第十章无损检测

第十章无损检测第1页，共145页，2023年，2月20日，星期四10.1无损检测技术及其特点10.2计算机图像处理的检测技术10.2.1计算机图像处理技术10.2.2计算机图像处理技术在食品检测中的应用第2页，共145页，2023年，2月20日，星期四食品品质：1.外表品质:颜色、光泽、形状、大小等2.物理品质:质量、硬度、粘度、弹性等3.内部品质：安全性、新鲜度、营养、口感等第3页，共145页，2023年，2月20日，星期四10.1无损检测技术及其特点定义：无损检测技术即非破坏性检测，就是在不破坏待测物质原来的状态、化学性质等前提下，为获取与待测物的品质有关的内容、性质或成分等物理、化学情报所采用的检查方法。应用：a.生产过程中的质量控制

b.成品的质量控制

c.产品流通和储藏过程中的品质检测特征：①经济环保②简便易行③在线检测④连续测定⑤现场检测⑥信息量大第4页，共145页，2023年，2月20日，星期四国内外农产品无损检测技术的概况农产品品质检测主要包括：水果蔬菜的检测与分级禽蛋肉类的检测与分级经济作物的检测与分级（烟叶茶叶）谷物检测与分级（小麦玉米大米）第5页，共145页，2023年，2月20日，星期四分光检测技术机器视觉检测技术介电特性检测技术声学特性及超声波检测技术力学检测技术X射线检测技术核磁共振检测技术生物传感器检测技术和电子鼻电子舌检测技术农产品无损检测技术：第6页，共145页，2023年，2月20日，星期四机器视觉检测技术用各种成像系统代替视觉器官作为输入敏感手段，由计算机来代替大脑完成处理和解释农产品在其生产过程中，由于受到人为和自然等复杂因素的影响，产品品质差异很大，在农产品质量检测与分析时要足够的应变能力来适应情况的变化，机器视觉不仅是人眼的延伸，更重要的是具有人脑的部分功能，在农产品质量检测上的应用恰好满足了这些应变的要求第7页，共145页，2023年，2月20日，星期四紫外、可见、近红外光谱无损检测技术原理：利用农产品对光的吸收、散射、反射和透射等特性确定农产品内部品质的一种方法，该技术可广泛用于谷物、果蔬等多种农产品的化学成分分析、物理学品质分析色度学品质分析，可作为核心技术构建我国农产品快速无损检测体系第8页，共145页，2023年，2月20日，星期四声学特性农产品的声学特性及其检测：指农产品在声波作用下的反射、散射、透射及吸收特性，衰减系数和传播速度及其自身的声阻抗和固有频率等，它们反映了声波与农产品相互作用的基本规律包括：通过测定共振频率确定农产品硬度测定声波传播速度确定农产品的成熟度通过测定声压确定农产品的含水率第9页，共145页，2023年，2月20日，星期四超声波检测技术声学特性分析方法原理，通过测定超声波脉冲信号经过介质时的声速及振幅衰减等来达到检测的目的应用：果蔬无损检测中的应用—果蔬保鲜或成熟度的检测蛋类品质检测中的应用乳制品检测中的应用第10页，共145页，2023年，2月20日，星期四力学特性检测技术基于动力学原理的农产品硬度检测方法，如机械冲击产生的声频信号检测、机械冲击响应的频率分析和水果冲击力检测振动频率分析冲击力检测法第11页，共145页，2023年，2月20日，星期四农产品基本成分检测食品添加剂检测农产品新鲜度检测农产品气味已成熟度的检测生物传感器技术应用第12页，共145页，2023年，2月20日，星期四电子鼻与电子舌电子舌的应用基于膜电势的变化对液体进行分析电子鼻应用检测鱼肉蔬菜水果等的新鲜度分类谷物实现储存等过程的监测可应用来评价水果干酪等的成熟度评价和识别不同品牌的白酒、葡萄酒，检测果汁等饮料新鲜度第13页，共145页，2023年，2月20日，星期四10.2计算机图像处理的检测技术待测定物体物体图像相应结论数字图像高清晰度摄像头图像与数字之间的转换计算机模拟人的准则判断①定义：图像处理：图像之间进行变换图像分析：对图像中感兴趣的目标进行检测和测量，以获得他们的客观信息从而实现对图像的描述图像理解：在图像分析的基础上，进一步研究图像中各目标的性质和他们之间的相互关系，并对图像目标的含义进行解释，从而发现其内在的规律性第14页，共145页，2023年，2月20日，星期四1.组成第15页，共145页，2023年，2月20日，星期四优点：①与被观测的对象无接触，不会对被测对象产生任何损伤，安全可靠②理论上讲，即使是人眼观察不到的范围，机器视觉也可以进行观察③可长时间在恶劣的工作环境下运行，不怕疲劳，能排除人的主观因素的干扰，避免因人而异的检测结果第16页，共145页，2023年，2月20日，星期四硬件：主要涉及光照系统、摄像机、图像卡和计算机的选配软件：主要是根据被测对象的分光特性和检测要求选择合适的图像处理算法，抽取对象的图像特征，并采用相应的模式识别方法，将对象的图像特征与品质指标对应起来第17页，共145页，2023年，2月20日，星期四第18页，共145页，2023年，2月20日，星期四2.可见光图像采集方法（1）光照系统主要以可见光作为光源：常用的有白炽灯、日光灯、水银灯和钠光灯等，也常采用X射线、核磁共振、超声波等方法根据被测对象的性质及检测要求考虑光源：①被测对象表面得分光反射特性②被测对象的外形③被测对象在视场中的分布情况第19页，共145页，2023年，2月20日，星期四（2）摄像机电子管摄像机：含光感元件的真空管进行图像传感，将所接收到的图像转换成模拟电压信号输出固态摄像机：通过高度集成化的半导体光敏元件将目标的光学像变换成电荷像，此电荷像存储在CCD器件中，在特定的时序信号作用下，电荷以一定的规律转移到CCD器件的输出端，供外电路做进一步处理实现由景物的光学图像到电子图像转换CCD：金属-氧化物-半导体技术集成光敏元件第20页，共145页，2023年，2月20日，星期四摄像机的主要性能指标①灵敏度：在特定照度下(一般为2000lx)摄取特定目标(测试图)时，调节镜头光圈，式摄像机输出的视频信号为100IRE，所对应镜头光圈指数F表示了摄像机的灵敏度②最小照度：摄取特定目标（测试图），将光圈增益调到最大，视频信号输出幅度为100IRE时，对应的入射光的最小值③分辨率：摄像机对物象中明暗细节的分辨能力④光学格式(光学系统的尺寸）：直接决定CCD 摄像机时的体积和质量，与CCD传感器的大小相适应⑤工作温度-10~+50℃第21页，共145页，2023年，2月20日，星期四（3）图像采集卡：通常摄像机输出的图像为模拟信号，不能供计算机直接处理，必须将其转换为计算机可处理的数字形式，这个过程是图像的数字化过程模拟信号数字信号第22页，共145页，2023年，2月20日，星期四像素：图像数字化后，被划分为一个个称作图像元素的小区域属性位置-----由扫描线内的采样点的两个坐标决定灰度-----表示该像素位置处图像的明暗程度，每一个像素点按一定规则从白到黑量化为256个灰度级图像采集卡作用：把图像信号经过采样后，量化为数字信号，然后把数字视频信号传送到帧存储器或计算机存储器中以便进一步的处理第23页，共145页，2023年，2月20日，星期四3.