水果檢測分級設(shè)備的研究與應(yīng)用

水果檢測分級設(shè)備的研究與應(yīng)用

中國是世界上的水果生產(chǎn)大國，占世界水果生產(chǎn)的60%。然而，中國水果的國際市場份額很小，僅為世界總量的1.29%，而且與相同質(zhì)量的國外水果相比，價格為40%70%。導(dǎo)致我國水果出口量小、出口價格低的原因有很多,其中最主要的就是水果的采后處理技術(shù)裝備水平較低,未得到商品化處理,果品品質(zhì)良莠不齊,加之包裝水平低,使得我國水果較難進(jìn)入高端消費(fèi)市場。水果檢測分級可以將水果按照大小、質(zhì)量、顏色、品質(zhì)等不同特征分成不同的等級,以方便銷售和消費(fèi)者購買。水果檢測分級不僅可以增強(qiáng)果品在市場上的競爭力,還可以增加果品的附加值,提高經(jīng)濟(jì)效益。國內(nèi)外水果檢測分級裝置大致經(jīng)歷了從機(jī)械式、光電式到基于機(jī)器視覺技術(shù)的過程。本文通過綜述3種分級方式的技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀,指明這些技術(shù)存在的優(yōu)缺點(diǎn),并對未來水果檢測分級設(shè)備的發(fā)展方向和研究重點(diǎn)進(jìn)行展望。1孔穴或輸送鏈間間距大小的變化機(jī)械分級主要是將水果由輸送帶或輸送鏈傳送到分級部件,通過分級部件上大小依次變化的孔穴或直接通過輸送帶或輸送鏈之間間距的變化,使大小不同的果品先后分離,以達(dá)到分級的目的。目前,機(jī)械式水果分級機(jī)主要有滾杠式、輥式、滾筒式3種。1.1滾杠間距的確定滾杠式分級機(jī)中,所有滾杠相對水平面平行安裝,工作過程中滾杠之間的間距由小變大,水果在滾杠上輸送時,當(dāng)滾杠間距超過水果直徑,水果便掉進(jìn)下方相應(yīng)的分果槽中。1.2對雙輥同時工作的原理輥式分級機(jī)又可分為對輥式(也稱雙輥式)和輥帶式2種。對輥式分級機(jī)中,分級輥軸與水平面有一定傾角,并且兩分級輥軸之間成一定角度。工作時,對輥逆向旋轉(zhuǎn),由于對輥間有夾角,對輥之間形成逐漸增加的分級間距,又由于兩輥傾斜安裝,重力作用使水果下滾,當(dāng)滾至對輥間距大于果徑之處時,水果便從對輥間落下,進(jìn)入分果槽中。為了提高生產(chǎn)效率,可以設(shè)計(jì)安裝多對雙輥同時工作。對輥式分級機(jī)工作原理見圖2。輥帶式分級機(jī)通過改變輥軸與輸送帶之間距離來實(shí)現(xiàn)分級尺寸的改變。工作時,輸送帶直線運(yùn)動,輥軸作勻速轉(zhuǎn)動。水果落到輸送帶和輥軸之間后,由于輸送帶的直線運(yùn)動和輥軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動使水果產(chǎn)生移動和滾動,當(dāng)水果直徑小于輸送帶與輥軸之間的間隙時則落入分果槽中。輥帶式分級機(jī)按照輥軸直徑的不同又可分為等徑輥帶式分級機(jī)和變徑輥帶式分級機(jī)。輥帶式分級機(jī)工作原理見圖3。目前我國研制的6GF—1.0型水果大小分級機(jī),采用先進(jìn)的輥、帶間隙分級原理,工作時果實(shí)因直徑不同而通過不同的間隙落到相應(yīng)級別的水果槽,分級精度≥95%,生產(chǎn)率≥1.5t/h。1.3確定果汁的接果盤和壓藥,把不同種子作為水果,結(jié)果如下滾筒式分級機(jī)的分選滾筒上有孔徑逐級增大的圓孔,工作時水果在滾筒內(nèi)沿著旋轉(zhuǎn)滾筒的內(nèi)壁運(yùn)動,小于分選孔的水果先從第一滾筒分選孔落入接果盤,大于分選孔的則繼續(xù)向前滾動,直至遇到相應(yīng)分選孔而落下,于是在不同的接果盤就得到不同等級的水果?？傮w而言,機(jī)械式分級機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜,與人工分級相比,分級速度較快,分級精度較高,對操作人員的素質(zhì)要求較低,適用于廣大水果種植者和小型水果加工企業(yè),但機(jī)械分級容易損傷水果。2光電式分級技術(shù)光電式分級方式是在機(jī)械式分級技術(shù)的基礎(chǔ)上廣泛采用移位寄存器、光電傳感器、數(shù)顯寄存器等進(jìn)行的分級,根據(jù)檢測目標(biāo)的不同,分為形狀分級裝置、質(zhì)量分級裝置和顏色分級裝置等。光電式分級設(shè)備工作原理為:水果進(jìn)入光電式分級裝置之前,先由單列機(jī)將水果排列成單列。單列機(jī)由組成“V”字形的兩根速度差異的側(cè)向輸送帶組成,在水果向前輸送過程中自動將水果整理排列成單列。根據(jù)生產(chǎn)能力的大小,光電式分級裝備可組合成2列、4列、6列、9列等多種型式。成單列的水果逐個進(jìn)入特殊輸送鏈上的物料杯或接料輥中,依次經(jīng)高速攝像機(jī)攝像。特殊的機(jī)構(gòu)使水果在攝像過程中不斷旋轉(zhuǎn),以保證拍攝不同截面的各種參數(shù)。