第５章農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測技術(shù)第一節(jié)近紅外光檢測技術(shù)第二節(jié)Ｘ射線檢測技術(shù)

第三節(jié)機(jī)器視覺檢測技術(shù)

第四節(jié)聲學(xué)特征及超聲波檢測技術(shù)

第五節(jié)生物傳感器檢測技術(shù)第一節(jié)近紅外光檢測技術(shù)

一、近紅外光譜分析技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)近紅外光譜分析技術(shù)包括定性分析和定量分析。定性分析的目的是確定物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)，而定量分析則是為了確定物質(zhì)中某些組分的含量或是物質(zhì)的品質(zhì)屬性的值。與常用的化學(xué)分析方法不同，近紅外光譜分析法是一種間接分析技術(shù)，是用統(tǒng)計的方法在樣品待測屬性值與近紅外光譜數(shù)據(jù)之間建立一個關(guān)聯(lián)模型（或稱校正模型，ＣａｌｉｂｒａｔｉｏｎＭｏｄｅｌ）。因此在對未知樣品進(jìn)行分析之前需要搜集一批用于建立關(guān)聯(lián)模型的訓(xùn)練樣品（或稱校正樣品，Ｃａｌｉ?ｂｒａｔｉｏｎＳａｍｐｌｅｓ），獲得用近紅外光譜儀器測得的樣品光譜數(shù)據(jù)和用化學(xué)分析方法（或稱參考方法，Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｍｅｔｈｏｄ）測得的真實數(shù)據(jù)。下一頁返回第一節(jié)近紅外光檢測技術(shù)

與傳統(tǒng)分析技術(shù)相比，近紅外光譜分析技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，具體包含以下六個方面：１．無前處理、無污染、方便快捷近紅外光線具有很強(qiáng)的穿透能力，在檢測樣品時，不需要進(jìn)行任何前處理，可以穿透玻璃和塑料包裝進(jìn)行直接檢測，也不需要任何化學(xué)試劑。和常規(guī)分析方法相比，既不會對環(huán)境造成污染，又可以節(jié)約大量的試劑費(fèi)用。近紅外儀器的測定時間短，幾分鐘甚至幾秒鐘就可以完成測試，并打印出結(jié)果。２．無破壞性無破壞性是近紅外技術(shù)一大優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)這一優(yōu)點(diǎn)，近紅外技術(shù)可以用于果蔬原料及成品的無損檢測?？梢岳脽o損檢測技術(shù)在不破壞產(chǎn)品的前提下，對水果的內(nèi)在品質(zhì)進(jìn)行更多數(shù)量的抽樣檢查。上一頁下一頁返回第一節(jié)近紅外光檢測技術(shù)

３．在線檢測由于近紅外技術(shù)能夠及時快捷地對樣品進(jìn)行檢測，在生產(chǎn)中，可以在生產(chǎn)流水線上配置近紅外裝置，對原料和成品及半成品進(jìn)行連續(xù)在線檢測，有利于及時地發(fā)現(xiàn)原料及產(chǎn)品品質(zhì)的變化，便于及時調(diào)控，維持產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。光纖導(dǎo)管和光纖探頭的開發(fā)應(yīng)用使遠(yuǎn)距離檢測成為現(xiàn)實，且遠(yuǎn)距離檢測技術(shù)特別適用于污染嚴(yán)重、高壓、高溫等對人體和儀器有損害的環(huán)境，為近紅外網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，可對水果的內(nèi)在品質(zhì)（可溶性固溶物含量、水果內(nèi)部病變）進(jìn)行檢測，并且利用該指標(biāo)將水果進(jìn)行分級處理，篩選出高品質(zhì)產(chǎn)品。４．多組分同時檢測多組分同時檢測是近紅外技術(shù)得以大力推廣的主要原因。在同一模式下，可以同時檢測多種組分，比如在測小麥的模式中，可以同時檢測其蛋白質(zhì)含量、水分含量、硬度、沉淀值、快速混合比等指標(biāo)，這樣大大簡化了檢測操作。不同的組分對檢測結(jié)果都有一定的影響，因為在檢測過程中，其他組分對近紅外光也有吸收。上一頁下一頁返回第一節(jié)近紅外光檢測技術(shù)

５．檢測速度快近紅外光譜的信息必須由計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析，一個樣品取得光譜數(shù)據(jù)后可以立即得到定性或定量分析結(jié)果，整個過程可以在不到２ｍｉｎ內(nèi)完成，而且可以通過樣品的一張光譜計算出樣品的各種組成或性質(zhì)數(shù)據(jù)。６．投資及操作費(fèi)用低近紅外光譜儀的光學(xué)材料為一般的石英或玻璃，價格低，操作空間小，樣品大多數(shù)不需要預(yù)處理，投資及操作費(fèi)用較低，而且儀器的高度自動化降低了對操作者的技能要求。當(dāng)然，近紅外光譜分析也有其固有的缺點(diǎn)：首先，它的測試靈敏度比較低，相對誤差比較大。其次，由于是一種間接測量手段，需要用參考方法（一般是化學(xué)分析方法）獲取一定數(shù)量的樣品數(shù)據(jù)，因此測量精度永遠(yuǎn)不能達(dá)到該參考方法的測量精度，建立模型也需要一定的化學(xué)計量學(xué)知識、費(fèi)用以及時間。上一頁下一頁返回第一節(jié)近紅外光檢測技術(shù)

最后，近紅外光譜的測量范圍，只適合對含氫基團(tuán)的組分或與這些組分相關(guān)的屬性進(jìn)行測定，而且組分的含量一般應(yīng)大于０.１％才能用近紅外進(jìn)行測定。對于經(jīng)常的質(zhì)量監(jiān)控是十分經(jīng)濟(jì)且快速的，但對于偶然做一兩次的分析或分散性樣品的分析則不太適用。因為建立近紅外光譜方法之前，必須投入一定的人力、物力和財力，才能得到一個準(zhǔn)確的校正模型。二、近紅外光譜儀近紅外光譜儀器從分光系統(tǒng)可分為固定波長濾光片、光柵色散、快速傅立葉變換、聲光可調(diào)濾光器和陣列檢測五種類型。固定波長濾光片型主要作為專用分析儀器，如糧食水分測定儀，由于濾光片數(shù)量有限，很難分析復(fù)雜體系的樣品。光柵色散型具有較高的信噪比和分辨率，由于儀器中的可動部件（如光柵軸）在連續(xù)高強(qiáng)度的運(yùn)行中可能存在磨損問題，從而影響光譜采集的可靠性，不太適合在線分析。上一頁下一頁返回第一節(jié)近紅外光檢測技術(shù)

