快速無損水果質(zhì)地的檢測(cè)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(cè)方法及裝置，尤其設(shè)及一種快速無損水果質(zhì)地的檢測(cè)方 法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國是一個(gè)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(cè)與分級(jí)技術(shù) 仍然比較落后，因此水果的出口率依然很低。同時(shí)，隨著我國的發(fā)展，人民生活水平不斷提 高，人們對(duì)水果的內(nèi)部品質(zhì)要求也越來越高。質(zhì)地作為評(píng)判水果口感和成熟度的一項(xiàng)關(guān)鍵 指標(biāo)，被廣泛運(yùn)用在了水果種植、采后保存、采后加工W及食用評(píng)估等方面。
[0003] 傳統(tǒng)的水果質(zhì)地檢測(cè)方法采用的是穿刺法，其主要步驟是采用一個(gè)手持式硬度 計(jì)，將壓頭插入果實(shí)一定的深度，該過程中最大的力則記為果實(shí)的硬度。但是，該方法存在 不易校準(zhǔn)、受人為因素影響大、不可重復(fù)并且是有損檢測(cè)等缺點(diǎn)，因此我們需要找到一種快 速無損檢測(cè)的方式來實(shí)現(xiàn)水果質(zhì)地的檢測(cè)。聲學(xué)振動(dòng)法是目前最常用且有效的水果質(zhì)地?zé)o 損檢測(cè)方法之一。
[0004] 在聲學(xué)振動(dòng)法中，檢測(cè)振動(dòng)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(huì)影響被測(cè)物體的自由振動(dòng)而無法準(zhǔn)確測(cè)量水果的振動(dòng)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(diǎn)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(cè)振技術(shù)作為一種光學(xué)的檢測(cè)方式，具有不影響被測(cè)物體 自由振動(dòng)和不受環(huán)境噪聲影響等獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，因此十分適合用于聲學(xué)振動(dòng)法檢測(cè)水果的質(zhì) 地。現(xiàn)有的基于激光多普勒測(cè)振檢測(cè)水果質(zhì)地的技術(shù)中，均是采用掃頻信號(hào)作為水果的激 勵(lì)信號(hào)，該方式的缺點(diǎn)是檢測(cè)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(cè)或者消費(fèi)者現(xiàn)場(chǎng)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(cè)振技術(shù)用于水果質(zhì)地檢測(cè)耗時(shí)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(cè)方法及裝置，基于激光多普勒測(cè)振技術(shù)，采用沖擊 振動(dòng)的方式用于快速獲取水果的振動(dòng)信息，同時(shí)結(jié)合相應(yīng)的信號(hào)處理方法和化學(xué)計(jì)量學(xué)方 法，建立水果的質(zhì)地預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)水果質(zhì)地的快速無損檢測(cè)。
[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(cè)方法：
[000引步驟1)采集建模樣品集：選擇與待測(cè)水果同一批次的同種水果作為試驗(yàn)樣本，試 驗(yàn)樣本的水果依次進(jìn)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(cè)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(cè)量水果的直徑d和高h(yuǎn)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(dòng)響應(yīng)信號(hào)；將各個(gè)水果置于振動(dòng)臺(tái)中屯、位置，振動(dòng)臺(tái)在激勵(lì)信號(hào) 的控制下進(jìn)行振動(dòng)，用激光多普勒測(cè)振儀測(cè)量得到水果的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)；
[0013] 步驟5)提取振動(dòng)特征參數(shù)；采集到的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換處理，得 到時(shí)域數(shù)據(jù)和頻域數(shù)據(jù)，分別對(duì)時(shí)域數(shù)據(jù)和頻域數(shù)據(jù)提取振動(dòng)特征參數(shù)；
[0014] 步驟6)振動(dòng)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(dòng)特征 參數(shù)進(jìn)行降維，得到降維后的振動(dòng)參數(shù)；
