厚皮瓜果成熟度声学无损检测实验装置的制作方法

本发明涉及一种瓜果成熟度实验装置，尤其是涉及了一种厚皮瓜果成熟度声学无损检测实验装置。

背景技术：

瓜果类富含丰富的维生素、蛋白质和维生素，人们对瓜果类的需求随着人们生活水平的提升而逐年增加，与此同时更加关注水果的风味和质地等内部品质。水果内部品质传统的方法主要是通过有损技术手段进行破坏性检测，准确度虽较高，但耗时费力，对水果造成损伤，增加了检测成本，同时非专业的种植人员、零售商和消费者也不具备检测的专业知识，从而使有损检测技术在日常的生产生活中的应用受到了很大的限制。新型的无损检测技术是建立在计算机、电子、光学、声学等技术的发展基础上的多学科交叉技术，在不损伤水果的前提下，具有检测速度快、准确度高、对检测人员专业知识要求不高等优点，在水果的内部品质检测中应用得日益广泛起来。

常用的无损检测技术有近红外法、机器视觉法、X射线法、介电特性法、电子鼻法等，这些技术能保证在不改变水果外观品质、内部成分的条件下检测水果体积、水分、糖酸成分及内部损伤等。针对检测对象和应用场合的差异，不同无损检测技术各有优缺点，如近红外法主要用于水果的糖酸成份检测，检测精度高，适用于皮薄个小的水果检测，但由于水果各个方向成份分布不均，需增大透射深度从而需要增大功率，所以不太适合于厚皮瓜果类水果的内部品质检测；机器视觉法结构和原理简单，成本较低，适合于水果外观、形状、外表损伤的检测，常用于水果的分选；X射线法能用于农产品外部缺陷、内部机械损伤、异物的检测，但装置体积较大，结构复杂，成本较高，目前应用不够广泛；介电特性法是将水果作为电介质，通过电路通过检测水果的电导、电抗、损耗因数等介电参数来判断水果中的水分或者干物质含量，检测过程易受到外界磁场干扰等因素干扰，检测精度较低；电子鼻法可探测水果成熟或腐败过程中发出的特定气味，结构复杂，成本较高。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种厚皮瓜果成熟度声学无损检测实验装置，降低厚皮瓜果成熟度无损检测过程易受果皮，体积过大带来的不利影响，提高了水果成熟度检测的精度和稳定性。

本发明用声学法通过检测水果受到敲击时发出的声音信号或者受迫振动后发出的振动信号，来判断其成熟度程度或者空心状况，非常适合于检测厚皮瓜果类的水果，且结构原理简单，成本较低，检测精度较高。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括敲击机构、托盘架机构、数字电子秤、托盘、麦克风、弹簧夹、数据采集与控制电路和上位机；托盘上端放置瓜果，托盘开有中心孔，托盘放置在托盘架机构上，托盘架机构放置于数字电子秤上，敲击机构安装于托盘架机构内，敲击机构顶部穿过托盘中心孔敲击瓜果底面，麦克风通过弹簧夹安装在托盘中心孔的敲击处侧下方，麦克风用于采集敲击的声音，麦克风和敲击机构经数据采集与控制电路和上位机连接，数字电子秤和上位机直接连接。

所述的托盘架机构包括托盘固定件、升降座和底座；升降座底部套在底座上并通过螺纹连接实现高度调整，敲击机构置于升降座和底座之间的内腔中，托盘固定件固定安装在升降座顶端，托盘固定件顶端设有用于放置托盘的阶梯型槽，托盘固定件和升降座中心开有用于敲击机构的敲击球向上伸出的通孔，底座底部开有橡胶脚垫安装孔、敲击机构安装孔和穿线孔，脚垫通过橡胶脚垫安装孔固定安装在底座底面，敲击机构底部通过敲击机构安装孔固定在底座内底面，穿线孔用于将敲击机构中的电线引出。

