本發(fā)明涉及水果成熟度檢測領(lǐng)域，具體涉及一種基于紅外光聲光譜的水果成熟度無損檢測系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

水果的成熟度是水果最主要的品質(zhì)之一，水果的成熟度的檢測能夠確定水果成熟度等級，可根據(jù)檢測的水果成熟度等級選擇合適的水果采摘時間，進(jìn)而有助于水果后續(xù)的加工、處理和運輸過程中延長水果的貨架期，防止水果營養(yǎng)成分的流失影響到水果品質(zhì)，避免在儲存和銷售的過程中造成不必要的經(jīng)濟損失。

近紅外光譜技術(shù)雖然在水果成熟檢測技術(shù)中有相關(guān)的應(yīng)用，但是由于光與組織相互作用過程必然伴隨著一定的反射、散射和其他的光損失，因此使得光在組織中的穿透深度有限的，從而造成探測到的光所攜帶的有用信息也是有限，當(dāng)前這些技術(shù)難題尚未解決，因而此類檢測方法難以獲得準(zhǔn)確可靠的檢測結(jié)果。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的問題是提供了一種基于紅外光聲光譜的水果成熟度無損檢測系統(tǒng)及方法，其能夠避免近紅外光譜檢測方法中光散射、反射的干擾，大大提高了檢測精度，且能可在線實時的檢測水果釋放的乙烯氣體濃度，確定水果的最佳采摘時間，為水果的加工、運輸和貯存提供了可靠的技術(shù)手段。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

設(shè)計基于紅外光聲光譜的水果成熟度無損檢測系統(tǒng)，包括激光發(fā)射組件、光聲探測組件和信號處理組件；所述激光發(fā)射組件包括依次對應(yīng)連接的激光信號調(diào)制裝置、激光控制器和紅外激光器；所述光聲探測組件包括設(shè)置于所述紅外激光器激光發(fā)射光路上的分光器，以及分別設(shè)置在所述分光器分開的兩條光路末端的參考光聲池和樣品光聲池，在所述參考光聲池和樣品光聲池中分別設(shè)置有光聲探測器，在所述參考光聲池一側(cè)設(shè)置有與其相連通的樣品放置裝置；所述信號處理組件包括微控制器、與所述光聲探測器對應(yīng)連接的前置放大器、以及與所述前置放大器對應(yīng)連接的鎖相放大器，所述鎖相放大器通過數(shù)據(jù)采集卡與所述微控制器連接。

優(yōu)選的，所述光聲探測組件還包括光纖準(zhǔn)直器，所述光纖準(zhǔn)直器設(shè)置于分光器分開的兩條光路上。

優(yōu)選的，所述紅外激光器為10.5μm的量子級聯(lián)激光器，所述激光信號調(diào)制裝置為波形發(fā)生器。

優(yōu)選的，所述 紅外激光器為10.5μm的CO2 激光器，所述激光信號調(diào)制裝置為斬波器。

優(yōu)選的，所述光聲探測器為微音器或石英音叉，所述分光器為Y型分叉光纖或平面分束鏡，所述前置放大器為低噪聲電流放大器，所述微控制器上還設(shè)置有液晶顯示器。低噪聲電流放大器，可以實現(xiàn)兩個功能：一是將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；二是將信號進(jìn)行放大。

設(shè)計一種利用所述基于紅外光聲光譜的水果成熟度無損檢測系統(tǒng)進(jìn)行水果成熟度無損檢測的方法，包括如下步驟：

（1）首先將待測樣品放置于樣品放置裝置中；然后利用波長調(diào)制光譜技術(shù)，將激光信號調(diào)制裝置生成的信號加到激光控制器上，利用激光控制器驅(qū)動并控制的紅外激光器發(fā)出波長調(diào)制的激光；

（2）步驟（1）中所述紅外激光器發(fā)射的激光被分光器分為光功率相同的兩束，兩束光線的末端分別通過光纖準(zhǔn)直器進(jìn)行準(zhǔn)直，其中一束通過參考光聲池，該參考光聲池內(nèi)氣體為空氣，該光路為參考光路；另一束通過樣品光聲池，該樣品光聲池與樣品放置裝置相連通，樣品光聲池內(nèi)氣體為空氣和待測樣品釋放出來的乙烯，該束光路為測量光路；