红外图像采集方法光在物料内多次散射和重新分布是光和物料相互作用的主要特征反射光提供了物料表面的特征信息：颜色、表面缺陷、病变和损伤光的吸收和透射则是物料内部结构组成内部颜色和缺陷等信息的载体第24页，共145页，2023年，2月20日，星期四（1）红外图像处理的基本构成第25页，共145页，2023年，2月20日，星期四（2）红外摄像机CCD与红外线滤镜的组合可见光的光量大于红外线红外滤镜可以是所需要波长的红外线通过第26页，共145页，2023年，2月20日，星期四第二节数字图像处理方法GYRMBWC包括图像增强、数据编码和传输、平滑，边缘锐化，分割，特征提取，图像识别与理解等1）颜色变换①颜色模型：用于确定颜色在体系中的位置及相互之间的关系在图像处理中，最常使用的是RGB和HSI模型RGB面向硬件，有摄像机获取的颜色图像被表示成R、G、B三个分量红色700nm,绿色546nm，蓝色435.8nm第27页，共145页，2023年，2月20日，星期四HSI模型反映了人观察彩色的方式，同时也有利于图像处理HSI表示系统由表示色相（hue），明度（intensity），和饱和度（saturation）的三个基本特征组成包含色彩信息的两个参数：色度（H）和饱和度（S）色度：由角度表示反映了该颜色最接近什么样的光谱波长饱和度是色环的原点（圆心）在环的外围圆周是纯的或成饱和的颜色，其饱和度是1，在中心是中性影调（灰色），饱和度为0H0°S120°240°绿红蓝第28页，共145页，2023年，2月20日，星期四上式中H=WB≤GH=2π-WB>G②颜色空间变换为了图像处理的目的，有必要对RGB和HSI这两种彩色坐标进行转化a.RGB到HSI变换（非线性变换）第29页，共145页，2023年，2月20日，星期四b.HSI到RGB变换当0°≤H<120°时当120°≤H≤240°时当240°≤H<360°时第30页，共145页，2023年，2月20日，星期四2)正交变换①离散傅里叶变换②小波变换③沃尔什变换④离散余弦变换3)图像的增强通常对图像的某些特征如，边缘，轮廓，对比度等进行强调或尖锐化，削弱或去除某些不必要的信息，以突出被观察的对象两类方法：(1)空间域法-在空间与中直接对图像像素灰度值进行运算处理①直方图变换直方图：表示图像灰度分布情况的统计图表（0-黑，1-白）0≤r≤1第31页，共145页，2023年，2月20日，星期四横坐标为灰度，纵坐标为各灰度值对应的像素数S=T(r)(a)在0≤r≤1区间，T（r）单值且单调增加保证图像的灰度级从黑到白的次序不变(b)对于0≤r≤1，有0≤T(r)≤1保证变化后像素的灰度值在允许的范围内第32页，共145页，2023年，2月20日，星期四②图像平滑a,.邻域平均值法用几个相邻像素的灰度平均值来代替其中一个点的灰度值b.中值滤波是一种非线性的信号处理方法，通常采用一个含有奇数个点的滑动窗口，将窗口中各点灰度值的中值来替代指定点（一般是窗口中心点）的灰度值。对于奇数个元素，中值是指按指定大小排序后，中间的数值对于偶数个元素，中值是指按指定大小排序后中间两个元素灰度值的平均值第33页，共145页，2023年，2月20日，星期四c.空间域低通滤波由于图像中的噪声空间相关性弱，其频谱一般处于空间频率较高的区域，而图像本身的频率则处于空间频率较低的区域，一次可以通过低通滤波的方法消除噪声第34页，共145页，2023年，2月20日，星期四③图像锐化主要是加强图像中的轮廓边缘和细节，形成完整的物体边界，达到将物体从图像中分离出来或将表示同一物体表面的区域检测出来的目的a.梯度法b.空间域高通滤波法c.掩模匹配法第35页，共145页，2023年，2月20日，星期四④伪彩处理把黑白图像的各个灰度值按照一种线性或非线性函数关系映射成相应的彩色图像a.灰度分层法b.变换法第36页，共145页，2023年，2月20日，星期四（2）频率域法图像增强的频率域法就是将图像的进行变换、滤波处理，然后变换回空间域②高通滤波器a.理想高通滤波器b.巴特沃思高通滤波器c.指数高通滤波器d.梯形高通滤波器①低通滤波器a.理想低通滤波器b.巴特沃思低通滤波器c.指数低通滤波器d.梯形低通滤波器第37页，共145页，2023年，2月20日，星期四4）图像特征提取图像特征是指图像的原始特征或属性，其中有些是视觉直接感受到的自然特征，如某个区域的亮度、轮廓、纹理或色彩等，也有一些通过变换化后得到的特征，如频谱、直方图、矩等特征第38页，共145页，2023年，2月20日，星期四（1）图像分割在利用机器视觉技术进行食品品质检测时，必须将检测对象从背景中分离出来，提取食品的品质信息重要性：①它是目标表达的基础，对对象的特征测量有重要的影响②因为图像分割及其基于分割的目标表达、特征提取和参数测量等将原始图像转化为更紧凑的形式，使更高层的图像成为可能第39页，共145页，2023年，2月20日，星期四图像的阈值分割将图像分割成对象和背景的灰度值，在进行图像分割时，作为区分对象与背景的门限，大于或等于阈值的像素对应于一种对象,这种方法对于对象与背景之间存在明显差别的图像分割很有效。暗亮TB1B2第40页，共145页，2023年，2月20日，星期四分割图像分两步首先确定门限T-阈值LO