所述的敲击机构包括电磁铁、永磁铁、底盖、连接杆和敲击球，底盖固定安装在托盘架机构内部的底面，电磁铁置于底盖上，电磁铁上方设有限位板，限位板的底面开有环形槽，环形槽内有与电磁铁配合的环形的永磁铁，连接杆竖直安装并中部固定在限位板中，连接杆顶端固定连接有敲击球，连接杆底端伸入到电磁铁环形线圈铁芯的中心，连接杆、电磁铁环形线圈和环形的永磁铁同轴心布置，控制电磁铁通断实现电磁铁和永磁铁同性相斥，使得限位板上下运动进而使得连接杆上的敲击球穿过托盘中心孔敲击到瓜果底面。

所述的底盖开有安装孔，安装孔和敲击机构安装孔通过螺栓连接使得敲击机构固定在托盘架机构的底座内底面。

所述的数据采集和控制电路包括控制电路、驱动电路、开关量输出模块和数据采集卡；麦克风经数据采集卡和上位机连接，上位机依次经开关量输出模块、控制电路和驱动电路后与敲击机构中的电磁铁连接，上位机发送敲击启动信号和采集启动信号分别给开关量输出模块和数据采集卡，开关量输出模块将敲击启动信号转化为TTL信号经控制电路输出对应的控制信号给驱动电路，驱动电路驱动敲击机构的电磁铁启动进行敲击，敲击产生的声音由麦克风经数据采集卡采集后上传到上位机。

所述的驱动电路包括主要由电阻R1、电阻R2、电阻R3和光耦芯片U1和光耦芯片U4构成的隔离电路，主要由DC/DC开关芯片U2、电解电容C5、二极管D1、电感L1、电位器R12和电阻R13和电容C6构成的可调直流电源电路，主要由单相全桥驱动芯片U3、电解电容C9和电容C10构成的功率驱动电路，主要由二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4构成的隔离保护电路；来自控制电路输出对应的控制信号op_in1和op_in2分别输入到光耦芯片U1和光耦芯片U4的输入端，光耦芯片U1和光耦芯片U4的输出信号op_out1和op_out2分别输入单相全桥芯片U3的输入端IN1和输入端IN2，单相全桥芯片U3的输出端OUT1和输出端OUT2的输出信号dri_elec1和dri_elec2连接到插座P1，插座P1连接到电磁铁线圈两端以驱动电磁铁，直流电压信号Vin经过可调直流电源电路后得到的直流电压Vd用于驱动单相全桥芯片U3的工作。

由于瓜果尺寸不同，下表面的形状不同，敲击时会具有不同的振动变化。本发明通过麦克风采集其中的振动变化信号，具体是由上位机将通过麦克风采集到瓜果敲击时的声音时域信号和通过数字电子秤采集到的瓜果质量信号后，对时频声学特征进行提取，并和质量信号通过建立的模型进而检测瓜果的成熟度，实现无损检测。

本发明具有的有益效果是：

本发明的托盘架机构可调节敲击球和瓜果的距离，同时敲击时的力度可通过驱动电路进行调节，进一步扩大了装置的可适用对象，具有快速、成本低廉、检测精度高等优点。

本发明的数据采集与控制电路采用可靠性较高的专用数据采集卡和数字信号处理芯片并在上位机上采用了降噪算法，大大降低了外界噪声对声音特征提取的干扰，提高测量精度，增加了装置的可靠性。

本发明特别地针对厚皮瓜果被敲击时得到的声音信号中的多种时频特征对其成熟度进行无损检测，由于声学检测是对瓜果进行整体测量，弱化了水果成份各方向梯度不同带来的影响。

综合来说，本发明适用于多种厚皮类瓜果成熟度的无损检测，尤其适合于西瓜、哈密瓜、菠萝等水果的成熟度检测，既可供消费者、经销商在买卖中使用，也可供广大教师、学生作为水果品质检测的实验装置使用。

