X射线无损检测技术在农产品品质评价中的应用

2009年 10月 农 机 化 研 究 第 10期 X射 线 无损 检 测 技 术在 农 产 品 品质 评 价 中的应 用 韩 平 ，潘一"- 10 ，马智宏 ，陆安祥 ，王纪华 ， (1．北京农产品质量检测与农 田环境 监测技术研究 中心 ，北京 100097；2．国家农业信息化工 程技术研究 中 ， 北京 100097) 摘 要：近年来 ，无损检测技术在农业 中得到 了广泛的应用 。x射线检测作为无损检测 的重要技术 手段 ，在农产 品品质检测与评价 中发挥 了重要的作用。为此 ，综述了国内外在 X射线检测技术应用于农产品品质检测方面的 研究进展 ；阐明了 x射线检测技术测定 的基本原理 ；介绍了其在果品水分测定 、农产 品内部病虫害检测 、外 观品 质检测以及异物检测等方面的典型应用实例；并展望了X射线检测技术在农产品检测中的应用前景。 关键词 ：农产品；品质评价 ；无损检测技术 ；x射线 中图分类号：TP274 ．51；TS2．55．7 文献标识码：A 文章编号：1003—188X(2009)10—0006—05 0 引言 无损检测技术又称为非破坏性检测 ，即在不破坏 样品的情况下对其进行品质评价的方法⋯。农产品 无损检测技术是近年来发展起来的一项新技术，主要 利用农产品的物理性质(如力学性质、热学性质 、光学 性质和声学性质等)对其进行品质检测 2j。农产品品 质是反映农产品某些性质的一个模糊概念，主要包括 3个方面的内容：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) 。 随着人民生活水平的提高，在农业生产中，农产 品的品质检测和评价显得尤为重要。目前，农产品品 质无损检测技术大致包括可见光 一近红外分光法分 光检测技术 j、机器视觉检测技术 J、介电特性检测 技术 、声学特性及超声波检测技术 』、核磁共振检 测技术 、生物传感器检测技术 ¨、电子鼻与电子舌 检测技术 、x射线检测技术等。可见光检测技术和 红外检测技术主要针对农产品外部品质检测；农产品 收稿日期：2o08一l2—22 基金项 目：北京市科技 服务能力建设 一农业科技成 果转化专 项 (Z080005032508023)；948农田环境信息快速获取与农产 品安全监测系统(2006一G63) 作者简介：韩 平(198l一)，男，陕西渭南人，助理研究员，硕士 ，(E— mail)Hanp@nercita．org．cn 通讯作者 ：王纪华(1958一)，男，吉林永吉人，研究员，博士，博士生导 师，(E—mail)Wangjh@nercita．org．cn。 内部品质的检测相对 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。自1895 年伦琴(Rontgen W C) 13 3在德国发现 x射线以来，人 们经过 长 期努 力使 x射 线在 医学 (CT，Computed Tomography) 14]、造船、工业探伤 ¨ J、环境监测、林 业和食品检测等众多领域取得了长足的发展。相对 于其他检测技术，x射线检测技术在农产品内部品质 的检测和评价上更具优势。近年来，x射线在农产品 内部缺陷和异物检测中的应用已成为研究的热点。 1 X射线的性质及检测原理 1．1 X射线的性质 x射线是一种很短的电磁波 ，波长范围为 10～一 lO ，较紫外短，但 比 射线长，即能量 比紫外大，比 y^射线小。x射线与其他电磁波一样 ，能产生反射 、折 射、散射、衍射、干涉、偏振和吸收等。x射线具有穿透 能力，在穿透不透明物质的过程中被物质吸收和散 射，从而引起射线能量的衰减。x射线的穿透能力与 射线波长有关，与被穿透 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 的原子序数和密度也有 关。射线波长越短，能量越大，穿透能力越大；被穿透 材料的原子序数越大，密度越大，越难穿透。 1．2 利用 X射线检测的原理 x射线的检测原理主要是基于其具有穿透能力的 性质。射线穿透被检测对象时，由于检测对象内部存 在的缺陷或者异物会引起穿透射线强度上的差异，通 过检测穿透后 的射线强度，按照一定方法转化成图 像，并进行分析和评价以达到无损检测的 目标。按照 成像的方式，可以分为射线照相法、射线数字化实时 成像和射线 CT¨ 。 2009年 10月 农 机 化 研 究 第 l0期 射线照相法应用对射线敏感的感光材料来 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 透 过被检测物后射线强度分布的差异，能够得到被检测 物内部的二维图像。