快速無損水果質(zhì)地的檢測方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種水果檢測方法及裝置，尤其設(shè)及一種快速無損水果質(zhì)地的檢測方 法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國是一個農(nóng)業(yè)大國，每年水果產(chǎn)量巨大，但是由于水果產(chǎn)后的檢測與分級技術(shù) 仍然比較落后，因此水果的出口率依然很低。同時，隨著我國的發(fā)展，人民生活水平不斷提 高，人們對水果的內(nèi)部品質(zhì)要求也越來越高。質(zhì)地作為評判水果口感和成熟度的一項關(guān)鍵 指標，被廣泛運用在了水果種植、采后保存、采后加工W及食用評估等方面。
[0003] 傳統(tǒng)的水果質(zhì)地檢測方法采用的是穿刺法，其主要步驟是采用一個手持式硬度 計，將壓頭插入果實一定的深度，該過程中最大的力則記為果實的硬度。但是，該方法存在 不易校準、受人為因素影響大、不可重復(fù)并且是有損檢測等缺點，因此我們需要找到一種快 速無損檢測的方式來實現(xiàn)水果質(zhì)地的檢測。聲學(xué)振動法是目前最常用且有效的水果質(zhì)地?zé)o 損檢測方法之一。
[0004] 在聲學(xué)振動法中，檢測振動的傳感器包括接觸式傳感器和非接觸式傳感器。接觸 式傳感器由于會影響被測物體的自由振動而無法準確測量水果的振動特性。非接觸式傳感 器主要包括了麥克風(fēng)和激光多普勒傳感器。但是，麥克風(fēng)的缺點在于容易受環(huán)境噪聲的影 響，應(yīng)用局限性較大。激光多普勒測振技術(shù)作為一種光學(xué)的檢測方式，具有不影響被測物體 自由振動和不受環(huán)境噪聲影響等獨到的優(yōu)勢，因此十分適合用于聲學(xué)振動法檢測水果的質(zhì) 地?，F(xiàn)有的基于激光多普勒測振檢測水果質(zhì)地的技術(shù)中，均是采用掃頻信號作為水果的激 勵信號，該方式的缺點是檢測速度慢，頻率需要逐漸增大或減小W尋找水果的共振頻率，因 此無法滿足在線檢測或者消費者現(xiàn)場使用的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決現(xiàn)有激光多普勒測振技術(shù)用于水果質(zhì)地檢測耗時的問題，本發(fā)明目的 在于提供一種快速無損水果質(zhì)地的檢測方法及裝置，基于激光多普勒測振技術(shù)，采用沖擊 振動的方式用于快速獲取水果的振動信息，同時結(jié)合相應(yīng)的信號處理方法和化學(xué)計量學(xué)方 法，建立水果的質(zhì)地預(yù)測模型，實現(xiàn)水果質(zhì)地的快速無損檢測。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0007] 一、一種快速無損水果質(zhì)地的檢測方法：
[000引步驟1)采集建模樣品集：選擇與待測水果同一批次的同種水果作為試驗樣本，試 驗樣本的水果依次進行步驟2)?步驟8);
[0009] 步驟。巧憶質(zhì)量m ;用電子天平逐一稱重；
[0010] 步驟3)測定果形系數(shù)SI ;分別沿水果赤道和"果梗-果專"方向均勻間隔120° 測量水果的直徑d和高h各3次，取平均值作為水果的直徑之和高;^，用高和直徑的比值作 為果形系數(shù)SI :
[0011] SI Id
[0012] 步驟4)采集振動響應(yīng)信號；將各個水果置于振動臺中屯、位置，振動臺在激勵信號 的控制下進行振動，用激光多普勒測振儀測量得到水果的振動響應(yīng)數(shù)據(jù)；
[0013] 步驟5)提取振動特征參數(shù)；采集到的振動響應(yīng)數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換處理，得 到時域數(shù)據(jù)和頻域數(shù)據(jù)，分別對時域數(shù)據(jù)和頻域數(shù)據(jù)提取振動特征參數(shù)；
[0014] 步驟6)振動特征參數(shù)降維；采用數(shù)據(jù)降維方法，把從步驟6)提取得到的振動特征 參數(shù)進行降維，得到降維后的振動參數(shù)；
[0015] 步驟7)測定質(zhì)地指標值；對試驗樣本的水果，利用質(zhì)構(gòu)儀并采用質(zhì)地測試方法， 在水果赤道處均勻選取a個待測點，相鄰待測點之間的間隔為360/a度，測量各個待測點的 質(zhì)地指標，將所有待測點的質(zhì)地指標的平均值作為試驗樣本的質(zhì)地指標值；
