摘要 本文介紹測量光幕于水果分級設(shè)備中的應(yīng)用，提出一種新型的水果分級方法，分析設(shè)備工作原理、主要技術(shù)性能和設(shè)計要點。 關(guān)鍵詞 測量光幕；水果；分級；設(shè)計 1 水果分級技術(shù)概述 新鮮水果進行分級處理，主要的作用是使同類檔次的產(chǎn)品規(guī)格一致，便于實現(xiàn)獨立或集合包裝，使包裝產(chǎn)品以統(tǒng)一的高品質(zhì)的外觀進入超市，吸引消費者的注意，提升消費者的購買欲望。 水果分級形式包括有體積分級和重量分級兩大類，由于分級的目的主要為統(tǒng)一產(chǎn)品外觀規(guī)格，以便包裝和提升銷售檔次，因此以體積分級應(yīng)用最廣泛。傳統(tǒng)的體積分級設(shè)備有滾筒式分級機、三輥筒式分級機和帶式分級機等，其原理大同小異，均利用若干級別尺寸的孔框或縫隙進行篩選，當物料的外形稍小于孔隙時，可依靠其本身重力穿過或跌落輸出，從而實現(xiàn)分級。 孔隙式篩選分級是一種簡單實用的形式，不但生產(chǎn)效率較高，而且可設(shè)置多個級別。但這種分級形式存在一定的缺陷，主要表現(xiàn)在：（1）物料全程機械式翻轉(zhuǎn)篩分，難免造成鮮果表皮碰傷、擦傷及壓傷；（2）分級精度不高，級差不可設(shè)置過小，一般不小于5mm。（3）容易出現(xiàn)大小“串級”的混亂現(xiàn)象；（4）適應(yīng)性較差，只對近圓形、硬皮類水果，如柑桔等適用性較好，而對于蘋果、梨、桃、柿、芒果等表皮薄弱的水果須慎用。 有鑒于此，筆者經(jīng)深入研究，運用光幕測量技術(shù)，構(gòu)思一種創(chuàng)新的體積分級形式，設(shè)計新型的水果分級選別設(shè)備，于機上實現(xiàn)高速連續(xù)的單個辨別分級。這種分級技術(shù)特別適應(yīng)外形不勻稱的鮮果分級，較之傳統(tǒng)的孔徑分級方式，是一個質(zhì)的飛躍，因為它實現(xiàn)了非接觸式的分級形式，根本杜絕了孔框傷果的缺點，而且精確、高速。 2 光幕測量原理 光電傳感器是一種感應(yīng)其接收的光強度變化的電子器件，包含光學系統(tǒng)、放大器和開關(guān)量輸出裝置。所有光電傳感器都使用調(diào)制光以排除周圍光源可能的影響，工作時，光電傳感器發(fā)射光線，當被檢測物體經(jīng)過時，根據(jù)檢測模式的不同，物體或吸收光線或?qū)⒐饩€反射到光電傳感器的收光器，從而導致收光器接收的光線強度產(chǎn)生變化，其變化值觸發(fā)開關(guān)信號輸出，實現(xiàn)檢測功能。 測量用光幕是一種特殊的光電傳感器，與普通的對射式光電傳感器一樣，包含相互分離且相對放置的發(fā)射器和收光器兩部分，但其外形尺寸較大，為長管狀。測量光幕發(fā)射器產(chǎn)生的檢測光線并非如普通傳感器般只有一束，而是沿長度方向定間距生成光線陣列，形成一個“光幕”，以一種掃描的方式，配合控制器及其軟件，實現(xiàn)監(jiān)控和測量物體外形尺寸的功能。 光幕測量系統(tǒng)要正常工作需配備一個控制器，控制器使用軟件進行編程設(shè)定，可提供多種掃描模式和檢測分析模式，而且可通過串行接口與PLC或計算機進行通訊，傳遞控制或掃描結(jié)果，另外還可接入觸發(fā)信號控制掃描過程。 2.1光幕掃描模式 常用的光幕掃描模式有兩種，分別為直線掃描模式和交叉掃描模式，前者是最常用和最簡單的掃描模式，發(fā)射器連續(xù)生成定間距的光線陣列，依次由始至終平行排列，并由收光器對應(yīng)一一接收。 交叉掃描模式在直線掃描光線間交錯排列有傾斜光線。