（3）參考光聲池和樣品光聲池中的光聲探測器檢測所得的信號分別經(jīng)過一個前置放大器進(jìn)行放大，然后再通過鎖相放大器得到二次諧波信號，最后通過高速數(shù)據(jù)采集卡將所得的兩路二次諧波信號傳輸給微控制器；

（4）微控制器將所采集到的兩路信號進(jìn)行比值或差值處理，計算出采集的二次諧波信號與水果釋放乙烯氣體的關(guān)系，根據(jù)乙烯氣體的濃度來確定水果的成熟度等級，并通過液晶顯示器輸出處理結(jié)果。

優(yōu)選的，所述紅外激光器為10.5 μm的量子級聯(lián)激光器，所述激光信號調(diào)制裝置為波形發(fā)生器，所述激光控制器包括溫度控制單元和電流控制單元，波形發(fā)生器將生成的低頻的三角波信號和高頻的正弦波信號疊加到電流控制電路中，對發(fā)出的激光進(jìn)行波長調(diào)制。

優(yōu)選的，在所述步驟（2）中，所述分光器為Y型分叉光纖或平面分束鏡。

優(yōu)選的，在所述步驟（3）中，所述光聲探測器為微音器，參考光聲池和樣品光聲池中分別設(shè)置有諧振腔，微音器緊貼在諧振腔的中間位置。

優(yōu)選的，在所述步驟（3）中，所述光聲探測器為石英音叉，參考光聲池和樣品光聲池中分別設(shè)置有微型共振毛細(xì)管，微型共振毛細(xì)管固定于音叉的兩側(cè)。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果在于：

1.利用紅外光聲光譜檢測水果釋放的乙烯氣體來判斷水果品質(zhì)，根據(jù)水果釋放乙烯氣體的含量來判斷水果的成熟度。避免近紅外光譜檢測方法中光散射、反射的干擾，提高了檢測精度。

2.既可以通過實時檢測水果釋放的乙烯氣體含量來確定水果的成熟度等級，又不會破壞水果的內(nèi)部組織，有較好的重復(fù)性，還可以根據(jù)水果釋放的乙烯氣體來確定水果存儲、加工和運輸條件。

能夠避免近紅外光譜檢測方法中光散射、反射的干擾，大大提高了檢測精度，且能可在線實時的檢測水果釋放的乙烯氣體濃度，確定水果的最佳采摘時間。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖 2為光聲二次諧波信號與乙烯氣體濃度的關(guān)系圖；

其中，1為紅外激光器，2為激光控制器，3為激光信號調(diào)制裝置，4為分光器，5為光纖準(zhǔn)直器，6為參考光聲池，7為樣品光聲池，8為樣品放置裝置，9為樣品，10為光聲探測器，11為前置放大器，12為鎖相放大器，13為微控制器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，但以下實施例只是用來詳細(xì)說明本發(fā)明，并不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。以實施例中所涉及的設(shè)備或材料，如無特別說明則均為常規(guī)設(shè)備或材料；所涉及的方法步驟如無特別說明則均為常規(guī)方法步驟。

實施例1：一種基于紅外激光光聲光譜的水果成熟度無損檢測系統(tǒng)，如圖1所示，包括激光發(fā)射組件、光聲探測組件和信號處理組件；激光發(fā)射組件包括依次對應(yīng)連接的激光信號調(diào)制裝置3、激光控制器2以及紅外激光器1。光聲探測組件包括分光器4、光纖準(zhǔn)直器5、參考光聲池6、樣品光聲池7、樣品放置裝置8以及光聲探測器10；分光器4設(shè)置于10.5μm的紅外激光器發(fā)出的激光光路上，將激光分為光功率相同的兩束光路；光纖準(zhǔn)直器5分別設(shè)置于兩光路上，用于將出射光束進(jìn)行準(zhǔn)直；參考光聲池6和樣品光聲池7分別設(shè)置于分光器4分開兩光路的末端，樣品放置裝置8一側(cè)設(shè)置有與之對應(yīng)連通的樣品光聲池7；光聲探測器10分別在參考光聲池6和樣品光聲池7中設(shè)置。信號處理組件包括微控制器13、與分別光聲探測器10對應(yīng)連接的前置放大器11、以及與前置放大器11對應(yīng)連接的鎖相放大器12；鎖相放大器12通過數(shù)據(jù)采集卡與微控制器13連接。

