糧油食品光電分選技術(shù)原理及原理

糧油食品光電分選技術(shù)原理及原理

在食品加工中，高效、穩(wěn)定的分類(lèi)設(shè)備可以有效地保證食品的安全和衛(wèi)生，提高居民的生活質(zhì)量。隨著中國(guó)、印度等發(fā)展中國(guó)家經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高,居民質(zhì)量安全意識(shí)不斷增強(qiáng),糧食食品分選技術(shù)及設(shè)備呈現(xiàn)出穩(wěn)定、高速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。1糧油食品光電分選技術(shù)光電分選技術(shù)是將光學(xué)技術(shù)與電子信息技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)各種量的測(cè)量。利用光電原理,對(duì)食品組織的彈性、導(dǎo)電性、表面溫度、形狀以及光輻射和反射光的能力等特性進(jìn)行研究,找出食品個(gè)體因外觀或內(nèi)部品質(zhì)差異對(duì)光、電反映所存在的差異(如農(nóng)產(chǎn)品的不同成熟度、色澤及內(nèi)部缺陷等對(duì)光的透過(guò)能力也不同等),從而進(jìn)行分級(jí)。它主要包括光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及數(shù)字圖像處理技術(shù)等,是目前糧食加工檢測(cè)中應(yīng)用最廣泛、最成功的一種方法。本文所述的糧油食品光電分選技術(shù)是根據(jù)各類(lèi)物料在不同光源的照射下所呈現(xiàn)出的不同特性,利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行特征識(shí)別,從而實(shí)現(xiàn)各類(lèi)物料的不同分類(lèi)。其技術(shù)原理如圖1所示:光源照到被測(cè)物料會(huì)產(chǎn)生不同的反光特性形成特征信號(hào),特征信號(hào)通過(guò)光電轉(zhuǎn)化成電信號(hào)傳達(dá)給電控系統(tǒng);電控系統(tǒng)對(duì)光電系統(tǒng)傳達(dá)過(guò)來(lái)的電信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和分析,然后對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)下達(dá)操作指令,從而達(dá)到分選目的。目前,該技術(shù)應(yīng)用形成了兩大類(lèi)別的分選裝備:通道式和履帶式。1cd探測(cè)器成像原理物料通過(guò)滑槽下落,在光學(xué)檢測(cè)區(qū)域,首先由光學(xué)鏡頭將物料不同的反射光與透射光匯集成像于CCD探測(cè)器上,由CCD將其成像后的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),并通過(guò)相關(guān)電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),再由高速處理器進(jìn)行算法運(yùn)算及分析,并將處理后的結(jié)果傳至動(dòng)作機(jī)構(gòu),如圖2所示。2色選條件的選擇物料下落到傳動(dòng)裝置的輸送帶上,輸送帶以勻速運(yùn)動(dòng)將物料輸送至前端,由于慣性的作用,以拋物線軌跡下落,進(jìn)入色選機(jī)分選系統(tǒng)進(jìn)行選別。工作時(shí),物料沿拋物線下落,在物料經(jīng)過(guò)電子視覺(jué)系統(tǒng)及圖像采集分析系統(tǒng)時(shí),圖像采集鏡頭對(duì)物料進(jìn)行圖像采集,判別系統(tǒng)對(duì)物料的好壞進(jìn)行辨識(shí),如圖3所示。2光學(xué)分離技術(shù)的現(xiàn)狀光電分選技術(shù)在近十年有了較大發(fā)展,國(guó)內(nèi)光電分選技術(shù)已基本達(dá)到國(guó)際同行先進(jìn)水平,根據(jù)頻譜可分為三類(lèi):可見(jiàn)光、近紅外和X光分選技術(shù)。1fpga處理單元設(shè)計(jì)主要包括:光敏組件CMOSSensor、黑白線陣CCDSensor、CMOS/CCD雙色Sensor、彩色CCDSensor四類(lèi)。(1)基于光敏組件CMOSSensor,傳感器的特點(diǎn)是10～60并行信號(hào)感應(yīng),后續(xù)通過(guò)獨(dú)立并行的放大和帯通濾波,再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換形成數(shù)字信號(hào),進(jìn)入基于FPGA為核心處理器的信號(hào)處理單元,處理單元按照設(shè)定的靈敏度和相關(guān)參數(shù)判別,并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元,實(shí)現(xiàn)分選。原理如圖4所示。(2)基于黑白線陣CCD,傳感器使用的像元為128～2048pixs,信號(hào)輸出特點(diǎn)為串行方式,采用集放大、濾波、時(shí)序控制、模數(shù)轉(zhuǎn)換為一體的專(zhuān)用CDS芯片,轉(zhuǎn)換形成的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入基于FPGA為核心處理器的信號(hào)處理單元,處理單元按照設(shè)定的靈敏度和相關(guān)參數(shù)判別,并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元,實(shí)現(xiàn)分選。原理如圖5所示。(3)基于CMOS/CCD雙色傳感器的應(yīng)用,即同時(shí)使用兩片CMOS或CCD傳感器,兩個(gè)傳感器使用不同帶通的濾光片(例如一種紅色、一種藍(lán)色),形成兩種單色信號(hào),每種信號(hào)獨(dú)立進(jìn)入模擬單元進(jìn)行放大和濾波,經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入校正單元,最終合并進(jìn)入處理單元進(jìn)行算法設(shè)計(jì),并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元,實(shí)現(xiàn)分選。