专利名称：蚕茧质量无损智能检测方法
技术领域：
本发明属于应用振动和现代信号处理的方法来无损检测蚕茧的质量。
背景技术：
桑蚕茧生产起源于我国。距今6000多年前，我们的祖先已从事栽桑、养蚕、绳丝、织绸生产，它与指南针、火药、印刷术三大发明一样，对人类文明和进步，做出了历史性贡献。目前，我国桑蚕茧和生丝，无论是生产绝对数，还是出口绝对数，均为世界第一。从1950年～1993年的40多年间，丝绸出口创汇累计总额达265.85亿美元，其中1980年以来十多年间达212.31亿美元，为前30年总额的3.97倍，由此可见茧丝绸业增长速度之快，创汇之巨，对四化建设作用之大。多年来，缺乏科学合理、快捷准确的检测仪器设备，加上蚕茧收烘的特殊性，蚕茧的质量长期以来难以得到保证，国家蚕价政策对蚕农生产优质的导向作用难以发挥。如果应用蚕茧智能无损检测仪在蚕茧收烘过程中快速检测蚕茧，做到质价相符，实现“优质优价，劣质劣价”，将有力调动蚕农生产优质蚕茧的积极性，为缫丝工业提供优质原料，有利于提高蚕业资源利用率，从而推动丝绸健康发展。
为了收烘的需要和提高茧质，对蚕茧必须进行检测，评定其质量等级，核定价格，称为评茧。各国分级标准、评茧方法均不相同。我国评茧是在收购站进行。收购时，抽取样茧评定以下项目(1)上茧率；(2)鲜光茧的茧层干壳量(剥去茧衣的鲜茧茧层干燥重量)；(3)色泽、匀净度；(4)茧层含水率；(5)好蛹率。以鲜光茧的茧层干壳量为评级依据，再以上述其他参数进行补正，决定等级，核定价格。日本则是通过对每一产茧点抽取样茧，在规定试验条件下，检定下列项目(1)下脚茧比例；(2)茧的整齐度；(3)茧丝长；(4)解舒率；(5)茧丝纤度；(6)生丝量；(7)净度(即生丝疵点多少程度)。以茧丝长和解舒率两项得分相加，再以茧的整齐度、茧丝纤度、净度得分加减，最后评定其总分，决定等级。下脚茧比例为奖励项目。
我国大部分地区所采用的评茧方法是取50g鲜茧，切剖后，去蛹烘干，再称茧壳净重，根据干壳净重确定蚕茧等级，一般以9.2g为中准级，每相差0.2g为一档；再目测上茧率、色泽、匀净度等，并加以补正。传统的干壳量检验方法，操作中人为因素影响较大，误差较大，农民对之信任度较差；评茧速度慢、效率低。
日本的“组合售茧、缫丝计价”方法是一个较科学的评茧方法，但不适应我国农村联产承包责任制、对户均饲育规模小、户数多的实际情况，缺乏可操作性。
在我国长期以来，评茧方法滞后于蚕业现代化的进程，优质优价难以充分体现，严重影响了蚕农提高茧质的积极性，甚至挫伤了蚕农的积极性，严重地损害了蚕茧收购部门的经济利益，是影响我国丝绸业发展的一个重大问题。
国内外研究现状及分析通过网络信息检索以及到我国部分省市的相关部门调研(湖北省农科院，浙江省农科院、浙江大学等)，目前在国内外还没有切实可行的不切剖蚕茧的蚕茧质量无损检测方法。
我国目前所采用的评茧方法仍然是剖茧检测。其方法是取50克鲜茧，切剖后，去蛹烘干，再称茧壳净重，根据干壳净重确定蚕茧等级，以9.2克为中准级，每相差0.2克为一档；再目测上茧率、色泽、匀净度等，并加以补正。使用的仪器为Y702型评茧仪、YJG型全自动蚕茧干壳量测试仪、DP100型电脑评茧仪、ZSP-91型电脑评茧仪等。所有这些仪器检测都要切剖蚕茧，检查蚕蛹好坏，称鲜壳、烘烤等程序，然后评定茧级茧价。其切剖蚕茧的经济损失是一个可观的数目。据绵阳市丝绸公司1997年调查，全国一年切剖蚕茧930.42吨鲜茧，直接经济损失1300万元。况且每天也不可能及时将所抽样茧“仪测仪评”完毕。