攝取的各種數(shù)據(jù)隨即傳送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行貯存和處理,并和用戶設(shè)定的分級要求進(jìn)行比較,然后指令水果輸送到特定的分級出口通道處,由出料機(jī)構(gòu)將水果傾翻到設(shè)定的出口通道中,之后進(jìn)行包裝貯存。光電式分級技術(shù)能夠提高分級精度,并實(shí)現(xiàn)自動無損檢測分級。但存在檢測指標(biāo)單一、效率較低、穩(wěn)定性較差等不足,目前大多僅作為試驗(yàn)研究,實(shí)際應(yīng)用的尚不多。3蘋果分級和蘋果品質(zhì)、信息采集技術(shù)研究該方式是利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)采集水果的圖像,應(yīng)用圖像處理、模式識別等技術(shù),測算出水果的大小、形狀、顏色、缺陷、紋理等指標(biāo)參數(shù),根據(jù)這些參數(shù)確定水果品質(zhì)。國外從20世紀(jì)90年代開始研究基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的水果分級系統(tǒng),到現(xiàn)在已有部分實(shí)用的產(chǎn)品,如美國的OSCARTM型和MERLIN型高速水果分級生產(chǎn)線,廣泛用于對蘋果、梨、橘子、桃等水果的分等定級和品質(zhì)檢測;日本Naoshi研究的計(jì)算機(jī)視覺檢測設(shè)備,針對蘋果、桃、梨等多個水果品種,分別制定了顏色、形狀、大小、紋理、外部損傷的計(jì)算機(jī)視覺分級標(biāo)準(zhǔn),設(shè)備分級速度可達(dá)8500個/h。國內(nèi)從20世紀(jì)90年代開始利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)進(jìn)行水果的分級研究,中國農(nóng)業(yè)大學(xué)較早開始研究蘋果自動分級的圖像分割問題,提出了用計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)進(jìn)行壞損蘋果的自動檢測,根據(jù)蘋果光學(xué)反射特性建立了一套適用于蘋果自動檢測的計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)對壞損蘋果的初步檢測,當(dāng)蘋果壞損部位被檢測出來后,再根據(jù)相應(yīng)的分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行人工分類。水果品質(zhì)智能化實(shí)時檢測和分級生產(chǎn)線系統(tǒng)簡圖見圖5。李慶中研究了蘋果顏色自動分級系統(tǒng),確定了蘋果顏色特征的提取方法,利用遺傳算法實(shí)現(xiàn)了多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別器的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了蘋果顏色的實(shí)時分級,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,顏色分級識別的準(zhǔn)確率在90%以上,分級一個蘋果所用的時間為150ms。應(yīng)義斌等人提出了用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)進(jìn)行黃花梨果梗識別,判斷有無果梗的正確率為100%,判斷果梗是否完好的正確率為93%。蔣煥煜等人對水果圖像的背景分割與邊緣檢測技術(shù)、蘋果果梗和表面缺陷的計(jì)算機(jī)視覺檢測方法、蘋果圖像的預(yù)處理及尺寸檢測,以及水果分級自動生產(chǎn)線等也進(jìn)行了深入的研究。在此基礎(chǔ)上,2002年,浙江大學(xué)成功研究開發(fā)出水果品質(zhì)智能化實(shí)時檢測分級生產(chǎn)線,該生產(chǎn)線主要由水果輸送翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)視覺識別系統(tǒng)和分級系統(tǒng)組成。根據(jù)水果的大小、形式、色彩、缺陷和表面光潔度進(jìn)行外部品質(zhì)的綜合檢測,可按照不同水果的國家分級標(biāo)準(zhǔn)所需的外部特征信息進(jìn)行分等、分級,生產(chǎn)率可達(dá)3~5t/h?；跈C(jī)器視覺技術(shù)的自動檢測分級裝置的特點(diǎn)是速度快、信息量大、功能多,并且能消除主觀因素干擾,可以對水果各分級指標(biāo)進(jìn)行定量描述,實(shí)現(xiàn)無損檢測,判斷精度較高,因此發(fā)展迅速。4水果分級的未來研究方向和方向(1)機(jī)械式自動分級技術(shù)雖然在檢測指標(biāo)上有局限性,但由于其在生產(chǎn)率上具有一定的優(yōu)勢,且設(shè)備技術(shù)含量相對較低,在短期仍然是研究的熱點(diǎn)之一。如何解決分級過程中對水果的損傷和實(shí)現(xiàn)間隙可調(diào)等是未來的研究重點(diǎn)和方向。(2)