专利名称：基于激光多普勒测振的水果硬度无损检测方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及水果硬度的无损检测方法及装置，尤其涉及一种基于激光多普勒测振的水果硬度无损检测方法及装置。
背景技术：
中国素有“世界水果王国”的美称，几乎所有种类的水果都有生产且产量高，但由于检测分级设备落后，水果在国际市场竞争力依然不够，出口率较低，水果在采后贮运过程中存在成熟软化及腐烂的问题。水果的硬度，也称坚实度，是指果肉抗压力的强弱，可以作为判断成熟度和品质的一项重要指标。准确地检测水果的硬度，对于确定适宜的收获期、采后保存、评估最佳食用期以及产品分级等都具有重要意义。传统的水果硬度检测方法主要是抽样，通常在样品的赤道处选取几个检测点，然后在检测点去皮，用质构仪或硬度计压入果实内部一定距离测得，这是一种破坏性检测，检验率低，费时费力并造成大量浪费。目前有关水果硬度的无损检测方法主要是声学检测法，也有部分研究提到近红外光谱检测法和高光谱空间散射曲线法等。声学检测法信号容易受到环境噪声的干扰导致检测精度不高，有些使用敲击的方式还会对水果造成一定的损伤；近红外技术与其化学物质有关，而水果的硬度主要与其物理结构有关，因而近红外检测结果不是十分理想，且对于水果表面有缺陷的样本时检测点需避开缺陷位置；而高光谱技术受光源等环境因素影响非常大，检测条件苛刻。激光多普勒测振技术(LaserDoppler Vibrometry (LDV) technology)是一项用于检测物体机械振动特性的技术。对于水果机械振动特性的测量可以分为两种方式:接触式和非接触式。传统的测量方法需要把加速度传感器附着于待测物体表面，利用其输出的信号实现“加速度-速度-位移”的相关测量，这种接触式的安装方式会破坏原有的振动状态，甚至在许多场合无法应用，因此限制了它的应用范围。而激光多普勒测振技术作为一种非接触式测量方法，集光机电为一体，不受环境噪声影响，具有精度高、动态响应快、测量范围大、抗电磁干扰、对横向振动干扰不敏感等优点，对检测振幅微小的振动也很有效，其特点满足了水果振动测量的需要。在不同质地的水果中，振动能量的传递必然不同，因此从理论上讲，可以通过利用该技术来检测水果的机械振动特性用以建立和硬度之间的关系。
发明内容
针对上述背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于激光多普勒测振的水果硬度无损检测方法及装置。通过该装置获得水果振动信号，并将该信号进行处理，获得特征频率，建立硬度预测模型，从而实现对水果硬度的无损检测。本发明采用的技术方案是:
一、一种基于激光多普勒测振的水果硬度无损检测方法:
步骤(I)采集具有代表性的水果组成建模样品集；
步骤(2)样品质量的测定:用电子天平称取每个样品的质量；
步骤(3)振动信号的采集:将样品放于振动发生机扩展台的中心位置并对其施以频率变化的激励信号，用激光多普勒测振模块测量样品上表面顶点处的振动速度信号，用ICP加速度传感器测量扩展台面的振动加速度信号，得到的两路振动信号经数据采集卡采集并送至计算机保存，采样频率为5120 Hz ；
步骤(4)振动信号的处理:对采集到的两路振动信号进行滤波、积分、快速傅里叶变换处理,再求幅频响应,并提取特征频率；
步骤(5)硬度标准值的测定:在万能力学试验机上测定每一个样品的最大受力/受力面积(N/cm2)，作为硬度标准值；
步骤(6)硬度预测模型的建立和验证:将样品分为校正组和验证组，划分校正组和验证组的比例为3:1，采用线性回归方法对校正组样品建立机械振动特性与其硬度之间的模型；并基于验证组对所得到的预测模型进行验证，比较样品硬度的预测值和标准值，并根据实际生产中的需求，对模型进行优化。所述步骤(3 )中，计算机通过振动控制模块输出振动控制信号，经功率放大器放大后激励振动发生机工作，激励信号是5-2000 Hz的正弦扫频信号，起振频率为5 Hz，以线性形式增长，扫频速率为600 Hz/min，5-32 Hz振幅恒定为0.5 mm, 32-2000 Hz加速度恒定为I g ;水果放置在振动发生机上的扩展台的中心位置，激光探测头竖直向下安放在三脚架上，激光束垂直于扩展台面投射在水果上表面顶点处，调节激光探测头的聚焦镜头，使激光束经过透镜聚焦于水果上表面顶点处；从振动水果上表面顶点处反射回来的激光由激光探测头接收，经激光多普勒测振控制器处理后输出电压信号，再由数据采集卡采集，并传输到计算机上保存，最终得到水果上表面顶点处的振动速度信号；ICP加速度传感器固定在振动发生机扩展台上，获得扩展台面的振动加速度信号并由数据采集卡采集，并传输到计算机上保存。