農(nóng)產(chǎn)品無損檢測方法介紹

1、 農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)無損檢測的農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)無損檢測的幾種方法介紹幾種方法介紹Contents目目 錄錄近紅外光譜分析技術(shù)近紅外光譜分析技術(shù)電子鼻技術(shù)電子鼻技術(shù)機(jī)器視覺技術(shù)機(jī)器視覺技術(shù)核磁共振和聲震動(dòng)技術(shù)核磁共振和聲震動(dòng)技術(shù)4123近紅外光譜分析技術(shù)近紅外光譜分析技術(shù)紅外計(jì)算技術(shù)的發(fā)展Norris對谷物分析是采用單波長線性回歸或多波長多元線性回歸的方法得到定量結(jié)果Kowalski教授開始化學(xué)計(jì)量學(xué)的研究賦予了近紅外技術(shù)新的發(fā)展點(diǎn)非線性校正在光譜分析中的應(yīng)用逐漸增多5050年代年代 7070年代年代 9090年代年代近紅外光譜分析技術(shù)近紅外光譜分析技術(shù)近紅外光譜分析技術(shù)的原理近紅外光譜分析技術(shù)的原理 近紅外

2、近紅外光譜分析技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展以及光譜分析技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展以及化學(xué)計(jì)量學(xué)方法研究的日益深入而發(fā)展起來化學(xué)計(jì)量學(xué)方法研究的日益深入而發(fā)展起來的的，近紅外近紅外光光NIR(Near Infrared)是介于可見光譜區(qū)和中紅外光譜區(qū)是介于可見光譜區(qū)和中紅外光譜區(qū)之間的電磁波之間的電磁波,其波長范圍約為其波長范圍約為780-2526nm, 有機(jī)物有機(jī)物以及以及部分無機(jī)物分子中化學(xué)鍵結(jié)合的各種基團(tuán)部分無機(jī)物分子中化學(xué)鍵結(jié)合的各種基團(tuán)(如如C-C,N-C,O-C,O-H,N-H)的運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)(伸縮、振動(dòng)、彎曲等伸縮、振動(dòng)、彎曲等)都有它固定的振都有它固定的振動(dòng)頻率。當(dāng)分子受到紅

3、外線照射時(shí)動(dòng)頻率。當(dāng)分子受到紅外線照射時(shí),被激發(fā)產(chǎn)生共振被激發(fā)產(chǎn)生共振,同時(shí)光的同時(shí)光的能量一部分被吸收能量一部分被吸收,測量其吸收光測量其吸收光,可以得到極為復(fù)雜的圖譜。可以得到極為復(fù)雜的圖譜。這種圖譜就表示被測物質(zhì)的特征。不同物質(zhì)在近紅外區(qū)域有這種圖譜就表示被測物質(zhì)的特征。不同物質(zhì)在近紅外區(qū)域有豐富的吸收光譜豐富的吸收光譜,每種成分都有特定的吸收特征每種成分都有特定的吸收特征,這為近紅外光這為近紅外光譜定量分析提供了譜定量分析提供了基礎(chǔ)?；A(chǔ)。近紅外光譜學(xué)中化學(xué)計(jì)量學(xué)的內(nèi)容近紅外光譜學(xué)中化學(xué)計(jì)量學(xué)的內(nèi)容光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理定量校正模式識別定性方法模型傳遞多元線性回歸多元線性回歸（MLR）主成分回

4、歸法主成分回歸法（PCR）偏最小二乘法偏最小二乘法（PLS）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法（ANN）標(biāo)準(zhǔn)正交變量變換標(biāo)準(zhǔn)正交變量變換（SNV）近紅外光譜分析技術(shù)的特點(diǎn)近紅外光譜分析技術(shù)的特點(diǎn) 與與傳統(tǒng)的檢測方法相比，近紅外光譜法可以不經(jīng)傳統(tǒng)的檢測方法相比，近紅外光譜法可以不經(jīng)過樣品分離過樣品分離,直接由近紅外光譜測定出其中的多種成直接由近紅外光譜測定出其中的多種成分含量分含量,省去了化學(xué)分析方法中的稱量、省去了化學(xué)分析方法中的稱量、 定容等繁瑣定容等繁瑣步驟步驟,具有速度快、效率高、成本低、重現(xiàn)性好、方具有速度快、效率高、成本低、重現(xiàn)性好、方便等便等特點(diǎn)特點(diǎn)。 可以可以同時(shí)測定同一樣品的多個(gè)不同

