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山药内部品质无损快速检测装置设计与实验 被引量:1
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作者 王威 李永玉 +3 位作者 彭彦昆 马劭瑾 吴继峰 张悦湘 《农业机械学报》 北大核心 2025年第2期495-502,共8页
随着山药加工产业的发展,山药品质快速无损检测分级对产业链的健康发展具有实用意义。以研发山药多品质无损快速检测装置为目的,基于可见/近红外局部漫透射原理,根据山药特殊外观特点设计了山药专用检测探头,通过对比实验设计光路,研制... 随着山药加工产业的发展,山药品质快速无损检测分级对产业链的健康发展具有实用意义。以研发山药多品质无损快速检测装置为目的,基于可见/近红外局部漫透射原理,根据山药特殊外观特点设计了山药专用检测探头,通过对比实验设计光路,研制了一种手持式山药多品质无损检测装置。装置整体尺寸为150 mm×80 mm×150 mm,质量约590 g。基于研发装置采集了150个山药的光谱信息,采集的光谱经多元散射校正(Multiplicative scatter correction,MSC)后再利用随机蛙跳算法(Shuffled frog leaping algorithm,SFLA)筛选特征波长,建立了山药干物质、淀粉、蛋白质含量的偏最小二乘回归(Partial least squares regression,PLSR)预测模型,其干物质、淀粉、蛋白质含量的验证集相关系数分别为0.9653、0.9675、0.9563,均方根误差(Root mean square error,RMSE)分别为1.09%、0.83%、0.15%,剩余预测偏差(Residual predictive deviation,RPD)分别为3.67、3.50、3.37。基于Qt开发工具利用C语言编写了实时分析控制软件,并将预测模型植入装置中,进行了外部验证。利用研发装置对50个未参与建模的山药样品干物质、淀粉、蛋白质含量进行了5次重复检测,其变异系数分别为1.0%~1.2%、1.5%~1.7%、1.4%~1.6%;50个山药样本干物质、淀粉、蛋白质含量装置检测结果和标准理化值最大残差绝对值分别为1.83%、1.64%、0.26%。结果表明,研发的手持式山药多品质无损检测装置可以满足现场实时检测需求。 展开更多
关键词 山药 局部漫透射 品质参数 无损检测
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猪肉新鲜度特征波长筛选及无损智能检测装置优化 被引量:3
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作者 左杰文 彭彦昆 +1 位作者 李荣娇 徐汇丽 《农业工程学报》 北大核心 2025年第1期308-316,共9页
食品安全和质量控制在现代社会变得至关重要,猪肉的安全和质量直接关系到人们的健康和生活质量。传统的食品安全检测方式往往存在着效率低下、破坏样本等问题。为实现猪肉新鲜度的快速、无损检测,在前期研究的基础上,该研究基于猪肉上... 食品安全和质量控制在现代社会变得至关重要,猪肉的安全和质量直接关系到人们的健康和生活质量。传统的食品安全检测方式往往存在着效率低下、破坏样本等问题。为实现猪肉新鲜度的快速、无损检测,在前期研究的基础上,该研究基于猪肉上清液试验平台提取了猪肉新鲜度各指标的特征波长,筛选出了与猪肉新鲜度相关性最高的6个特征波长。分析了猪肉新鲜度指标挥发性盐基氮(total volatile basic nitrogen,TVB-N)含量、pH值和颜色(L^(*)、a^(*)、b^(*))随着储藏时间的变化规律和上清液的光谱特征。通过竞争自适应重加权采样(competitive adaptive reweighted sampling,CARS)和连续投影算法(successive projections algorithm,SPA)筛选出了猪肉上清液光谱中与猪肉相关的特征波长,基于特征波长的偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR)模型性能得到明显的提升,使用标准正态变换、竞争自适应重采样加权算法与连续投影算法联用(SNV-CARS-SPA)建立的模型具有最佳性能,TVB-N含量、pH值、L^(*)、a^(*)和b^(*)的预测集相关系数Rp分别为0.996、0.961、0.731、0.922和0.839,预测集均方根误差RMSEP分别为0.388 mg/100g、0.067、2.377、0.832和0.567,其中540、580、680、730、760、860 nm这6个特征波长与猪肉新鲜度相关性最高。基于上述研究中的特征波长,优化设计了基于多光谱传感器的检测装置,包括光源模块、控制模块、散热单元、供电单元、采集探头和外壳等,基于Arduino系统对装置的软件进行了设计。建立了猪肉新鲜度指标TVB-N含量、pH值、L^(*)、a^(*)、b^(*)的预测模型,在6个特征波长下TVB-N含量、pH值、L^(*)、a^(*)和b^(*)最优模型的Rp分别为0.970、0.937、0.805、0.908和0.915,RMSEP分别为0.874 mg/100g、0.097、1.972、1.514和0.729。与优化前的设备相比,优化后的设备体积更小,制造成本更低,TVB-N检测精度进一步提高。该研究通过硬件和算法的优化,提升了猪肉新鲜度检测模型的性能,对于推动新鲜度检测设备的应用、提升肉类供应链中的质量监控能力、保障消费者的食品安全具有重要意义。 展开更多