射线照相法由于存在成本较高、 数据存储不方便、射线底片容易报废以及实时性差等 缺点，在农产品品质检测中几乎不再使用 。 x射线实时成像包含两个过程：一是 x射线穿透 样品后被图像增强器所接收，图像增强器把不可见的 x射线检测信号转换为光学图像；二是用摄像机摄取 光学图像，输入计算机进行 A／D转换，转换为数字图 像 引¨。此检测过程由x射线发生装置、x射线探测器 单元、图像单元、图像处理单元、传送机械装置和射线 保护装置等几大部分组成 。 x射线 CT全称是“x射线电子计算机断层摄影 技术”。CT的目的是得到物体内占有确切位置的物 质特性的有关信息。x射线穿过物体某一层断面的组 织，由于不同物质对于 x射线的吸收值存在差异，CT 机探测器接受衰减后的x射线，并将其转换成电信号 输入到计算机。经过计算机的数据处理后显示出图 像，并获得相应点的 CT值。通过建立 CT值与目标检 测值的数学模型，达到无损检测的目的。 2 在农产品品质检测中的应用 2．1 X射线检测技术应用于农产品内部品质检测 农产品机械损伤、内部生理失调和病虫害的侵 入，给农产品的质量带来严重的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，并且这些问题 很难通过农产品外部视觉进行判断和剔除，已经成为 影响农产品内部品质的主要因素。通过 x射线成像 检测技术，可以分辨农产品内部结构的变化。这项技 术已经在水果品质筛选和分类上得到了广泛的应用。 农产品特别是水果在运输过程中极易导致压伤， 直接影响其品质。早在 1970年，Diener等人 ¨利用 x射线成像技术以苹果压伤程度为依据对其进行分 类。随后，Shahin等人研究了根据压伤状态进行苹果 分类的 x射线成像技术，把预测旧压伤(30d)和新压 伤(1d)作为辨别因子，建立相应的神经网络分类器。 研究结果表明，旧压伤的预测准确率达到 60％，两种 不同苹 果 的新 压 伤 预 测 准 确 率 分 别 为 90％ 和 83％ [2o 3 。 水果中果肉含水量直接决定水果的品质。1992 年，Toiler等人 研究了通过 x射线图像特征反映出 的x射线吸收率与苹果体积水含量的关系，建立了x 射线断层扫描图像检测苹果含水量及密度的方法。 2003年，浙江大学张京平对苹果水分和 CT值做了进 一 步研究，发现苹果某点上的水分值与x射线CT图 像上的CT值之间、CT图像的 RGB(Red，Green and Blue)值与 CT值之间存在一定的相关性，从而可以通 过某点 CT值或者 RGB值得到其含水率 ，实现了 RGB值与 x射线胶片图像 CT值的换算，为应用 x射 线 CT技术在线检测农产品水分含量创造出一种新的 方法。 · 病原菌是影响农产品质量的重要因素之一。水心 病是苹果的一种重要的生理病害，严重的水心病果后 期将发展成内部褐变，因此在储藏期监测水心病的发 展是很有必要的 ¨j。X射线检测技术在水心病的监 测和分级上取得了重要的研究进展。Shahin等人利用 苹果的x射线扫描图像中与苹果水心病有关的图像 特征，建立了模糊分类器来预测苹果水心病。随后， 他们又分别选择苹果图像面积和图像表征的密度两 个变量、余弦变换特征以及小波变换特征为基本因 子，建立了预测苹果水心病的贝叶斯分类器，其预测 准确率达到了79％以上 J。Kim S等人采用2D— x(2 Dimension X—ray)射线检测苹果水心病。在此研 究中，对于“红美味”苹果水心病的检测分为两个阶 段：首先，从苹果扫描图像提取相应特征；然后，利用 辨别特征对苹果水心病进行分类。从苹果 x射线扫 描图像中提取了8个特征，并将其输入进行分类的类 神经网络分类器中，以达到将检测结果分为无病、轻 微发病和严重发病 3个等级的目的。研究结果表明， 在正确识别苹果水心病无病和严重发病中，假阳性为 5％ 一8％。此外，这种方法在固定 x射线束与苹果干 花萼的角度条件下，还能够识别同一产地的苹果 J。 种子或者水果内的寄生害虫对于其品质将产生很 大影响。1972年，Fesus采用 x射线照相技术检测了 46种不同植物的种子，研究了害虫侵害的可靠性影像 计数试验模型，建立了在一定水平上的回归方程 。 1995年，Thomas P利用 x射线照相技术检测芒果内 部的虫害，以分选好芒果和有虫害芒果 引。随着计算 机和图像处理科学的发展，实时 x射线检测技术在农 产品品质检测上得到了发展。Haft R P采用高分辨率 的实时成像系统对受到象甲(Sitophilus granarius)危害 的小麦种子进行检测，对 1 500粒小麦籽粒进行检测， 其中682粒小麦籽粒受到象甲幼虫的危害，统计误差 小于2％ 。