5、組分含量同時(shí)測定同一樣品的多個(gè)不同組分含量,而水而水果的許多品質(zhì)指標(biāo)，如農(nóng)藥殘留，糖度、酸度、堅(jiān)果的許多品質(zhì)指標(biāo)，如農(nóng)藥殘留，糖度、酸度、堅(jiān)實(shí)度，以及蔬菜的病變、維生素等物質(zhì)含量，恰恰實(shí)度，以及蔬菜的病變、維生素等物質(zhì)含量，恰恰需要無損檢測需要無損檢測因此因此近幾年來近幾年來,利用近紅外光譜分析技利用近紅外光譜分析技術(shù)進(jìn)行果品品質(zhì)的研究正在形成一個(gè)新的熱點(diǎn)研究術(shù)進(jìn)行果品品質(zhì)的研究正在形成一個(gè)新的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。領(lǐng)域。電子鼻技術(shù)電子鼻技術(shù)什么是電子鼻？ 電子鼻是利用氣體傳感器陣列的響應(yīng)圖案來電子鼻是利用氣體傳感器陣列的響應(yīng)圖案來識別氣味的電子系統(tǒng)，它可以在幾小時(shí)、幾識別氣味的電子系統(tǒng)，它可以在幾小

6、時(shí)、幾天甚至數(shù)月的時(shí)間內(nèi)連續(xù)地、實(shí)時(shí)地監(jiān)測特天甚至數(shù)月的時(shí)間內(nèi)連續(xù)地、實(shí)時(shí)地監(jiān)測特定位置的氣味狀況。定位置的氣味狀況。電子鼻組成電子鼻組成 電子鼻主要由氣味取樣操作器、氣體傳感器陣列和信號處理系統(tǒng)三種功能器件組成。電子鼻的工作原理電子鼻的工作原理 電子電子鼻識別的主要機(jī)理是在陣列中的每個(gè)傳感器鼻識別的主要機(jī)理是在陣列中的每個(gè)傳感器對被測氣體都有不同的靈敏度，例如，一號氣體可對被測氣體都有不同的靈敏度，例如，一號氣體可在某個(gè)傳感器上產(chǎn)生高響應(yīng)，而對其他傳感器則是在某個(gè)傳感器上產(chǎn)生高響應(yīng)，而對其他傳感器則是低響應(yīng)；同樣，二號氣體產(chǎn)生高響應(yīng)的傳感器對一低響應(yīng)；同樣，二號氣體產(chǎn)生高響應(yīng)的傳感器對一號氣

7、體則不敏感，歸根結(jié)底，整個(gè)傳感器陣列對不號氣體則不敏感，歸根結(jié)底，整個(gè)傳感器陣列對不同氣體的響應(yīng)圖案是不同的，正是這種區(qū)別，才使同氣體的響應(yīng)圖案是不同的，正是這種區(qū)別，才使系統(tǒng)能根據(jù)傳感器的響應(yīng)圖案來識別氣體。系統(tǒng)能根據(jù)傳感器的響應(yīng)圖案來識別氣體。傳感器陣列數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳感器陣列數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)v 傳感器陣列的模擬輸出經(jīng)傳感器陣列的模擬輸出經(jīng)/ /轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入計(jì)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)處理和模式識別系統(tǒng)算機(jī)中的數(shù)據(jù)處理和模式識別系統(tǒng) 被測嗅覺的強(qiáng)度既被測嗅覺的強(qiáng)度既可用每個(gè)傳感器的輸出的絕對電壓、電阻或電導(dǎo)來表可用每個(gè)傳感器的輸出的絕對電壓、電阻或電導(dǎo)來表示示, ,也可用相對信號值如