关键词 光谱分析 机器学习 光源 特征波长 微型设备
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插入式油菜籽叶绿素含量无损检测装置设计与实验
3
作者 张悦湘 李永玉 +3 位作者 彭彦昆 王威 刘杰 孙禹琢 《农业机械学报》 北大核心 2025年第7期671-678,共8页
油菜是我国第一大油料作物,生产中常采用联合收获机一次性收获,因此收获的油菜籽叶绿素含量差异较大,影响油品质量和油脂加工成本,油菜籽中的叶绿素含量现场实时检测在油菜籽收购、加工等环节中具有重要意义。以研发便携式、低成本油菜... 油菜是我国第一大油料作物,生产中常采用联合收获机一次性收获,因此收获的油菜籽叶绿素含量差异较大,影响油品质量和油脂加工成本,油菜籽中的叶绿素含量现场实时检测在油菜籽收购、加工等环节中具有重要意义。以研发便携式、低成本油菜籽叶绿素无损快速检测装置为目的,根据油菜籽堆放储藏等特性,设计插入式检测探头,并研制了一种基于多光谱传感器的低成本油菜籽叶绿素无损检测装置。基于所研制检测装置建立了油菜籽叶绿素含量的偏最小二乘预测模型,经光谱形状特征(Spectral shape feature,SSF)和连续投影算法(Successive projections algorithm,SPA)预处理后预测模型决定系数和均方根误差分别为0.9414和2.0261 mg/kg。同时,基于Raspberry Pi 3B和QT5开发工具,采用C++语言开发了实时分析控制软件,实现了一键式人机交互控制。最后,选取25组未参与建模的油菜籽样品对装置检测精度和稳定性进行了外部验证,装置对每个样品重复检测3次叶绿素含量平均变异系数为3.27%,装置预测值与实际理化值决定系数和均方根误差分别为0.9358和1.9071 mg/kg。结果表明,插入式油菜籽叶绿素无损检测装置可以满足现场实时检测需求,为油菜籽加工产业化发展提供技术支撑。 展开更多
关键词 油菜籽 叶绿素 多光谱传感器 无损检测 插入式装置
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二维相关可见-近红外光谱结合支持向量机评价猪肉新鲜度 被引量:14
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作者 王文秀 彭彦昆 +2 位作者 孙宏伟 魏文松 郑晓春 《食品科学》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第18期273-279,共7页
为探究二维相关同步光谱优选生鲜肉新鲜度特征变量的可行性,采集生鲜猪肉在1~15 d共58个样品的可见:近红外反射光谱信息,并参照国标方法测定其挥发性盐基氮值(total volatile basic nitrogen,TVB-N)。然后,以TVB-N为"外界扰动&quo... 为探究二维相关同步光谱优选生鲜肉新鲜度特征变量的可行性,采集生鲜猪肉在1~15 d共58个样品的可见:近红外反射光谱信息,并参照国标方法测定其挥发性盐基氮值(total volatile basic nitrogen,TVB-N)。然后,以TVB-N为"外界扰动",选择10条代表性光谱并进行包络线去除,结合光谱差异选取了7个子区间。通过对每个子区间作二维相关分析,解析其二维相关同步谱和自相关谱,获取与TVB-N变化密切相关的敏感变量。最后,利用所选特征变量,分别基于原始、标准正态变量变换预处理和归一化预处理的光谱,建立猪肉新鲜度的支持向量机(support vector machine,SVM)判别模型。结果表明,利用二维相关光谱分析共提取到17个特征波长,仅占总变量个数的1.61%,建立的SVM模型总体正确率分别为94.83%、98.28%和98.28%。这表明所建立的模型具有较好的判别效果,也说明二维相关分析用于筛选与生鲜肉新鲜度相关特征变量的方法是可行的。这有利于解析生鲜肉在腐败变质过程中的光谱特征信息变化,也为近红外光谱分析中变量筛选提供了一种新的思路。 展开更多
关键词 可见-近红外光谱 二维相关光谱 新鲜度 生鲜肉 判别模型
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便携式马铃薯多品质参数局部透射光谱无损检测装置 被引量:13
5
作者 王凡 李永玉 +3 位作者 彭彦昆 杨炳南 李龙 尹学清 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第7期348-354,共7页
基于可见/近红外局部透射光谱,根据马铃薯大小及形状特征,设计了便携式马铃薯多品质无损检测装置,包括光谱采集模块、光源模块、控制与显示模块、供电模块和黑白参考盒,装置尺寸为11 cm×6.5 cm×9.5 cm。选取大西洋品种马铃薯... 基于可见/近红外局部透射光谱,根据马铃薯大小及形状特征,设计了便携式马铃薯多品质无损检测装置,包括光谱采集模块、光源模块、控制与显示模块、供电模块和黑白参考盒,装置尺寸为11 cm×6.5 cm×9.5 cm。选取大西洋品种马铃薯样品85个,基于装置建立了马铃薯含水率、淀粉质量分数和还原糖质量分数的偏最小二乘定量预测模型,马铃薯含水率、淀粉质量分数和还原糖质量分数预测模型验证集相关系数分别为0.927 8、0.914 6、0.933 8,均方根误差分别为0.325 3%、0.344 9%、0.041 6%。基于QT开发工具,采用C/C++语言编写了装置实时分析控制软件,将所建预测模型植入到软件中,实现了马铃薯多品质参数实时无损检测一键式操作。最后对便携式马铃薯多品质无损检测装置的检测精度进行了验证。20个马铃薯样品含水率、淀粉质量分数和还原糖质量分数的装置预测值与标准理化值的相关系数分别为0.914 1、0.912 2和0.914 0,均方根误差分别为0.352 7%、0.340 4%和0.040 0%,平均偏差分别为0.295 1%、0.253 6%和0.031 6%,重复采样最大变异系数分别为0.006 7、0.012 4和0.123 1。结果表明:马铃薯多品质局部透射无损检测装置可以实现马铃薯含水率、淀粉质量分数和还原糖质量分数的实时无损检测。 展开更多