快速傅立葉變換近紅外光譜儀具有較高的分辨率和掃描速度，這類儀器的弱點(diǎn)同樣是干涉儀中存在移動性部件，且需要較嚴(yán)格的工作環(huán)境。聲光可調(diào)濾光器是采用雙折射晶體，通過改變射頻頻率來調(diào)節(jié)掃描的波長，整個儀器系統(tǒng)無移動部件，掃描速度快，但這類儀器的分辨率相對較低，價格也較高。隨著陣列檢測器件生產(chǎn)技術(shù)的日趨成熟，采用固定光路、光柵分光、陣列檢測器構(gòu)成的近紅外光譜儀，以其性能穩(wěn)定、掃描速度快、分辨率高、信噪比高以及性能價格比高等特點(diǎn)正越來越引起人們的重視。在與固定光路相匹配的陣列檢測器中，常用的有電荷耦合器件（ＣＣＤ）和二極管陣列（ＰＤＡ）兩種類型，其中ＣＣＤ多用于近紅外短波區(qū)域的光譜儀，ＰＤＡ則用于近紅外長波區(qū)域的光譜儀（見圖５－１）。上一頁下一頁返回第一節(jié)近紅外光檢測技術(shù)

三、近紅外檢測技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量管理中的應(yīng)用（一）近紅外檢測技術(shù)在果蔬品質(zhì)評定方面的應(yīng)用傳統(tǒng)的水果、蔬菜的質(zhì)量評定是基于顏色、形狀、傷痕及大小等外部特征來判斷的，或者是運(yùn)用破壞性的方法抽樣檢測其成分，例如一些內(nèi)部質(zhì)量參數(shù)———糖度、酸度、堅實度、是否有空心以及一些內(nèi)部的病變（如黑心病、水心病）等，而無損檢測是在不破壞樣品的情況下對上述內(nèi)部品質(zhì)進(jìn)行評定的方法。該技術(shù)不同于傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法，它主要運(yùn)用物理學(xué)的方法，如電磁學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)等手段，對物料進(jìn)行分析，不會破壞樣品，在獲取樣品信息的同時保證了樣品的完整性。無損檢測速度快，又能有效地判斷出從外觀無法得到的樣品內(nèi)部信息，對水果、蔬菜的生產(chǎn)指導(dǎo)、品質(zhì)分級，以及減少抽樣浪費(fèi)等都具有很高的應(yīng)用價值。上一頁下一頁返回第一節(jié)近紅外光檢測技術(shù)

利用光學(xué)方法進(jìn)行無損檢測，主要是由于水果、蔬菜的內(nèi)部成分和外部特性不同，在不同波長光線照射下會有不同的吸收和反射特性，也就是說，水果、蔬菜的分光反射率或吸收率在某一特定波長內(nèi)會比其他部分大，根據(jù)這一特性結(jié)合光學(xué)檢測裝置實現(xiàn)果蔬品質(zhì)的無損檢測。近紅外光譜分析技術(shù)最引人注目的特點(diǎn)就是它不需要復(fù)雜的樣品制備程序，而水果的許多品質(zhì)指標(biāo)，如農(nóng)藥殘留、糖度、酸度、堅實度，以及蔬菜的病變、維生素等物質(zhì)含量，恰恰需要無損檢測。因此，通過近紅外光譜分析技術(shù)可以實現(xiàn)一些果蔬內(nèi)部或者外部質(zhì)量參數(shù)的準(zhǔn)確、快速的測量。上一頁下一頁返回第一節(jié)近紅外光檢測技術(shù)

（二）近紅外光譜技術(shù)在奶制品及飲料方面的應(yīng)用采用近紅外光譜分析技術(shù)結(jié)合光纖技術(shù)實現(xiàn)了對不同飼養(yǎng)區(qū)、不同培育類型的奶牛牛奶中脂肪總量、固形物、蛋白質(zhì)和乳糖含量的實時在線檢測。王彩云等利用近紅外透射技術(shù)和偏最小二乘法（ＰＬＳ）進(jìn)行牛奶中氯霉素殘留含量的預(yù)測，Ｒ（偏最小二乘法預(yù)測模型中真實值與預(yù)測值的相關(guān)系數(shù)）達(dá)到０.９８９３。王右軍等分別測定了摻入水解植物蛋白粉、乳清粉和植脂末的牛奶，對摻入水解植物蛋白粉的預(yù)測Ｒ達(dá)到０.９６９。袁石林等運(yùn)用ＰＬＳ和最小二乘法－支持向量機(jī)（ＬＳ－ＳＶＭ）方法建立模型，預(yù)測液態(tài)奶中的三聚氰胺含量，Ｒ達(dá)到０.９１０９。上一頁下一頁返回第一節(jié)近紅外光檢測技術(shù)

王運(yùn)麗等以ＰＬＳ建立模型，預(yù)測了紅茶飲料中四種鄰苯二甲酸酯的含量，Ｒ分別為０.９８９５、０.９９２７、０.９８４２和０.９８７９。陳美麗等采用近紅外光譜結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法對茶多酚、氨基酸、咖啡堿、水浸出物、沒食子酸、兒茶素、酸酯類等十三種品質(zhì)成分進(jìn)行了預(yù)測，Ｒ值全部達(dá)到０.７以上。隨著人們對食品品質(zhì)及安全的重視以及近紅外光譜分析技術(shù)的不斷完善，近紅外光譜分析技術(shù)在食品領(lǐng)域的運(yùn)用將越來越廣泛。近紅外光譜儀器具有分析速度快、能夠進(jìn)行在線檢測、對樣品無破壞、對環(huán)境無污染等特點(diǎn)，在食品常規(guī)檢測、在線檢測、生產(chǎn)質(zhì)量控制等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。然而，食品本身成分的復(fù)雜性，隨產(chǎn)地、采收時間等出現(xiàn)差異，以及某些建模人員使用較少數(shù)量樣品進(jìn)行建模等，都給近紅外光譜技術(shù)預(yù)測的準(zhǔn)確性帶來一定影響。上一頁下一頁返回第一節(jié)近紅外光檢測技術(shù)