[0016] 步驟8)建立質(zhì)地預(yù)測模型；將上述試驗樣本由步驟2)得到的質(zhì)量m、步驟3)得 到的果形系數(shù)SI和步驟6)得到降維后的振動參數(shù)作為輸入?yún)?shù)，質(zhì)地指標值作為輸出參 數(shù)，采用化學(xué)計量學(xué)方法建立用于預(yù)測質(zhì)地指標的質(zhì)地預(yù)測模型；
[0017] 步驟9)將待測水果依次進行步驟2)?步驟6)得到質(zhì)量m、果形系數(shù)SI和降維后 的振動參數(shù)，然后輸入質(zhì)地預(yù)測模型得到待測水果對應(yīng)的質(zhì)地指標值，完成快速無損檢測。
[0018] 所述的步驟1)中的試驗樣本包括至少30個水果。
[0019] 所述步驟4)中，所述的激勵信號指由信號發(fā)生器發(fā)出通過振動控制器輸出，并經(jīng) 功率放大器放大后控制振動發(fā)生機工作的信號，該激勵信號是脈沖信號。
[0020] 所述步驟4)中，所述的用激光多普勒測振儀測量水果的振動響應(yīng)信號的具體方 式為；激光探頭豎直向下固定于=腳架上，調(diào)節(jié)激光探測頭使激光束聚焦于水果上表面頂 部，反射回的激光由激光探測頭接收，經(jīng)激光多普勒測振控制器處理后獲得水果的振動響 應(yīng)數(shù)據(jù)。
[0021] 所述步驟7)中，所述的質(zhì)地測試方法選自但不限于W下方法；穿刺試驗方法、壓 縮試驗方法或者蠕變試驗方法。
[0022] 所述步驟5)中，所述的振動特征參數(shù)包括時域特征參數(shù)和頻域特征參數(shù)，時域特 征參數(shù)包含但不限于W下參數(shù)的一個或多個；平均值、方差、最大值、最小值、信號持續(xù)時 間、整流平均值、波形面積、均方根、偏度、峰度、峰峰值、峰值因子、脈沖因子、波形因子和裕 度因子；頻域特征參數(shù)包含但不限于W下參數(shù)：頻率段所對應(yīng)的幅頻響應(yīng)曲線的面積。
[0023] 所述步驟7)中，所述的數(shù)據(jù)降維方法選自但不限于W下方法；主成分分析法、相 關(guān)系數(shù)法或者逐步多元線性回歸法；當(dāng)數(shù)據(jù)降維方法采用相關(guān)系數(shù)法，其中選擇振動特征 參數(shù)與質(zhì)地指標值之間所有相關(guān)系數(shù)中大于0. 5的相關(guān)系數(shù)所對應(yīng)的振動特征參數(shù)。
[0024] 所述步驟8)中，所述的化學(xué)計量學(xué)方法選自但不限于W下方法：多元線性回歸方 法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法或者支持向量機方法。
[0025] 二、一種快速無損水果質(zhì)地的檢測裝置：
[0026] 包括信號發(fā)生器、振動控制器、功率放大器、振動發(fā)生機、擴展臺和IE陽加速度傳 感器、激光多普勒測振模塊、數(shù)據(jù)采集卡和=腳架；振動控制器的輸入端與信號發(fā)生器連 接，振動控制器的輸出端經(jīng)功率放大器與振動發(fā)生機連接，振動發(fā)生機與擴展臺剛性連接， 擴展臺上固定安裝有IEPE加速度傳感器，水果放置在擴展臺上，IEPE加速度傳感器與振 動控制器連接，激光多普勒測振模塊由激光探測頭W及與激光探測頭連接的激光多普勒測 振控制器組成；激光探測頭豎直向下安裝在=腳架上，激光探測頭的激光束垂直于擴展臺 面并投射到水果上表面頂部處，數(shù)據(jù)采集卡的兩路輸入端分別與激光多普勒測振控制器和 IEPE加速度傳感器的輸出端連接，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端與數(shù)據(jù)存儲模塊連接。
[0027] 所述的激光探測頭的聚焦鏡頭與水果上表面頂部的垂直距離大于激光探測頭最 小工作距離。
[002引所述的信號發(fā)生器發(fā)出激勵信號至振動控制器，并經(jīng)功率放大器放大后控制振動 發(fā)生機工作，該激勵信號是脈沖信號。
[0029] 與【背景技術(shù)】相比，本發(fā)明具有的有益效果是：
[0030] 本發(fā)明通過采用沖擊振動的方式，大大縮短了激光多普勒測振技術(shù)用于檢測水果 質(zhì)地的時間；同時，采用多振動特征參數(shù)結(jié)合水果質(zhì)量和果形作為預(yù)測模型的輸入?yún)?shù)，提 高了模型的預(yù)測精度和適應(yīng)性。