关键词 马铃薯 多品质参数 便携式 局部透射光谱 无损检测
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适于餐厅与家庭的叶菜外部品质在线检测与分级系统 被引量:6
6
作者 魏文松 邢瑶瑶 +2 位作者 李永玉 彭彦昆 张文平 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第5期264-273,共10页
该研究从中式菜肴原料的品质控制需求出发,针对叶菜变黄、腐烂、虫害危害消费者健康、人工挑选费时费力的技术难点,开发了基于机器视觉的叶菜外部品质在线检测与分级系统,以实现在中小型餐厅和家庭场合对黄化叶、腐烂叶以及虫眼叶的快... 该研究从中式菜肴原料的品质控制需求出发,针对叶菜变黄、腐烂、虫害危害消费者健康、人工挑选费时费力的技术难点,开发了基于机器视觉的叶菜外部品质在线检测与分级系统,以实现在中小型餐厅和家庭场合对黄化叶、腐烂叶以及虫眼叶的快速检测判别与分级。该系统硬件部分主要包括基于负压吸气式的样品分离单元、基于LED光源照明系统的样品检测单元以及基于气吹式分选单元等。利用Open Cv和Visual C++编写了叶菜外部品质无损快速检测软件,实现样品信息的自动采集、数据分析和结果显示。最后结合对应的特征信息提取方法,利用320个菠菜样品对装置性能进行试验验证,其中黄化叶、虫眼叶、腐烂叶以及正常叶数目各为91、75、91、63。针对黄化叶与腐烂叶,利用RGB到HSV的颜色空间变换方法分别设定分量值H∈(60?,130?)、S∈(0,0.17)和V∈(0,0.23)提取菠菜黄化叶与腐烂叶的特征信息,实现菠菜黄叶与腐烂叶的判别;针对虫眼叶,在RGB颜色空间中调节2G-R-B的阈值对虫眼叶菜进行灰度化、二值化及形态学消噪提取虫眼叶轮廓特征信息,实现虫眼叶判别及虫眼面积的计算。试验结果表明,利用该装置并结合各自的特征信息提取算法,能够实现对菠菜外部品质的判别,与人工判别相比,黄化叶、腐烂叶以及虫眼叶的判别正确率分别为96.70%、92.59%、84.62%,整体判别正确率为94.69%,1个叶菜样品的分选时间为0.84 s。 展开更多
关键词 图像处理 分级 特征提取 机器视觉 在线系统 叶菜
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玉米种子活力逐粒无损检测与分级装置研究 被引量:11
7
作者 王亚丽 彭彦昆 +1 位作者 赵鑫龙 沈柳杨 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第2期350-356,共7页
基于近红外反射光谱分析技术,设计了玉米种子活力逐粒无损检测与分级装置,该装置主要由单粒化装置、输送管道、近红外光谱采集系统、控制系统和分级装置等组成。种子单粒化装置由一个带孔的倾斜转盘和一个固定托盘组成。输送管道与固定... 基于近红外反射光谱分析技术,设计了玉米种子活力逐粒无损检测与分级装置,该装置主要由单粒化装置、输送管道、近红外光谱采集系统、控制系统和分级装置等组成。种子单粒化装置由一个带孔的倾斜转盘和一个固定托盘组成。输送管道与固定托盘出种口连接,其末端为光谱采集单元。种子由单粒化装置分离后,经输送管道落至光谱采集区进行光谱分析及活力判断,之后由分级装置对判别完成的种子进行分级。带孔圆盘用于将种子单粒化,其工作效率是提高种子检测及分级速率的关键。经分析得出,决定单粒化装置单粒化效率的因素分别为转盘倾斜角、转盘速度和孔高度。为提高检测速率,对单粒化装置进行了参数分析及优化试验。试验结果表明,当转盘倾斜角为31°、转速为0.5 r/s、孔高度为2.2 mm时,种子单粒化效率最优,单通道可达7粒/s。为建立玉米种子活力预测模型,基于该装置分别采集了100粒正常有活力玉米种子和100粒人工老化无活力玉米种子在980~1700 nm波长范围的光谱数据,对种子原始光谱进行不同方法的预处理,并利用PLS-DA建立种子活力的定性判别模型。几种不同处理方式下的建模对比结果表明,SG-smooth预处理下的建模效果最优,其中校正集的判别准确率为98.7%,预测集的判别准确率为96%。选取100粒种子对该装置预测模型的稳定性和准确性进行了验证试验,种子活力预测的总准确率为97%。所设计的玉米种子活力逐粒无损检测分级装置单粒化效率较高,光谱数据采集稳定,对玉米种子活力进行实时无损检测及分级具有可行性。 展开更多
关键词 玉米种子 近红外光谱 活力 无损检测 分级
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掌上式生鲜猪肉新鲜度无损智能检测分级装置 被引量:10
8
作者 彭彦昆 邹文龙 +4 位作者 李荣娇 左杰文 姚现强 姚现琦 杨德勇 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第18期262-269,共8页
