一种传感器接触力防过载型香梨硬度无损检测装置的制作方法

本实用新型涉及一种传感器接触力防过载型香梨硬度无损检测装置，属于农产品检测领域，用于香梨内部品质的无损检测。

背景技术：

香梨是新疆的名优特水果之一，因其汁多酥脆、清甜可口、香味独特等特点中外闻名。硬度是评估香梨内部品质的重要依据，目前人工分选易疲劳、误差大且分选效率低。市场上水果硬度计可以便携检测，但检测精度较低；质构仪可以较高精度检测水果，但体积较大、且价格昂贵，不利于便携检测。这两种检测手段都属于破坏性检测，不能满足实际批量自动化检测需求。申请日2016年7月9日，申请号201610538109.X“一种香梨硬度声振法无损检测装置”用于香梨硬度的无损检测，但这种检测方式自动化程度较低，用来测量香梨激励点与感测点之间距离的超声波测距传感器方向性较差，易受噪声环境干扰，精度不高；传感器接触香梨激励和感测信号时，易发生受力过载而检测误差大；安装压电梁式传感器的中支架为非固定结构，不受约束，致使声振响应信号不稳定。针对上述这些问题，本实用新型进行了一系列改进并设计了一种无损、高效、准确、自动化程度较高的香梨硬度无损检测装置，对香梨内部品质进行检测和分级具有重要意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种传感器接触力防过载型香梨硬度无损检测装置，在结构上使用压力传感器可以使压电梁式传感器接触力控制在0.1 N≤F＜0.24 N，防止压电梁式传感器过载，提高检测精度；本实用新型解决了水果硬度检测仪器破坏性检测、现有声振响应检测装置受噪声和外界干扰影响大、声振响应信号不稳定、自动化程度不高的问题。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。

本实用新型其特点在于：由香梨声振信号激励感测部件、信号收集与处理两部分构成，所述的香梨声振信号激励感测部件由激光对射开关发射端、激光对射开关接收端、激励端压电梁式传感器、感测端压电梁式传感器、压力传感器、连接板、支架、滑台、滑槽、支撑架、缓冲垫、滚珠丝杠、联轴器、步进电机、底板；所述的激光对射开关发射端和激光对射开关接收端用来感测有无待检香梨，所述的激励端压电梁式传感器和感测端压电梁式传感器分别对香梨进行激励和感测，所述的压力传感器是用来检测压电梁式传感器与香梨接触力的大小，使接触力大小控制在0.1 N≤F＜0.24 N，通过螺钉与支架连接，所述的连接板用于连接压力传感器与压电梁式传感器，所述的支架固定于滑台上，所述的滑台与滑槽接触并在其中滑动，所述的滑槽通过螺钉固定于底板上，所述的支撑架固定于底板上，所述的缓冲垫置于支撑架上，使得香梨置于其上能够保持自由振动，所述的滚珠丝杠与联轴器连接，用于测量激励端与感测端之间的距离，所述的联轴器连接步进电机输出轴与滚珠丝杠，并保持传动，所述的步进电机通过螺钉固定在底板上；所述的信号收集与处理部分分别与激光对射开关发射与接收端、激励端压电梁式传感器、感测端压电梁式传感器、压力传感器和步进电机相连。

所述的信号收集与处理部分由激光对射开关、DSP、信号调理电路、高压放大电路、AD转换模块、触摸屏输入和输出模块组成；激光对射开关感测有无待测香梨，DSP发出尖波脉冲，由PGA高压放大后经激励端压电梁式传感器进行声振激励，感测端压电梁式传感器感测到声振响应信号，通过信号调理电路进行信号调理，再由DSP核心板采集声振信号并计算硬度值，最后通过DSP处理后由触摸屏显示模块显示香梨硬度参数值。

所述的高压放大电路，包括OP37和PA85两运放分别作为高压放大电路的第一级运放和第二级运放，加入电容C9和电阻R6，用来进行相位补偿，降低外界干扰，改善增益曲线的下降速度，消除寄生振荡，提高放大电路稳定性，采用LM317稳压芯的90 V线性稳压电源为运放供电。

所述的信号调理电路，包括LM124芯片的二阶有源滤波电路，由两个0.01μF电容和两个9.95 kΩ电阻组成；比例变换电路由27 kΩ和3 kΩ两个电阻构成，限幅电路由滑动变阻、稳压二极管和电容组成。

AD模数转换采用AD7656-1芯片，输入信号的电压范围为±10 V，具有6个采样通道，满足采集双极性信号和多通道信号采集的需要。

与现有技术相比，本实用新型采用80 V高压放大电路有效的减少了输出失调电压；信号调理电路采用LM124芯片的二阶有源滤波，降低了声振响应信号的幅值，便于信号采集；经过增大高压放大电路电压后，分别在35 dB、75 dB、和115 dB三种噪声环境下进行测试，在75 dB以下噪声环境时，稳定性较好，表明检测装置对环境噪声的抗干扰较强；在激励和感测端压电梁式传感器安装压力传感器控制接触力的大小，可以使压电梁式传感器在最适宜接触力范围检测，不会发生因接触力过大从而导致检测不准确的现象；经装置的检测性能测试，本实用新型可以实现自动化、便携、准确无损地检测香梨的内部品质，为线上实时检测香梨内部品质提供了可靠的技术方案，解决了目前市场上水果硬度检测仪器破坏性检测，受噪声影响大，误差较大和自动化程度低等问题。