原理如圖6所示。(4)基于彩色CCD,按照特定的規(guī)律輸出RGB三色信號(hào),RGB信號(hào)按順序經(jīng)模擬單元進(jìn)行放大和濾波,再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換形成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入校正單元,一般初步采用白平衡校正,進(jìn)入處理單元,進(jìn)行圖像識(shí)別算法設(shè)計(jì)。原理如圖7所示。2特定頻譜的近紅外紫外光識(shí)別近紅外分選技術(shù)較可見(jiàn)光分選技術(shù)的主要區(qū)別在于采用特定頻譜的近紅外光源,針對(duì)被識(shí)別物體內(nèi)部成分的含量進(jìn)行識(shí)別,如水分,水分多的物體對(duì)紅外光部分吸收較強(qiáng),水分少對(duì)紅外光吸收較少。原理如圖8所示。3圖像處理單元X光分選技術(shù)的識(shí)別原理是針對(duì)被識(shí)別物體密度的不同,產(chǎn)生差異信號(hào),經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換形成數(shù)字圖像,進(jìn)入圖像處理單元處理后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元,實(shí)現(xiàn)分選。原理如圖9所示。3光譜分析技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用隨著科技水平的日益進(jìn)步以及人民生活水平的提高,糧食加工業(yè)的發(fā)展更加精細(xì)化、智能化,光電分選技術(shù)得到了更加廣泛的應(yīng)用。1fpga色選系統(tǒng)早期色選機(jī)配置:基本以光敏組件為傳感器的獨(dú)立并行系統(tǒng),采用模擬信號(hào)放大、帶通濾波,模擬信號(hào)經(jīng)比較器比較后進(jìn)入以MCU微處理器為核心的處理單元,驅(qū)動(dòng)后續(xù)執(zhí)行單元進(jìn)行色選。優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,色選顏色差異較大的物料效果較好,穩(wěn)定性高。缺點(diǎn)是:模擬信號(hào)比較,無(wú)法對(duì)傳感器和光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償,整機(jī)一致性不能提高,色選顏色差異較小的物料效果不理想。近期色選機(jī)配置:采用高精度的光敏組件或高精度的CCD/CMOS線陣傳感器,配以高速的模擬電路和高速的A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入FPGA高速處理系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn):精度高,基于數(shù)字信號(hào)的校正算法能極大提高色選淡水黃的效果,基于線陣CCD能夠識(shí)別小到0.1mm大小的病斑,整機(jī)更具智能化。2x光分選機(jī)的組成色選機(jī):主要是對(duì)小麥的色選,基于CCD傳感器系統(tǒng),針對(duì)小麥光譜進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)一套基于小麥色選的光學(xué)系統(tǒng),并針對(duì)小麥對(duì)色選機(jī)通道的磨損,對(duì)通道表面進(jìn)行硬化處理,實(shí)現(xiàn)對(duì)小麥的分選。X光分選機(jī):X光分選機(jī)是根據(jù)不同物質(zhì)對(duì)X射線的吸收能力不同來(lái)實(shí)現(xiàn)異物檢測(cè)的。一般來(lái)說(shuō),X光分選機(jī)主要由三部分組成:X射線檢測(cè)裝置、中央處理系統(tǒng)和異物排除裝置。能夠有效剔除小麥中混雜的有害異物。3魚(yú)類(lèi)物料跟蹤及跳料識(shí)別豆類(lèi)色選主要基于彩色CCD傳感器,構(gòu)建圖像識(shí)別算法,對(duì)物料的形狀、顏色、下料姿態(tài)進(jìn)行跟蹤及精確的識(shí)別,同時(shí)由于豆類(lèi)物料下落過(guò)程中存在跳料,專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)基于豆類(lèi)物料的通道及定制噴閥。42玉米加工玉米分選主要基于彩色CCD傳感器,針對(duì)玉米形狀的特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,并融入圖像識(shí)別算法中,實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米特征的有效識(shí)別和分選。4未來(lái)的照明技術(shù)光電分選技術(shù)屬于高新技術(shù)領(lǐng)域,根據(jù)不同的光源選擇及應(yīng)用需求,未來(lái)的光電分選技術(shù)將形成四類(lèi)分選裝備:1近紅外成分分析技術(shù)針對(duì)市場(chǎng)對(duì)食品品質(zhì)需求的不斷提升以及人們對(duì)營(yíng)養(yǎng)飲食的日益關(guān)注,在原可見(jiàn)光色選技術(shù)的基礎(chǔ)上融入近紅外成分分析技術(shù),開(kāi)發(fā)復(fù)合色選技術(shù),轉(zhuǎn)化形成的復(fù)合色選機(jī)能實(shí)現(xiàn)分選后的糧油產(chǎn)品不僅顏色、大小一致,內(nèi)在成分也一致。22基于紫外篩選技術(shù)的顏色選擇利用激光激發(fā)產(chǎn)生熒光的原理,在紫外波段采集信號(hào),識(shí)別出一定含量的霉菌毒素,提升食品的衛(wèi)生與安全水平。32基于光刻顯色的粒裂紋選機(jī)采用高速、高分辨率CCD,對(duì)米粒加工過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋進(jìn)行識(shí)別并剔除,進(jìn)一步提升加工大米品質(zhì)。4雜糧的網(wǎng)絡(luò)處理及分類(lèi)采用高速、高分辨率彩色CCD,運(yùn)用海量數(shù)據(jù)傳輸及處理技術(shù),基于高速數(shù)字圖像處理技術(shù),構(gòu)建各類(lèi)雜糧特征庫(kù),解決各類(lèi)雜糧的分類(lèi)、分級(jí)。5糧食化學(xué)品生