为实现储运过程中生鲜猪肉新鲜度实时检测,该研究基于可见/近红外光谱技术开发了掌上式生鲜猪肉新鲜度无损智能检测装置。检测装置以可见\近红外光谱采集单元为核心,搭建了硬件系统,开发了生鲜猪肉新鲜度多指标同时检测和新鲜度分级软... 为实现储运过程中生鲜猪肉新鲜度实时检测,该研究基于可见/近红外光谱技术开发了掌上式生鲜猪肉新鲜度无损智能检测装置。检测装置以可见\近红外光谱采集单元为核心,搭建了硬件系统,开发了生鲜猪肉新鲜度多指标同时检测和新鲜度分级软件系统。通过研发的检测装置采集了不同部位猪肉的650~1100 nm波长范围的漫反射光谱,经过标准正态变量变换(standard normal variable transformation,SNV)预处理后,对比连续投影算法(successive projections algorithm,SPA)和竞争性自适应加权抽样算法(competitive adaptive reweighted sampling,CARS)算法优选了猪肉新鲜度特征光谱,分别建立了不同部位猪肉新鲜度指标通用预测模型,并根据挥发性盐基氮(total volatile basic nitrogen,TVB-N)含量和pH值预测值,将猪肉分为新鲜、次新鲜和变质3个等级。试验结果表明,通过SNV预处理和CARS算法筛选特征波长后建立的PLS预测模型(下文简称“SNV-CARS-PLS”)具有更好的性能,TVB-N含量、pH值、亮度L^(*)、红度a^(*)和黄度b^(*)通用预测模型的预测集相关系数分别为0.942、0.945、0.940、0.933和0.833,预测均方根误差分别为1.131 mg/100 g、0.136、1.706、1.217和0.717。将通用检测模型导入检测装置进行了试验验证,对不同部位猪肉样本试验结果表明,TVB-N含量、pH值、亮度L^(*)、红度a^(*)和黄度b^(*)的预测结果与理化值的均方根误差分别为1.109 mg/100 g、0.134、1.140、1.094和0.636;新鲜度的分级正确率为92.86%;单个样品检测时间约为1 s。该检测装置可满足不同部位猪肉新鲜度多指标现场快速检测和分级的需求,为及时掌握储运过程中生鲜猪肉新鲜度情况、辅助决策储运和销售方案、保障生鲜猪肉品质安全具有重要作用。 展开更多
关键词 可见/近红外光谱 新鲜度 掌上式 智能分级装置 实时检测
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局部偏最小二乘法结合可见-近红外光谱预测猪肉挥发性盐基氮 被引量:5
9
作者 王文秀 彭彦昆 +1 位作者 王凡 马营 《食品科学》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第14期339-345,共7页
以两个批次的猪肉为实验样品,开展局部偏最小二乘法结合双波段可见-近红外光谱预测挥发性盐基氮的研究,以改善模型预测不同批次样品时效果不佳的问题。提出基于距离、信息测度和投影的相似性度量方法,通过对欧式距离和光谱信息散度-光谱... 以两个批次的猪肉为实验样品,开展局部偏最小二乘法结合双波段可见-近红外光谱预测挥发性盐基氮的研究,以改善模型预测不同批次样品时效果不佳的问题。提出基于距离、信息测度和投影的相似性度量方法,通过对欧式距离和光谱信息散度-光谱角(spectral information divergence-spectral angle,SID-SAM)进行加权求和,构建评价不同样品相似性的相似度函数,定义相似度因子(SM),通过最小化代价函数确定建立局部模型的邻域窗口。以第1批样品为建模基础集,通过对欧式距离和SID-SAM的权重及SM进行参数寻优,针对第2批次中每个样品建立局部偏最小二乘模型。结果显示,与利用第1批样品建立的模型直接预测第2批样品的结果相比,预测效果有明显提高,相关系数R从0.845 6上升至0.948 1,预测误差从4.581 0 mg/100 g下降至2.650 8 mg/100 g。这表明利用提出的相似度函数和相似度因子,可根据待测样品的光谱特征,实时动态选择相似的局部空间,建立的局部偏最小二乘模型能有效提高对外部验证样品的预测能力。 展开更多
关键词 可见-近红外光谱 猪肉 挥发性盐基氮 局部偏最小二乘法
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夹持压力可控的香梨采摘末端执行器设计与试验 被引量:4
10
作者 刘媛媛 董建伟 +2 位作者 彭彦昆 兰海鹏 李平 《农机化研究》 北大核心 2020年第4期33-39,共7页
库尔勒香梨是新疆特色水果,其酥脆特点为香梨机械化采摘带来较大挑战。为了降低香梨机械损伤及实现自动采摘,在分析物理特性、力学模型的基础上研制了夹持压力可控的夹持-扭转协同工作的香梨采摘末端执行器,主要包括夹持部件、旋转部件... 库尔勒香梨是新疆特色水果,其酥脆特点为香梨机械化采摘带来较大挑战。为了降低香梨机械损伤及实现自动采摘,在分析物理特性、力学模型的基础上研制了夹持压力可控的夹持-扭转协同工作的香梨采摘末端执行器,主要包括夹持部件、旋转部件、压力反馈单元及控制单元等。以夹持-扭断时间、放果时间和采摘成功率为指标,进行采摘试验,结果表明:夹持压力阈值和扭转角度分别为7N和60°时,夹持-扭转时间在1.01~1.75s之间,放果时间在0.43~0.91s之间,采摘成功率约为94.6%。该末端执行器采摘速度快、成功率高,可为香梨采摘机器人的研发提供参考。 展开更多
关键词 库尔勒香梨 采摘末端执行器 夹持-扭转 压力可控
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玉米主要品质便携式检测装置设计与试验 被引量:4
11
作者 彭彦昆 戴宝琼 +3 位作者 李阳 赵鑫龙 邹文龙 王亚丽 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第9期382-389,共8页