对于不剖切的蚕茧的无损检测，中国测试研究院、四川省农业科学院蚕业研究所、成都电子科技大学、浙江大学和浙江省农业科学院等先后进行过研究。其研究的方法有利用动量分离原理的悬浮两次称重法、弹力测定法、变化含水率测定法等。现介绍各方法的优缺点。
①、悬浮两次称重法(动量分离原理)该方法利用动力学的动量分离原理，达到对茧层单独称量的目的。四川省农科院蚕业研究所也作过类似模拟试验，给茧一个外力(F)，蚕茧受此外力从高处向下运动，外力作用在茧壳上，茧壳既受外力同时受自身重力作用下落，而壳内蛹体仅受重力属自由落体运动，茧壳运动速度较蛹体大，产生蛹体滞后似悬浮状在茧内，在一定高度处安装压力传感器，茧壳落到其上时，首先得到一个重力以此为壳重；随之蛹触壳体又得到一个重力为全茧重。从理论上说，这种方法能测出单粒茧茧层量，从而测出于壳量。
此方法存在的困难是蛹茧二者分离距离和时间极短，即使悬浮，在这极短时间内称准两个重量几乎办不到；就是能分辨出，然而也仅是动量。此外，茧形大小、形状不同，运动中受空气阻力自然不相同，这个动量自然与壳重存在差异，此法至今未能获得工程应用。
②、弹力测定法茧层松紧度影响茧的弹力，它与茧层结构有密切关系，故可据此判断茧层量的多少和茧质的优劣。一般用B、K型茧层抗压测定计，在茧层上加压2400克后，观察变形程度。然后，间接得到茧层重量。中国测试技术研究院曾以此试制过干壳量自动测定仪，将48粒茧置于上下弹性片之间，以抗压大小测干壳量。样机试验结果测得的干壳量误差大，有的高于1克(级差为5级)，终未得到生产应用。1984年四川省农科院蚕业研究所也作过大量测试，研究表明茧层量与抗压力大小的测量值统计计算没有相关关系。分析其原因，茧层松紧(弹力)，既与茧厚薄有关，同时受品种、饲育上簇等影响。茧层厚一般弹力强，然而茧层厚薄因部位而不同，厚薄差有相差一倍以上的，并受营茧位置(营茧是蚕结茧的过程，营茧位置是蚕结茧的地方，蚕不能找到合理的营茧位置，容易结双宫茧，畸形茧，薄片茧等下茧)影响较大，因此弹力大小也就因测量部位和营茧位置而有相当大的偏差。更何况同部位也有差异，这是压力弹片测定不准的根源。另外两个关键问题是茧形有大小、形状有差异，压片难以适应。并且鲜茧茧层含水不同，含水多茧层弹力减弱，薄的干茧往往比厚的湿茧弹力强，这两种交互作用更难逐粒进行各个部位的测定。由于以上原因，尽管采用微机分析弹力的干壳量检测仪，实验表明，在两个不同地区，其试验结果与削茧称重法测试对照，最大偏差在2克以上(相当于10个等级)。这种方法在理论上有一定依据，但在实践中证明是不可行的。
③、变化茧层含水率测定法当茧层无水恒重(干壳量)一定时，茧层含水与茧层重量成正相关关系，即茧层含水越高，茧层量越重，反之则越轻。茧层容易吸失水分增减重量，而蚕蛹是生物活体，有水分保护皮膜，故不易吸失水分增减重量。因此，可采用真空泵抽气的方法，让茧层迅速失水干燥，使茧层含水和蚕茧重量发生变化。并根据两次测定蚕茧重量和两次测定含水的4个变量计算出50克鲜茧干壳量，评定蚕茧基本级。
这种方法实施的关键一是含水率测定要求相当准确。通过理论计算，若含水率变化仅为1％，而干壳量变化则很大，无法满足精度要求。二是尽量保证茧层含水变化而蛹体水分基本不变；三是含水率变化越大越准确，这就要分别对本身含水高的采取失水，本身含水低的采取补充水分的办法。该方法实施起来不仅很困难，而且不可能达到预定的精度指标。
国外技术现状日本是蚕丝业技术较先进的国家，以家庭农场集约式养茧，其每户养蚕数量多，售茧批量大，从四十年代起强制执行“组合售茧、缫丝计价”。另外，其它国家(如印度、土耳其等)的评茧方法均很落后或是剖茧检测或是手感评估。