8、歸一化的電阻或電導(dǎo)值也可用相對信號值如歸一化的電阻或電導(dǎo)值, ,即它即它們的變化率來比較嗅味的性質(zhì)。們的變化率來比較嗅味的性質(zhì)。 傳感器陣列的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號 在電子鼻系統(tǒng)的研究中在電子鼻系統(tǒng)的研究中,目前十分引人關(guān)注目前十分引人關(guān)注的的3個(gè)方面?zhèn)€方面:電子電子鼻技術(shù)的研究現(xiàn)狀鼻技術(shù)的研究現(xiàn)狀A(yù). 研究對微量氣體分子瞬時(shí)敏感的檢測器,以得到與氣體化學(xué)成分相對應(yīng)的信號 B. 研究對檢測得到的信號進(jìn)行識別與分類的數(shù)據(jù)處理器,以便將有用信號與噪聲加以分離C. 研究將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為感官評定指標(biāo)的智能解釋器,以得到與人的感官感受相符的結(jié)果電子電子鼻技術(shù)的應(yīng)用前景鼻技術(shù)的應(yīng)用前景v電子

9、鼻具有便攜及實(shí)時(shí)、在線、原位分析等特點(diǎn)電子鼻具有便攜及實(shí)時(shí)、在線、原位分析等特點(diǎn), ,可用于氣味鑒別、復(fù)雜環(huán)境下氣體濃度鑒別和可燃可用于氣味鑒別、復(fù)雜環(huán)境下氣體濃度鑒別和可燃?xì)怏w、有機(jī)揮發(fā)物或有毒氣體的鑒別氣體、有機(jī)揮發(fā)物或有毒氣體的鑒別, ,具有廣泛的具有廣泛的應(yīng)用前景。應(yīng)用前景。v電子鼻技術(shù)的長處在于對氣體進(jìn)行定性分析。近電子鼻技術(shù)的長處在于對氣體進(jìn)行定性分析。近20年來，電子鼻研究取得了長足進(jìn)展。盡管受敏年來，電子鼻研究取得了長足進(jìn)展。盡管受敏感膜材料、制造工藝、數(shù)據(jù)處理方法等方面的限制，感膜材料、制造工藝、數(shù)據(jù)處理方法等方面的限制，電子鼻的檢測與識別范圍與人們的期望還存在距離，電子鼻的

10、檢測與識別范圍與人們的期望還存在距離，但是，將之應(yīng)用于食品、化妝品、香料香精等輕工但是，將之應(yīng)用于食品、化妝品、香料香精等輕工業(yè)品香氣質(zhì)量評定的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟了。業(yè)品香氣質(zhì)量評定的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟了。 機(jī)器視覺技術(shù)機(jī)器視覺技術(shù) 機(jī)器機(jī)器視覺就是是指用攝影機(jī)和電腦代替人眼對視覺就是是指用攝影機(jī)和電腦代替人眼對目標(biāo)進(jìn)行識別、跟蹤和測量等，并進(jìn)一步做圖形處目標(biāo)進(jìn)行識別、跟蹤和測量等，并進(jìn)一步做圖形處理，用電腦處理成為更適合人眼觀察或傳送給儀器理，用電腦處理成為更適合人眼觀察或傳送給儀器檢測的圖像。檢測的圖像。各種攝像頭 獲取被檢獲取被檢測物體的測物體的面積、數(shù)面積、數(shù)量、位置、量、位置、長度長度圖像分析