如果f(i,j)>TLB

其他式中，f(i,j)原图像在(i,j)处得灰度值，g(i,j)分割后图像(i,j)处得灰度值，T阈值，LO对象，LB背景阈值的确定:根据灰度值的概率分布模型来确定P1TP2P2(x)P1(x)xP第41页，共145页，2023年，2月20日，星期四基于梯度的图像分割方法利用边界具有高梯度值的性质直接把边界找出来①边界跟踪②梯度图像二值化③拉普拉斯边缘检测第42页，共145页，2023年，2月20日，星期四（2）纹理特征的提取纹理：灰度在空间的分布纹理特征的两个要素a.纹理基元：一种或多种图像基元的组合，纹理基元具有一定的形状和大小，例如花布的花纹b.纹理基元的排列组合：基元排列的疏密、周期性、方向性等的不同，能使图像的外观产生极大的改变第43页，共145页，2023年，2月20日，星期四纹理特征的提取通过一定的图像处理技术抽取出纹理特征，从而获得纹理的定量或定性描述的处理过程。因此纹理特征提取应包括两方向的内容：检测纹理基元获得有关纹理基元排列分布方式的信息第44页，共145页，2023年，2月20日，星期四（3）形状特征的提取图像经过边缘提取和图像分割等操作，就会得到景物的边缘和区域，也就获取了景物的形状景物形状的描述几何属性统计属性拓扑属性第45页，共145页，2023年，2月20日，星期四（4）颜色特征的提取农产品机器视觉颜色检测的主要依据就是根据农产品的表面色彩与其品质间的相互关系，通过检测其表面颜色来间接检测农产品的品质。例：根据其颜色的变化来判断柑橘是否成熟橘黄色表皮的柑橘色度值17-27绿色表皮柑橘色度值21-38第46页，共145页，2023年，2月20日，星期四5）图像识别方法在机器视觉系统中，对处理结果的要求不仅仅是一幅完整图像，而是将经过上述处理后的图像，再经过进一步的处理后，提取有效特征进而加以判决分类。对象图像输入图像预处理结果输出模式分类特征提取第47页，共145页，2023年，2月20日，星期四模式识别方法a.统计（决策理论）方法首先把模式进行预处理，进行数据压缩，抽取出一些能反应模式性质的特征，比如n个特征，就用一个n维向量来描述相应的模式，并采用一个或若干个向量表示的“模板”作为某类模式的代表。对于一个未知的模式，就通过他与模板进行匹配，计算判别函数或距离的大小来决定它所属的类。分类相当于划分特征空间，使空间中的某一部分与一个模式类相对应。第48页，共145页，2023年，2月20日，星期四b.句法（结构）方法是着眼于模式的结构，把模式的生成及识别与语言加以比较。把识别方法建立在数理语言的基础上，把数理语言中的句法结构及生成方式用于模式的的构成与描述。例如，一个图形的构成，就像一个英文句子有一些短语组成，短语又由单词组成等等。一幅图像就相当远某种文法规则组成的句子，而这种句子就是由一些称为基元的图像元素组成。如果把机缘看成符号，那么一个图形就可以用一个符号串，符号构成的树状形式，或包括节点和分支的图的形式来描述第49页，共145页，2023年，2月20日，星期四机器视觉利用一个用以代替人眼的图像传感器，获取一个物体的图像，将图像转换成一个数据矩阵，并利用一个用以代替人脑的计算机来分析图像并完成一个与视觉有关的任务10.2.2计算机图像处理技术在食品检测中的应用第50页，共145页，2023年，2月20日，星期四1）水果品质高速实时检测与分级系统第51页，共145页，2023年，2月20日，星期四第52页，共145页，2023年，2月20日，星期四2）草莓分选机器人（1）系统组成第53页，共145页，2023年，2月20日，星期四（2）草莓形状特征的抽出①将彩色图像转变成黑白的二值图像，提取边缘信号后得到整体轮廓线图像②彩色图像减去R灰度图像产生目标图像③目标图像经二值和边缘提取处理后，得到了果实轮廓线图像④最后把整体轮廓线图像和果实轮廓线图像和这两图像进行逻辑与运算后，得到曲线形的草莓形状特征图像第54页，共145页，2023年，2月20日，星期四第55页，共145页，2023年，2月20日，星期四3）水果缺陷近红外图像检测研究第56页，共145页，2023年，2月20日，星期四第57页，共145页，2023年，2月20日，星期四4）红外热成像法（1）红外热成像的原理和黑体的红外辐射规律黑体：就是在任何情况下对一切波长的入射辐射吸收率都等于1的物体，也就是完全吸收。作为自然界中实际存在的任何物体对不同波长的入射辐射都有一定的反射（吸收率不等于1），所以黑体只是人们抽象出来的一种理想化的物体模型。