所述步骤(4)中，首先通过截止频率是2 kHz的低通滤波器对采集到的两路振动信号滤去高频干扰噪声，然后将ICP加速度传感器测得振动加速度信号经一次积分转换为速度信号，作为输入信号，激光多普勒测振模块测得的振动速度信号作为输出信号，分别对输入、输出信号进行快速傅里叶变换，求幅频响应，并从幅频响应曲线中提取特征频率。二、一种基于激光多普勒测振的水果硬度无损检测装置，该装置包括振动控制系统和振动信号采集系统，其中:
1)振动控制系统:包括计算机、振动控制模块、功率放大器、振动发生机、扩展台和电荷型加速度传感器；振动控制模块安装在计算机的PCI插槽中，扩展台刚性地连接在振动发生机上，电荷型加速度传感器用安装螺钉固定在扩展台上，振动控制模块的输出端经功率放大器与振动发生机连接；
2)振动信号采集系统:包括激光多普勒测振模块、ICP加速度传感器、数据采集卡和三脚架；其中激光多普勒测振模块由激光探测头和激光多普勒测振控制器组成；激光探测头竖直向下安放在三脚架上，激光束垂直于扩展台面投射在水果上表面顶点处，聚焦镜头与水果上表面顶点的垂直距离大于激光探测头最小工作距离，ICP加速度传感器用安装螺钉固定在扩展台上，数据采集卡的两路输入端分别与激光多普勒测振控制器和ICP加速度传感器的输出端连接，数据采集卡的输出端与计算机连接；
激光多普勒测振模块自带的信号分析软件对激光多普勒测振控制器和ICP加速度传感器的输出信号进行滤波、积分、FFT、求幅频响应。本发明与背景技术相比，具有的有益效果是: 1、无损检测。利用激光多普勒测振技术，只需将水果放在扩展台上，用加速度传感器和激光多普勒测振模块检测激励与响应信号即可，同时振动的方式不会对水果造成损伤，可以完好的保持水果原有的状态。2、不破坏被测物体自由振动。激光多普勒测振技术作为一种非接触式测量技术，不会破坏水果原有的自由振动状态，且动态响应快，使得振动信号准确可靠。3、适应性好。测试环境方面没有特殊要求，不受环境噪声的影响，也不需要一个特殊的测试空间。
图1是本发明的方法流程图。图2是本发明的装置结构示意图。图中:1、计算机；2、振动控制模块；3、功率放大器；4、振动发生机；5、扩展台；6、电荷型加速度传感器；7、ICP加速度传感器；8、水果；9、激光探测头；10、激光多普勒测振控制器；11、数据采集卡。图3是本发明扩展台的工程图。图4是本发明实施例中校正组番木瓜的弹性系数与硬度的线性回归模型图。图5是本发明实施例中验证组番木瓜硬度预测值和标准值的散点图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。如图2、图3所示，本发明的装置包括振动控制系统和振动信号采集系统，其中:
1)振动控制系统:包括计算机1、振动控制t吴块2(如Amber多功能振动控制仅)、功率放大器3 (如PA-1200)、振动发生机4 (如ES-05)、扩展台5和电荷型加速度传感器6(DL-24100);振动控制模块2安装在计算机I的PCI插槽中，扩展台5通过以圆周阵列形式均布的6个螺钉刚性地连接在振动发生机4上，电荷型加速度传感器6用M5安装螺钉固定在扩展台5上，振动控制模块2的输出端经功率放大器3与振动发生机4连接；
2)振动信号采集系统:包括激光多普勒测振模块(如LV-SOl)、ICP加速度传感器7(如LC0159)、数据采集卡11 (如NI USB-4431)和三脚架；其中激光多普勒测振模块由激光探测头9和激光多普勒测振控制器10组成；激光探测头9竖直向下安放在三脚架上，激光束垂直于扩展台面投射在水果8上表面顶点处，聚焦镜头与水果8上表面顶点的垂直距离大于激光探测头9最小工作距离，ICP加速度传感器7用M5安装螺钉固定在扩展台5上，数据采集卡11的两路输入端分别与激光多普勒测振控制器10和ICP加速度传感器7的输出端连接，数据采集卡11的输出端与计算机I连接；