11、提取多類提取多類顏色信息顏色信息構(gòu)建模型 利用各種利用各種建模軟件建模軟件構(gòu)建模型構(gòu)建模型 機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)采用機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)采用CCD照相機(jī)照相機(jī)將被檢測將被檢測的的目標(biāo)目標(biāo)標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理圖像處理系統(tǒng)系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號，圖像處理系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各成數(shù)字化信號，圖像處理系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，如面積、數(shù)量、位置、種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，如面積、數(shù)量、位置、長度，再根據(jù)預(yù)設(shè)的允許度和其他條件輸出結(jié)果，長度，再根據(jù)預(yù)設(shè)的允許度和其他條件輸出結(jié)果，包

12、括尺寸、角度、個(gè)數(shù)、合格包括尺寸、角度、個(gè)數(shù)、合格 / 不合格、有不合格、有 / 無無等，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識別功能。等，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識別功能。機(jī)器視覺的機(jī)器視覺的關(guān)鍵關(guān)鍵性性技術(shù)技術(shù)（1）光照照明技術(shù)）光照照明技術(shù)（2）光學(xué)鏡頭）光學(xué)鏡頭（3）CCD攝像機(jī)攝像機(jī)（4）圖像采集卡）圖像采集卡（5）視覺傳感器）視覺傳感器 機(jī)器視覺系統(tǒng)的工作原理機(jī)器視覺系統(tǒng)的工作原理 機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用v 第一是定位功能，能夠自動(dòng)判斷感興趣的物體、產(chǎn)品在什第一是定位功能，能夠自動(dòng)判斷感興趣的物體、產(chǎn)品在什么位置，并將位置信息通過一定的通訊協(xié)議輸出，此功能么位置，并將位置信息通過一定的通訊協(xié)議輸出，此功能多用于

13、全自動(dòng)裝配和生產(chǎn)，如自動(dòng)組裝、自動(dòng)焊接、自動(dòng)多用于全自動(dòng)裝配和生產(chǎn)，如自動(dòng)組裝、自動(dòng)焊接、自動(dòng)包裝、自動(dòng)灌裝、自動(dòng)噴涂，多配合自動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（機(jī)械包裝、自動(dòng)灌裝、自動(dòng)噴涂，多配合自動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（機(jī)械手、焊槍、噴嘴等）。手、焊槍、噴嘴等）。 v 第二是測量功能，也就是能夠自動(dòng)測量產(chǎn)品的外觀尺寸，第二是測量功能，也就是能夠自動(dòng)測量產(chǎn)品的外觀尺寸，比如外形輪廓、孔徑、高度、面積測量等比如外形輪廓、孔徑、高度、面積測量等。v 第三是缺陷檢測功能，這是視覺系統(tǒng)用的最多的一項(xiàng)功能，第三是缺陷檢測功能，這是視覺系統(tǒng)用的最多的一項(xiàng)功能，它可以檢測產(chǎn)品表面的相關(guān)信息，如：包裝正誤，包裝是它可以檢測產(chǎn)品表面的相關(guān)信息

14、，如：包裝正誤，包裝是否正確、印刷有無錯(cuò)誤、表面有無刮傷或顆粒、破損、有否正確、印刷有無錯(cuò)誤、表面有無刮傷或顆粒、破損、有無油污、灰塵、塑料件有無穿孔、雨霧注塑不良等。無油污、灰塵、塑料件有無穿孔、雨霧注塑不良等。 機(jī)器視覺的發(fā)展趨勢機(jī)器視覺的發(fā)展趨勢技術(shù)方面的趨勢是數(shù)字化、實(shí)技術(shù)方面的趨勢是數(shù)字化、實(shí)時(shí)化、智能化時(shí)化、智能化基于嵌入式的產(chǎn)品將取代板卡基于嵌入式的產(chǎn)品將取代板卡式產(chǎn)品式產(chǎn)品價(jià)格持續(xù)下降，市場份額迅速價(jià)格持續(xù)下降，市場份額迅速擴(kuò)大擴(kuò)大核磁共振技術(shù)核磁共振技術(shù)v核磁共振是處于靜磁場中的原子核在另一交變磁核磁共振是處于靜磁場中的原子核在另一交變磁場作用下發(fā)生的物理現(xiàn)象。通常人們所說的