紅外激光器1為量子級聯(lián)激光器，激光信號調(diào)制裝置3為波形發(fā)生器，10.5 μm的紅外激光器1通過激光控制器2進(jìn)行驅(qū)動，利用波長調(diào)制光譜技術(shù)將波形發(fā)生器生成的信號疊加到激光控制器2的電流控制電路上，利用激光控制器2驅(qū)動并控制10.5μm的紅外激光器發(fā)出波長調(diào)制的激光。分光器4為Y型分叉光纖。光聲探測器10為微音器，參考光聲池6和樣品光聲池7中設(shè)置有諧振腔，微音器緊貼在諧振腔的中間位置。鎖相放大器12通過數(shù)據(jù)采集卡與微控制器12連接。

實施例2：一種利用基于紅外光聲光譜的水果成熟度無損檢測系統(tǒng)檢測水果成熟度無損檢測的方法，包括如下步驟：

（1）首先將待測樣品放置于樣品放置裝置中；然后利用波長調(diào)制光譜技術(shù)，將激光信號調(diào)制裝置3生成的信號加到激光控制器2上，利用激光控制器2驅(qū)動并控制的紅外激光器1發(fā)出波長調(diào)制的激光；10.5 μm 紅外激光器1為量子級聯(lián)激光器，激光信號調(diào)制裝置3為波形發(fā)生器，激光控制器2包括溫度控制單元和電流控制單元，波形發(fā)生器將生成的低頻的三角波信號和高頻的正弦波信號疊加到電流控制器中，對發(fā)出的激光進(jìn)行波長調(diào)制。激光器控制器利用穩(wěn)定的電流電路和溫度補償電路來控制激光器的驅(qū)動電流和溫度來控制特定波長的激光輸出以及保證輸出激光的穩(wěn)定；

（2）步驟（1）中紅外激光器發(fā)射的激光被分光器4分為光功率相同的兩束，兩束光線的末端分別連接光纖準(zhǔn)直器5將出射光束進(jìn)行準(zhǔn)直，其中一束通過參考光聲池6，該參考光聲池6內(nèi)氣體為空氣，該光路為參考光路；另一束通過樣品光聲池7，該樣品光聲池7內(nèi)氣體為事先由樣品放置裝置8中導(dǎo)入的待測氣體乙烯和空氣，其中乙烯氣體為放置于樣品放置裝置中的樣品9釋放出來的，該束光路為測量光路；分光器4為平面分束鏡；

（3）參考光聲池6和樣品光聲池7中分別放置有光聲探測器10，兩光聲探測器10將測量所得的信號分別通過一個前置放大器11進(jìn)行放大，經(jīng)過放大后的信號通過鎖相放大器12得到二次諧波信號，提高探測靈敏度和信噪比，最后通過高速數(shù)據(jù)采集卡將兩路二次諧波信號傳輸給帶液晶顯示器的微控制器13；光聲探測器10為石英音叉，參考光聲池6和樣品光聲池7中分別設(shè)置有微型共振毛細(xì)管，微型共振毛細(xì)管固定于音叉的兩側(cè)；

（4）微控制器13將所采集到的兩路信號進(jìn)行比值或差值處理，計算出采集的二次諧波信號與水果釋放乙烯氣體的關(guān)系，其中二次諧波信號為光聲探測信號二次求導(dǎo)最大值，如圖2所示，根據(jù)乙烯氣體的濃度來確定水果的成熟度等級，并通過液晶顯示器輸出處理結(jié)果。

上面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作了詳細(xì)的說明，但是，所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解，在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下，還可以對上述實施例中的各個具體參數(shù)進(jìn)行變更，形成多個具體的實施例，均為本發(fā)明的常見變化范圍，在此不再一一詳述。