第58页，共145页，2023年，2月20日，星期四黑体定律a.辐射的光谱分布规律-----普朗克辐射定律b.辐射功率随温度变化的规律---斯蒂芬-波尔兹曼定律c.辐射的空间分布定律----朗伯余弦定律阐述了凡是温度高于开氏（绝对零度）的物体都会自发的向外发射红外热辐射，而且黑体单位表面及发射的总辐射功率与开氏温度的4次方成正比，温度只要有较小的变化，就会引起物体的辐射功率发生较大的变化第59页，共145页，2023年，2月20日，星期四红外线成像的原理基础第60页，共145页，2023年，2月20日，星期四水果缺陷红外热成像检测研究主要通过探测正常的与损伤的水果间由于热特性的不同而引起温度差来实现第61页，共145页，2023年，2月20日，星期四水果表面的缺陷由于表皮的破损加速了水分的散发而使缺陷处温度降低表皮下的内部缺陷，由于受挤压和碰撞产生，在刚刚受损伤的组织中，由于碰撞时的组织受到压缩而密积，减少了多孔渗水，从而形成正常的与损伤的水果间不同的热扩散率红外热像仪比较困难检测出温度差，因为往往在实验前增加预热或冷却的过程第62页，共145页，2023年，2月20日，星期四方法1：在相对湿度为50%的环境中，加热到26℃方法2：在相对湿度为50%的环境中，加热到37℃方法3：将以在40℃热水中放置2~3min的苹果在相对湿度为50%的环境中冷却到26℃第63页，共145页，2023年，2月20日，星期四第64页，共145页，2023年，2月20日，星期四10.3食品物性的力学、声学、电学、光学检测技术10.3.1食品的力学检测技术及其在食品检测中的应用1.食品的力学检测技术力学检测研究的是物料力学量的检测，包括质量、溶剂、密度、应力、坚实度、振动、冲击以及在声场和超声波作用下的各种响应力学（机械）特性①固体物料的力学特性主要包含质量（重量）、密度、应力-应变规律、冲击、振动、屈服强度、坚实度、蠕变、松弛、流变模型等②散粒体的力学特性包含摩擦、粘黏附、变形、流动、离析③液体物料的力学特性主要包含流体力学特性、流变特性、黏性、黏弹性等④动力学特性和超声波特性等第65页，共145页，2023年，2月20日，星期四

随着水果蔬菜的生长期与储藏时间，果蔬的坚实度会不断变化

M-T戳穿试验方法（MagnessTaylorpuncturetest）第66页，共145页，2023年，2月20日，星期四实用仪器测定项目使用对象范围测定举例压缩破坏型仪器万能测试仪质地测试仪压缩仪压力、弹性率、黏度、破坏功、脆度、坚实度、凝聚性、胶弹性、咀嚼性固体、半固体、多孔性食品奶油、干酪、汉堡包、稀奶油、黄瓜、胡萝卜、果冻、面包、蛋糕剪断型仪器柔嫩度仪冲孔测试仪剪断力、坚实度（刚性率）、最大剪切应力纤维状食品肉片、汉堡包切入型仪器凝乳质地仪流变仪（刀片或钢丝）切断力、坚实度、切断功，粘稠度高脂肪食品、凝胶状食品豆腐、鸡蛋羹、奶油、干酪、人造奶油、汉堡包插入型仪器针入度仪强度仪坚实度（插入度）、屈服值高脂肪食品、凝胶状食品奶油、干酪、鱼糕搅拌型一起面团阻力仪淀粉粉力仪面团形成时间、面团稳定度、面团衰落度、综合评价值黏度、糊化温度揉混类食品米饭、年糕、面团食品流变仪拉断力、拉断功、坚实度（弹性率）凝胶状食品鱼糕减压测试仪剪断力、压缩力纤维状食品蔬菜、水果、肉第67页，共145页，2023年，2月20日，星期四（1）果蔬的质地指标果蔬的坚实度、硬度与成熟度的关系极大a.坚实度：反应细胞间结合力变化的物理指标，果蔬在成长和存储过程中，细胞间的结合力变小坚实度的检测应用：①对生长中果蔬的成熟度进行监测和分析，决定合适的收获期②对收获的果蔬按其成熟度分级，以便储存③果蔬内部品质的检测，保鲜、存储期的确定第68页，共145页，2023年，2月20日，星期四ⅰ利用频率检测果蔬坚实度的方法原理：固有频率与其材料弹性模量E存在如下关系：对西瓜的坚实度研究取得了较好的结果，西瓜的固有频率随成熟度的增加而降低，坚实度指数与含糖量也存在明显的相关关系第69页，共145页，2023年，2月20日，星期四ⅱ利用冲击力检测果蔬坚实度的方法通过测得冲击力估计或计算出材料的弹性模量，并与坚实度联系起来触发器金属平板压力传感器抓果器光线示波器动态电阻应变仪h第70页，共145页，2023年，2月20日，星期四第71页，共145页，2023年，2月20日，星期四tt24681012605040302010fp1fp2H1=63N/cm2H2=27.8N/cm2t力f冲击力特性参数：恢复系数（r）能量吸收率（E）

