软X射线检测技术在农产品无损检测中的应用

摘 要：无损检测技术属于高新技术,广泛应用于检测工业材料和农产品的结构异常或表面缺陷.软X射线属于无损检测技术的重要分支,被广泛引用于农产品特别是农产品内部的无损检测.本文结合国内外软X射线检测技术在农产品无损检测中的应用情况,阐述软X射线在农产品品质检测中的重要作用.

关 键 词：无损检测技术；软X射线；农产品

近年来,无损检测技术在农业中得到广泛应用,其中软X射线检测技术被广泛应用于农产品特别是农产品内部的无损检测.

1.无损检测技术

无损检测技术是在不损伤被检测对象的条件下,利用材料结构存在异常或缺陷引起的热、声、光、电、磁等反应变化,探测物质内部和表面缺陷,并对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化作出判断和评价.农产品无损检测是利用农产品的物理性质缺陷而发生变化实现的,主要包括光学性质、声学性质、电磁性质和热学性质等.农产品品质主要包括3方面内容：一是反映农产品外表特征的外部品质（主要有表面颜色、表面光泽、表面平整度、外表形状以及尺寸大小等）；二是反映农产品基本物理性质的品质（主要有质量、密度、弹性以及硬度等）；三是反映农产品内部特征的内部品质（主要有安全性、成熟度、新鲜度、内部缺陷、营养成分的组成、味觉以及口感等）.

常见的农产品品质无损检测有可见光―近红外分光法分光、机器视觉、介电特性、声学特性、超声波、电磁特性分析、生物传感器、电子鼻与电子舌、X射线等技术.可见光和红外检测技术主要针对农产品外部品质检测,内部品质检测相对比较困难,主要依靠近红外、核磁共振、超声波检测技术和X射线成像技术.

由于农产品的密度比金属内部小得多,对于农产品内部物质情况检测所需的X射线强度很弱,所以软X射线被成功应用在农产品内部缺陷和异物检测,在农产品内部品质的检测上更具优势.软X射线运用于农产品无损检测最早是在1961年,美国化学分析学会运用软X射线图像检测谷物或种子中的钻蛀害虫并成为其方法.我国早期对其应用还停留在外部无损检测,近年开始迅速在农产品内部无损检测中运用.

2.软X射线检测原理

2.1X射线检测

当射线通过被检物体时,物体中有缺陷部位（如气孔、非金属夹杂等）与无缺陷部位对射线的吸收能力不同,一般透过有缺陷部位的射线强度高于无缺陷部位,通过透过后的射线强度差异,来判断被检物体中是否存在缺陷.

强度均匀的射线照射被检物体时,能量会产生衰减,衰减程度与射线的能量（波长）以及被穿透物体的质量、厚度和密度有关.如果被检物体是均匀的,射线穿透物体后衰减的能量只与其厚度有关,但被检物体内有缺陷时,在缺陷部位穿过射线的衰减程度则不同,最终得到不同强度的射线来判断被检物体是否存在缺陷及缺陷程度.

2.2软X射线检测

软X射线也是用X射线穿透物体检测物质内部情况,但软X射线的射线强度很弱,波长大约为1-100nm,能量小,穿透力弱,适用于扫描低密度材料.

穿透被检物体的软X射线照射在线阵检测器内部的荧光屏上,被转化为可见光,再经光电转换产生电信号,通过信号处理器处理获取图像,形成灰度图像显示被检测物体组分或厚度的差异,经计算机处理后,可显示出被检测物体内部缺陷或结构变化的性质、大小、位置等信息,达到检测目的.

3.软X射线在农产品无损检测中的应用

3.1软X射线在农产品外部无损检测中的应用

农产品外部品质主要有表面颜色、光泽、平整度、外表形状及尺寸大小等,主要应用可见光和红外检测技术检测,X射线检测应用相对较少.

1992年,Han等人研究了有破裂凹陷和正常凹陷梨的X射线检测图像,通过灰度阀值法分割出梨的凹陷区域,设计了凹陷正常与否的检测算法,检测精度达98%.

1998年,韩东海利用X射线通过正常柑橘和皱皮柑橘透过率的不同,将皱皮柑橘与合格柑橘分开.该研究发现正常果某一断面的波形较圆滑的递减变化,而皱皮果的波形出现凹凸不平的现象.同时,他们还研究了不同X射线强度、不同大小的柑橘在检测过程中传送带速度对检测准确度的影响.

2007年,NeethirajanS等从发芽小麦籽粒和健康小麦籽粒X射线图像中提取54个特征图像.BP神经网络模型对于发芽和健康小麦籽粒的正确分辨率分别为90%和95%

3.2软X射线在农产品内部无损检测中的应用

农产品内部品质包括果蔬的水分、糖酸度、机械损伤、碰伤、内部腐败、变质、虫害等.X射线具有较好的穿透能力,激光具有较好的单色性,农产品密度大小影响X射线穿透量的多少,因此可以通过X射线穿透量的分析来探测农产品内部情况.近年来软X射线在农产品内部品质检测方面得到重视,应用于梨、苹果、红毛丹和洋葱等果蔬内部品质检测.

1999年,Barcelon等人用X射线计算机层析（CT）图像检测梨成熟过程中内部品质变化,研究表明,X射线吸收程度通过图像灰度来表征能预测梨的密度、含水量、可滴定酸、课溶解酸和pH值.

2003年,LanmertynJ等人应用X-CT和MRI图像研究梨的内核空洞和果肉褐变检测.

2003年,张京平等利用CT图像上各点的CT值来检测苹果中对应各点的含水率,通过试验得到其在CT图像上对应的CT值之间的相互关系.

2005年章程辉等通过试验研究得到红毛丹的X射线特征值（CT值）与对应的可食率和可溶性固形物之间的对应关系,为X-CT图像有效应用于水果的在线检测找到一条新途径.

2007年,Fornal等将50颗麦粒按6行8列再加2粒的形式排列,粘在一张7cm×6.5cm×0.1mm的纸上,在谷像产卵后的第3、5、7、10、20、30天分别用X射线照射后成像,研究发现,谷粒中谷象卵产后5d即可用软X射线检测出来,同时试验得出麦粒受侵染程度和受侵染时间之间的关系式,对预测麦粒的受侵染时间意义重大.

3.3软X射线在农产品内部异物检测中的应用

农产品内部异物主要指内部存在金属、玻璃及石头等大密度物体.软X射线技术是应用其密度差来进行检测,还可检测无核红枣等产品内部的核、需要剔除骨头的禽畜产品骨头是否剔除干净等.

2000年VachtsevanosG等及2001年TalY等运用软X射线检测鸡肉中残存碎骨.基于肉片厚度的不均一性,建立了补偿由于厚度不均一引起的X射线吸收变化,结合不同厚度和X射线图像建立图像测定函数,产生骨头碎片信号的厚度补偿X射线图像.研究表明,经常在鸡肉中出现、难以检测的骨头碎片均被检测到,并且这种方法排除了检测阳性,提高了检测的灵敏度.剔骨家禽肉中的外来物能够被检测出来,主要依赖于它们的不同X射线吸收值.最简单的方式是通过图像阈值在X射线图像上进行外来物的辨别.

4.结论

随着人民生活水平的提高,对农产品质量要求也越来越高,因此保证农产品质量是农业发展的必要前提.无损检测作为新兴的检测技术,在农产品的检测中越来越受到青睐.从国内外的研究应用情况表明,软X射线作为无损检测的重要技术之一,已经越来越广泛的用于农产品特别是农产品的内部的品质检测,其在农产品外部品质及内部异物检测的应用相对较少.