我国玉米产量高,高效、便携、低成本的玉米成分检测技术及其装置对于玉米品质的检测至关重要,基于可见/近红外光谱技术,设计了一款玉米主要品质便携式检测装置。为探究所设计方案的可行性,自行搭建了可见/近红外光谱采集系统,对不同品种... 我国玉米产量高,高效、便携、低成本的玉米成分检测技术及其装置对于玉米品质的检测至关重要,基于可见/近红外光谱技术,设计了一款玉米主要品质便携式检测装置。为探究所设计方案的可行性,自行搭建了可见/近红外光谱采集系统,对不同品种共72份玉米样本进行光谱采集,分别建立了玉米籽粒蛋白质、脂肪和淀粉含量的偏最小二乘(PLS)预测模型以及结合竞争性自适应重加权算法(CARS)的CARS PLS预测模型。结果表明,CARS方法可以有效筛选出各组分的相关变量,提升模型效果,各组分质量分数的预测集均方根误差(RMSEP)均有所下降,蛋白质质量分数的RMSEP由0.4866%降至0.4068%;脂肪质量分数的RMSEP由0.1549%降至0.0989%;淀粉质量分数的RMSEP由0.4714%降至0.4675%。预测集相关系数R_(p)均有所提高,蛋白质质量分数的R_(p)由0.9309提升至0.9603;脂肪质量分数的R_(p)由0.9497提升至0.9770;淀粉质量分数的R_(p)由0.9520提升至0.9605。基于CARS方法所筛选的各组分特征变量,选择了合适的近红外光谱传感器,在此基础上设计了检测装置的光谱采集单元、控制单元、显示单元、电源单元以及散热单元,并基于NodeMCU开发板和Arduino IDE开发工具,采用Arduino语言对装置控制程序进行开发,实现“一键式”快速检测。试验验证了该装置的检测精度和稳定性,结果表明,预测玉米籽粒蛋白质、脂肪和淀粉质量分数的相关系数分别为0.8431、0.8243、0.8154,预测均方根误差分别为0.3576%、0.2318%、0.2333%,相对分析误差分别为1.8577、1.7761、1.5735。对同一样本多次重复预测,各组分预测值的变异系数分别为0.235%、0.241%和0.028%。 展开更多
关键词 玉米 主要品质检测 便携式 无损检测 可见/近红外光谱
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利用近红外光谱与PCA-SVM识别热损伤番茄种子 被引量:36
12
作者 彭彦昆 赵芳 +2 位作者 李龙 邢瑶瑶 房晓倩 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第5期159-165,共7页
为了研究近红外光谱技术用于热损伤种子快速无损识别的可行性,该文以120粒番茄种子为研究对象,其中60粒番茄种子通过高温加热处理的方式成为热损伤种子组,其他60粒番茄种子为正常种子组,利用实验室自主搭建的近红外光谱检测系统获取单... 为了研究近红外光谱技术用于热损伤种子快速无损识别的可行性,该文以120粒番茄种子为研究对象,其中60粒番茄种子通过高温加热处理的方式成为热损伤种子组,其他60粒番茄种子为正常种子组,利用实验室自主搭建的近红外光谱检测系统获取单粒番茄种子在980~1700 nm范围内的光谱,分别采用偏最小二乘判别法(partial least squares discriminant analysis,PLS-DA)和支持向量机(support vector machines,SVM)建立了番茄种子热损伤的定性分析模型。试验结果表明:2种判别模型的验证集总正确率均大于96%,均可用于热损伤种子的判别。其中,基于主成分分析(principal component analysis,PCA)预处理的光谱数据构建的支持向量机模型的判别效果最好,其校正集和验证集的判别正确率均为100%,更适用于种子热损伤识别。因此,应用近红外光谱技术可快速无损识别热损伤番茄种子,为种子检验提供了一种新的方法。 展开更多
关键词 近红外光谱 支持向量机 无损检测 热损伤 番茄种子
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便携式豆类品质监控系统研究 被引量:3
13
作者 彭彦昆 霍道玉 +3 位作者 左杰文 孙晨 胡黎明 王亚丽 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第7期404-411,共8页
传统的破坏性检测方法已难以满足豆类品质快速检测的需求。现有的无损检测设备存在稳定性及准确性不高等问题,为提高豆类品质含量检测装置的性能,基于近红外光谱技术研发了豆类品质无损检测装置,体积小、便于携带,能够适用于现场检测。... 传统的破坏性检测方法已难以满足豆类品质快速检测的需求。现有的无损检测设备存在稳定性及准确性不高等问题,为提高豆类品质含量检测装置的性能,基于近红外光谱技术研发了豆类品质无损检测装置,体积小、便于携带,能够适用于现场检测。基于所研发的装置,各取30个黄豆、绿豆、红豆、黑豆样本,通过旋转静态采集多次光谱求平均值与采集1次光谱的方式,对同一样品重复测量20次,得出随着采集次数的增加,光谱反射率变异系数平均值逐渐减小直至平缓,选取最佳豆类采集次数分别为16、8、14、16,对应的光谱变异系数平均值为2.9%、2.435%、2.763%、3.019%。以黄豆为例,选取80个样品,使用不同的预处理方法,分别建立黄豆蛋白质、粗脂肪和淀粉含量的偏最小二乘预测模型,结果表明,蛋白质、粗脂肪、淀粉质量分数预测的最优模型预处理方式分别为SG-MSC、SNV、SNV,其预测集相关系数Rp分别为0.9746、0.9505、0.9607,均方根误差分别为0.249%、0.572%、0.623%。取40个黄豆样本对装置模型进行试验验证,蛋白质、粗脂肪、淀粉质量分数的独立验证相关系数Ri分别为0.9411、0.9439、0.9334,独立验证均方根误差分别为0.465%、0.604%、0.673%,重复测量20次的平均偏差分别为0.409%、0.623%、0.637%,各参数重复测量20次变异系数分别为1.257%、0.896%、0.964%。结果表明,该装置具有良好的预测精度。以Visual Studio 2015为软件开发平台开发了豆类品质含量实时检测软件,实现多粒豆类品质情况“一键式操作”检测。选用阿里云服务器和MySQL数据库,基于TCP/IP网络通信协议,实现检测数据自动上传至数据库。基于若依开发框架设计了便于豆类品质监测的前端网络监控系统,实时显示数据库信息。 展开更多