时间特性参数（c）桃子的冲击力特性图桃子的硬度越高，连续两次冲击的时间间隔越长，第二个图中，反映了桃子与金属板整个接触过程中，接触冲击力开始由零快速升到峰值，随后又快速下降的过程，这个期间力作用时间较短第72页，共145页，2023年，2月20日，星期四果蔬的冲击力特性参数主要有①恢复系数:为下落后最初两次碰撞中的第二次碰撞冲量与第一次碰撞冲量之比，硬度高，t大，r变大在不计空气阻力时：h----物料的自由下落高度，mg----重力加速度m/s2②能量吸收率：设第一次碰撞后回弹高度h1，则物料碰撞前后具有的机械能比等于h与h1两个高度之比桃子硬度高，t大，h1大，E变小第73页，共145页，2023年，2月20日，星期四③冲击力时间特征参数c------物料的冲击时间特性参数，N/sfp

------物料的最大冲击力，Ntp-------到达最大冲击力的时间，s硬度越高，fp也越高，tp越短，故时间特性参数c越大第74页，共145页，2023年，2月20日，星期四b.硬度的检测：主要取决于物体本身的弹性模量、屈服强度、塑性、脆性以及内部分子结构、结晶状态及原子间的间结合力等因素冲击力特性参数与硬度的关系ⅰ恢复系数r与硬度H之间的关系指数曲线模型：双曲线模型桃子的硬度高恢复系数也高硬度H(N/cm2)恢复系数r第75页，共145页，2023年，2月20日，星期四硬度H(N/cm2)能量吸收率Eⅱ能量吸收率E与硬度的H的关系硬度H(N/cm2)时间特定参数ⅲ时间特定参数与硬度的H的关系ⅳ3个冲击力参数比较：均可以作为按硬度（即成熟度）分级的参数，且不受桃子本身质量影响桃子硬度分级过于成熟H＜35N/m2刚成熟和已成熟H=35~55N/m2未成熟H＞55N/m2第76页，共145页，2023年，2月20日，星期四2.食品的力学检测技术在食品检测中的应用利用冲击振动检测西瓜的成熟度西瓜部位弹性模量E/MPa西瓜部位弹性模量E/MPa1#西瓜2#西瓜1#西瓜2#西瓜瓜皮（硬皮内侧）外层（瓜瓤外层）2.200.512.400.42中间层（瓜瓤中间）中心层（瓜瓤中心）0.440.400.320.30注：1#西瓜含糖量为9.0%，成熟度为中等，2#西瓜含糖量为11.0%，成熟度为较好（1）冲击振动响应方法无损检测西瓜成熟度的原理将西瓜视为多层球状弹性体，当其受到瞬态冲击时，球体将产生振动响应，按照弹性体振动理论由冲击造成的震动响应频率，是弹性体的固有频率。利用固有频率可以估算西瓜的成熟度这是冲击振动响应法进行西瓜成熟度无损检测的基本原理第77页，共145页，2023年，2月20日，星期四电荷放大器电荷放大器西瓜信号分析仪力锤加速度计（2）西瓜固有频率的测量西瓜的成熟度指数f2·m2/3来表示西瓜的成熟度如图所示，成熟度指数与含糖量的关系5678910151050成熟度指数/104含糖量/%第78页，共145页，2023年，2月20日，星期四数据采集卡信号调理板固态继电器执行电动机位移传感器力传感器微型计算机开关量I/O接口卡国内力学检测系统简介英国SMS公司食品质构测试仪第79页，共145页，2023年，2月20日，星期四10.3.2食品的声学检测技术及其在食品检测中的应用1.声波的基本性质：声波反射散射透射吸收衰减传播声阻抗固有频率第80页，共145页，2023年，2月20日，星期四食品和农产品声学特性监测装置通常由声波发生器、声波传感器、电荷放大器、动态信号分析仪、微型计算机、绘图仪或打印机等组成。检测原理：由声波发生器发出的声波连续射向被测物料，反射、散射、或从物料透过的声波信号，被传感器接收，经过放大后送到动态信号分析仪和计算机进行分析，打印机或绘图仪输出声波发生器被测物料声波传感器电荷放大器动态信号分析仪和计算机绘图仪或打印机第81页，共145页，2023年，2月20日，星期四2、基本检测原理

果品的声波特性随内部果肉的性质不同而变化。西瓜果实受到打击时，产生的声波的特点与西瓜的内部品质有关。声波的特点：波形功率谱峰值频率对称度指数衰减率第82页，共145页，2023年，2月20日，星期四未熟西瓜打击声波为非对称波形，波形对称度为0.55-0.80，指数衰减率为0.40-0.76由快速傅立叶变换法解析出的功率谱峰值频率为164-280Hz；

