毕业论文—水果损伤红外检测系统设计

水果损伤红外检测系统设计

摘 要：在水果的整个生产和消费过程中，水果损伤检测始终不容忽视，本文尝试运用脉冲红外热波技术进行检测，以具有代表性的苹果和甜瓜为例，所检测的损伤类型包括表面压伤、碰伤、表面腐烂和表面疤痕等。该检测系统以脉冲闪光灯作为热激励源，当被测物体即水果感受到脉冲光的作用时会产生热响应，将水果热响应的图像用红外热像仪记录下来，再对图像进行进一步的处理和分析，据此判断所测物体是否含有缺陷。

关键词：水果损伤; 脉冲红外热波技术; 热响应; 损伤检测

Abstract：In the entire process of production and consumption of the fruit, the detection of the damage would never be ignored. In 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 the 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, the tested fruit felt the energy of the pulsed light, it would have a response. After we recorded the response with infrared thermal imager, we could judge whether the fruit has been damaged when we have a further processing and analysis.

Key words： Fruit damage; Thermal wave imaging; Thermal response; Damage detection

1 引言

我国水果的种植面积大、产量高，而现在，水果生产的重点已经慢慢从提高数量转移到提高质量上来了。但由于水果的收购来源不一，因而水果的品质就有好有坏，再加上在采摘、储存及运输等过程中极易造成水果表面或内部不同程度的损伤，因而进行水果损伤检测很有必要。一般来说，比较严重的损伤(如破损、 腐烂等)肉眼即可识别或者可运用计算机视觉技术在可见光范围内检出。而轻微受

损的水果从外表看不出明显的变化, 受水果果皮颜色的影响，运用传统的视觉检测技术也很难检出，但这些损伤却导致水果极易被感染，随着时间的推移,损伤部位就会慢慢腐烂变质且影响周围其他水果。与此同时，由于水果损伤检测技术的短板，我国现在的果品分级系统远落后于国际标准，这也是导致我国水果售价远低于其它发达国家售价的一大原因。所以，及时检出受损水果对于减少经济损失具有重要意义，也有利于提高我国水果在国际市场中的竞争力等。

关于水果损伤的检测，早已提出多种方法，每个方法都各有其优、缺点。其中，X射线成像技术和核磁共振成像技术均可用于检测水果内部缺陷，但由于设备昂贵难以运用于实际生产[1-2]。计算机视觉技术可用于检测较严重的损伤，如明显的腐烂和破损等[3]，但对于水果表皮下的损伤则无能为力，而且对于深色水果的擦伤检测易产生误判。近红外光谱分析技术可检测出多种水果损伤，如苹果内部发生的褐变、水心、淀粉、浅层损伤等，又如柑橘的局部失水、浮皮等，检测范围也很广泛，包括薄皮中小型果实如桃等，及厚皮大型果实如西瓜等[4-5]。高光谱图像技术可检测出图像信息和光谱信息，图像信息可反映出水果的外部品质，光谱信息则可反映出水果的内部品质，根据水果内、外部的综合品质就可实现分类的目的[6-7]。

近年来，红外热成像技术被发现可应用于水果损伤的检测，国内外均有相关研究。江苏大学的黄星奕等人设计了一种可在900～1100nm处采用近红外图像处理技术对水果轻微损伤进行在线检测的装置[3] 。J.Varith等以热风作为热激励源，同时运用3.4-5µm热像仪成功检测到苹果碰伤缺陷[8]。X. Cheng等同时使用近红外和中红外摄像机成功实现了对经过4摄氏度冷藏后的水果的外部品质检测[9]。Baranowsk等利用长波热像仪检测了经过1.5度冷藏后到室温的苹果，可检测苹果水心[10],用两只大功率碘钨灯加热3秒，分析加热过程温度变化规律以及用脉冲相位算法分析降温特征，实现了苹果的早期碰伤检测[11]。

我们所使用的脉冲红外热波技术不仅可以实现无损检测，不破坏被测水果，还具有检测速度快的特点，在工业生产上具有较高的可行性。在简要介绍反射式

脉冲红外热波技术的基本原理后，我们以苹果和甜瓜为例，检测了包括表面腐烂、表面压伤、碰伤和表面疤痕在内的损伤类型，记录下实验结果，同时分析了各种缺陷在热图中反映出热异常的原因。

2 脉冲红外热波技术原理

无损检测技术是指在不破坏被检测对象的前提下，通过运用物理方法，包括声、光、电、图像视觉技术等，实现对物体内、外部品质的检测分析。一般情况下是将一个较高的能量施加给待测物体，通过研究待测物在所施加能量下的表现获得待测物的某些物理化学特性。无损检测技术最大的特点就是在获取所需待测物体的信息的同时保证了样本的完整性。脉冲红外热波技术作为光技术，就是一种无损检测技术，在不损伤待测水果的条件下实现损伤检测。

水果损伤红外检测系统的设计如图1所示，实验中所用热源是两个脉冲闪光灯，它们在脉冲模式下可以释放出高热量，实现对被测水果表面的瞬时加热。当水果表面吸收了瞬时热量后温度会瞬间升高，紧接着热量逐渐从水果表面向内部传递，从而导致表面温度的降低和内部温度的升高。当水果内部有变质腐烂等损伤时，会表现出不同于正常果肉的温度变化。在整个过程中使用高速红外热像仪记录下水果表面温度的变化过程，通过后期处理和分析热图，我们就能判断被测水果是否有缺陷。

图1 水果损伤红外检测系统

当物体表面感受到脉冲闪光灯的作用后，其表面会吸收瞬时热能，热量以热波的形式迅速从物体表面向其内部传播，当遇到两种不同材料的非绝热界面后会发生反射和透射，受损果肉和正常果肉就是两种不同材料，所以在热图上会表现出两种状态。

实验前需要对被测物体表面进行处理，使其表面更均匀且具有较好的表面热辐射率和热吸收率，这在一定程度上可以减少实验误差。处理过后的表面可近似看做是均匀的，当被测物体内部有缺陷或结构有异常时，通过观察热对比度可明显看出正常区域和缺陷区域之间的差异，从而实现对物体缺陷的检测。同时热对比度与缺陷部位所在的深度有关，当深度越小时，热对比度越大，在热图序列中出现的时间越早。

将其应用于水果检测时，因为水果表面可能存在不同损伤，所以不可能做类似于其他无损检测时的表面均匀处理。而对于已经变黑的表面腐烂果肉，相对于正常区域的果肉，由于水分流失且存在微生物反应等，其热特性相差会更大，同时其热辐射率和热吸收率也有较大差异。这些因素对实验结果的影响会在后文对实验结果的分析中进行解释。

3 材料和实验

准备贮存的水果，要保证其表面无黑、红点且无碰撞、破损等，这样的水果才能真正实现长期贮存，所以分级过程就要求要能够正确识别出这些缺陷。我们知道水果在采摘、包装、储运及加工等各个环节中都有可能受到损伤，而且受损伤的概率较高，各种外力作用或是水果间的相互碰撞等就是造成机械损伤的主要原因之一。在这里我们选择了易出现常见缺陷类型的苹果和甜瓜作为实验对象，以脉冲红外热波技术作为实验依据，以两个高能脉冲闪光灯作为脉冲热源。闪光灯的最高能量为4.8KJ，其输出能量可调，距离被测水果大约30cm。 …… 此处隐藏：6208字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……