利用 x射线检测技术检测被赤拟谷盗 (Tribolium eastaneum)危害和未危害的小麦籽粒，其 正确率分别高于86％和73％ ]。被谷蠹(Rhizopertha dominica)危害的小麦籽粒通过 x射线成像，然后从图 像中提取 57个特征值，以此为基础采用 BP(Back Propagation)神经网络系统和统计学归类，对于未被谷 2009年 10月 农 机 化 研 究 第 10期 蠹危害的小麦籽粒检测正确率达到了99％ 。 基于x射线照射，通过计算机技术、数字图像处 理技术、数据模型化应用以及统计学知识，使 x射线 检测技术的检测正确率不断提高，检测对象更加广 泛，检测速度更加符合生产和生活要求 ，如表 1所示。 表 l x射线检测技术在农产品内部品质检测中的应用 Tab．1 The development of X —ray testing technology application on agricultural products internal quality testing 2．2 X射线检测技术应用于农产品外部品质检测 农产品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。x射线检测应 用于农产品外部品质检测与应用内部品质检测的研 究相对较少，这是由x射线具有很强穿透能力的性质 所决定的。1992年，Han等人研究了有破裂凹陷和正 常凹陷梨的x射线图像检测，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，其 检测精度达 98％ 。韩东海利用 x射线通过正常柑 橘和皱皮柑橘的透过率不同，将皱皮柑橘与合格柑橘 分开。该研究发现了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 橘以及在实时检测过程中传送带速度对检测准确度 的影响 。Neethirajall S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％ 。 2．3 X射线检测技术应用于农产品内部异物检测 x射线对于异物检测的范围很广，如金属、玻璃、 塑料和石头等与被检物有着较大密度差异的异物。 目前 ，x射线异物检测技术主要应用在禽畜产品的异 物检测方面。在自动化剔除鸡肉中碎骨片的过程中， 经常不能剔除完全 ，肉中碎骨的存在可能对消费者 (特别是老人和孩子)造成伤害。基于肉片厚度的不 均一性 ，Tao Y等人建立了补偿 由于厚度不均一引起 的 x射线吸收的变化 ，结合不同厚度和 x射线图像建 立了图像测定函数，从而产生了骨头碎片信号的厚度 · 8 · 补偿 x射线图像。研究结果表明，经常在鸡肉中频繁 出现和难以检测到的骨头碎片均被检测到，并且这种 图像 处理方法排 除了假 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。 2001年，Tao Y等人建立了局部阈值图像分割方法。 此技术也能够排除肉块厚度差异带来的检测误差 。 3 结语 随着中国加入世界贸易组织和对外贸易水平的不 断提升，农产品已经成为出口和创汇的重要产品。不 管农产品作为出口商品或者国内消费产品，农产品品 质和农产品安全已经成为政府重视、社会关注和世界 瞩目的问题。农产品品质的重要性对农产品质量检 测技术和方法提出了更高的要求。农产品品质评价 是一个综合的评价体系，包括农产品的营养品质、商 品品质和加工品质等 3方面的评价 。x射线无损 检测技术在农产品品质(特别是内部品质)检测与评 价中发挥了很重要的作用。同时，x射线在农产品无 损检测过程 中一般都采用软 x射线 (管 电压低于 60kV) J。由于射线装置上面加有防护罩，在检测过 程中不会对人体造成伤害。王峰等 研究表明，辐照 对食品中营养成分的影响很小 ，不会影响到农产品品 质，更不会对人体造成危害。张京平等应用 x射线技 术对苹果中水分 、糖分和有机酸含量做 了初步的预 测，对于水分的测定得到了很好的实验结果；对于糖 分和有 机酸 的预测值 与实 际值还 存在较 大 的误 2009年 10月 农 机 化 研 究 第 10期 差 蚰。。x射线无损检测对于农产品营养品质、加工 品质中其他指标的检测和评价工作还鲜有报道。这 些将成为后继研究工作和检测技术的发展方向。 另外，对于入境农产品中潜隐性病虫害的检测一 直是检验检疫的重点工作。