因此，進(jìn)一步優(yōu)化化學(xué)計量方法，創(chuàng)新更有效的建模算法和建模理論，是當(dāng)前近紅外光譜技術(shù)研究的熱點(diǎn)問題。隨著食品品質(zhì)和安全分析的各種標(biāo)準(zhǔn)方法的出現(xiàn)，以及近紅外光譜儀器和數(shù)據(jù)處理方法的發(fā)展，近紅外光譜分析技術(shù)在食品檢測領(lǐng)域必將大有作為。上一頁返回第二節(jié)Ｘ射線檢測技術(shù)Ｘ射線（Ｘ－Ｒａｙ）檢測技術(shù)是無損檢測技術(shù)的一種，它是利用Ｘ射線穿過物質(zhì)并被其衰減來實現(xiàn)檢測的。此技術(shù)的演化經(jīng)過了低劣的微光圖像獲取、有噪聲的電離放射線熒光屏成像和高分辨率清晰的數(shù)字圖像設(shè)備等幾個階段。Ｘ射線穿透被檢測對象時，檢測對象內(nèi)部存在的缺陷或者異物會引起穿透射線強(qiáng)度上的差異，按照一定方法將射線強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成圖像，通過分析和評價圖像可達(dá)到無損檢測的目的。一、Ｘ射線成像方式Ｘ射線的成像方式可以分為Ｘ射線照相法、Ｘ射線數(shù)字化實時成像和Ｘ射線ＣＴ。下一頁返回第二節(jié)Ｘ射線檢測技術(shù)（一）Ｘ射線照相法Ｘ射線照相法應(yīng)用對射線敏感的感光材料，記錄透過被檢測物后射線強(qiáng)度分布的差異，通過繪制檢測物內(nèi)部的二維圖像進(jìn)行無損檢測分析。Ｘ射線照相法由于存在成本高、實時性差、數(shù)據(jù)存儲不方便以及射線底片容易報廢等缺點(diǎn)，在農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測中應(yīng)用較少。（二）Ｘ射線數(shù)字化實時成像Ｘ射線數(shù)字化實時成像包含兩個過程：一是Ｘ射線穿透樣品后被圖像增強(qiáng)器接收，把不可見的Ｘ射線檢測信號轉(zhuǎn)換為光學(xué)圖像；二是用攝像機(jī)攝取光學(xué)圖像，輸入計算機(jī)進(jìn)行Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像。檢測過程由Ｘ射線發(fā)生裝置、Ｘ射線探測器單元、圖像單元、圖像處理單元、傳送機(jī)械裝置和射線保護(hù)裝置等幾大部分共同作用完成。上一頁下一頁返回第二節(jié)Ｘ射線檢測技術(shù)（三）Ｘ射線ＣＴＸ射線ＣＴ全稱是Ｘ射線電子計算機(jī)斷層攝影技術(shù)。Ｘ射線ＣＴ的功能是得到物體內(nèi)占有確切位置的物質(zhì)特性的有關(guān)信息。由于不同物質(zhì)對于Ｘ射線的吸收值存在差異，因此，Ｘ射線穿過物體某一層斷面的組織時會被不同程度地吸收，ＣＴ機(jī)探測器接收衰減后的Ｘ射線，并將其轉(zhuǎn)換成電信號輸入計算機(jī)，經(jīng)過計算機(jī)的數(shù)據(jù)處理后顯示出圖像，并獲得相應(yīng)點(diǎn)的ＣＴ值，最終通過建立ＣＴ值與目標(biāo)檢測值的數(shù)學(xué)模型，達(dá)到無損檢測的目的。二、Ｘ射線檢測方法及特點(diǎn)（一）Ｘ射線小角散射Ｘ射線小角散射是指當(dāng)樣品內(nèi)部存在納米尺寸的密度不均勻區(qū)時，Ｘ射線照射樣品會在入射束周圍的小角度區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)散射Ｘ射線。這種現(xiàn)象也稱為小角Ｘ射線散射。上一頁下一頁返回第二節(jié)Ｘ射線檢測技術(shù)小角Ｘ射線散射相應(yīng)于尺寸在零點(diǎn)幾納米至近百納米區(qū)域內(nèi)電子密度的起伏，納米尺度的微粒子和孔洞均可產(chǎn)生小角散射現(xiàn)象。通過對散射圖形的分析，可以解析散射體粒子體系或多孔體系的結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)：這種方式對樣品的適用范圍較寬，不論是干態(tài)還是濕態(tài)、開孔還是閉孔，都能檢測到，但須注意小角散射在趨向大角一側(cè)的強(qiáng)度分布往往都很弱，并且起伏很大；通過繪出散射強(qiáng)度Ｉ作為散射波矢量Ｑ的函數(shù)圖線，小角散射也可用來測量多孔系統(tǒng)的孔隙尺寸分布，但這些方法僅能應(yīng)用于微孔金屬體系。上一頁下一頁返回第二節(jié)Ｘ射線檢測技術(shù)（二）Ｘ射線層析攝像法Ｘ射線層析攝像技術(shù)可很好地表征多孔體的顯微構(gòu)造并進(jìn)行定量的無損檢測，空間分辨尺度可達(dá)１０ｎｍ左右，該技術(shù)已被成功地應(yīng)用于多孔結(jié)構(gòu)及其變形模式的研究。Ｘ射線在特定材料中的低吸收作用，使Ｘ射線層析攝像技術(shù)可用于對大塊的多孔材料進(jìn)行研究，并逐步成為獲取多孔材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)無損圖像的有力工具。特點(diǎn)：該技術(shù)可對多孔體的大變形實現(xiàn)無損成像，因而能夠觀測出多孔體在變形過程中所出現(xiàn)的重要屈曲、彎曲或斷裂等現(xiàn)象。射線照相法的缺點(diǎn)是大量信息投射在單一的平面上，且當(dāng)沿樣品厚度的微結(jié)構(gòu)特征的數(shù)量很多時，所得圖像難以解釋這些信息。采用層析攝像法可通過將大量的這種射線照片的信息結(jié)合在一起，彌補(bǔ)射線照相法的不足。上一頁下一頁返回第二節(jié)Ｘ射線檢測技術(shù)（三）Ｘ射線折射分析法Ｘ射線折射分析法基于Ｘ射線折射超小角散射探測技術(shù)，通過已知晶粒尺寸和堆積密度的均勻粉末來進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)核，得出尺寸在微米級至納米級范圍的內(nèi)部表面數(shù)量和位置，通過同時測定Ｘ射線的折射值和吸收值，可以分析出局部內(nèi)表面和局部孔率兩者之間的波動關(guān)系。定量的一維Ｘ射線折射層析攝像技術(shù)可用來改進(jìn)材料的無損檢測，如用于生物醫(yī)學(xué)陶瓷、工業(yè)陶瓷、高性能陶瓷、復(fù)合材料和其他異質(zhì)材料。特點(diǎn)：本法對樣品中局部性小體積范圍內(nèi)的Ｘ射線吸收和折射實現(xiàn)了一次性的同時檢測，能夠測出樣品內(nèi)不同部位的孔率和內(nèi)表面的密度。Ｘ射線折射分析法既可檢測開孔，又可檢測閉孔，并且可以在不對孔隙形狀作任何假設(shè)的前提下直接測定多孔樣品的內(nèi)表面密度。上一頁下一頁返回第二節(jié)Ｘ射線檢測技術(shù)三、Ｘ射線檢測儀（一）Ｘ射線檢測儀整體結(jié)構(gòu)Ｘ射線檢測儀（如圖５－２所示）由光機(jī)系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三個單元組成。光機(jī)系統(tǒng)由Ｘ射線管、圖像增強(qiáng)器、Ｘ射線ＣＣＤ成像器和移動平臺等組成，主要完成圖像采集、載物臺三維空間移動等功能；軟件系統(tǒng)是整個檢測儀的神經(jīng)中樞，可實現(xiàn)圖像分析、操作控制等功能；控制單元則是整個檢測儀的執(zhí)行者，根據(jù)計算機(jī)指令來完成載物臺的移動控制、Ｘ射線的強(qiáng)度控制以及控制面板信息采集等功能。（二）Ｘ射線檢測儀控制系統(tǒng)Ｘ射線檢測儀控制系統(tǒng)由運(yùn)動控制單元Ａ、運(yùn)動控制單元Ｂ、高壓控制單元和面板控制單元組成，其整體框圖如圖５－３所示。