附图说明

图1是本发明的声学检测实验装置结构示意图。

图2是本发明敲击机构结构示意图。

图3是本发明的托盘架机构结构示意图。

图4是本发明的数据采集与控制电路原理框图。

图5是本发明的驱动电路原理图。

图6是本发明的实验装置工作流程图。

图7是原始敲击信号、端点检测后信号和线性预测残差法去噪后的信号。

图8是实施例在逐步多元线性回归模型下的西瓜成熟度的预测结果。

图中：1、敲击球，2、永磁铁，3、限位板，4、连接杆，5、电磁铁，6、敲击机构，7、托盘架机构，8、数字电子秤，9、瓜果，10、托盘，11、麦克风，12、弹簧夹，13、数据采集与控制电路，14、上位机，15、底盖，16、安装孔，17、托盘固定件，18、升降座，19、底座，20、橡胶脚垫安装孔，21、敲击机构安装孔，22、穿线孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明的检测实验装置包括敲击球1、永磁铁2、限位板3、连接杆4、电磁铁5、敲击机构6、托盘架机构7、数字电子秤8、瓜果9、托盘10、麦克风11、弹簧夹12、数据采集与控制电路13、上位机14；托盘10上端放置瓜果9，下端与托盘架机构7相连，托盘架机构7放置于数字电子秤上8，敲击机构6安装于托盘架机构7内部，下端与托盘架机构7连接，敲击机构6下部装有电磁铁5，敲击连接杆4穿过电磁铁5，位于托盘10正下方附近，与托盘10同轴安装，上端连接限位板3，限位板3的槽中安装有永磁铁2，敲击球1安装于连接杆4的上端，并与永磁铁2同心放置，麦克风11通过弹簧夹12固定在敲击机构6外侧靠近托盘10的位置，数据采集和控制电路13一方面连接电磁铁5和麦克风11，另一方面还与上位机14相连，上位机14与数字电子秤8相连。

测试前将托盘10固定于托盘架机构7上，瓜果9置于托盘10上，调节托盘架机构7的高度使敲击头1和瓜果9保持合适距离，通过上位机14软件设置好上位机14上与数据采集与控制电路13之间的通信参数，然后再设置好敲击参数和保存位置。

本发明装置的工作原理和工作过程为：

本发明检测装置的完整工作流程如图6所示，包括放置西瓜，上位机通信参数设置，启动检测，频谱分析、质量采集、特征提取、预测成熟度。在西瓜放置到托盘后，需首先在上位机软件上对通信信道、采样率等通信参数进行设置，上位机接着发出敲击启动信号和采集启动信号，获得声音时域信号和质量信号后，对反映成熟度的时频声学特征进行提取，进而通过建立的模型预测瓜果的成熟度。

测试前将托盘10固定于托盘架机构7上，瓜果9置于托盘10上，调节托盘架机构7的高度使敲击头1和瓜果9保持合适距离，通过上位机14软件设置好上位机14上与数据采集与控制电路13之间的通信参数，然后再设置好敲击参数和保存位置。

上位机14通过软件先后发出敲击启动信号和数据采集启动信号给数据采集与控制电路13，驱动敲击机构6中的电磁铁5产生向上的电磁力，电磁力与永磁铁2的磁力相斥，从而推动连接杆4和敲击球1撞击瓜果9，产生的声音由麦克风11收集后传递给数据采集与控制电路13后，再通过USB通信口由数据采集与控制电路13传送到上位机14，同时数字电子秤8通过串口将瓜果9的质量输送到上位机14，上位机14软件对采集得到的声音和质量参数进行特征提取分析后，从而得到瓜果9的成熟度。

敲击机构6中，电磁铁收到数据采集与控制电路发送过来的驱动信号后，电磁铁线圈通电，产生短时持续向上的电磁力，该磁力与嵌于限位板中的永磁铁磁力方向相斥，使限位板、连接杆和敲击球获得一个向上的推力，向上运动一段距离，在未撞击到瓜果时，电磁铁断电，电磁力消失，限位板、连接杆和敲击球依靠运动惯性撞击瓜果，这样保证撞击瓜果的力道适中，避免瓜果表皮因撞击而损伤，随后限位板、敲击球和连接杆向下运动，在限位板的限位作用下停在初始位置，敲击后获得的声音由麦克风传送给上位机。