第一束傾斜掃描光線于發(fā)射器第二通道和收光器第一通道之間建立；第二束傾斜掃描光線于發(fā)射器第三通道和收光器第二通道之間建立。依此類推，直到最后一束傾斜掃描光線于發(fā)射器最后通道和收光器終點前一通道間建立。發(fā)射器最后通道在發(fā)射傾斜光線后再次被激活，發(fā)射直線光線至收光器最后通道，從而完成整個掃描過程。采用交叉掃描模式可提高光學分辨率，在檢測區(qū)域中間1/3部分的精度最高，最小檢測物體尺寸可縮小為直線掃描時的2/3。 2.2光幕檢測分析模式 光幕檢測分析模式有多種設(shè)置，最常用的有兩種，分別為“首尾光線阻擋模式”和“首尾光線透射模式”。 首尾光線阻擋模式當物體進入光幕區(qū)域時，阻擋光線，通過控制器識別被阻擋的首束光線的編號，然后依次由下往上計算被阻光線總數(shù)，直到最后被阻擋光線為止，累加數(shù)值，從而得出物體的被測方向尺寸。 首尾光線透射模式當物體進入光幕區(qū)域時，控制器識別透射光線，由首束透射光線計算，依次累加數(shù)值，直到最后透射光線為止，計算透射光線總數(shù)，從而得出物體的被測方向尺寸。 3分級設(shè)備的設(shè)計 由以上分析可知，測量光幕可提供一種理想的可靠的檢測模式，對于被檢物體的外形尺寸可實現(xiàn)非接觸式的自動測量。因此，把這一技術(shù)應(yīng)用于水果分級設(shè)備將產(chǎn)生機械式分級難以比擬的理想效果。 筆者設(shè)計的應(yīng)用光幕測量技術(shù)的水果分級設(shè)備主要由三部分組成，包括核心部分的光幕測量分級裝置、前段水果整理排列裝置和后段自動選別機構(gòu)。 3.1光幕測量分級裝置 常見水果的外形尺寸并不大，小的如李子、荔枝、龍眼等，較大的如蘋果、梨、橙等，其外徑尺寸一般處于20～100mm之間。顯而易見，外形越小的水果，其級差要求越小，以前述小水果為例，其相近級別一般只相差2～3mm。因此，適用于水果分級的測量光幕要求是小尺寸、高精度。 本設(shè)備采用的高精度測量光幕，其發(fā)射及收光感應(yīng)段長度均為163mm（6.4”），可生成掃描光線總數(shù)為64束，光線間距2.5mm（0.1”）。采用直線掃描時檢測物體最小尺寸為2.5mm，而交叉掃描時檢測物體尺寸可小至1.7mm，可實現(xiàn)級差為1.7～2.5mm的辨別，因此對于大多數(shù)的水果分級均適用。 被檢水果進入光幕區(qū)域前，已經(jīng)被排列成整齊的單個隊列，由輸送帶帶動依次行進。 輸送帶可采用平皮帶，材質(zhì)以符合食品衛(wèi)生要求的聚乙烯PE、聚胺酯PU、硅膠SI等較為理想，其底下以光滑托板支承，確保平皮帶平直而不下垂。由于平皮帶表面平整而富于彈性，與被輸送的水果柔性接觸，能起到緩沖和保護的作用。 測量光幕的發(fā)射器和收光器對應(yīng)布置于輸送帶兩側(cè)，1號掃描光線與輸送帶表面相平。由于水果均為一定形狀的實體，因此其檢測分析模式以采用“首尾光線阻擋模式”最為適宜，而且進入光幕檢測范圍的水果都處于同一平面，所以首束阻擋光線均為1號光線，控制器只需要采集最后阻擋光線號數(shù)即可分析檢測數(shù)據(jù)，計算出水果截面被測方向的尺寸。 水果在平帶輸送過程中實現(xiàn)辨別測量，既無額外的機械式作用，也無落差碰撞等運動，可根本杜絕分級過程傷果現(xiàn)象的發(fā)生。輸送帶上的欄桿可內(nèi)外調(diào)節(jié)間距，以適應(yīng)不同水果的大小，起到限位導向的作用。必須注意，在光幕部位，欄桿應(yīng)留窄逢缺口，以便掃描光線對射。 由于測量光幕的發(fā)射器和收光器裝置在輸送帶的兩側(cè)，其光線對射有一定的距離，這一距離應(yīng)處于傳感器允許的檢測距離范圍內(nèi)，因此輸送帶的寬度設(shè)計有一定的限制。