上一頁下一頁返回第二節(jié)Ｘ射線檢測技術(shù)其中，計算機(jī)組成整個控制系統(tǒng)的操作界面，負(fù)責(zé)發(fā)送控制命令和接收各個控制單元的狀態(tài)信息，以便監(jiān)控整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；運(yùn)動控制單元Ａ負(fù)責(zé)控制載物臺Ｘ方向步進(jìn)電機(jī)與光管上下步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行以及光電開關(guān)信號采集；運(yùn)動控制單元Ｂ負(fù)責(zé)控制載物臺Ｙ方向步進(jìn)電機(jī)與圖像增強(qiáng)器上下步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行以及光電開關(guān)信號采集；高壓控制單元負(fù)責(zé)對Ｘ光管高壓電源進(jìn)行控制以及Ｘ光管環(huán)境溫度的采集；面板控制單元則是負(fù)責(zé)采集運(yùn)動搖桿、控制按鈕的狀態(tài)信息以及控制載物臺旋轉(zhuǎn)。（三）軟件設(shè)計Ｘ射線檢測儀控制系統(tǒng)是在ＭＣＵ基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)的，其軟件設(shè)計也就是對ＭＣＵ進(jìn)行程序編寫。Ｘ射線檢測儀控制系統(tǒng)由四個單元組成，因此，系統(tǒng)軟件設(shè)計是對這四個單元ＭＣＵ進(jìn)行程序編寫。上一頁下一頁返回第二節(jié)Ｘ射線檢測技術(shù)從各個單元實現(xiàn)功能上分析，運(yùn)動控制單元和高壓控制單元通過ＣＡＮ總線接收計算機(jī)的控制命令，面板控制單元通過ＣＡＮ總線來發(fā)送搖桿與按鈕狀態(tài)信息給計算機(jī)，因此，程序編寫可以分為數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送兩種模式。數(shù)據(jù)接收模式是指ＭＣＵ不會主動發(fā)出控制指令，只有通過ＣＡＮ總線接收到計算機(jī)控制指令后，才會進(jìn)行相關(guān)操作。四、Ｘ射線檢測技術(shù)的應(yīng)用（一）Ｘ射線檢測技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部品質(zhì)檢測農(nóng)產(chǎn)品機(jī)械損傷、內(nèi)部生理失調(diào)和病蟲害的侵襲，給農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全帶來嚴(yán)重危害，并逐漸成為影響農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部品質(zhì)的主要因素。將Ｘ射線檢測技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品的內(nèi)部品質(zhì)檢測，可快速分辨農(nóng)產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，有效地對農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行品質(zhì)篩選和分類。國內(nèi)外學(xué)者對Ｘ射線檢測技術(shù)在水果（例如蘋果）內(nèi)部品質(zhì)檢測方面的應(yīng)用做了大量研究。上一頁下一頁返回第二節(jié)Ｘ射線檢測技術(shù)１９７０年，Ｄｉｅｎｅｒ等人利用Ｘ射線成像技術(shù)，依據(jù)蘋果的壓傷程度進(jìn)行品質(zhì)分類。隨后，Ｓｈａｈｉｎ等人對該技術(shù)在壓傷蘋果分類方面進(jìn)行了深入研究，把預(yù)測舊壓傷（３０ｄ）和新壓傷（１ｄ）作為辨別因子，建立相應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器。研究結(jié)果表明，舊壓傷的預(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)到６０％，兩種不同蘋果的新壓傷預(yù)測準(zhǔn)確率分別為９０％和８３％。１９９２年，Ｔｏｌｌｅｒ等人研究了通過Ｘ射線圖像特征反映出的Ｘ射線吸收率與蘋果體積水含量的關(guān)系，建立了Ｘ射線斷層掃描圖像檢測蘋果含水量及密度的方法。上一頁下一頁返回第二節(jié)Ｘ射線檢測技術(shù)２００３年，浙江大學(xué)張京平對蘋果水分和ＣＴ值做了進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)蘋果某點(diǎn)上的水分值與Ｘ射線ＣＴ圖像上的ＣＴ值之間、ＣＴ圖像的ＲＧＢ（Ｒｅｄ，ＧｒｅｅｎａｎｄＢ１ｕｅ）值與ＣＴ值之間存在一定的相關(guān)性，從而可以通過某點(diǎn)ＣＴ值或者ＲＧＢ值得到蘋果相應(yīng)的含水率，實現(xiàn)了ＲＧＢ值與Ｘ射線膠片圖像ＣＴ值的換算，為應(yīng)用Ｘ射線ＣＴ技術(shù)在線檢測農(nóng)產(chǎn)品水分含量創(chuàng)造出一種新的方法。章程輝等（２００５）進(jìn)行了利用Ｘ射線ＣＴ圖像技術(shù)方法檢測紅毛丹內(nèi)在品質(zhì)———可食率、可溶性固形物含量的試驗研究。首先用閾值法去除Ｘ射線ＣＴ圖像背景，然后用面積閾值法去提取果肉區(qū)域。紅毛丹可食率以分割果肉區(qū)域像素值與整個果實區(qū)域像素值之比來表示，實驗結(jié)果表明誤判率為８.３％?；冢厣渚€ＣＴ值的紅毛丹可溶性固形物含量預(yù)測模型的相關(guān)系數(shù)達(dá)９２％。圖５－４為系統(tǒng)采集到的紅毛丹Ｘ－ＣＴ射線圖像。上一頁下一頁返回第二節(jié)Ｘ射線檢測技術(shù)（二）Ｘ射線檢測技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品外部品質(zhì)檢測農(nóng)產(chǎn)品的外部品質(zhì)主要包括表面顏色、表面光澤、表面平整度、外表形狀以及尺寸大小等方面。將Ｘ射線檢測技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品的外部品質(zhì)檢測是依據(jù)Ｘ射線具有很強(qiáng)的穿透能力的性質(zhì)，但目前的相關(guān)研究較少。