15、核磁場作用下發(fā)生的物理現(xiàn)象。通常人們所說的核磁共振指的是利用核磁共振現(xiàn)象獲取分子結(jié)構(gòu)、人共振指的是利用核磁共振現(xiàn)象獲取分子結(jié)構(gòu)、人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的技術(shù)。體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的技術(shù)。v并不是是所有原子核都能產(chǎn)生這種現(xiàn)象，原子核并不是是所有原子核都能產(chǎn)生這種現(xiàn)象，原子核能產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象是因?yàn)榫哂泻俗孕Ｔ雍四墚a(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象是因?yàn)榫哂泻俗孕?。原子核自旋產(chǎn)生磁矩，當(dāng)核磁矩處于靜止外磁場中時(shí)產(chǎn)自旋產(chǎn)生磁矩，當(dāng)核磁矩處于靜止外磁場中時(shí)產(chǎn)生核進(jìn)動(dòng)和能級分裂。在交變磁場作用下，自旋生核進(jìn)動(dòng)和能級分裂。在交變磁場作用下，自旋核會(huì)吸收特定頻率的電磁波，從較低的能級躍遷核會(huì)吸收特定頻率的電磁波，從較低的能級躍遷到較

16、高能級。到較高能級。核磁共振發(fā)展歷史核磁共振發(fā)展歷史v 1946年，哈佛大學(xué)珀賽爾年，哈佛大學(xué)珀賽爾(E.M.Purcell)用吸收發(fā)首次用吸收發(fā)首次觀測到石蠟中質(zhì)子的核磁共振（觀測到石蠟中質(zhì)子的核磁共振（NMR），幾乎同時(shí)美國斯），幾乎同時(shí)美國斯坦福大學(xué)布洛赫坦福大學(xué)布洛赫(F.Block)用感應(yīng)法發(fā)現(xiàn)液態(tài)水的核磁共用感應(yīng)法發(fā)現(xiàn)液態(tài)水的核磁共振現(xiàn)象。為此，他們分享拉振現(xiàn)象。為此，他們分享拉1952年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。v 早期的核磁共振主要采取連續(xù)波技術(shù)，靈敏度較低早期的核磁共振主要采取連續(xù)波技術(shù)，靈敏度較低，1966年發(fā)展起來的脈沖傅立葉變換核磁共振技術(shù)，使信年發(fā)展起來

17、的脈沖傅立葉變換核磁共振技術(shù)，使信號采集由頻域變?yōu)闀r(shí)域，大大提高拉檢測靈敏度，使研究號采集由頻域變?yōu)闀r(shí)域，大大提高拉檢測靈敏度，使研究底自然豐度的核成為現(xiàn)實(shí)底自然豐度的核成為現(xiàn)實(shí)。v 1971年，琴納（年，琴納（E。JEENER）提出拉具有兩個(gè)獨(dú)立時(shí)）提出拉具有兩個(gè)獨(dú)立時(shí)間變量的二維核磁共振概念。隨后，間變量的二維核磁共振概念。隨后，1971年，恩斯特（年，恩斯特（R。ERNST）等首次成功實(shí)現(xiàn)拉二維核磁共振實(shí)驗(yàn)，從此核）等首次成功實(shí)現(xiàn)拉二維核磁共振實(shí)驗(yàn)，從此核磁共振技術(shù)進(jìn)入拉一個(gè)新時(shí)代。磁共振技術(shù)進(jìn)入拉一個(gè)新時(shí)代。核磁共振的應(yīng)用核磁共振的應(yīng)用v在歐美等發(fā)達(dá)國家核磁共振技術(shù)被運(yùn)用于在歐美等發(fā)達(dá)國家核磁共振技術(shù)被運(yùn)用于化工化工、石油、橡膠、建材、食品、冶金、地質(zhì)、國防、石油、橡膠、建材、食品、冶金、地質(zhì)、國防、環(huán)保、紡織及其它工