[0015] 步驟7)測(cè)定質(zhì)地指標(biāo)值；對(duì)試驗(yàn)樣本的水果，利用質(zhì)構(gòu)儀并采用質(zhì)地測(cè)試方法， 在水果赤道處均勻選取a個(gè)待測(cè)點(diǎn)，相鄰待測(cè)點(diǎn)之間的間隔為360/a度，測(cè)量各個(gè)待測(cè)點(diǎn)的 質(zhì)地指標(biāo)，將所有待測(cè)點(diǎn)的質(zhì)地指標(biāo)的平均值作為試驗(yàn)樣本的質(zhì)地指標(biāo)值；
[0016] 步驟8)建立質(zhì)地預(yù)測(cè)模型；將上述試驗(yàn)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(dòng)參數(shù)作為輸入?yún)?shù)，質(zhì)地指標(biāo)值作為輸出參 數(shù)，采用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立用于預(yù)測(cè)質(zhì)地指標(biāo)的質(zhì)地預(yù)測(cè)模型；
[0017] 步驟9)將待測(cè)水果依次進(jìn)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(dòng)參數(shù)，然后輸入質(zhì)地預(yù)測(cè)模型得到待測(cè)水果對(duì)應(yīng)的質(zhì)地指標(biāo)值，完成快速無損檢測(cè)。
[0018] 所述的步驟1)中的試驗(yàn)樣本包括至少30個(gè)水果。
[0019] 所述步驟4)中，所述的激勵(lì)信號(hào)指由信號(hào)發(fā)生器發(fā)出通過振動(dòng)控制器輸出，并經(jīng) 功率放大器放大后控制振動(dòng)發(fā)生機(jī)工作的信號(hào)，該激勵(lì)信號(hào)是脈沖信號(hào)。
[0020] 所述步驟4)中，所述的用激光多普勒測(cè)振儀測(cè)量水果的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)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(cè)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(cè)頭接收，經(jīng)激光多普勒測(cè)振控制器處理后獲得水果的振動(dòng)響 應(yīng)數(shù)據(jù)。
[0021] 所述步驟7)中，所述的質(zhì)地測(cè)試方法選自但不限于W下方法；穿刺試驗(yàn)方法、壓 縮試驗(yàn)方法或者蠕變?cè)囼?yàn)方法。
[0022] 所述步驟5)中，所述的振動(dòng)特征參數(shù)包括時(shí)域特征參數(shù)和頻域特征參數(shù)，時(shí)域特 征參數(shù)包含但不限于W下參數(shù)的一個(gè)或多個(gè)；平均值、方差、最大值、最小值、信號(hào)持續(xù)時(shí) 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(duì)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(dòng)特征 參數(shù)與質(zhì)地指標(biāo)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(duì)應(yīng)的振動(dòng)特征參數(shù)。
[0024] 所述步驟8)中，所述的化學(xué)計(jì)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(jī)方法。
[0025] 二、一種快速無損水果質(zhì)地的檢測(cè)裝置：
[0026] 包括信號(hào)發(fā)生器、振動(dòng)控制器、功率放大器、振動(dòng)發(fā)生機(jī)、擴(kuò)展臺(tái)和IE陽加速度傳 感器、激光多普勒測(cè)振模塊、數(shù)據(jù)采集卡和=腳架；振動(dòng)控制器的輸入端與信號(hào)發(fā)生器連 接，振動(dòng)控制器的輸出端經(jīng)功率放大器與振動(dòng)發(fā)生機(jī)連接，振動(dòng)發(fā)生機(jī)與擴(kuò)展臺(tái)剛性連接， 擴(kuò)展臺(tái)上固定安裝有IEPE加速度傳感器，水果放置在擴(kuò)展臺(tái)上，IEPE加速度傳感器與振 動(dòng)控制器連接，激光多普勒測(cè)振模塊由激光探測(cè)頭W及與激光探測(cè)頭連接的激光多普勒測(cè) 振控制器組成；激光探測(cè)頭豎直向下安裝在=腳架上，激光探測(cè)頭的激光束垂直于擴(kuò)展臺(tái) 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(cè)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(chǔ)模塊連接。
[0027] 所述的激光探測(cè)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(cè)頭最 小工作距離。
[002引所述的信號(hào)發(fā)生器發(fā)出激勵(lì)信號(hào)至振動(dòng)控制器，并經(jīng)功率放大器放大后控制振動(dòng) 發(fā)生機(jī)工作，該激勵(lì)信號(hào)是脈沖信號(hào)。