１９９２年，Ｈａｎ等人研究了有破裂凹陷和正常凹陷的梨的Ｘ射線圖像檢測，通過灰度閾值法分割出梨的凹陷區(qū)域，設(shè)計了凹陷正常與否的檢測算法，其檢測精度達(dá)９８％；韓東海利用Ｘ射線對正常柑橘和皺皮柑橘的透過率不同，將皺皮柑橘與合格柑橘分開。該研究發(fā)現(xiàn)了正常果某一斷面的波形較圓滑的遞減變化，而皺皮果的波形出現(xiàn)凹凸不平的現(xiàn)象。同時，他們還研究了不同Ｘ射線強(qiáng)度、不同大小的柑橘以及在實時檢測過程中傳送帶速度對檢測準(zhǔn)確度的影響。圖５－５為當(dāng)Ｘ射線強(qiáng)度發(fā)生變化時，正常果和皺皮果的波形變化。上一頁下一頁返回第二節(jié)Ｘ射線檢測技術(shù)（三）Ｘ射線檢測技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部異物檢測Ｘ射線對于異物檢測的范圍很廣，包括金屬、玻璃、塑料和石頭等。目前，Ｘ射線異物檢測技術(shù)主要應(yīng)用在禽畜產(chǎn)品的異物檢測方面，如在自動化剔除雞肉中碎骨片的過程中，可以檢測碎骨片是否剔除完全，而剔除不完全會使肉中碎骨對消費(fèi)者（特別是老人和孩子）造成傷害?；谌馄穸鹊牟痪恍裕?Ｔａｏ等人針對由于厚度不均一引起的射線吸收的變化，結(jié)合不同厚度和Ｘ射線圖像建立了圖像測定函數(shù)，從而產(chǎn)生了骨頭碎片信號的厚度補(bǔ)償Ｘ射線圖像。研究結(jié)果表明，在雞肉中頻繁出現(xiàn)和難以檢測到的骨頭碎片均被檢測到，并且這種圖像處理方法排除了假陽性的影響，提高了檢測的靈敏度。剔骨家禽肉中的外來物能夠被檢測出來，主要依賴它們的不同Ｘ射線吸收值，最簡單的方式是通過圖像閾值在Ｘ射線圖像上進(jìn)行外來物的辨別。２００１年，Ｙ.Ｔａｏ等人建立了局部閾值圖像分割方法，此技術(shù)也能夠排除肉塊厚度差異帶來的檢測誤差。上一頁返回第三節(jié)機(jī)器視覺檢測技術(shù)機(jī)器視覺檢測技術(shù)，簡稱機(jī)器視覺，是一門涉及人工智能、神經(jīng)生物學(xué)、心理物理學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、圖像處理、模式識別等諸多領(lǐng)域的交叉學(xué)科。該技術(shù)主要用計算機(jī)來模擬人的視覺功能，但并不是單純的人眼的延伸，而是從客觀事物的圖像中提取信息，進(jìn)行處理并加以理解，最終用于實際檢測、測量和控制。機(jī)器視覺檢測技術(shù)最大的特點(diǎn)是速度快、信息量大、功能多，其伴隨計算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，日臻成熟，已是現(xiàn)代加工制造業(yè)不可或缺的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于食品和飲料、化妝品、制藥、建材和化工、金屬加工、電子制造、包裝、汽車制造等行業(yè)。一、機(jī)器視覺的特點(diǎn)廣義的機(jī)器視覺的概念與計算機(jī)視覺沒有多大區(qū)別，泛指使用計算機(jī)和數(shù)字圖像處理技術(shù)達(dá)到對客觀事物圖像的識別理解和控制，而工業(yè)應(yīng)用中的機(jī)器視覺概念與普通計算機(jī)視覺模式識別數(shù)字圖像處理有著明顯區(qū)別，其特點(diǎn)是：下一頁返回第三節(jié)機(jī)器視覺檢測技術(shù)（１）機(jī)器視覺是一項綜合技術(shù)，其中包括數(shù)字圖像處理技術(shù)、機(jī)械工程技術(shù)、控制技術(shù)、電光源照明技術(shù)、光學(xué)成像技術(shù)、傳感器技術(shù)、模擬與數(shù)字視頻技術(shù)、計算機(jī)軟硬件技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)等。這些技術(shù)在機(jī)器視覺中是并列關(guān)系，相互協(xié)調(diào)應(yīng)用才能構(gòu)成一個成功的工業(yè)機(jī)器視覺應(yīng)用系統(tǒng)。（２）機(jī)器視覺更強(qiáng)調(diào)實用性，要求能夠適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)中的惡劣環(huán)境，要有合理的性價比，要有通用的工業(yè)接口，能夠由普通工作者來操作，有較高的容錯能力和安全性，不會破壞工業(yè)產(chǎn)品，必須有較強(qiáng)的通用性和可移植性。（３）機(jī)器視覺更強(qiáng)調(diào)實時性，要求高速度和高精度，因而計算機(jī)視覺和數(shù)字圖像處理中的許多技術(shù)目前還難以應(yīng)用于機(jī)器視覺，機(jī)器視覺的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其在工業(yè)生產(chǎn)中的實際應(yīng)用速度。（４）對機(jī)器視覺工程師來說，不僅要具有研究數(shù)學(xué)理論和編制計算機(jī)軟件的能力，更需要的是光機(jī)電一體化的綜合能力。上一頁下一頁返回第三節(jié)機(jī)器視覺檢測技術(shù)二、機(jī)器視覺系統(tǒng)機(jī)器視覺系統(tǒng)是指通過機(jī)器視覺產(chǎn)品（即圖像攝取裝置，分ＣＭＯＳ和ＣＣＤ兩種）把圖像抓取到，然后將該圖像傳送至處理單元，通過數(shù)字化處理，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，來進(jìn)行尺寸、形狀、顏色等的判別，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。機(jī)器視覺工業(yè)檢測系統(tǒng)就其檢測性質(zhì)和應(yīng)用范圍而言，分為定量檢測和定性檢測兩大類，每類又分為不同的子類。機(jī)器視覺系統(tǒng)在工業(yè)在線檢測的各個應(yīng)用領(lǐng)域十分活躍，如印刷電路板的視覺檢查、鋼板表面的自動探傷、大型工件平行度和垂直度測量、容器容積或雜質(zhì)檢測、機(jī)械零件的自動識別分類和幾何尺寸測量等。上一頁下一頁返回第三節(jié)機(jī)器視覺檢測技術(shù)機(jī)器視覺系統(tǒng)在質(zhì)量檢測的各個方面都得到了廣泛的應(yīng)用，例如，采用激光掃描與ＣＣＤ探測系統(tǒng)的大型工件平行度、垂直度測量儀，它以穩(wěn)定的準(zhǔn)直激光束為測量基線，配以回轉(zhuǎn)軸系，旋轉(zhuǎn)五角棱鏡掃出互相平行或垂直的基準(zhǔn)平面，將其與被測大型工件的各面進(jìn)行比較，在加工或安裝大型工件時，可用該認(rèn)錯器測量面間的平行度及垂直度。