关键词 测量光幕；水果；分级；设计
1 水果分级技术概述
新鲜水果进行分级处理，主要的作用是使同类档次的产品规格一致，便于实现独立或集合包装，使包装产品以统一的高品质的外观进入超市，吸引消费者的注意，提升消费者的购买欲望。
水果分级形式包括有体积分级和重量分级两大类，由于分级的目的主要为统一产品外观规格，以便包装和提升销售档次，因此以体积分级应用最广泛。传统的体积分级设备有滚筒式分级机、三辊筒式分级机和带式分级机等，其原理大同小异，均利用若干级别尺寸的孔框或缝隙进行筛选，当物料的外形稍小于孔隙时，可依靠其本身重力穿过或跌落输出，从而实现分级。
孔隙式筛选分级是一种简单实用的形式，不但生产效率较高，而且可设置多个级别。但这种分级形式存在一定的缺陷，主要表现在：（1）物料全程机械式翻转筛分，难免造成鲜果表皮碰伤、擦伤及压伤；（2）分级精度不高，级差不可设置过小，一般不小于5mm。（3）容易出现大小“串级”的混乱现象；（4）适应性较差，只对近圆形、硬皮类水果，如柑桔等适用性较好，而对于苹果、梨、桃、柿、芒果等表皮薄弱的水果须慎用。
有鉴于此，笔者经深入研究，运用光幕测量技术，构思一种创新的体积分级形式，设计新型的水果分级选别设备，于机上实现高速连续的单个辨别分级。这种分级技术特别适应外形不匀称的鲜果分级，较之传统的孔径分级方式，是一个质的飞跃，因为它实现了非接触式的分级形式，根本杜绝了孔框伤果的缺点，而且精确、高速。
2 光幕测量原理
光电传感器是一种感应其接收的光强度变化的电子器件，包含光学系统、放大器和开关量输出装置。所有光电传感器都使用调制光以排除周围光源可能的影响，工作时，光电传感器发射光线，当被检测物体经过时，根据检测模式的不同，物体或吸收光线或将光线反射到光电传感器的收光器，从而导致收光器接收的光线强度产生变化，其变化值触发开关信号输出，实现检测功能。
测量用光幕是一种特殊的光电传感器，与普通的对射式光电传感器一样，包含相互分离且相对放置的发射器和收光器两部分，但其外形尺寸较大，为长管状。测量光幕发射器产生的检测光线并非如普通传感器般只有一束，而是沿长度方向定间距生成光线阵列，形成一个“光幕”，以一种扫描的方式，配合控制器及其软件，实现监控和测量物体外形尺寸的功能。
光幕测量系统要正常工作需配备一个控制器，控制器使用软件进行编程设定，可提供多种扫描模式和检测分析模式，而且可通过串行接口与PLC或计算机进行通讯，传递控制或扫描结果，另外还可接入触发信号控制扫描过程。
2.1光幕扫描模式
常用的光幕扫描模式有两种，分别为直线扫描模式和交叉扫描模式，前者是最常用和最简单的扫描模式，发射器连续生成定间距的光线阵列，依次由始至终平行排列，并由收光器对应一一接收。
交叉扫描模式在直线扫描光线间交错排列有倾斜光线。第一束倾斜扫描光线于发射器第二通道和收光器第一通道之间建立；第二束倾斜扫描光线于发射器第三通道和收光器第二通道之间建立。依此类推，直到最后一束倾斜扫描光线于发射器最后通道和收光器终点前一通道间建立。发射器最后通道在发射倾斜光线后再次被激活，发射直线光线至收光器最后通道，从而完成整个扫描过程。采用交叉扫描模式可提高光学分辨率，在检测区域中间1/3部分的精度最高，最小检测物体尺寸可缩小为直线扫描时的2/3。
2.2光幕检测分析模式
光幕检测分析模式有多种设置，最常用的有两种，分别为“首尾光线阻挡模式”和“首尾光线透射模式”。
首尾光线阻挡模式当物体进入光幕区域时，阻挡光线，通过控制器识别被阻挡的首束光线的编号，然后依次由下往上计算被阻光线总数，直到最后被阻挡光线为止，累加数值，从而得出物体的被测方向尺寸。
首尾光线透射模式当物体进入光幕区域时，控制器识别透射光线，由首束透射光线计算，依次累加数值，直到最后透射光线为止，计算透射光线总数，从而得出物体的被测方向尺寸。
3分级设备的设计
由以上分析可知，测量光幕可提供一种理想的可靠的检测模式，对于被检物体的外形尺寸可实现非接触式的自动测量。因此，把这一技术应用于水果分级设备将产生机械式分级难以比拟的理想效果。
笔者设计的应用光幕测量技术的水果分级设备主要由三部分组成，包括核心部分的光幕测量分级装置、前段水果整理排列装置和后段自动选别机构。
3.1光幕测量分级装置
常见水果的外形尺寸并不大，小的如李子、荔枝、龙眼等，较大的如苹果、梨、橙等，其外径尺寸一般处于20～100mm之间。显而易见，外形越小的水果，其级差要求越小，以前述小水果为例，其相近级别一般只相差2～3mm。因此，适用于水果分级的测量光幕要求是小尺寸、高精度。
