توصيفگر ها :
اسپكترومتر , سيب , پيش پردازش , حداقل مربعات جرئي , سفتي , مواد جامد محلول
چكيده فارسي :
امروزه ارزيابي كيفيت ميوهها توسط مصرفكنندگان، تنها به مؤلفههاي بيروني و ظاهري محدود نميشود، بلكه مؤلفههاي دروني كيفيت را نيز در بر ميگيرد. با توجه به پيشرفت علوم و فنآوري، توجه شاياني به آزمونهاي غيرمخرب شده است كه در آنها ارزيابي مؤلفههاي كيفيت محصول بطور سريع، غيرمخرب و دقيق انجام ميشود. در ميان روشهاي غيرمخرب، روش طيفسنجي NIR داراي كاربرد عملي بوده و در طول ساليان اخير، توسعه يافته و كاربرد گستردهاي در فرآيند جداسازي و درجهبندي محصولات كشاورزي داشته است. در اين پاياننامه، ابتدا سامانهاي پرتابل به منظور ثبت دادههاي طيفي نيمه عبوري ميوههاي با اندازه متفاوت طراحي و ساخته شد. اجزاي سامانه ساخته شده عبارت بودند از سازه كلي و واحدهاي پرتودهي با قابليت تنظيم شدت و زمان نوردهي، طيفسنجي و پردازش و مانيتورينگ. براي طراحي سازه كلي، ابتدا طرح نهايي سامانه و قسمتهاي مختلف آن در نرم افزار كتيا شبيهسازي شد. پس از نهايي شدن طرح، نقشههاي ساخت استخراج و سازه كلي با استفاده از مواد تا حد امكان سبك ساخته شد. در طي فرآيند ساخت، جهت افزايش دقت، از برشهاي ليزري، خمزني برك و جوش آرگون استفاده شد. در واحد پرتودهي از 4 لامپ هالوژن 100 واتي براي عمليات نوردهي به محصول استفاده شد. شدت و زمان نوردهي اين لامپها توسط يك مدار الكترونيكي ساخته شده به اين منظور تنظيم ميشد تا بتوان نور عبوري كافي از محصولات با اندازه متفاوت را ايجاد كرد. واحد طيفسنجي از يك پروب جمعآوري پرتوي عبوري از نمونه، يك اسپكترومتر آرايه ديودي و فيبر نوري واسط پروب و طيفسنج تشكيل شده بود. پروب فيبر نوري خاص اين سامانه به نحوي طراحي و ساخته شد كه در آن به كمك لنزهاي موازي و همسوكننده بتوان پرتوي عبوري از نمونه را با حداقل هدررفت به فيبر نوري شيشهاي متصل به آن انتقال داد. اسپكترومتر استفاده شده نيز مجهز به آشكارساز CCD با قابليت ثبت طيفهاي Vis/NIR در بازه 1100-400 نانومتر بود. واحد پردازش نيز از يك رايانه فشرده از نوع Thin-Client، ساخت شركت DELL تشكيل شده بود كه با داشتن 4 گيگابايت حافظه رم، 64 گيگابايت فضاي ذخيرهسازي و پردازنده 4/2 گيگا هرتزي چهار هستهاي، نياز عملياتهاي محاسباتي و كنترلي را كاملاً برطرف ميساخت. واحد مانيتورينگ نيز از يك صفحه نمايش لمسي 7 اينچي براي نمايش دادههاي بدست آمده از سامانه شامل طيفها و همچنين كنترل قسمتهاي مختلف بهره ميبرد. پس از ساخت سامانه، توانايي آن در تخمين مؤلفههاي كيفيت ميوه مورد ارزيابي قرار گرفت. براي اين منظور، از محصول سيب جهت انجام آزمايشات تخمين پارامترهاي مهم رسيدگي شامل سفتي و مواد جامد محلول (SSC) استفاده شد. تعداد 192 عدد سيب در سه مرحله مختلف برداشت در قالب سه گروه كاملاً نارس، نيمه رس و كاملاً رسيده از يك باغ در منطقه الشتر استان لرستان تهيه شد. از هر نمونه سه طيف تحت زاويه 120 درجه حول محور استوايي ميوه گرفته شد. در كوتاهترين زمان ممكن پس از ثبت دادههاي طيفي، با استفاده از آزمايشهاي مرجع، پارامترهاي سفتي و SSC نمونهها اندازهگيري شدند. به منظور تحليل طيفهاي بدستآمده، ابتدا پس از اعمال پيشپردازشهاي مختلف، پيشپردازش مناسب براي هر پارامتر انتخاب و بر روي دادههاي طيفي اعمال شد. براي ساخت مدلهاي پيشگو از روش رگرسيون حداقل مربعات جزئي (PLS) استفاده شد. نتايج نشان داد براي تخمين پارامتر سفتي، بهترين مدل PLS به كمك پيشپردازش مشتق اول بدست ميآيد. اين مدل ميتوانست مقادير سفتي را با يك ضريب تبيين پيشبيني (R2p) برابر 856/0، ريشه ميانگين مربعات خطاي پيشبيني (RMSEP) برابر 47/5 نيوتن و RPD برابر 55/2 پيشگويي كند. براي تخمين SSC نيز بهترين مدل با استفاده از تركيب پيشپردازشهاي يكنواخت و نرماليزه كردن بدست آمد. مدل مربوطه توانست مقادير منجر به يك R2p برابر 767/0، RMSEP برابر 8/0 درجه بريكس و RPD برابر 9/1 شود. اين نتايج نشاندهنده توانايي خوب سامانه در پيشبيني مؤلفههاي رسيدگي ميوه سيب است.
چكيده انگليسي :