激光多普勒测振模块自带的信号分析软件对激光多普勒测振控制器10和ICP加速度传感器7的输出信号进行滤波、积分、FFT、求幅频响应。上述装置工作过程:
计算机通过振动控制模块发出正弦扫频信号至功率放大器，该信号经放大后激励振动发生机工作，放置在扩展台上的水果随之一起振动，同时电荷型加速度传感器将测得的实际振动加速度信号反馈给振动控制模块形成闭环控制；激光多普勒测振模块测得的水果振动速度信号送到数据采集卡的通道2，ICP加速度传感器测得的扩展台振动加速度信号送到数据采集卡的通道I ;最后由数据采集卡将采集到的两路振动信号送至计算机上，并由激光多普勒测振模块自带的信号分析软件进行处理。所述的扩展台，与振动发生机使用螺钉刚性连接，在本发明中实现平稳放置水果并带动其振动的功能，扩展台材料为续招合金；在扩展台中间有一直径为60 _，深度为3mm的凹坑，凹坑底部贴有一层磨砂纸，防止使水果振动时发生偏移和旋转。本发明水果硬度的检测具有通用性，以番木瓜为例，介绍本发明检测番木瓜硬度的实施过程，其它水果可参照该实施例的方法，建立相应的硬度预测模型，即可对不同水果的硬度进行无损检测。实施例:基于激光多普勒测振的番木瓜硬度无损检测，按照如图1所示的步骤进行:
1、番木瓜样品米集:
在市场采集番木瓜100个，尽量挑选具有代表性的番木瓜组成建模样品集，使样本硬度范围尽可能大。2、样品质量的测定:用精度为0.01 g的电子天平称取每个样品的质量。3、振动信号的采集:
如图2所示，将番木瓜(即水果8)放在扩展台5上，计算机I通过振动控制模块2输出振动控制信号，经功率放大器3放大后激励振动发生机4工作，控制信号是5-2000 Hz的正弦扫频振动信号,起振频率为5 Hz，以线性形式增长，扫频速率为600 Hz/min，5-32 Hz振幅恒定为0.5 mm, 32-2000 Hz加速度恒定为I g。番木瓜放置在振动发生机4上面扩展台5的中心位置，激光探测头9竖直向下安放在三脚架上，激光束垂直于扩展台5面投射在番木瓜上表面顶点处，调节激光探测头9的聚焦镜头，使激光束经过透镜聚焦于番木瓜上表面顶点处。从振动的番木瓜上表面顶点反射回来的激光由激光探测头9接收，经激光多普勒测振控制器10处理后输出电压信号，再由数据采集卡11采集得到番木瓜的振动速度信号；ICP加速度传感器7固定在振动发生机4上面的扩展台5上，获得扩展台5的振动加速度信号并由数据采集卡11采集。两路振动信号经数据采集卡11采集后送至计算机I保存。4、硬度标准值的测定:
在番木瓜果柄至果梗间最大直径处选取等间距4个点测量硬度，以其平均值作为该样品的硬度值。硬度测量方法为:在选定位置削去一层薄皮，测试面要平整，削去的果皮厚度不宜过大，尽可能少损及果肉，削皮面积略大于所使用万能力学试验机压头面积，然后将样品放于万能力学试验机上，压头以I mm/s的速度压入，压入10 mm停止，该点的硬度即为最大受力/受力面积(N/cm2)，本实施例所用压头直径为6 mm。实验中测得的番木瓜的硬度范围是 1.02-10.71 N/cm2。5、振动信号的处理:
首先通过截止频率是2 kHz的低通滤波器对信号滤去高频干扰噪声，然后将ICP加速度传感器测得振动加速度信号经一次积分转换为速度信号，作为输入信号，激光多普勒测振模块测得的振动速度信号作为输出信号，分别对输入、输出信号进行快速傅里叶变换(FFT)，求幅频响应，并从幅频响应曲线中提取特征频率。6、硬度预测模型的建立和验证:
对于100个番木瓜样品，首先根据硬度值的标准化残差剔除6个异常值，对剩下的94个样品按照3:1的比例关系划分校正组和验证组。划分后两部分的各项指标统计值见表I。表I校正组与验证组样本的硬度指标统计值
权利要求
1.一种基于激光多普勒测振的水果硬度无损检测方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤(1)采集具有代表性的水果组成建模样品集； 步骤(2)样品质量的测定:用电子天平称取每个样品的质量； 步骤(3)振动信号的采集:将样品放于振动发生机扩展台的中心位置并对其施以频率变化的激励信号，用激光多普勒测振模块测量样品上表面顶点处的振动速度信号，用ICP加速度传感器测量扩展台面的振动加速度信号，得到的两路振动信号经数据采集卡采集并送至计算机保存，采样频率为5120 Hz ； 步骤(4)振动信号的处理:对采集到的两路振动信号进行滤波、积分、快速傅里叶变换处理,再求幅频响应,并提取特征频率； 步骤(5)硬度标准值的测定:在万能力学试验机上测定每一个样品的最大受力/受力面积，N/cm2，作为硬度标准值； 步骤(6)硬度预测模型的建立和验证:将样品分为校正组和验证组，划分校正组和验证组的比例为3:1，采用线性回归方法对校正组样品建立机械振动特性与其硬度之间的模型；并基于验证组对所得到的预测模型进行验证，比较样品硬度的预测值和标准值，并根据实际生产中的需求，对模型进行优化。