第83页，共145页，2023年，2月20日，星期四适熟西瓜打击声波呈规则的指数衰减波形，对称度为0.92—0.98，指数衰减率为0.12-0.18，功率谱峰值频率为132-164HZ第84页，共145页，2023年，2月20日，星期四过熟或空洞西瓜

呈不规则的波形，指数衰减率为0.10-0.16，对称度为0.90-0.97，功率谱峰值频率为110-130Hz。另外，过熟或空洞西瓜的打击声波到达检测部位的时间与适熟西瓜略有不同。利用电子计算机解析打击声波波形，根据由试验确定的鉴别基准值，便可测定内部空洞、成熟度和果肉变质状态。第85页，共145页，2023年，2月20日，星期四对称度衰减率频率Hz未成熟0.55-0.800.40-0.76164-280适成熟0.92—0.980.12-0.18132-164过成熟0.90-0.970.1-0.16107-130第86页，共145页，2023年，2月20日，星期四待选洁净机第87页，共145页，2023年，2月20日，星期四检测自动装箱封箱第88页，共145页，2023年，2月20日，星期四3.超声波检测技术原理：利用高频声波与物质之间的相互作用，测得被测物质内部物理化学性质的一种技术超声波的测量参数通过介质的声速和振幅衰减ABDC1C2d第89页，共145页，2023年，2月20日，星期四b.超声波的衰减检测技术声波衰减是由于传递过程中声波能量发生吸收和散射，引起振幅减小A=A0e-ada-----衰减系数A----声波通过介质后检测到的振幅A----初始振幅d----超声波通过的距离应用：（1）物质的体积弹性模量和刚性弹性模量（2）物质的复合剪切黏度，尤其适用于黏弹性介质（3）分散体系和胶体体系的分散相粒度大小及其他性质（4）不同超声波性质的混合体系的组分含量（5）不同超声波性质的介质层厚度或深度（6）物质的流动速度（7）物质的相转变第90页，共145页，2023年，2月20日，星期四利用超声波检测马铃薯空心打印机或绘图仪计算机数字存储示波器高频脉冲发生器宽频带接收器试样发射探头接收探头当遇到不连续组织时，一部分波能被反射，另一部分继续传播，穿过马铃薯的超声波则被另一次的接受探头接收，由于马铃薯的空心会导致超声波的多次反射，所以通过空心马铃薯的信号比通过实心马铃薯的信号弱，波动时间长，有更多的波峰和波谷，而且透射信号的幅值和功率谱密度要小得多。第91页，共145页，2023年，2月20日，星期四10.3.3.食品的电学检测技术及其在食品检测中的应用食品的组织、成分、结构、状态等和它们的电特性都有着密切的关系，食品与农产品的成分、状态或品质的检测是研究其电特性的主要目的之一。食品与农产品电特性的变化主要表现在电流密度、磁导率、绝对介电常数(电容率)、电导率等方面。食品与农产品的电特性检测方法：a.切片法：将被测物料加工成规则形状后，放入平行电极间检测其电特性b.突刺法:将针状电极刺入被测的物料中检测其电特性c.接触法：将被测物料直接放入平行电极，保持电极与物料的接触检测其电特性d.非接触法：将物料放于平行电极间，在不与电极直接接触或通过其它介质的情况下，检测其电特性第92页，共145页，2023年，2月20日，星期四VAREK被测物料伏安法VA被测物料EK1K2R补偿法GURSCSR3R4C4Cb被测物料电桥法几种阻抗检测电路第93页，共145页，2023年，2月20日，星期四电学检测技术的应用1.利用生物电特性鉴别受精蛋国内种蛋孵化场用的方法：人工光照法剔除无精蛋和死胚蛋，在孵化的第5天进行光照，剔出无精蛋。浪费蛋：新鲜蛋孵化72h后，就不适合加工成蛋制品，浪费大量食用蛋，消耗无用的能量，而且孵不出雏鸡的蛋中的细菌又污染正常的孵化蛋。第94页，共145页，2023年，2月20日，星期四鸡蛋的生物电现象：

生物电现象是生命组织普遍存在的一种生理现象，凡有生命的细胞都会产生生物电流。鸡蛋的生物电现象是这一生命单元在不同时期生命活动的表现。研究表明，种蛋的生物电与其受精与否、鸡胚雌雄性别以及蛋品新鲜度之间存在较大的相关性，可以成为鉴别和剔除无精蛋、弱精蛋和死胚蛋的一种新的技术和方法。第95页，共145页，2023年，2月20日，星期四鸡蛋的各种内容物（胚胎、蛋黄、蛋白）之间的电位差产生一个电场，电场的变化可以在单壳外测得它包括电极、鸡蛋夹紧装置、放大器、A／D采集器、计算机和监控示波器等。电极从蛋壳外采集的电信号送入放大器后分成两路：一路接示波器；一路接A／D采集器。采样后数据送入计算机，供处理分析用。第96页，共145页，2023年，2月20日，星期四第97页，共145页，2023年，2月20日，星期四受精蛋与无精蛋的生物电信号的波形有较大的差异。通过100只样本(60只种蛋和40只无精蛋)连续10d的跟踪观测，发现无精蛋的电信号的波幅很小，其时域信号大多近乎直线；受精蛋的生物电信号较为丰富，其时域信号波形如图3—17所示。