关键词 豆类 品质 无损检测 近红外光谱
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苹果品质动态无损感知及分级机器手系统 被引量:13
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作者 彭彦昆 孙晨 赵苗 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第16期293-303,共11页
为了实现灵活高效的苹果多品质指标检测分级,基于机器视觉技术及可见/近红外光谱技术,开发了用于苹果内外部品质无损感知及分级的机器手系统。机器手系统采用六轴机械臂搭载自行研发的末端执行器,末端执行器上装载有光学传感器与抓取结... 为了实现灵活高效的苹果多品质指标检测分级,基于机器视觉技术及可见/近红外光谱技术,开发了用于苹果内外部品质无损感知及分级的机器手系统。机器手系统采用六轴机械臂搭载自行研发的末端执行器,末端执行器上装载有光学传感器与抓取结构,可以抓取流水线上的苹果并同时采集苹果的光谱进行糖度检测。使用CMOS相机采集苹果图像,训练并使用PP-YOLO深度学习目标检测模型处理采集的苹果图像,计算苹果的坐标位置实现苹果的动态定位,并获取苹果的果径大小、着色度信息实现外部品质检测。采集苹果样本光谱,结合不同的光谱预处理方式,利用偏最小二乘(Partial Least-Square,PLS)方法进行建模分析。试验结果表明,使用PP-YOLO目标检测算法处理图像和计算苹果位置,其识别速度为38帧/s,极大地提高了检测速度。使用归一化光谱比值法(Normalized Spectral Ratio,NSR)作为预处理算法的糖度建模结果较佳。采用NSR+CARS(Competitive Adaptive Reweighted Sampling,竞争性自适应重加权算法)作为机器手的动态光谱模型效果较佳,该动态光谱模型相关系数Rv为0.9589,验证均方根误差RMSEV(Root Mean Squared Error of Validation)为0.4627%,与静态下建立的模型相比,机器手在动态状态下采集光谱对所建立的预测模型的预测效果影响较小。对整体机器手系统进行了试验验证,机器手在工作时能够无损伤地抓取苹果,给出果径大小、着色度、糖度3个检测指标并依据指标自动划分等级,然后依据等级信息分级。随后测定了3个指标的实测值与预测值进行分析,果径大小的预测相关系数为0.9772,均方根误差为1.6315 mm;着色度的预测相关系数为0.9674,均方根误差为5.9734%;糖度的预测相关系数为0.9643,均方根误差为0.5048%,预测结果与真实值均具有较强的线性关系和较低的预测误差,机器手系统分级正确率为95%,完成一颗苹果的定位、抓取、检测、分级和放置的时间约为5.2 s,具有较好的工作可靠性,研究结果可为苹果多品质指标的高效检测提供参考。 展开更多
关键词 机器视觉 可见/近红外光谱 苹果 无损感知 分级 机器手系统
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基于增强拉曼光谱的苹果中啶虫脒农药残留的无损定量分析 被引量:11
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作者 彭彦昆 田文健 +2 位作者 郭庆辉 赵鑫龙 乔鑫 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第14期310-316,共7页
为了快速准确检测苹果的农药残留,该研究基于表面增强拉曼光谱技术,以新烟碱类农药啶虫脒作为研究对象,建立了一种快速准确检测苹果农药残留含量的方法。为了改善表面增强剂对定量检测的检测精度和稳定性,在pH值为6.5的弱酸性条件下向... 为了快速准确检测苹果的农药残留,该研究基于表面增强拉曼光谱技术,以新烟碱类农药啶虫脒作为研究对象,建立了一种快速准确检测苹果农药残留含量的方法。为了改善表面增强剂对定量检测的检测精度和稳定性,在pH值为6.5的弱酸性条件下向银溶胶中加入稳定剂聚丙烯酸钠和团聚剂NaCl。采用了卡尔曼平滑(Rauch-Tung-Striebel,RTS)与非对称重加权惩罚最小二乘法(asymmetrically reweighted Penalized Least Squares,arPLS)结合扩展乘性散射校正(Extended Multiplicative Signal Correction,EMSC)来消除噪声和荧光信号对模型的影响。为了检测方法的重复性,对30个相同啶虫脒含量(20 mg/kg)的苹果进行了拉曼信号采集,并对627 cm-1,835 cm-1和1107 cm-13个特征峰强度进行分析,其相对标准偏差(rRelative sStandard dDeviation,RSD)分别为6.14%,6.83%,6.99%,说明该方法具有较好的重复性。