2.根据权利要求1所述一种基于激光多普勒测振的水果硬度无损检测方法，其特征在于:所述步骤(3)中，计算机通过振动控制模块输出振动控制信号，经功率放大器放大后激励振动发生机工作，激励信号是5-2000 Hz的正弦扫频信号，起振频率为5 Hz，以线性形式增长，扫频速率为600 Hz/min，5-32 Hz振幅恒定为0.5 mm, 32-2000 Hz加速度恒定为I g ；水果放置在振动发生机上的扩展台的中心位置，激光探测头竖直向下安放在三脚架上，激光束垂直于扩展台面投射在水果上表面顶点处，调节激光探测头的聚焦镜头，使激光束经过透镜聚焦于水果上表面顶点处；从振动水果上表面顶点处反射回来的激光由激光探测头接收，经激光多普勒测振控制器处理后输出电压信号，再由数据采集卡采集，并传输到计算机上保存，最终得到水果上表面顶点处的振动速度信号；ICP加速度传感器固定在振动发生机扩展台上，获得扩展台面的振动加速度信号并由数据采集卡采集，并传输到计算机上保存。
3.根据权利要求1所述一种基于激光多普勒测振的水果硬度无损检测方法，其特征在于:所述步骤(4)中，首先通过截止频率是2 kHz的低通滤波器对采集到的两路振动信号滤去高频干扰噪声，然后将ICP加速度传感器测得振动加速度信号经一次积分转换为速度信号，作为输入信号，激光多普勒测振模块测得的振动速度信号作为输出信号，分别对输入、输出信号进行快速傅里叶变换，求幅频响应，并从幅频响应曲线中提取特征频率。
4.根据权利要求1所述方法的一种基于激光多普勒测振的水果硬度无损检测装置，其特征在于:该装置包括振动控制系统和振动信号采集系统；其中: 1)振动控制系统:包括计算机(1)、振动控制模块(2)、功率放大器(3)、振动发生机(4)、扩展台(5)和电荷型加速度传感器(6);振动控制模块(2)安装在计算机(I)的PCI插槽中，扩展台(5)刚性地连接在振动发生机(4)上，电荷型加速度传感器(6)用螺钉固定在扩展台(5)上，振动控制模块(2)的输出端经功率放大器(3)与振动发生机(4)连接； 2)振动信号采集系统:包括激光多普勒测振模块、ICP加速度传感器(7)、数据采集卡(11)和三脚架；其中激光多普勒测振模块由激光探测头(9)和激光多普勒测振控制器(10)组成；激光探测头(9)竖直向下安放在三脚架上，激光束垂直于扩展台面投射在水果(8)上表面顶点处，聚焦镜头与水果(8)上表面顶点的垂直距离大于激光探测头(9)最小工作距离，ICP加速度传感器(7)用安装螺钉固定在扩展台(5)上，数据采集卡(11)的两路输入端分别与激光多普勒测振控制器(10)和ICP加速度传感器(7)的输出端连接，数据采集卡(11)的输出端与计算机(I)连接；激光多普勒测振模块自带的信号分析软件对激光多普勒测振控制器(10)和I CP加速度传感器(7)的输出信号进行滤波、积分、FFT、求幅频响应。
全文摘要
本发明公开了一种基于激光多普勒测振的水果硬度无损检测方法及装置。所述检测方法包括步骤采集具有代表性的水果组成建模样品集；样品质量的测定；振动信号的采集；振动信号的处理；硬度标准值的测定；硬度预测模型的建立和验证。其检测装置包括振动控制系统和振动信号采集系统。用激光多普勒测振模块自带的信号分析软件对激光多普勒测振控制器和ICP加速度传感器的输出信号进行滤波、微积分、FFT、求幅频响应。本发明具有不损伤被测水果、不受环境噪声影响、不破坏水果自由振动与适应性好等优点，实现对了水果硬度的无损检测。
文档编号G01N29/04GK103175895SQ201310064119
公开日2013年6月26日 申请日期2013年2月28日 优先权日2013年2月28日
发明者崔笛, 张文, 应义斌 申请人:浙江大学