无精蛋的电信号的波幅很小，其时域信号大多近乎直线；受精蛋的生物电信号较为丰富，第98页，共145页，2023年，2月20日，星期四2.利用谷物的电特性检测含水率a.测量谷物含水率的电容方法分析dLDL是圆柱形容器的高度，D为外电级的内径，d为内电极的外径，为真空中的介电系数，为谷物相对介电系数，C为电容量缺点：ⅰ在含水率等同条件下，电容量的值与谷物品种有关ⅱ同一品种的谷物也会出现测量误差ⅲ测量时，温度和空气中的相对湿度对测量只有直接的影响，温度高，湿度大，使谷物膨胀变得松软，会引起介电系数改变ⅳ由于谷物的相对介电系数受到诸多因素的影响，致使电容量的值与谷物的含水率不成线性关系第99页，共145页，2023年，2月20日，星期四2.利用谷物介电特性的品质检测和分级品种和籽粒质量相同的谷物，介电常数愈大，其活力越低，品质越差，而介电常数小的谷物则具有较高的活力和较好的品质，这为介电分选原理实现按谷物活力进行品质的分选提供了理论依据图第100页，共145页，2023年，2月20日，星期四10.3.4食品的光学检测技术及其在食品检测中的应用第101页，共145页，2023年，2月20日，星期四第102页，共145页，2023年，2月20日，星期四、10.3.4食品的光学检测技术及其在食品检测中的应用利用紫外、可见、红外等光线与物体的相互作用而产生的反射、散射和吸收等现象，用于食品品质检验是20世纪60年代开始的新方法。光学特性可以反映食品与农产品物料的：表面颜色、内部颜色、内部组成结构以及某种特定物质的含量，进而反映了食品与农产品物料的某些重要的品质指标，目前发达国家已把光学特性检测和分选技术应用于食品与农产品的物料质量评定和质量管理的许多方面。应用光学特性检测技术测定食品与农产品物料品质的最终目的：进行自动化分级、分类和分选。如：剔除缺陷品：如损伤个体、霉变个体按某成分含量分类：如叶绿素分茶叶的新鲜度对成熟度分类：以便分别贮藏和销售。经过自动分类的合格产品，可以获得总体质量等级的提高。第103页，共145页，2023年，2月20日，星期四紫外分光法检测技术主要是在紫外光源照射下，导致荧光物质发光而进行目标检测的

从破损的细胞中漏出果皮表面紫外光(激发光源)精油发出强荧光（波长560nm）

220nm和365nm两处波长

正常柑橘不释放

利用正常部位与损伤部位的荧光发光强度的不同，通过计算机进行数据处理后即可以进行柑橘的分级。第104页，共145页，2023年，2月20日，星期四第105页，共145页，2023年，2月20日，星期四2.可见分光法的检测技术选择一个合适的光学特性和一个质量特征是建立光学质量指标的关键通常选择光指标的程序是研究产品光谱在不同波长的响应，选择一个或者一系列与质量特性相关的波长，测量标准根据采用的变量形式分为以下五类：（1）单波长测量：在某一特殊波长物体的光特性被作为一个指标（2）差分测量：测量两个不同波长的光密度差（3）比率测量：取两种不同波长的光的特征之比（4）复合测量：（5）全光谱测量：将一段波长的光谱值与物料质量特征相关，利用化学计量学的方法进行计算分析第106页，共145页，2023年，2月20日，星期四可见分光法的检测技术的应用（1）可见分光法在涩柿检测中的应用原理：当可溶性丹宁含量在0.5%以上时，人们就会感觉柿子发涩，而在0.5%以下是就会觉得甜，柿子脱涩是因可溶性单宁物质转化成不可溶性、俗称褐斑的物质所致。这种褐斑物质是检测甜柿的重要元素，当可见光照射到柿子上时存在褐斑物质---丹宁细胞吸收光线----柿子颜色呈暗红色丹宁细胞没有褐变------使柿子颜色发红发亮第107页，共145页，2023年，2月20日，星期四（2）可见分光法在大米色选检测中的应用a.色选机基本原理：利用物料的反射光量差异进行好坏识别，并利用电磁排料器去除异色粒或杂质b.色选机的主要用途：排除杂质如石头、沙子、玻璃、金属等去除对人体极具危害的黄斑、霉变、虫蛀、等有害物质c.色选机的结构和工作原理：图第108页，共145页，2023年，2月20日，星期四第109页，共145页，2023年，2月20日，星期四光电色选机的工作原理（选择花生仁、米粒等）：贮料斗中的物料由振动喂料器送入通道成单行排列，依次落入光电检测室，在光电探测器与比色板之间通过。被选颗粒对光的反射率及比色板的反射率用光电探测器相比较，颜色的差异使光电探测器内部的电压改变，并经放大。如果两者的信号差别超过自动控制水平的预置值，即被存储延时，随即驱动气阀，高速喷射气流将物料吹送入旁路通道。而合格品流经光电检测室时，检测信号与标准信号差别微小，信号经处理判断为正常，气流喷嘴不动作，物料进入合格品通道。第110页，共145页，2023年，2月20日，星期四色选机的核心—光学检测系统类型：①单色光检测系统10123456789既可用作反射光检测又可用于透射光检测第111页，共145页，2023年，2月20日，星期四双色光检测系统第112页，共145页，2023年，2月20日，星期四三视双色光检测系统第113页，共145页，2023年，2月20日，星期四例1：下图为某种柠檬不同成熟度的反射光谱。在波长678nm处，二者有明显差异，可选一小段λ1-λ2进行检测分选。第114页，共145页，2023年，2月20日，星期四