[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(dòng)的方式，大大縮短了激光多普勒測(cè)振技術(shù)用于檢測(cè)水果 質(zhì)地的時(shí)間；同時(shí)，采用多振動(dòng)特征參數(shù)結(jié)合水果質(zhì)量和果形作為預(yù)測(cè)模型的輸入?yún)?shù)，提 高了模型的預(yù)測(cè)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(shí)施例中一個(gè)激勵(lì)梨振動(dòng)的典型半正弦脈沖信號(hào)。
[0034] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例中一個(gè)典型的梨振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)。
[0035] 圖中；1、信號(hào)發(fā)生器；2、振動(dòng)控制器；3、功率放大器；4、振動(dòng)發(fā)生機(jī)；5、擴(kuò)展臺(tái)； 6、IE陽加速度傳感器；7、水果；8、激光探測(cè)頭；9、激光多普勒測(cè)振控制器；10、數(shù)據(jù)采集卡； 11、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0037] 如圖1所示，本發(fā)明檢測(cè)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(cè)水果同一批次的同種水果作為試驗(yàn)樣本，試 驗(yàn)樣本的水果依次采用W下所有步驟進(jìn)行測(cè)量；步驟1)中的試驗(yàn)樣本包括至少30個(gè)水果。
[0039] 步驟。測(cè)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(cè)量水果的直徑d和高h(yuǎn)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(dòng)響應(yīng)信號(hào)；將各個(gè)水果置于振動(dòng)臺(tái)中屯、位置，振動(dòng)臺(tái)在激勵(lì)信號(hào) 的控制下進(jìn)行振動(dòng)，用激光多普勒測(cè)振儀測(cè)量得到水果的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)；
[0043] 該激勵(lì)信號(hào)指由信號(hào)發(fā)生器發(fā)出通過振動(dòng)控制器輸出，并經(jīng)功率放大器放大后控 制振動(dòng)發(fā)生機(jī)工作的信號(hào)，該激勵(lì)信號(hào)是脈沖信號(hào)。
[0044] 用激光多普勒測(cè)振儀測(cè)量水果的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)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(cè)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(cè)頭接收，經(jīng)激光多普勒測(cè)振控制器處理后獲得水果的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)。
[0045] 步驟5)提取振動(dòng)特征參數(shù)；采集到的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換處理，得 到時(shí)域數(shù)據(jù)和頻域數(shù)據(jù)，分別對(duì)時(shí)域數(shù)據(jù)和頻域數(shù)據(jù)提取振動(dòng)特征參數(shù)；
[0046] 其振動(dòng)特征參數(shù)包括時(shí)域特征參數(shù)和頻域特征參數(shù)，時(shí)域特征參數(shù)包含但不限于 W下參數(shù)的一個(gè)或多個(gè)；平均值、方差、最大值、最小值、信號(hào)持續(xù)時(shí)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(gè)頻率之間頻率段所對(duì)應(yīng)的幅頻響應(yīng)曲線的面積。
[0047] 步驟6)振動(dòng)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(dòng)特征 參數(shù)進(jìn)行降維，得到降維后的振動(dòng)參數(shù)；
[0048] 步驟7)測(cè)定質(zhì)地指標(biāo)值；對(duì)試驗(yàn)樣本的水果，利用質(zhì)構(gòu)儀并采用質(zhì)地測(cè)試方法， 在水果赤道處均勻選取a個(gè)待測(cè)點(diǎn)，相鄰待測(cè)點(diǎn)之間的間隔為360/a度，其中a = 2?4， 測(cè)量各個(gè)待測(cè)點(diǎn)的質(zhì)地指標(biāo)，將所有待測(cè)點(diǎn)的質(zhì)地指標(biāo)的平均值作為試驗(yàn)樣本的質(zhì)地指標(biāo) 值；
[0049] 其質(zhì)地測(cè)試方法選自但不限于W下方法；穿刺試驗(yàn)方法、壓縮試驗(yàn)方法或者蠕變 試驗(yàn)方法等力學(xué)測(cè)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(dòng)特征參數(shù)與質(zhì)地指標(biāo)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(duì)應(yīng)的振動(dòng)特征參數(shù)。
[0化1] 步驟8)建立質(zhì)地預(yù)測(cè)模型；將上述試驗(yàn)樣本由步驟2)得到的質(zhì)量m、步驟3)得