托盘架机构7中，升降座内侧及底座的外侧通过一段长度的螺纹连接，旋转升降座，可带动安装在其上的托盘固定件和托盘的同步升降，保证托盘和敲击球之间距离合适，既避免距离过近造成瓜果损伤，又避免产生的声音过小，对后续声音的特征提取产生不良影响，底座下面通过橡胶脚垫安装孔安装有橡胶脚垫，避免底座放置的平面的振动噪声对测量产生干扰，穿线孔除了有穿过电源线和信号线的作用之外，还能一定程度上消除撞击声音在托盘架机构内空间产生的声音回声对测量的干扰。

数据采集和控制电路13中，上位机先后发出的敲击启动和采集启动信号后，一方面敲击启动信号经开关量输出模块后转化为TTL信号传送给控制电路，控制电路输出op_in1和op_in2信号给驱动电路，驱动电路随即驱动电磁铁，使敲击球敲击瓜果，另一方面，数据采集卡收到采集启动信号后，开始对声音信号进行采集，采集后得到的数据通过USB口传送给上位机，完成一次敲击过程。

驱动模块中，当接收到控制电路发送来的op_in1和op_in2信号后，光耦芯片U1和光耦芯片U4开始工作，产生低电平输出信号op_out1和op_out2，并连接到单相全桥驱动芯片U3，产生的输出信号dri_elec1和dri_elec2分别连接插座P1，插座P1与电磁铁的两根电源线连接，从而对电磁铁起到驱动作用，同时为防止电磁铁的反电动势对驱动电路造成损伤，dri_elec1和dri_elec2还需接入由二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4所构成的隔离电路进行钳位，单相全桥驱动芯片U3所需要的驱动电压Vd由开关芯片U2为核心的可调直流电源电路来提供。

下面以西瓜为例来解释其成熟度的无损检测过程。敲击声音信号经数据采集卡采集后送往上位机，上位机分析软件首先对声音信号进行端点检测和去噪两个预处理过程。截断时采用短时双门限端点检测算法，算法的具体流程为：

1)对声音信号进行分帧，帧长为128，帧移为64；

2)根据其中E_f为帧能量，N为帧长，a_i为该帧第i个点的值；

3)比较每帧的帧能量E_f与预先设定的起始帧能量阈值TH1和结束帧能量阈值TH2的大小，且TH1>TH2，若帧能量E_f>TH1，则该帧为起始帧，若帧能量E_f<TH2为结束帧，从而确定信号的起始时刻和结束时刻，减少干扰信号。

对端点检测后的声音信号采用线性预测残差法进行去噪处理，原始信号、端点检测后和去噪后得到的波形见图7，经过端点检测和去噪后的信号去除了信号中绝大多数噪声，使波形变得平滑，同时完整的保留了声学特征。

实验中采用190个麒麟西瓜，其中建模组97个，验证组93个。通过逐步多元线性回归算法，采用一阶矩指数MI1、二阶矩指数MI2、f²m^2/3和f²m对反映西瓜成熟度的坚实度指标进行建模，建模集和预测集的的相关系数分别为0.873和0.839，预测均方误差分别为0.2035N/mm和0.2354N/mm，模型准确度高且稳定可靠，结果如图8。

本发明控制器电路中芯片可以是单片机或者数字信号处理器，驱动电路中DC/DC开关芯片可以在满足功能需要的前提下选取升压或者降压型DC/DC开关芯片，单相全桥电路既可以是单相全桥芯片，也可以由分立的功率MOSFET芯片构成。

由此通过本实施能够获知本发明利用厚皮瓜果被撞击时的声音脉冲信号中的多种时频特征参数来实现成熟度的无损判定方式和装置具有其突出显著的技术效果。