苹果早期碰伤红外无损检测机理研究

苹果早期碰伤红外无损检测机理研究周建民，尹洪妍，范丽娟，张瑞丰，周其显(华东交通大学．南昌330013)摘要：针对水果早期碰伤不易被识别的特点．以苹果作为研究对象，在分析了球面热潦空同红外辐射规律的基础上．对苹果的早期碰伤红外热成像检测原理进行r深入探讨．最后通过实验验证了分析的模型以及规律．为红外热成像技术在农产品质量检测中的应用奠定基础。

美键词：苹果；早期碰伤；无损检测；红外辐射；红外热戚像中圈分类号：'T1崆19文献标识码：A文●蠕号：1003—188X(2012)07-0053-040引言水果的缺陷检测一直是农产品加工中非常重要的步骤之一。

尤其是苹果的早期碰伤，通常具有轻微凹陷、色稍变暗、无汁液外溢、肉眼难于察觉、病原微生物容易入侵而引起腐烂等特点，影响后续存储以及销售，容易造成较大经济损失…。

目前。

我国现有的水果缺陷检测技术主要还是以人工目测或常规机器视觉检测技术为主，在苹果的质量分级过程中，受苹果色泽的影响。

传统手段很难对早期轻微损伤加以检测。

留下较大隐患。

因此，水果的早期轻微损伤的快速有效检测是目前研究的热点和难点之一。

红外热成像技术对温度具有高敏感性，是一种非接触、无破坏、实时、快速检测方法，能检测小于0．1℃的温度变化，能在线检测物体表面温度．已开始广泛应用于现代农业、生物、食品检测等领域。

本文将红外热成像技术引入到果品的早期轻微损伤检测当中，以苹果为研究对象，探究水果早期损伤的红外热成像无损检测机理。

1红外辐射殛成像理论基础红外辐射是自然界中存在的最为广泛的电磁波辐射，一切高于绝对零度(一273。

C)的物体，都不断地发射红外辐射．同时这种辐射都载有物体的特征信息。

红外热成像技术就是利用物体自身各部分的这种红外辐射的差异，把物体不可见的热辐射情况转换为可收藕日期：201I-08-23基金璜目：缸西省科拄支撑计划项目(20100N A05500)；江西省自然科学基金项目(20l oc,Q s0040)；江西省教育厅科技项目(c JJl l430)作謇简介：周建民(1975一)．男．湖南邵阳人．捌教授。

博士，(E-m ai l) hotzj m@163．c(im。

53视热图的技术‘”。

红外热成像系统的核心设备是红外热像仪．其成像原理如图I所示。

面下t吁a田I红外热戚霄原理田F i g T he i n f ntnd t h e m tO l_m ph y B yBt em物体的红外辐射经过光学系统聚集到探测器上，探测器把人射的辐射转换成电信号，电信号数字化到热像仪的电子处理部分，再转换成可见的红外热图。

运用这一方法，能实现对目标物体的非接触温度测量和热状态成像，从而进行智能分析判断”】。

同一目标的热图像和可见光图像不同，它不是人眼所能看到的可见光图像，而是目标表面温度分布的图像。

根据斯蒂芬一玻耳兹曼定律，这种热辐射的大小可以用式(I)表示，即甲=8n以=s口r(1)其中，矿为物体的全波辐射度(W／m2)；口为斯蒂芬一玻耳兹曼常量5．67x10d(W／m2一)；r为物体表面的绝对温度(K)，o为物体表面的比辐射率(理想黑体8=l；其它物体e<1)o斯蒂芬一玻尔兹曼定律表明。

即使非常小的温度变化，也会引起全渡辐射度的攫大变化。

在比辐射率一定的条件下．物体总的辐射度与其表面温度的4次方成正比。

考虑到苹果的曲面几何特征．有必要对曲面物体的热辐射规律做进一步探讨。

对于球面热源辐射来说，可以将其分割成许多小平面，分割的法是满足每一个小平面正好占满整个测量视场(如图2所示)，这样就将球面模型转化到了平面模型。

K亘<豳2珲痢珊射竹剂卷想ns211|edivi ．on “，Ⅲ㈣tjja ‰“因为探测器的测量祝场一定．所以根据平面黑体热源的辐射模型”I ，探测器测量到的球面热源某一点的辐射量为，l 一㈨日舻=÷(I —cos 以)=—了翟，=K ，(2)z‘其中，Ⅳ为探测器接收到的光谱辐射度：日。

为探测器的视场角；I 为等温红外辐射源的光谱辐射度；K 是仅和探测器有关的常系数。

式(2)表明：球面辐射测量的结果和分割的表面的辐射强度成正比．和在球面上所处的测量位置无关。

即对于表面温度均匀的待测苹果来说，其曲面几何特征并不影响其表面任一点在热图像中的温度测量值．这对于研究像苹果这种几何形状近似球体的红外辐射规律非常重要。

事实上．常温下，水果表面缺陷部位与完好部位的发射率差异极小．因而其表面温差也很小(约存在0．2一I ．0℃的温差，D anni ，1978)“，而普通热像仪的最小热分辨率大约在005—0．1℃左右。

显然，仅靠热像仪无法获得所需的温度场信息，正是基于这个局限性，主动激励下的红外热成像技术应运而生，通过加载如红外热波、脉冲激励，超声波和热风等主动外部激励以达到增强温度差异的目的。