从上述国内外蚕茧检测技术的现状分析可知，尽管对蚕茧无损检测的方法研究国内不少单位已开展了多年的研究，但都还没有取得突破性的成果，更没有推出无损检测的智能化检测仪器。因此，本发明无论在理论上还是在实践上都具有创新性，对我国的蚕丝业将会产生重大影响，避免传统的切剖蚕茧检测方法带来的经济损失。同时，随着国民经济的快速发展，改进传统蚕茧收购检测方法呼声越来越迫切，蚕茧无损检测的快速评定方法早日推出是时代所期。
本
发明内容
本发明的目的旨在克服上述现有技术中的不足，其解决的关键技术问题是在不切剖蚕茧的无损状态下，快速、精确、简便地获取蚕茧茧壳的重量(50克鲜茧其干壳量误差为0.2克)。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是将50克鲜茧烘干后，采用激振器激振烘干后的茧壳和蚕蛹(将蚕茧放在专用的夹具中，茧壳相对夹具固定，而蚕蛹在茧壳内可以自由振动)，采集振动信号，通过小波分析分离出蚕蛹在茧壳中随机振动的信号。建立振动信号特征值与蚕茧重量之间的标准数据库。每采集一次信号，找出该信号特征值，将该特征值与标准数据库中数据进行比较，从而得出蚕茧的重量。图1为本方案的测试系统图。
本发明的理论依据如下在同一振动和采集条件(激振器激振频率、激振功率和采集频率相同)下，得到蚕蛹振动信号的能量是以正态概率统计分布的。而蚕蛹振动信号的能量这一特征值仅与蚕蛹重量有关。所以将蚕蛹振动信号的能量提取出来就可以得到蚕蛹的重量。继而可以间接得到茧壳的重量。试验结果充分证明本发明的理论是科学的、可行的。
在论证本发明时所采用的试验装置如附图2所示，它包括2204永磁激振器、信号发生器(自带功率放大器)、电荷放大器、5601阻抗头、动态信号分析仪、专用的夹具，还有称量装置(可采用电子天平、机械天平或其它现有精密称量装置) 。
本发明的试验精度论证如下在蚕茧无损智能检测仪的研究中，其技术难点在于不切剖蚕茧而对蚕茧茧层进行高精度地称量(GB9176-1988桑蚕茧(干茧)分级标准中规定50克鲜茧烘干后的干壳量精度要达到±0.2克)。因此，本项研究的可行性取决于检测方法的精度能否达到指标。对此，我们做了一系列的试验工作，其试验装置示意图如附图1所示。
将标准重量的物体固定于阻抗头上，使其随阻抗头一起作周期性振动，分别测出它在时域中的加速度、力信号，再进行数据处理，得出重量的测量值与绝对值之间的关系。如附图3所示为此实验的结果，实验表明利用此方法检测物体质量的可行性。实验拟合值与真实值之间的误差见表1。
表1实验拟合值与真实值之间的误差
实验装置的检测精度可行性分析将10g，10.062g，10.119g，10.199g，10.354g标准物体作样品激振，分别记录下它们各自的信号，将它们各自信号的值平均后，算出与10g信号值的差值。重复作此实验多次。将此差值与10g信号的测量值的最大误差值比较。分辨率精度实验结果见表2。
表2分辨率精度实验结果
续表2
从表2可知，该测试方法能够满足检测精度的要求。通过试验和分析证明本研究方法是科学的、合理的、可行的。
另外，对实验装置的重复性检测也作了大量的实验，实验步骤分别用2.3g，2.45g，4.55g，5.016g，5.8421g标准重量的物体检测，重复该实验三次，分别在时域和频域中测量振动信号。记录结果如表3所示表3时域和频域中的三次重复性测试数据
从表3的测量结果中得知在时域和频域中得到的实验结果表明数值误差在允许的范围之内。
从附图4知三次时域测量有较高的重复性，表4是三次时域测量数据的比较结果。由实验分析知其重复性精度很理想的。
表4三次时域测量结果比较