【附圖說明】
[0031] 圖1是本發(fā)明的方法流程圖。
[0032] 圖2是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033] 圖3是本發(fā)明實施例中一個激勵梨振動的典型半正弦脈沖信號。
[0034] 圖4是本發(fā)明實施例中一個典型的梨振動響應(yīng)信號。
[0035] 圖中；1、信號發(fā)生器；2、振動控制器；3、功率放大器；4、振動發(fā)生機；5、擴展臺； 6、IE陽加速度傳感器；7、水果；8、激光探測頭；9、激光多普勒測振控制器；10、數(shù)據(jù)采集卡； 11、數(shù)據(jù)存儲模塊。
【具體實施方式】
[0036] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0037] 如圖1所示，本發(fā)明檢測方法包括W下步驟：
[003引步驟1)采集建模樣品集：選擇與待測水果同一批次的同種水果作為試驗樣本，試 驗樣本的水果依次采用W下所有步驟進行測量；步驟1)中的試驗樣本包括至少30個水果。
[0039] 步驟。測定質(zhì)量m ;用電子天平逐一稱重；
[0040] 步驟扣巧憶果形系數(shù)SI ;分別沿水果赤道和"果梗-果專"方向均勻間隔120° 測量水果的直徑d和高h各3次，取平均值作為水果的直徑之和高:^，用高和直徑的比值作 為果形系數(shù)SI :
[0041] Sl^h/d
[0042] 步驟4)采集振動響應(yīng)信號；將各個水果置于振動臺中屯、位置，振動臺在激勵信號 的控制下進行振動，用激光多普勒測振儀測量得到水果的振動響應(yīng)數(shù)據(jù)；
[0043] 該激勵信號指由信號發(fā)生器發(fā)出通過振動控制器輸出，并經(jīng)功率放大器放大后控 制振動發(fā)生機工作的信號，該激勵信號是脈沖信號。
[0044] 用激光多普勒測振儀測量水果的振動響應(yīng)信號的具體方式為；激光探頭豎直向下 固定于=腳架上，調(diào)節(jié)激光探測頭使激光束聚焦于水果上表面頂部，反射回的激光由激光 探測頭接收，經(jīng)激光多普勒測振控制器處理后獲得水果的振動響應(yīng)數(shù)據(jù)。
[0045] 步驟5)提取振動特征參數(shù)；采集到的振動響應(yīng)數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換處理，得 到時域數(shù)據(jù)和頻域數(shù)據(jù)，分別對時域數(shù)據(jù)和頻域數(shù)據(jù)提取振動特征參數(shù)；
[0046] 其振動特征參數(shù)包括時域特征參數(shù)和頻域特征參數(shù)，時域特征參數(shù)包含但不限于 W下參數(shù)的一個或多個；平均值、方差、最大值、最小值、信號持續(xù)時間、整流平均值、波形面 積、均方根、偏度、峰度、峰峰值、峰值因子、脈沖因子、波形因子和裕度因子；頻域特征參數(shù) 包含但不限于W下參數(shù)：兩個頻率之間頻率段所對應(yīng)的幅頻響應(yīng)曲線的面積。
[0047] 步驟6)振動特征參數(shù)降維；采用數(shù)據(jù)降維方法，把從步驟6)提取得到的振動特征 參數(shù)進行降維，得到降維后的振動參數(shù)；
[0048] 步驟7)測定質(zhì)地指標值；對試驗樣本的水果，利用質(zhì)構(gòu)儀并采用質(zhì)地測試方法， 在水果赤道處均勻選取a個待測點，相鄰待測點之間的間隔為360/a度，其中a = 2?4， 測量各個待測點的質(zhì)地指標，將所有待測點的質(zhì)地指標的平均值作為試驗樣本的質(zhì)地指標 值；
[0049] 其質(zhì)地測試方法選自但不限于W下方法；穿刺試驗方法、壓縮試驗方法或者蠕變 試驗方法等力學(xué)測試方法。
[0化0] 其數(shù)據(jù)降維方法選自但不限于W下方法；主成分分析法、相關(guān)系數(shù)法或者逐步多 元線性回歸法；當(dāng)數(shù)據(jù)降維方法采用相關(guān)系數(shù)法，其中選擇振動特征參數(shù)與質(zhì)地指標值之 間所有相關(guān)系數(shù)中大于0. 5的相關(guān)系數(shù)所對應(yīng)的振動特征參數(shù)。
[0化1] 步驟8)建立質(zhì)地預(yù)測模型；將上述試驗樣本由步驟2)得到的質(zhì)量m、步驟3)得