本设备采用的高精度测量光幕，其发射及收光感应段长度均为163mm（6.4”），可生成扫描光线总数为64束，光线间距2.5mm（0.1”）。采用直线扫描时检测物体最小尺寸为2.5mm，而交叉扫描时检测物体尺寸可小至1.7mm，可实现级差为1.7～2.5mm的辨别，因此对于大多数的水果分级均适用。
被检水果进入光幕区域前，已经被排列成整齐的单个队列，由输送带带动依次行进。
输送带可采用平皮带，材质以符合食品卫生要求的聚乙烯PE、聚胺酯PU、硅胶SI等较为理想，其底下以光滑托板支承，确保平皮带平直而不下垂。由于平皮带表面平整而富于弹性，与被输送的水果柔性接触，能起到缓冲和保护的作用。
测量光幕的发射器和收光器对应布置于输送带两侧，1号扫描光线与输送带表面相平。由于水果均为一定形状的实体，因此其检测分析模式以采用“首尾光线阻挡模式”最为适宜，而且进入光幕检测范围的水果都处于同一平面，所以首束阻挡光线均为1号光线，控制器只需要采集最后阻挡光线号数即可分析检测数据，计算出水果截面被测方向的尺寸。
水果在平带输送过程中实现辨别测量，既无额外的机械式作用，也无落差碰撞等运动，可根本杜绝分级过程伤果现象的发生。输送带上的栏杆可内外调节间距，以适应不同水果的大小，起到限位导向的作用。必须注意，在光幕部位，栏杆应留窄逢缺口，以便扫描光线对射。
由于测量光幕的发射器和收光器装置在输送带的两侧，其光线对射有一定的距离，这一距离应处于传感器允许的检测距离范围内，因此输送带的宽度设计有一定的限制。测量光幕的应用环境将影响其长期工作的可靠性，当传感器处于最大检测距离状态时，因为光学透镜会被空气尘埃污染等原因，使接收光线强度减弱而导致工作不稳定，所以应根据所选产品的过量增益曲线来确定最佳检测距离。所谓过量增益，是指光电传感器接收到的光强度超过启动其放大器所需光能量的强度的量度。过量增益为1代表启动放大器所需的最小能量；过量增益为10时，代表收光器接收的光能量是启动放大器所需能量的10倍。每一型号的光电传感器都有一个相应的过量增益曲线，配合环境因素而选择修正系数，即可估计出不同条件下最大的可靠检测距离。
对于一些带枝柄的水果，在进入光幕测量区时，向上的枝柄同样会触发光电信号，导致测量值不准确。为此，针对这类水果，必须在进入光幕测量区前加以整理，使每一个体均处于相同的有利于测量的状态运行。以苹果检测为例，于测量区配置两条并列的输送带，相互间留有一定的间隙，整理后的苹果承托于两平皮带之间运行，柄朝下卡入皮带间隙，因此通过光幕测量时避免了柄的干扰，测量值均为同一部位相同方向的尺寸，使检测更为准确可靠。
3.2整理排列装置
整理排列装置处于光幕测量分级装置之前，其作用是将杂乱无章的水果整理成整齐的单个列队，使水果以一定的间距依次进入光幕测量区，这对确保精确测量非常重要。对于不同的水果，装置的设计有所不同，必须根据水果的形态特征作针对性的设计。总体上，可采用一些相互配合的机械输送装置引导水果运动来达到目的，例如水平或倾斜布置的输送带、梳理挡板、离心转盘、导向滑槽等，在此不一一赘述。
3.3选别机构
选别机构紧接测量光幕安装，接受测量信号而动作。被检水果通过测量光幕时，触发光电信号，经控制器计算数值，与设定分级尺寸比较后发出指令，驱动选别机构动作，将水果送入合适的级别行列。
4结语
综上所述，应用光幕测量技术的水果分级设备具有明显的优点，适用广泛，调整灵活，既可杜绝机械分级易造成伤果现象的发生，又能实现高速动态的精确测量和选别。笔者以剪枝后的荔枝作实验，采用光幕测量加喷气式选别，分级级别为3级，级差设定2.5mm，运行速率为180个/分钟，结果显示测量和选别均处于稳定状态。
本文图例只配置一套测量光幕，检测物体的一维尺寸。作为设计选择，可配置三套测量光幕，通过合理的组装，实现对物体三维尺寸的采集和运算，但须考虑其必要性，否则只会加重系统的运算负担，因而降低工作效率。对于大多数水果，只要是同品种，其外形特征均相近，而且通过整理排列可保持相同状态进入测量区，因此，只需检测其一维尺寸即可达到理想的分级效果。
本文作者：张聪，36岁，男，1989年毕业于华南理工大学，工学学士，现为广东省农业机械研究所（广东省包装食品机械研究所）高级工程师，另任机械工业包装食品机械专家委员会委员，主要从事食品和包装机械的研究开发。已承担的课题包括：系列天然果蔬汁饮料生产线的研制、荔枝果酒生产线的研制、肉制品生产线的研制以及真空包装机、全自动热成型包装机和果蔬分级包装生产线等项目的研制。已发表相关学术论文十多篇，出版有著作《自动化食品包装机》。