与现有技术相比，本发明具有下列优点和特点1.不切剖蚕茧，达到无损评级定价目标，用于我国蚕茧质量检测，每年可保护鲜蚕茧资源930吨，减小直接经济损失1300万元，多生产丝140吨，增加创汇392万美元。
2.操作简便迅速，蚕农不需要长时间排队等待售茧，可顺利地实现国家强调的蚕茧“仪评”工作。
3.本发明的试验装置是机电一体化地智能检测仪器，其检测精度高、效率高、操作简便。
图1是本发明的试验装置的测试系统图；图2是本发明的测试试验装置图；图3是本发明的振动信号拟合结果图；图4是本发明的三次时域测量比较5是本发明的原始振动加速度信号；图6是本发明的蚕蛹振动重构加速度信号；具体实施方式
下面是使用本发明方法和试验装置的一个实例将50克鲜茧烘干称重后，放在专用夹具中，打开信号发生器的电源，激振器的振动频率确定为22Hz，用动态信号分析仪采集振动信号，然后进行小波信号分析(附图5为振动信号的三层小波分解结果)，得到的原始信号如附图6所示，而蚕蛹振动的重构信号如附图7所示。将所得到的蚕蛹振动信号的能量与数据库中的数据进行比较，从而得到该次蚕蛹的重量，间接得到茧壳的重量。
采用本实施例检验的项目及指标1.不切剖蚕茧，减少蚕茧资源浪费和经济损失；2.简便、直观、快速，每1组样测试时间＜4分钟；3.50克鲜茧干壳量精确到±0.2克；
采用本实例测试的几组蚕茧质量达标情况见表5所示。
表550克鲜茧烘干后本发明仪评与天平称重之间的对照 本发明不限于上述实例，针对蚕茧均可实施检测评定，并具有良好的效果，其测量精度达到2％(50克鲜茧烘干后其干壳量大约为10克，而烘干后的干壳量精度为±0.2克，所以说精度为2％)。
权利要求
1.一种国内外首创的蚕茧质量无损智能检测方法，该方法包括用它激振动方法来检测蚕茧的重量、用现代信号处理方法来分析数据。其特征在于采用激振器激振烘干后的茧壳和蚕蛹(将蚕茧放在一专用的夹具中，茧壳相对夹具固定，而蚕蛹在茧壳内可以自由振动)，将采集的振动信号，通过小波分析分离出蚕蛹在茧壳中随机振动的信号。建立振动信号特征值与蚕茧重量之间的标准数据库。每采集一次信号，找出该信号特征值，将该特征值与标准数据库中数据进行比较，从而得出蚕茧的重量。
2.使用该方法检测的试验装置，包括传感部份、信号调理部份、信号处理部份、数据分析处理等组成。其检测系统是使用了2204永磁激振器、信号发生器(自带功率放大器)、电荷放大器、5601阻抗头、动态信号分析仪、专用的夹具等。请求保护的范围为采用激振器激振烘干后的蚕茧，采集振动信号并用小波分析方法分离出蚕蛹在茧壳中振动的随机信号。建立振动信号特征值与蚕茧重量之间的标准数据库。通过每次采集的信号与标准数据库进行比较，求得蚕茧重量的这一国内外首创的蚕茧质量无损智能检测方法，以及为实现这一检测方法所设计的全套试验装置。
全文摘要
一种国内外首创的蚕茧质量无损智能检测方法。该方法应用振动和现代信号处理的方法进行无损检测蚕茧的质量。该方法的试验装置是采用激振器激振烘干后的茧壳和蚕蛹(将蚕茧放在一专用的夹具中，茧壳相对夹具固定，而蚕蛹在茧壳内可以自由振动)，将采集的振动信号，通过小波分析分离出蚕蛹在茧壳中随机振动的信号。建立振动信号特征值与蚕茧重量之间的标准数据库。每采集一次信号，找出该信号特征值，将该特征值与标准数据库中数据进行比较，从而得出蚕茧的重量。采用本发明，可以按照国家蚕茧收购标准无损(不切剖蚕茧)检测蚕茧的重量，并重量精确到0.2克。
文档编号G01N33/00GK1553179SQ03128058
公开日2004年12月8日 申请日期2003年5月29日 优先权日2003年5月29日
发明者周国柱, 杨光友, 胡均安, 陈原 申请人:湖北工学院