散發(fā)。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)瓜蒂在熱圖中也表現(xiàn)為較亮區(qū)域，所以實(shí)際運(yùn)用時(shí)還需要注意排除瓜蒂對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。 </p><p><

24、;b>　　圖5 受損的甜瓜</b></p><p>　　圖6 0.016秒后的受損圖像</p><p>　　圖7 2秒后的受損圖像</p><p><b>　　3.3 討論</b></p><p>　　實(shí)驗(yàn)選取了蘋果和甜瓜兩種水果，且涵蓋了包括表面壓傷、碰傷、表面腐爛和表面疤痕等在內(nèi)的常見的水果

25、損傷類型，運(yùn)用脈沖紅外熱波技術(shù)都能夠進(jìn)行有效的檢測，當(dāng)然，得到的熱圖各不相同，而產(chǎn)生熱異常的原因也不一樣。在脈沖能量的作用下，水果顏色不同會造成熱輻射率和熱吸收率存在差異，同時(shí)從而導(dǎo)致不同水果的初始溫度并不相同，而腐爛部位的降溫過程與正常部位之間也存在著較大差異，這些差異綜合到一起就表現(xiàn)為熱圖之間的差異。相對較淺的損傷，比如微小的壓痕等，它的受損面積和深度都較小，所以其表面可能并未變色，也正是因?yàn)槠鋼p傷深度較小，所以熱波反射會出現(xiàn)得更早

26、，反映在熱圖中就表現(xiàn)為可以更早地得到更好的觀察效果。而對于碰傷類的損傷，由于受損的蘋果會出現(xiàn)水分流失等，所以會造成其熱特性改變較大，反映在熱圖中就表現(xiàn)為在較早時(shí)刻損傷部位會出現(xiàn)較好的熱對比度，能夠很清晰地觀察到損傷邊緣。而在較晚時(shí)刻，由于熱擴(kuò)散效應(yīng)，整個(gè)碰傷區(qū)域都會表現(xiàn)出較好的熱對比度，有利于我們觀測到整個(gè)損傷區(qū)域。腐爛部位在脈沖能量作用后的較長的時(shí)間段內(nèi)仍然存在相對較大的熱對比度，也就更容易被檢測到。</p><p

27、><b>　　4 結(jié)語</b></p><p>　　本文實(shí)驗(yàn)了將紅外熱波技術(shù)運(yùn)用于檢測水果損傷，以蘋果、甜瓜為例，所檢測的缺陷損傷包括表面壓傷、碰傷、表面腐爛和表面疤痕等等。通過紅外熱波技術(shù)我們可以得到熱圖，通過分析熱圖就能夠判斷出所測水果是否受到損傷，而且應(yīng)用該技術(shù)不僅能夠?qū)⒈砥び袚p傷的水果成功檢測出來，還能夠更進(jìn)一步檢測出肉眼完全發(fā)現(xiàn)不了的存在于水果內(nèi)部的缺陷。在成功檢測到水果損

28、傷的同時(shí)，我們也簡要解釋了能夠進(jìn)行將該技術(shù)應(yīng)用于檢測的理論依據(jù)，以及內(nèi)部損傷的深度不同造成不同時(shí)間的熱圖不同的原因。雖然脈沖紅外熱波技術(shù)可以檢測出不同水果表面及內(nèi)部的一些常見損傷，但要實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用過程中所涉及的水果分類和分級等，還需要對熱圖中所反映的缺陷的圖像進(jìn)行進(jìn)一步處理和識別等，深入研究方可達(dá)到實(shí)用的目的。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn):</b></p><p

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