2苹果碰伤红外无损检测原理苹果在受到外部热激励后，热量从其表面逐步向内部传递。

在苹果表面温度趋于热平衡的过程中，假设苹果材质均匀，并且忽略苹果几何不规则变化，将其近似视为球体(如图3所示)，此时苹果的空间辐射规律刚好满足上述球面辐射模型。

苹果在红外热源的热激励后．能量从表面传向内部的过程是一个典型的非稳态导热问题。

苹果在任意时刻E 在球心沿径向r 处的红外辐射可以用一个一维温度场来描述．即?’=／(r ，t )(3)由于物体内部结构的变化通常会以能量堆积的形式在物体表面反映出来，因而可用物体表面的热图像来分析物体内部特征。

假如苹果完好且受热均匀，那么．根据前面介绍的斯蒂芬一玻尔兹曼定律．在热像仪任意时刻记录的苹果的红外热图像中，其表面温度场可以用图4模型来描述。

圉4党蚌苹果的表面温度分布场F ％．4T he di nt r i bu l i e nof Ie …口㈣fiel duf ∞∞da p pl e按照V ai r 【h ”‘和B ar anow ski l 73的理论．对于含有损伤的苹果，其表面温度场是不均匀的，且这种不均匀性不是因为损伤组织与完好组织的结构材质不同．而是由于二者热特性表现出来的差异引起的。

事实上，研究发现”o ．物体在外部热激励条件下的热传递特性与其热物性参数紧密相关，即与热扩散率n ，热传导率女，比热容c 。

，以及比辐射率8有关．且前3个参数与物体密度p 存在以下关系，即“2忐(4)物体受热时，n 越大，表示物体中温度变化传递的越快。

所以，a 也是材料传递温度变化能力大小的指标．亦称导温系。

～些常见水果的热物性参如表l ¨o 所示。

当苹果受到机械冲击(挤压、碰撞)时，损伤区域变得更加致密(密度P稍微增加5％)，而其质量、含水量及比热容C,JL乎不变。

此外，损伤组织里的细胞会释放部分水分到组织空隙里，导致其热传导率k增加，相比完好组织，k的值大约增加9％一26％(V ar i t h，2001)”1。

根据式(4)可知：由于k的值增加幅度大于P，而C又可视为不变，因此损伤区域的热扩散率a 比完好区域大。

在外部热激励下，损伤区域向内部传递的热量比完好区域传递的更多，导致其表面温度比完好区域低，如图5所示。

图5损伤苹果的表面温度分布币薏图ns511_。

出B m“∞d t em pe m t m f i el d d如kt i％appl e 由于温度是被测物质量信息的载体，因而热量在苹果表面会形成时间和空间上的温度梯度，即温度扰动，用热像仪记录这种差异，就可以获取苹果内部或近表的质量信息。

从而达到无损检测目的。

3实验验证实验前，为获得不同损伤程度的早期机械损伤，通过实验室模拟水果早期碰伤。

将完好待测样品从0．2—1m高的地方垂直跌落至水平地面来获得苹果的早期机械碰伤(如图6所示)；然后将所有待测样品放置16℃环境下存储24h，之后将样品迅速取出并放置在室温为20℃、湿度为60％的实验环境下3～5m i n，可获得样品表面温度均匀稳定的实验条件。

实验时，通过加载持续的热流对样品进行热波激励，然后利用波长为8～14“m的伪彩色红外热像仪采集样品的热图像。

图7为实验过程中的苹果部分早期碰伤热图像对照图。

这里，规定碰伤深度在4m m以下的为轻微损伤，4r am以上为深度损伤。

图7中(a)为苹果的深度碰伤热成像检测结果(深6m m)，(b)则为轻微碰伤热图像(深3．2r am)。

■；觚j圈6苹果早期碰伤可见光团像％．6ne一删『ly一岫c8ldam略∞in吐Ppk D D(a)耀腰碰伤(缺陷深6一)(b)轻做碰伤(缺陷深32一)图7部分苹果早期碰伤热圃像F嘻7S om e【I．er m a l i m a ges of appl％“小ear l y hm I*从图7中可以看出，碰伤区域的灰度特征明显低于完好区域(亦即温度更低)，且其几何特征一般呈近似圆形状，边缘较为模糊，这是因为红外辐射的衍射效应一般比可见光强烈，并且损伤区域的中心最深，并向四周递减，因而损伤中心温度一般较四周低。

此外，深度碰伤比轻微碰伤在热图像上更加明显，对比度更强。

事实上，随着时间、空间的变化，二者之间的差别并不明显，很难判将它们区别开来。

并且，受苹果球形几何结构及热激励源不均匀特性的影响．苹果边缘部分区域温度稍微比中心区域低，导致该区域的灰度级也比中心区域低且与碰伤区域的灰度级接近，容易将这些区域误判为碰伤区，一定程度上会影响碰伤热成像检测的准确率。

4结论据估计，在高度机械化的国家，水果由于机械损伤而引起的平均损耗约占总质量的30％一40％，国产果品因机械伤损失也占总销量的5％以上¨…，不利于水果生产的进一步发展。

目前，运用红外热成像技术对农产品进行无损检测的研究在国外已经开展多年。

并取得了一批重要的研究成果，而国内在相关领域的研究尚未见报道。

因此，本文针对我国水果特点，对苹果早期碰伤的红外热成像无损检测机理进行了深入研究，以期探索一种快速无损检测新方法，促进红外热成像技术在农产品加工领域的发展，满足人们对食品质量要求日益严格的需求。

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