此外，在許多其他方法難以檢測的場合，利用機(jī)器視覺系統(tǒng)可以有效地實現(xiàn)。機(jī)器視覺的應(yīng)用正越來越多地代替人去完成許多工作，這無疑在很大程度上提高了生產(chǎn)自動化水平和檢測系統(tǒng)的智能水平。上一頁下一頁返回第三節(jié)機(jī)器視覺檢測技術(shù)三、機(jī)器視覺的應(yīng)用研究機(jī)器視覺是近幾十年來發(fā)展起來的一門智能技術(shù)。機(jī)器視覺不僅是人眼的延伸，也具有人腦的部分功能。因此，可廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、科研等諸多領(lǐng)域，尤其在需要重復(fù)、單調(diào)地依靠視覺獲取信息的場合，如大批量的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗、分級，能夠收到快速、準(zhǔn)確、無損等人工檢測無法比擬的效果。（一）機(jī)器視覺在種子檢驗中的應(yīng)用目前，各國種子科學(xué)家都在致力于研究快速、可靠、更多信息的種子檢驗新技術(shù)，主要取得了以下幾個方面的進(jìn)展：１．凈度圖像分析瑞典學(xué)者Ｋａｍａｓ進(jìn)行了凈度與種子計數(shù)測定的自動化圖像分析，在幾個檢驗站使用。英國Ｔ．Ｎｉｂｌｅｔｔ等人開發(fā)出識別谷類種子的新軟件，利用小麥、大麥和燕麥種子之間差異的１０５個特征描述，系統(tǒng)分析精度達(dá)到９７％以上。上一頁下一頁返回第三節(jié)機(jī)器視覺檢測技術(shù)２．種子發(fā)芽圖像分析荷蘭Ｗ.Ｊ.ＶａｎｄｅｒＢｕｒｇ等人提供的發(fā)芽自動化技術(shù)，通過置床種子發(fā)芽過程胚根圖像分析，對整個重復(fù)種子位置、發(fā)芽種子數(shù)和發(fā)芽時間的自動圖像分析，可以估計種子發(fā)芽的速度和整齊度，判斷種子發(fā)芽力。這個分析在１～２天內(nèi)完成，可作為校準(zhǔn)使用。３．品種鑒定的圖像分析美國艾奧瓦州立大學(xué)種子科學(xué)中心已成功開發(fā)出用于品種鑒定的計算機(jī)圖像分析系統(tǒng)。預(yù)先將標(biāo)準(zhǔn)品種的種子、幼苗和植株形態(tài)特征以及電泳圖譜攝入計算機(jī)，建立圖像庫，當(dāng)鑒定未知品種或純度時，將其種子、幼苗、植株和電泳圖譜攝入計算機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)圖像比較后，就可鑒定品種的真實性和純度。上一頁下一頁返回第三節(jié)機(jī)器視覺檢測技術(shù)４．品種鑒定的流動細(xì)胞測定這是一種利用干種子樣品，將其上千個核折疊圖像與根尖顯微鏡分析圖像比較的核對方法，具有快速、不受生長條件影響的優(yōu)點(diǎn)。法國Ｄ.Ｄｅｍｉｌｌｙ等人已將流動細(xì)胞測定用于甜菜、蕓薹屬、黑麥草、羊茅和三葉草品種的常規(guī)檢驗。５．種子生活力的漫射光（ＤｅｌａｙＬｉｇｈｔ，ＤＬ）測定據(jù)德國Ｒ.Ｎｅｕｒｏｈｒ（１９９５）的研究，利用漫射光照射種子可以測定種子生活力。隨著種子老化和干燥時間的增加，其蛋白質(zhì)和多聚糖的變化會引起發(fā)光量的增加，因而ＤＬ光信號也隨之增加，這就可按照ＤＬ光強(qiáng)度對數(shù)與種子生活力密切相關(guān)推測種子生活力。上一頁下一頁返回第三節(jié)機(jī)器視覺檢測技術(shù)（二）機(jī)器視覺在農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部品質(zhì)檢測中的應(yīng)用目前，對農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部品質(zhì)的機(jī)器視覺無損檢測的研究還不是太多。１９８６年，學(xué)者Ｓ.Ｇｕｎａｓｅｋａｒａｎ等對玉米籽粒應(yīng)力裂紋機(jī)器視覺無損檢測技術(shù)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明當(dāng)光線入射孔直徑為２.４ｍｍ、背景為黑色、入射光為白色光時，所采集的圖像中，玉米籽粒應(yīng)力裂紋處與其他部位的像素灰度值具有很大的差異，因此，可以采用高頻濾波法將其識別出來，檢測精度為９０％。Ｂ.Ｋ.Ｍｉｌｌｅｒ等（１９８９）研制了一套對新鮮市售桃進(jìn)行檢測和分級的彩色機(jī)器視覺系統(tǒng)。當(dāng)桃子在輸送帶上通過照明箱時，該系統(tǒng)采集桃子的彩色數(shù)字化圖像，并通過將桃子的實際顏色和不同成熟度桃子的標(biāo)準(zhǔn)顏色相比較來確定桃子的成熟度，結(jié)果表明機(jī)器視覺的成熟度檢測結(jié)果與人工檢測結(jié)果的吻合度為５４％，機(jī)器視覺檢測的表面著色面積與人工檢測的著色面積的相關(guān)系數(shù)為９２％。上一頁下一頁返回第三節(jié)機(jī)器視覺檢測技術(shù)Ｊ.Ａ.Ｔｈｒｏｏｐ等（１９８９）的研究表明，利用機(jī)器視覺通過檢測平均灰度來確定可見光在蘋果中的透射能力，可以百分之百地測量蘋果中是否有水心存在，但無法確定水心的嚴(yán)重程度。根據(jù)Ｋ.Ｃｈｏｉ（１９９５）等的研究結(jié)果，利用機(jī)器視覺可以根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部的標(biāo)準(zhǔn)將西紅柿按成熟度分成６個等級，６個等級相應(yīng)的表面顏色分別為綠色、淺綠色、紅綠交替色、粉紅色、淺紅色和紅色，分級結(jié)果與人工分級的吻合度為７７％，但所有誤分的西紅柿的誤差均只有一個熟度等級。Ｓ.Ｖ.Ｂｏｗｅｒｓ等（１９８８）和Ｓ.Ｍ.Ｂｅｒｌｏｗ等（１９８７）分別研究了結(jié)合運(yùn)用超聲成像技術(shù)和機(jī)器視覺圖像分析技術(shù)來檢測完整桃子中的裂開的桃核和確定肉牛的脂肪厚度和紋理特征，但檢測精度有待于進(jìn)一步提高。上一頁返回第四節(jié)聲學(xué)特征及超聲波檢測技術(shù)聲波是指人耳能感受到的一種縱波，其頻率范圍為１６Ｈｚ～２ｋＨｚ。當(dāng)聲波的頻率低于１６Ｈｚ時就叫作次聲波，高于２ｋＨｚ則稱為超聲波。一般把頻率在２ｋＨｚ～２５ＭＨｚ的聲波叫作超聲波。