由于这些病虫害一般都 在农产品内部寄生，从产品表面很难判断和识别，给 现场检验检疫带来了困难，所以传统检测方法都在实 验室内进行，包括解剖、染色、分离培养和分子生物学 等方法。实验室检疫虽然检测相对准确，但是程序繁 琐，检测时间长，成本较高。利用 x射线穿透能力强 的特性，可以对潜隐性病虫害进行检测。毛罕平 等 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 了关于 X射线图像检测技术在储粮害虫方面的 研究进展。国外利用软 x射线技术对受害虫侵染谷 物的识别率、侵染时间和危害程度等方面的检测工作 进行了深入的研究。国内在此方面的研究较少，如能 实现 x射线无损检测技术对农产品潜隐性病虫害的 判断和识别 ，则可以实现现场检疫。X射线检测技术 可以作为检验检疫的重要手段，将成为一个重要的应 用发展方向。 x射线技术在果品的分级、果品含水量测定 、农产 品内部病虫害和异物检测方面取得重要的研究进展， 这些技术开始大量应用于生产实践。随着计算技术、 信息技术、数字图像处理技术与 x射线检测技术的结 合，x射线检测技术在检测准确度、灵敏度以及检测 速度方面也取得了相应的发展。x射线无损检测技术 已经发展为多学科交叉的综合技术，在农产品深加工 产业大发展背景的带动下必将发挥重要作用。 参考文献： [1] 韩东海，刘新鑫，涂润林．果品无损检测技术在苹果生产 和分级中的应用[J]．世界农业，2003(1)：42—44． [2] 应义斌，韩东海．农产品无损检测技术[M]．北京：化学 工业出版社，2005：2—3． [3] 陈君．农产品品质的无损检测技术[J]．长春工业大学 学报(自然科学版)，2006，27(3)：262—266． [4] Ortiz C，Barreiro P，Correa E，et a1．Non—destructive identification of woolly peaches using impact response and near—infrared spectroscopy[J]．J．Agric．Engng Res， 2001，78(3)：281—289． [5] Lammeayn J．Non destructive measurement of 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Research Center for Information Technology in Agriculture，Beijing 1 00097，China) Abstract：Nondestructive testing technology was applied Oil agriculture in recent years．X —ray testing which was one of nondestructive technologies gave a play to the quality testing and evaluation of agriculture products．In this paper，the re— cent progress of studies on the application of X —-ray testing technology to quality evaluation of agriculture products was reviewed．The fundamental principle of X—ray testing was expounded，and introduced the typical application of X—ray testing on measuring of fruit water，detection of internal agriculture products which was infested by fungi and pest，evalua- tion of external quality of agriculture products and testing of some other matter in the agriculttlre products，and gave a prospect of X —ray testing technology application on a cultural products testing． Key words：agriculture products；quality evaluation；nondestructive determ ination technology ；X —ray · l0 ·