Today, the quality evaluation of fruit by consumers is not only limited to external components but also includes the internal quality components. Hence, much attention has been paid to non-destructive tests for the quick, non-destructive, and accurate evaluation of quality. Among non-destructive methods, NIR spectroscopy method has practical application and has been developed and widely used in recent years. In this thesis, firstly, a portable system was designed and developed to acquire the spectral data of fruits with different shapes and sizes. The major components of the system were included: main structure, illumination unit, spectroscopy unit, and processing and monitoring unit. To design the main structure, the final design of the system and its various parts were first simulated in CATIA software. The manufacturing drawings were then extracted and the main structure was made using materials as light as possible. During the manufacturing process, laser cuts, brake bending, and Argon welding were used to increase the accuracy. In the illumination unit, 4 halogen lamps (100 W) were used for radiating the samples in half-transmittance mode. The intensity and time of exposure of the lamps were adjusted by an electronic circuit, designed and developed for this purpose, in order to create sufficient light for fruits of different sizes. The spectroscopy unit consisted of a probe for collecting the lights passed through the sample, a PDA spectrometer, and the fiber optic interface. The probe was designed and developed to collect the transmitted light passed through the fruit and transfer it to the optical fiber connected to the spectrometer with minimal loss. The PDA spectrometer was equipped with a CCD detector capable to acquire the Vis/NIR spectra in the range of 400-1100 nm. The processing unit consisted of a Thin-Client compact computer made by DELL, with 4 GB of RAM, 64 GB of storage space, and a 2.4 GHz quad-core processor. The monitoring unit used a 7-inch touch screen to display the data obtained from the system. The system reliability was then validated by investigating its ability to estimate the main maturity parameters of the apple including firmness and soluble solids content (SSC). For this purpose, a total of 192 apple samples were harvested in three different harvesting times from a garden located in Aleshtar, Lorestan province. Three spectra were collected from each sample at an angle of 120 degrees around the stem-calyx axis of the fruit. After spectral data were recorded, the firmness and SSC of the samples were measured using reference tests. To analyze the obtained spectra, the appropriate preprocessing method for each parameter was selected and applied to the spectral data. The partial least squares (PLS) regression method was used to develop the predictive models. The results showed that to estimate the firmness, the best PLS model was obtained by using the 1st derivative preprocessing. This model could predict firmness values with a coefficient of determination in prediction (R2p) of 0.856, a root means square of error in prediction (RMSEP) of 5.47 N, and a residual predictive deviation (RPD) of 2.55. The best model for estimating SSC was obtained using a combination of smoothing and normalization pretreatments. The corresponding model was able to result in an R2p of 0.767, an RMSEP of 0.8 ◦Brix, and an RPD of 1.9. These results indicate the good potential of the developed system in predicting the maturity components of apple fruit.