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激光多普勒测振技术用于西瓜成熟度检测的研究

【摘要】:成熟度是影响瓜果贮藏和货架期间果实品质的重要因素,也是影响消费者购买的主要因素之一。准确检测瓜果的成熟度对于采后储存、运输、销售和消费等环节都具有重要意义。目前日益兴起的多种无损检测技术为快速、无损、准确评定西瓜成熟度提供了强有力的技术支持。在众多无损检测技术中,基于声学振动技术检测西瓜成熟度受到了国内外研究者的普遍关注。激光多普勒测振技术(LDV)是一种非接触式的声学振动技术,具有灵敏度高,动态响应快,对横向振动干扰不敏感等优点,可以准确测量瓜果组织的真实振动,从而对成熟度进行鉴别。本文以西瓜为研究对象,研究了激光多普勒测振技术检测西瓜成熟度的方法,并探索了该技术检测西瓜内部空心的可行性。以下为本文的主要研究内容和结论:(1)分析了所构建的激光多普勒测振系统的重复性和测振参数对西瓜振动响应信号的影响。差异系数(D)的统计结果表明,各试验样本的D值均小于50,所构建的激光多普勒测振系统重复性较好。单因素实验结果表明,在α=0.01水平上定加速度和扫频速率对西瓜振动响应信号影响显著,检测点位置对西瓜振动响应信号影响不显著。有交互作用的正交实验结果表明,2.5 g加速度振幅、1000 Hz/min扫频速率、阳面赤道检测点为较优的测振参数组合。(2)分析了成熟度指标(糖度、有效酸度、果肉弹性模量和颜色)随西瓜成熟度变化的规律。结果表明,随着西瓜逐渐成熟,果肉的糖度逐渐增加,pH值和弹性模量先上升后下降。(3)提取了西瓜振动响应信号的特征参数,分析了振动特征参数随西瓜成熟度变化的规律。从西瓜振动响应信号的幅度谱中,提取了12个振动特征参数:第一、二、三共振频率(f1、f2、f3,第一、二、三共振频率处的幅值(A1、A2、A3),第一、二、三刚度系数(S1=f12m,S2=f22m,S3=f32m),以及3个共振频率比值(f21=f2/f1,f32=f3/f2, f31=f3/f1)。随着西瓜逐渐成熟,f1、f2、f3均逐渐减小;未熟和适熟瓜A1、A2、A3的值高于过熟瓜;3个共振频率比值f21、f32和f31逐渐增大;S1先增大后减小,而S2和S3逐渐增大。(4)以提取的振动特征参数和样本质量(m)为自变量,用多元线性回归(MLR)和偏最小二乘(PLSR)方法建立了各成熟度指标的定量检测模型。结果表明:1)西瓜果肉糖度MLR模型的结果较优,校正集相关系数(rc)为0.77,校正均方根误差(RMSEC)为1.77°Brix,预测集相关系数(rp)为0.67,预测均方根误差(RMSEP)为1.52°Brix。2)西瓜果肉有效酸度PLSR模型的结果较优,rc、RMSEC、rp、RMSEP分别为0.59、0.33、0.54和0.34。3)对于西瓜果肉颜色和弹性模量,应用MLR和PLSR方法建模的结果均不理想。(5)以提取的振动特征参数和样本质量为自变量,用判别分析(DA)和支持向量机(SVM)方法建立了西瓜成熟度定性检测模型。结果表明:西瓜成熟度DA和SVM模型的结果相似,未熟瓜预测集判别正确率均为88.2%,但是适成熟和过成熟西瓜的判别正确率均较低。(6)以提取的振动特征参数和样本质量为自变量,运用MLR方法建立了西瓜空心体积定量检测模型,并基于DA方法建立了西瓜空心定性检测模型。结果表明:1)西瓜空心体积MLR模型的结果为rc=0.98,rp=0.84。2)西瓜空心DA模型校正集和预测集的正确率均达100%。

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