采集含有梯度浓度啶虫脒的苹果(0.012 mg/kg~10.830 mg/kg)的信号时,最低检测限为0.035 mg/kg,远低于国家规定的标准0.8 mg/kg。建立的苹果中啶虫脒农药残留偏最小二乘回归(Partial Least Squares Regression,PLSR)预测模型效果较好,检测范围在0.082~3.830 mg/kg,预测相关系数(Rrediction coefficient,Rp)为0.974,预测集均方根误差(Root Mean Square Errors of prediction,RMSEp)为0.0441 mg/kg,校正相关系数(Correlation coefficient,Rc)为0.986,校正集均方根误差(Root Mean Square Errors of calibration,RMSEc)为0.0369 mg/kg。研究表明,该方法可以对苹果中残留的啶虫脒农药进行准确的定量预测。 展开更多
关键词 无损检测 模型 拉曼光谱 农药残留 苹果 表面增强
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苹果外部缺陷全表面在线检测分选装置研发 被引量:13
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作者 彭彦昆 孙晨 +1 位作者 刘乐 李阳 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第23期266-275,共10页
中国是水果消费大国,但在水果产后检测装备方面相对滞后。针对目前在线检测装置无法采集苹果全表面图像信息且无法精确计算缺陷面积的问题,该研究以表面缺陷面积的快速检测为主要目标,提出苹果全表面图像合成算法,设计了一套苹果外部品... 中国是水果消费大国,但在水果产后检测装备方面相对滞后。针对目前在线检测装置无法采集苹果全表面图像信息且无法精确计算缺陷面积的问题,该研究以表面缺陷面积的快速检测为主要目标,提出苹果全表面图像合成算法,设计了一套苹果外部品质在线检测及分级装置。该研究以苹果为例,基于球模型提出苹果全表面图像合成算法、缺陷面积校正算法精确计算苹果的表面缺陷面积。通过试验验证,对苹果表面图像进行分割合成后,整体的图像的漏检率为0。提出缺陷面积校正算法,可以计算图像中位于任意位置的苹果缺陷真实面积,选取了120个样本进行验证,其中擦伤样本、碰伤样本、痘斑病样本、表面腐败样本各30个。4种表面损伤面积的预测值和真实值的决定系数R^(2)均在0.97以上,均方根误差(Root Mean Squared Error,RMSE)在4 mm^(2)以下。在偏角试验中,4种表面损伤面积的预测值和真实值的决定系数R^(2)均在0.9742以上,RMSE在6.3044 mm^(2)以下。装置检测苹果的速度为2个/s,评级准确率为95%。研究结果表明,检测与苹果评级精度较高,工作较为稳定,实现了苹果外部缺陷的检测与分级评价,可为苹果的外部品质检测提供技术支撑。 展开更多
关键词 机器视觉 农产品 无损检测 苹果外部品质 在线式装置
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苹果内部品质分级机械手设计与试验 被引量:10
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作者 彭彦昆 马营 李龙 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第1期307-312,共6页
为检测苹果内部品质,基于可见/近红外光谱检测技术并结合分拣机械手,设计了苹果内部品质分级机械手。该装置主要由夹持机构、近红外光谱采集系统、控制系统等组成。机械手稳定夹持苹果后采集苹果的近红外光谱数据,上位机软件中的预测模... 为检测苹果内部品质,基于可见/近红外光谱检测技术并结合分拣机械手,设计了苹果内部品质分级机械手。该装置主要由夹持机构、近红外光谱采集系统、控制系统等组成。机械手稳定夹持苹果后采集苹果的近红外光谱数据,上位机软件中的预测模型对光谱数据进行分析处理,并显示光谱曲线和预测结果。为建立苹果可溶性固形物含量预测模型,基于该装置采集了苹果在650~1 100 nm波长范围内的光谱数据,通过国家标准测量法测得苹果样本的可溶性固形物含量,采用SG卷积平滑(SG-smooth)、标准正态变量变换(SNV)和多元散射校正(MSC)对光谱数据进行预处理,并结合可溶性固形物含量测量值建立偏最小二乘(PLSR)模型。结果表明,采用多元散射校正方法预处理后的建模效果最优,其预测模型的校正集和预测集相关系数分别为0. 978 2、0. 970 1,均方根误差分别为0. 274 6、0. 326 3°Brix。选取20个同品种苹果样本对该装置的稳定性和准确性进行了测试,可溶性固形物含量预测值与测量值相关系数为0. 957 3,均方根误差为0. 422 4°Brix。试验结果表明,苹果内部品质分级机械手在夹持苹果的同时可以实现对苹果可溶性固形物含量的准确预测。 展开更多
关键词 苹果 机械手 无损检测 光谱分析 可溶性固形物 可见/近红外光谱
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便携式火腿腐败变质实时预警系统研究 被引量:3
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作者 彭彦昆 赵仁宏 +3 位作者 邹文龙 赵鑫龙 郭庆辉 庄齐斌 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第10期396-404,共9页