測量光幕的應(yīng)用環(huán)境將影響其長期工作的可靠性，當傳感器處于最大檢測距離狀態(tài)時，因為光學透鏡會被空氣塵埃污染等原因，使接收光線強度減弱而導致工作不穩(wěn)定，所以應(yīng)根據(jù)所選產(chǎn)品的過量增益曲線來確定最佳檢測距離。所謂過量增益，是指光電傳感器接收到的光強度超過啟動其放大器所需光能量的強度的量度。過量增益為1代表啟動放大器所需的最小能量；過量增益為10時，代表收光器接收的光能量是啟動放大器所需能量的10倍。每一型號的光電傳感器都有一個相應(yīng)的過量增益曲線，配合環(huán)境因素而選擇修正系數(shù)，即可估計出不同條件下最大的可靠檢測距離。 對于一些帶枝柄的水果，在進入光幕測量區(qū)時，向上的枝柄同樣會觸發(fā)光電信號，導致測量值不準確。為此，針對這類水果，必須在進入光幕測量區(qū)前加以整理，使每一個體均處于相同的有利于測量的狀態(tài)運行。以蘋果檢測為例，于測量區(qū)配置兩條并列的輸送帶，相互間留有一定的間隙，整理后的蘋果承托于兩平皮帶之間運行，柄朝下卡入皮帶間隙，因此通過光幕測量時避免了柄的干擾，測量值均為同一部位相同方向的尺寸，使檢測更為準確可靠。 3.2整理排列裝置 整理排列裝置處于光幕測量分級裝置之前，其作用是將雜亂無章的水果整理成整齊的單個列隊，使水果以一定的間距依次進入光幕測量區(qū)，這對確保精確測量非常重要。對于不同的水果，裝置的設(shè)計有所不同，必須根據(jù)水果的形態(tài)特征作針對性的設(shè)計?？傮w上，可采用一些相互配合的機械輸送裝置引導水果運動來達到目的，例如水平或傾斜布置的輸送帶、梳理擋板、離心轉(zhuǎn)盤、導向滑槽等，在此不一一贅述。 3.3選別機構(gòu) 選別機構(gòu)緊接測量光幕安裝，接受測量信號而動作。被檢水果通過測量光幕時，觸發(fā)光電信號，經(jīng)控制器計算數(shù)值，與設(shè)定分級尺寸比較后發(fā)出指令，驅(qū)動選別機構(gòu)動作，將水果送入合適的級別行列。 4結(jié)語 綜上所述，應(yīng)用光幕測量技術(shù)的水果分級設(shè)備具有明顯的優(yōu)點，適用廣泛，調(diào)整靈活，既可杜絕機械分級易造成傷果現(xiàn)象的發(fā)生，又能實現(xiàn)高速動態(tài)的精確測量和選別。筆者以剪枝后的荔枝作實驗，采用光幕測量加噴氣式選別，分級級別為3級，級差設(shè)定2.5mm，運行速率為180個/分鐘，結(jié)果顯示測量和選別均處于穩(wěn)定狀態(tài)。 本文圖例只配置一套測量光幕，檢測物體的一維尺寸。作為設(shè)計選擇，可配置三套測量光幕，通過合理的組裝，實現(xiàn)對物體三維尺寸的采集和運算，但須考慮其必要性，否則只會加重系統(tǒng)的運算負擔，因而降低工作效率。對于大多數(shù)水果，只要是同品種，其外形特征均相近，而且通過整理排列可保持相同狀態(tài)進入測量區(qū)，因此，只需檢測其一維尺寸即可達到理想的分級效果。 本文作者：張聰，36歲，男，1989年畢業(yè)于華南理工大學，工學學士，現(xiàn)為廣東省農(nóng)業(yè)機械研究所（廣東省包裝食品機械研究所）高級工程師，另任機械工業(yè)包裝食品機械專家委員會委員，主要從事食品和包裝機械的研究開發(fā)。已承擔的課題包括：系列天然果蔬汁飲料生產(chǎn)線的研制、荔枝果酒生產(chǎn)線的研制、肉制品生產(chǎn)線的研制以及真空包裝機、全自動熱成型包裝機和果蔬分級包裝生產(chǎn)線等項目的研制。已發(fā)表相關(guān)學術(shù)論文十多篇，出版有著作《自動化食品包裝機》。