有时，只采用一段光谱还难以把物料中的合格品与疵品完全分开，可采用两段或多段光谱对物料进行检测分选。图是三个等级的花生仁的反射光谱，采用两段的反射光谱就可以将它们分开。第115页，共145页，2023年，2月20日，星期四3.近红外分光法检测原理近红外（nearinfaredNIR）光是指波长介于可见光区域中红外光区之间的电磁波，波长范围约为0.8~2.5μm，波束范围12500~4000cm-1.原理：近红外光谱的信息源是分子内部原子间振动的倍频与合频，在近红外分析中，具有实际意义的主要是以含H的基团（O-H,N-H,C-H等）为主的一些特征基团近红外光谱分析特点：①样品一般不需预处理，适于快速分析②可以利用漫反射技术③多组分同时分析④属于绿色分析技术第116页，共145页，2023年，2月20日，星期四近红外分光法在食品成分检测中的应用第117页，共145页，2023年，2月20日，星期四10.4传感器检测技术10.4.1电子鼻、电子舌检测技术生物嗅觉--人的嗅感产生过程框图鼻腔嗅细胞吸附嗅细胞表面电荷改变、产生电流刺激神经末梢产生兴奋信号嗅球中经对信号进行一系列加工、放大并传递到大脑大脑皮层嗅区进行信号处理玫瑰花香产生信号信号传递与预处理大脑识别嗅感第118页，共145页，2023年，2月20日，星期四10.4传感器检测技术10.4.1电子鼻、电子舌检测技术1.概述:

以前烟、酒、饮料等的品质都依靠人的感官来评定，造成很大的个体差异，所以希望找到一种客观准确的嗅觉鉴别方法来代替人工品闻。电子鼻就是肩负着这个使命诞生的！第119页，共145页，2023年，2月20日，星期四电子鼻的定义：是指由多个性能彼此重叠的气敏传感器和适当的模式分类方法组成的具有识别单一和复杂气味能力的装置第120页，共145页，2023年，2月20日，星期四人工嗅觉系统（电子鼻）气体传感器气体传感器气体传感器模拟电压信号模拟电压信号模拟电压信号A/DA/DA/D阵列数据预处理器知识库数据处理器智能解释器气味分子输出结果第121页，共145页，2023年，2月20日，星期四2.工作原理信号预处理气敏传感器阵列模式识别气体输出金属氧化物半导体传感器声表面波传感器导电有机聚合物膜传感器石英晶体谐振传感器电化学传感器红外光电传感器LB膜传感器A/D转换主成份分析PCA偏最小二乘法PLS聚类分析法CA人工神经网络ANN第122页，共145页，2023年，2月20日，星期四3.电子鼻的应用一.GardnerJW等利用电子鼻进行病原微生物白喉杆菌、金黄葡萄球杆菌的类型和生长阶段预测的研究，开发一套自动话的采样设备，使用六个金属氧化物传感器、一个温度传感器、一个湿度传感器组成的阵列并应用多层传输网络（MLP）和误差反向传播(ErrorBackPropagation,BP)算法进行识别第123页，共145页，2023年，2月20日，星期四电子鼻还可以用来检测爆炸物TNT、疾病诊断如肾脏疾病癌症等第124页，共145页，2023年，2月20日，星期四生物味觉第125页，共145页，2023年，2月20日，星期四人工味觉实验装置前置放大多路转换数字电压计计算机待测溶液多通道味敏电极参考电极第126页，共145页，2023年，2月20日，星期四人的味觉嗅觉系统人工嗅觉系统人工味觉系统初级嗅觉、味觉神经元：嗅细胞、嗅神经、味细胞、味蕾气体传感器阵列多通道类脂膜味觉传感器阵列二级嗅觉、味觉神经元：对初级嗅觉、味觉神经原来的信号进行调节抑制运放、滤波等电子线路运放、滤波等电子线路大脑：对二级嗅觉味觉神经元得到的信号进行处理，做出判断计算机计算机第127页，共145页，2023年，2月20日，星期四电子舌电子鼻在食品检测中的应用对啤酒香味检测的人工嗅觉系统第128页，共145页，2023年，2月20日，星期四10.4.2生物传感器检测技术

1.概述：生物传感器属于化学传感器的有一个分支。生物传感器定义:人们把这类用固定化的生物体成分（酶、抗体、抗原、激素）或生物体本身（细胞、细胞器、组织）作为敏感元件的传感器称为生物传感器。第129页，共145页，2023年，2月20日，星期四识别元件转换元件电子仪器被测物生物传感器检测原理：当被检测物质与感受器接触时，两者发生物理化学反应，从而形成复合体，信号转化器的作用是把识别物质部位的变化转换成电信号，在反应过程中，识别物质部位通常产生光热或物质的增减，通过转化器即可将识别物质部位的反应转换成电信号输出从而检测出待测物质第130页，共145页，2023年，2月20日，星期四2.生物传感器分类：酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、组织传感器1）酶传感器主要是利用酶在生物体内催化特定底物的特异性反应，从含有多种多样有机物的生物试样中选择性地把特定物之迅速测定出来，可分为酶电极、酶热敏电阻传感器、FET-酶传感器、光学型酶传感器①酶的本质和特征本质：降低反应的活化能，是反映迅速达到平衡，但不改变反应的平衡点与一般的化学催化剂相比催化效率更高反应的转移性更强具有调节能力作用条件温和容易变性和失活第131页，共145页，2023年，2月20日，星期四①酶电极基础电极固定化酶膜