针对火腿、香肠等肉制品在生产、运输和销售过程中容易出现品质腐败以及货架期缩短的问题,基于近红外光谱技术对火腿的品质腐败参数进行研究,研发了一种具有自建模功能的便携式火腿品质腐败检测装置,并基于物联网技术开发了火腿货架期... 针对火腿、香肠等肉制品在生产、运输和销售过程中容易出现品质腐败以及货架期缩短的问题,基于近红外光谱技术对火腿的品质腐败参数进行研究,研发了一种具有自建模功能的便携式火腿品质腐败检测装置,并基于物联网技术开发了火腿货架期预警系统。基于研发的检测装置,采集了74块火腿样品的可见/近红外光谱,在经过不同的预处理后,分别建立了火腿颜色(L^(*)、a^(*)、b^(*))、pH值、挥发性盐基氮含量和菌落总数(TVC)的偏最小二乘(PLS)预测模型。在此基础上,利用竞争性自适应加权算法筛选特征变量,建立简化的PLS模型,各参数的预测模型相关系数分别为0.9317、0.9369、0.9578、0.9554、0.9285、0.9862,均方根误差分别为0.3530、0.2529、0.0961、0.0354、0.3724 mg/(100 g)、0.4398 lgCFU/g。结果表明,该装置可以用于火腿品质腐败参数的检测。同时研究了火腿储藏期间TVC生长规律,使用Modified Gompertz方程对TVC的生长曲线进行拟合,建立了TVC的生长动力学模型,通过TVC的光谱预测模型和生长动力学模型建立了货架期的预测模型。选用阿里云服务器和MySQL数据库作为服务端的开发工具,基于TCP/IP网络通信协议,将装置的检测数据实时传输到服务器端,进而保存到数据库中。最后将货架期的数据反馈至客户端,通过对货架期的监控实现火腿腐败变质的实时预警。经过实验测试表明,该系统可以用于火腿货架期的实时预警。 展开更多
关键词 火腿 腐败预警 便携式装备 近红外光谱
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基于纹理和梯度特征的苹果伤痕与果梗/花萼在线识别 被引量:20
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作者 李龙 彭彦昆 +2 位作者 李永玉 王凡 张捷 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第11期328-335,共8页
为了解决苹果果梗/花萼与伤痕在线识别的问题,利用自行设计的机器视觉检测系统在线采集苹果图像,通过自动分割合成算法将3个不同运动状态下的图像进行合成,使得合成后图像可以包含苹果的整个表面。再利用感兴趣区域提取算法提取出苹果... 为了解决苹果果梗/花萼与伤痕在线识别的问题,利用自行设计的机器视觉检测系统在线采集苹果图像,通过自动分割合成算法将3个不同运动状态下的图像进行合成,使得合成后图像可以包含苹果的整个表面。再利用感兴趣区域提取算法提取出苹果合成图像中的果梗/花萼和伤痕部分。通过分析早期伤痕、中期伤痕和后期伤痕的纹理特征和边缘梯度特征,得出纹理特征适用于早中期伤痕与果梗/花萼的检测,而由于后期伤痕的褐变严重且多已出现凹陷,其纹理特征与果梗/花萼相似,故通过提取后期伤痕和果梗/花萼的边缘梯度特征值用于两者的区分。从SVM的建模结果来看,对于早中期伤痕,模型的总体判别正确率为97%,而后期伤痕的总体判别正确率为96%,并利用所得到的模型设计了用于果梗/花萼与伤痕区分的总体算法。最终通过80个带有不同种类伤痕的样本验证总体算法的正确率为95%,验证试验结果表明该算法可实现对果梗/花萼与伤痕的在线识别。 展开更多
关键词 苹果 伤痕 果梗/花萼 在线识别 机器视觉
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生鲜紫薯花青素等多品质参数的可见-近红外快速无损检测 被引量:12
20
作者 卜晓朴 彭彦昆 +3 位作者 王文秀 王凡 房晓倩 李永玉 《食品科学》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第16期227-232,共6页
基于实验室自行搭建的可见-近红外光谱系统,以市售生鲜紫薯为研究对象,探讨其花青素、可溶性固形物(soluble solid contents,SSC)以及总糖(total sugars,TS)的同时快速无损检测方法。对紫薯原始光谱进行SG(Savitzky-Golay)平滑、标准正... 基于实验室自行搭建的可见-近红外光谱系统,以市售生鲜紫薯为研究对象,探讨其花青素、可溶性固形物(soluble solid contents,SSC)以及总糖(total sugars,TS)的同时快速无损检测方法。对紫薯原始光谱进行SG(Savitzky-Golay)平滑、标准正态变量变换以及一阶求导预处理,然后用偏最小二乘回归法进行建模分析。对于花青素和TS,经SG平滑结合一阶求导预处理的模型预测效果最佳;对于SSC,经SNV预处理的模型预测效果最好。针对紫薯各参数最佳预处理光谱采用竞争性自适应加权算法进行波长筛选,再次建立模型。花青素模型预测集的相关系数为0.942 1,预测均方根误差(root mean square error of prediction,RMSEP)为0.225 9 mg/g;SSC模型预测集相关系数为0.943 1,RMSEP为0.878 7°Brix;TS模型预测集的相关系数为0.925 3,RMSEP为0.244 3%。结果显示,利用可见-近红外光谱可以实现对生鲜紫薯的花青素、SSC以及TS的同时快速无损检测,对生鲜紫薯品质的快速无损检测分选有着重要的实用意义。 展开更多
关键词 可见-近红外光谱 无损检测 紫薯 花青素 可溶性固形物 总糖
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