摘要 本文介紹測量光幕于水果分級設備中的應用，提出一種新型的水果分級方法，分析設備工作原理、主要技術性能和設計要點。 關鍵詞 測量光幕；水果；分級；設計 1 水果分級技術概述 新鮮水果進行分級處理，主要的作用是使同類檔次的產品規格一致，便于實現獨立或集合包裝，使包裝產品以統一的高品質的外觀進入超市，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一產品外觀規格，以便包裝和提升銷售檔次，因此以體積分級應用最廣泛。傳統的體積分級設備有滾筒式分級機、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，從而實現分級。 孔隙式篩選分級是一種簡單實用的形式，不但生產效率較高，而且可設置多個級別。但這種分級形式存在一定的缺陷，主要表現在：（1）物料全程機械式翻轉篩分，難免造成鮮果表皮碰傷、擦傷及壓傷；（2）分級精度不高，級差不可設置過小，一般不小于5mm。（3）容易出現大小“串級”的混亂現象；（4）適應性較差，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，筆者經深入研究，運用光幕測量技術，構思一種創新的體積分級形式，設計新型的水果分級選別設備，于機上實現高速連續的單個辨別分級。這種分級技術特別適應外形不勻稱的鮮果分級，較之傳統的孔徑分級方式，是一個質的飛躍，因為它實現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其接收的光強度變化的電子器件，包含光學系統、放大器和開關量輸出裝置。所有光電傳感器都使用調制光以排除周圍光源可能的影響，工作時，光電傳感器發射光線，當被檢測物體經過時，根據檢測模式的不同，物體或吸收光線或將光線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生變化，其變化值觸發開關信號輸出，實現檢測功能。 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。測量光幕發射器產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，實現監控和測量物體外形尺寸的功能。 光幕測量系統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，傳遞控制或掃描結果，另外還可接入觸發信號控制掃描過程。 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，發射器連續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射器最后通道和收光器終點前一通道間建立。發射器最后通道在發射傾斜光線后再次被激活，發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，直到最后被阻擋光線為止，累加數值，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，依次累加數值，直到最后透射光線為止，計算透射光線總數，從而得出物體的被測方向尺寸。 3分級設備的設計 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非接觸式的自動測量。因此，把這一技術應用于水果分級設備將產生機械式分級難以比擬的理想效果。 筆者設計的應用光幕測量技術的水果分級設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。 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。 本設備采用的高精度測量光幕，其發射及收光感應段長度均為163mm（6.4”），可生成掃描光線總數為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，可實現級差為1.7～2.5mm的辨別，因此對于大多數的水果分級均適用。 被檢水果進入光幕區域前，已經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，材質以符合食品衛生要求的聚乙烯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。 測量光幕的發射器和收光器對應布置于輸送帶兩側，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即可分析檢測數據，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象的發生。輸送帶上的欄桿可內外調節間距，以適應不同水果的大小，起到限位導向的作用。必須注意，在光幕部位，欄桿應留窄逢缺口，以便掃描光線對射。 由于測量光幕的發射器和收光器裝置在輸送帶的兩側，其光線對射有一定的距離，這一距離應處于傳感器允許的檢測距離范圍內，因此輸送帶的寬度設計有一定的限制。測量光幕的應用環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定，所以應根據所選產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的過量增益曲線，配合環境因素而選擇修正系數，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，在進入光幕測量區時，向上的枝柄同樣會觸發光電信號，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前加以整理，使每一個體均處于相同的有利于測量的狀態運行。以蘋果檢測為例，于測量區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，這對確保精確測量非常重要。對于不同的水果，裝置的設計有所不同，必須根據水果的形態特征作針對性的設計。總體上，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、離心轉盤、導向滑槽等，在此不一一贅述。 3.3選別機構 選別機構緊接測量光幕安裝，接受測量信號而動作。被檢水果通過測量光幕時，觸發光電信號，經控制器計算數值，與設定分級尺寸比較后發出指令，驅動選別機構動作，將水果送入合適的級別行列。 4結語 綜上所述，應用光幕測量技術的水果分級設備具有明顯的優點，適用廣泛，調整靈活，既可杜絕機械分級易造成傷果現象的發生，又能實現高速動態的精確測量和選別。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，級差設定2.5mm，運行速率為180個/分鐘，結果顯示測量和選別均處于穩定狀態。 本文圖例只配置一套測量光幕，檢測物體的一維尺寸。作為設計選擇，可配置三套測量光幕，通過合理的組裝，實現對物體三維尺寸的采集和運算，但須考慮其必要性，否則只會加重系統的運算負擔，因而降低工作效率。對于大多數水果，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進入測量區，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年畢業于華南理工大學，工學學士，現為廣東省農業機械研究所（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。已承擔的課題包括：系列天然果蔬汁飲料生產線的研制、荔枝果酒生產線的研制、肉制品生產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線等項目的研制。已發表相關學術論文十多篇，出版有著作《自動化食品包裝機》。