超聲波是由機(jī)械振動源在彈性介質(zhì)中激發(fā)的一種機(jī)械振動波，實質(zhì)是以應(yīng)力波的形式傳遞振動能量，其必要條件是要有振動源和能傳遞機(jī)械振動的單性介質(zhì)（實際上包括了幾乎所有的氣體、液體和固體），它能透入物體內(nèi)部并可以在物體中傳播。利用超聲波在物體中的多種傳播特性，如反射與折射、衍射與散射、衰減、諧振以及聲速等的變化，可以測知許多物體的尺寸、表面與內(nèi)部缺陷、組織變化等，因此，超聲檢測技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的一種重要的無損檢測技術(shù)。下一頁返回第四節(jié)聲學(xué)特征及超聲波檢測技術(shù)一、超聲波的特性及分類超聲波具有如下特性：可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播；可傳遞很強(qiáng)的能量；會產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象；強(qiáng)功率超聲波的振動作用可用于塑料等材料的“超聲波焊接”；在液體介質(zhì)中傳播時，達(dá)到一定程度的聲功率就可在液體中的物體界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊（基于“空化現(xiàn)象”），從而引出了功率超聲應(yīng)用技術(shù)，如超聲波清洗、超聲波鉆孔、超聲波去毛刺（統(tǒng)稱“超聲波加工”）等。根據(jù)超聲波在彈性介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動形式與超聲波傳播方向的關(guān)系，可以把超聲波分為以下幾種波型：上一頁下一頁返回第四節(jié)聲學(xué)特征及超聲波檢測技術(shù)（１）縱波（ＬｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌＷａｖｅ，簡稱Ｌ波，又稱作壓縮波、疏密波），縱波的特點(diǎn)是傳聲介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)振動方向與超聲波的傳播方向相同。（２）橫波（ＳｈｅａｒＷａｖｅ，簡稱Ｓ波；又稱作ＴｒａｎｓｖｅｒｓｅＷａｖｅ，簡稱Ｔ波，也稱為切變波或剪切波），橫波的特點(diǎn)是傳聲介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)振動方向與超聲波的傳播方向垂直，并且視質(zhì)點(diǎn)振動平面與超聲波傳播方向的關(guān)系又分為垂直偏振橫波（ＳＶ波，是工業(yè)超聲檢測中最常應(yīng)用的橫波）和水平偏振橫波（ＳＨ波，也稱為ＬｏｖｅＷａｖｅ，樂甫波，實際上就是地震波的振動模式）。上一頁下一頁返回第四節(jié)聲學(xué)特征及超聲波檢測技術(shù)（３）表面波（ＳｕｒｆａｃｅＷａｖｅ），在工業(yè)超聲檢測中應(yīng)用的表面波主要是指超聲波沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，而傳聲介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)沿橢圓形軌跡振動的瑞利波（ＲａｙｌｅｉｇｈＷａｖｅ，簡稱Ｒ波）。瑞利波在介質(zhì)上的有效透入深度只有一個波長的范圍，因此，只能用于檢查介質(zhì)表面的缺陷，不能像縱波與橫波那樣，深入介質(zhì)內(nèi)部傳播，從而可以檢查介質(zhì)內(nèi)部的缺陷。此外，水平偏振橫波也是一種沿表面?zhèn)鞑サ谋砻娌?，實際上就是地震波的振動模式，不過目前在工業(yè)超聲檢測中尚未獲得實際應(yīng)用。上一頁下一頁返回第四節(jié)聲學(xué)特征及超聲波檢測技術(shù)（４）蘭姆波（ＬａｍｂＷａｖｅ），這是一種由縱波與橫波疊加合成，以特定頻率被封閉在特定有限空間時產(chǎn)生的制導(dǎo)波（ＧｕｉｄｅＷａｖｅ）。在工業(yè)超聲檢測中，主要利用蘭姆波來檢測厚度與波長相當(dāng)?shù)谋〗饘侔宀模虼?，也稱為板波（ＰｌａｔｅＷａｖｅ，簡稱Ｐ波）。蘭姆波在薄板中傳播時，薄板上下表面層質(zhì)點(diǎn)沿橢圓形軌跡振動，而薄板中層的質(zhì)點(diǎn)將以縱波分量或橫波分量形式振動，從而構(gòu)成全板振動，這是蘭姆波檢測的顯著特征。根據(jù)薄板中層的質(zhì)點(diǎn)是以縱波分量或橫波分量形式振動，可以分為Ｓ模式（對稱型）和Ａ模式（非對稱型）兩種模式的蘭姆波。上一頁下一頁返回第四節(jié)聲學(xué)特征及超聲波檢測技術(shù)二、超聲波檢測技術(shù)簡介工業(yè)無損檢測技術(shù)中應(yīng)用的超聲波檢測（ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＴｅｓｔｉｎｇ，ＵＴ）是無損檢測技術(shù)中發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛的無損檢測技術(shù)。如醫(yī)療上的超聲診斷（如Ｂ超）、海洋學(xué)中的聲吶、魚群探測、海底形貌探測、海洋測深、地質(zhì)構(gòu)造探測、工業(yè)材料及制品上的缺陷探測、硬度測量、測厚、顯微組織評價、混凝土構(gòu)件檢測、陶瓷土坯的濕度測定、氣體介質(zhì)特性分析、密度測定等。超聲波檢測（ＵＴ）是利用超聲物理效應(yīng)，從超聲信號中抽取信息再推斷出結(jié)論的過程。探索檢測的可能性和提高檢出結(jié)果的可靠性始終是ＵＴ的核心問題。ＵＴ可分為主動檢測和被動檢測兩大類。在主動檢測技術(shù)中，超聲波是用超聲探頭發(fā)射的，而在被動檢測技術(shù)中，超聲波是被測試件受載荷時自發(fā)的。通常把主動檢測稱為超聲檢測技術(shù)，而把被動檢測稱為聲射檢測技術(shù)。上一頁下一頁返回第四節(jié)聲學(xué)特征及超聲波檢測技術(shù)在超聲波檢測技術(shù)中用以產(chǎn)生和接收超聲波的方法最主要的是利用某些晶體的壓電效應(yīng)，即壓電晶體（例如石英晶體、鈦酸鋇及鋯鈦酸鉛等壓電陶瓷）在外力作用下發(fā)生變形時，將有電極化現(xiàn)象產(chǎn)生，即其電荷分布將發(fā)生變化（正壓電效應(yīng)）；反之，當(dāng)向壓電晶體施加電荷時，壓電晶體將會發(fā)生應(yīng)變，亦即彈性變形（逆壓電效應(yīng)）。因此，利用壓電晶體制成超聲波換能器（探頭），向其輸入高頻電脈沖，則探頭將以相同頻率產(chǎn)生超聲波發(fā)射到被檢物體中去，在接收超聲波時，探頭則產(chǎn)生相同頻率的高頻電信號用于檢測顯示。ＵＴ技術(shù)具有被測對象范圍廣、檢測深度大、定位準(zhǔn)確、靈敏度高、成本低、使用方便、速度快、對人體無害及便于現(xiàn)場使用等優(yōu)點(diǎn)，是國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛、使用頻率最高且發(fā)展較快的一種無損檢測技術(shù)。上一頁下一頁返回第四節(jié)聲學(xué)特征及超聲波檢測技術(shù)三、超聲波檢測儀超聲波檢測儀（如圖５－６所示）的工作原理是：如果一個容器內(nèi)或管道內(nèi)充滿氣體，當(dāng)其內(nèi)部壓強(qiáng)大于外部壓強(qiáng)時，由于內(nèi)外壓差較大，一旦容器有漏孔，氣體就會從漏孔沖出。當(dāng)漏孔尺寸較小且雷諾數(shù)較高時，沖出氣體就會形成湍流，湍流在漏孔附近會產(chǎn)生一定頻率的聲波，聲波振動的頻率與漏孔尺寸有關(guān)，漏孔較大時人耳可聽到漏氣聲，漏孔很小且聲波頻率大于２０ｋＨｚ時，人耳就聽不到了，但它們能在空氣中傳播，被稱作空載超聲波。上一頁下一頁返回第四節(jié)聲學(xué)特征及超聲波檢測技術(shù)超聲波是高頻短波信號，其強(qiáng)度隨著傳播距離的增加而迅速衰減；超聲波具有指向性，可判斷出正確的泄漏位置。超聲波檢測儀泄漏檢測系統(tǒng)不同于特定氣體感應(yīng)器受限于它所設(shè)計來感應(yīng)的特定氣體，而是以聲音來檢測。任何氣體通過泄漏孔都會產(chǎn)生渦流，會有超聲波波段的部分，使得超聲波檢測儀泄漏檢測系統(tǒng)能夠感應(yīng)任何種類的氣體泄漏。用超聲波檢測儀泄漏檢測系統(tǒng)掃描，可從耳機(jī)聽到泄漏聲或看到數(shù)位信號的變動，越接近泄漏點(diǎn)，效果越明顯，若現(xiàn)場環(huán)境嘈雜，可用橡皮管縮小接收區(qū)和遮蔽拮抗超聲波。ＳＤＴ超聲波泄漏檢測儀可對空氣、天然氣、蒸汽以及液體等的輸送管道以及各種設(shè)備的泄漏進(jìn)行檢查。如果與附屬的信號發(fā)生器配合使用，還可對冰箱、密封容器、空調(diào)系統(tǒng)、輪胎、壓縮機(jī)以及各種輸液管道等的密封狀態(tài)進(jìn)行檢查，是改善環(huán)境、節(jié)約能源的有力工具。上一頁下一頁返回第四節(jié)聲學(xué)特征及超聲波檢測技術(shù)四、超聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用２０世紀(jì)８０年代后期到２０世紀(jì)９０年代中期，劉云禎、濮存亭、曾憲強(qiáng)等率先將超聲波技術(shù)應(yīng)用到各項工程建設(shè)之中。２０世紀(jì)９０年代中期之后，超聲波技術(shù)在冶金、質(zhì)量檢測、位移檢測、電磁等各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。近年來，超聲波檢測技術(shù)在各行各業(yè)的實踐操作已逐漸成熟，而且向著更精細(xì)的方向發(fā)展，如基樁成孔質(zhì)量超聲波檢測技術(shù)（２００８）、反應(yīng)堆壓力容器主螺栓超聲波檢測技術(shù)（２０１０）、預(yù)埋ＰＶＣ塑料聲測管灌注樁超聲波檢測技術(shù)（２０１１）、鋼管混凝土拱橋超聲波檢測技術(shù)（２０１２）等。上一頁返回第五節(jié)生物傳感器檢測技術(shù)生物傳感器是以固定化生物活性物質(zhì)（酶、蛋白質(zhì)、微生物、ＤＮＡ或生物膜等）作敏感元件與適當(dāng)?shù)奈锢怼⒒瘜W(xué)換能器有機(jī)結(jié)合而組成的一種先進(jìn)的分析檢測裝置。其工作原理是待測物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入分子識別元件（生物活性材料），經(jīng)分子識別作用與分子識別元件特異性結(jié)合，發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的生物學(xué)信息通過相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換為可以定量處理的光信號或電信號，再經(jīng)電子測量儀的放大、處理和輸出，達(dá)到分析檢測的目的。各種生物傳感器有以下共同的結(jié)構(gòu)，包括一種或數(shù)種相關(guān)生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表達(dá)的信號轉(zhuǎn)換為電信號的物理或化學(xué)換能器（傳感器），二者組合在一起，用現(xiàn)代微電子和自動化儀表技術(shù)進(jìn)行生物信號的再加工，構(gòu)成各種可以使用的生物傳感器分析裝置、儀器和系統(tǒng)。在２１世紀(jì)知識經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，生物傳感器技術(shù)必將是介于信息和生物技術(shù)之間的新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，在醫(yī)療臨床診斷、工業(yè)控制、食品和藥物分析（包括生物藥物研究開發(fā)）、環(huán)境保護(hù)以及生物技術(shù)、生物芯片等研究中有著廣泛的應(yīng)用前景。下一頁返回第五節(jié)生物傳感器檢測技術(shù)一、生物傳感器分類生物傳感器有許多種分類方式。根據(jù)生物傳感器中的分子識別元件，即敏感元件，可分為酶傳感器、免疫傳感器、ＤＮＡ傳感器、組織傳感器和微生物傳感器。根據(jù)檢測原理，可分光學(xué)生物傳感器、電化學(xué)生物傳感器及壓電生物傳感器。按照生物敏感物質(zhì)相互作用的類型，可分為親和型和代謝型兩種。此外，還可根據(jù)所監(jiān)測的物理量、化學(xué)量或生物量而命名為熱傳感器、光傳感器、胰島素傳感器等；還可根據(jù)其用途統(tǒng)稱為免疫傳感器、藥物傳感器等。生物傳感器中的信號轉(zhuǎn)換器，與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器并沒有本質(zhì)的區(qū)別。例如，可以利用電化學(xué)電極、場效應(yīng)管、熱敏器件、壓電器件、光電等作為生物傳感器中的信號轉(zhuǎn)換器。依照信號轉(zhuǎn)換器的不同，也可對生物傳感器進(jìn)行分類，如壓電晶體生物傳感器、場效