附图说明

图1为本实用新型检测装置结构示意图。

图2为本实用新型声振激励感测部件的立体结构图。

图3为本实用新型声振激励感测部件的立体分解图。

图4为本实用新型信号收集与处理部分电路原理框图。

图5为本实用新型高压放大电路电路图。

图6为本实用新型信号调理电路电路图。

图7为本实用新型检测装置的工作流程图。

图示中：1为激光对射开关发射端、2为压力传感器、3为连接板、4为激励端压电梁式传感器、5为缓冲垫、6为感测端压电梁式传感器、7为支架、8为激光对射开关接收端、9为滑台、10为滑槽、11为香梨支撑架、12为滚珠丝杠、13为联轴器、14为步进电机、15为底板、16为香梨、17为信号收集与处理部分。

具体实施方式

实施例：参照附图1、2、3，基于声振信号响应法香梨硬度自动无损检测装置包括1为激光对射开关发射端、2为压力传感器、3为连接板、4为激励端端压电梁式传感器、5为缓冲垫、6为感测端压电梁式传感器、7为支架、8为激光对射开关接收端、9为滑台、10为滑槽、11为香梨支撑架、12为滚珠丝杠、13为联轴器、14为步进电机、15为底板、16为香梨、17为信号收集与处理部分；所述的激光对射开关发射端1是用来发射激光并与激光对射开关接收端8配合使用，感测有无待测香梨的，其固定于支架7，所述的压力传感器2固定于支架7上，并通过连接板3与压电梁式传感器4相连，用来感测压电点梁式传感器4与香梨16接触力的大小，所述的连接板3，连接支架7与压电梁式传感器4，所述的激励端压电梁式传感器4和感测端压电梁式传感器6分别对香梨16进行激励和感测，所述的缓冲垫5置于香梨支撑架11上，香梨16置于缓冲垫上能够保持自由振动，所述的支架7是用来固定压力传感器2与激励端压电梁式传感器4的，其固定于滑台9上，所述的滑台9是嵌入滑槽10中，并与滑槽10保持相对运动，所述的香梨支撑架11固定在底板15上，所述的滚珠丝杠12与联轴器13和步进电机14连接，并通过旋转使得支架7靠近或者远离香梨16，所述的联轴器13与滚珠丝杠12和步进电机14连接，传递动力，所述的步进电机14提供动力，所述的信号收集与处理部分分别与激光对射开关发射端1、激光对射开关接收端8、压力传感器2、激励端压电梁式传感器4、感测端压电梁式传感器6、步进电机14相连。

测试前装置处于初始位置，然后将香梨16置于缓冲垫5上，按下触摸屏上检测按钮，先由激光对射开关感测有无待测香梨，然后由驱动器发出脉冲信号，步进电机开始靠近香梨16，直到支架7上的激励端压电梁式传感器4与感测端压电梁式传感器6接触香梨，并由压力传感器2检测接触力大小0.1 N≤F＜0.24 N时，驱动器不再发出脉冲信号，步进电机14停止运动。

本实用新型的香梨硬度声振法无损检测装置工作原理为：将香梨16置于缓冲垫5上，对装置进行上电，激光对射开关发射端1发射激光，由于香梨16遮挡，激光对射开关接收端8接收信号，驱动器发出脉冲信号，步进电机14开始运动，由DSP发出尖波脉冲信号，通过激励端压电梁式传感器4对香梨16进行激励，然后由感测端压电梁式传感器6感测出声振响应信号，同时DSP计算滚珠丝杠12脉冲数测出感测端与激励端之间的距离，最后由信号收集与处理装置采集声振响应数据信号和距离数据，经过数据处理得出声速值，并根据声速与香梨的硬度关系式得出香梨硬度参数值，并显示香梨硬度参数值。

如图4所示，所述的信号收集与处理部分17，包括DSP、高压放大电路、信号调理电路、触摸屏显示与输入模块；DSP发出尖波脉冲激励信号且进行数据采集和处理，高压放大电路对脉冲激励信号放大，信号调理电路对感测出的声振响应信号进行调理，触摸屏显示模块显示香梨硬度参数值与操作指令的输入。

信号收集与处理部分工作原理：香梨放置在缓冲垫上，激光对射开关接收端被遮挡，点击触摸屏上的检测按钮，DSP发出尖波脉冲激励性信号，然后由高压放大电路进行尖波脉冲激励信号放大，激励香梨之后，产生的声振响应信号经过信号调理电路进行信号调理，然后由DSP进行数据采集和处理，通过触摸屏显示模块显示香梨硬度检测结果。

如图5，所述的高压放大电路采用复合放大电路模式以减小输出失调电压，OP37和PA85两运放分别作为高压放大电路的第一级运放和第二级运放，采用LM317稳压芯的90 V线性稳压电源为运放供电。

图5中的运放OP37是一种低噪声、精密、高速运算放大器，具有极低的失调电压、温漂和极高的压摆率，适合作为复合放大电路的第一级运放，PA85具有较低的失调电压、温漂和较高的压摆率、电源电压抑制比，适用于作为复合放大电路的第二级运放。

高压放大电路的工作原理：高压放大电路包括PA85和OP37及其电容电阻外围电路；PA37是第一级运放，PA85是第二级运放，尖波脉冲信号经Vkin输入经过两级运放进行电压放大，经Vkout输出。

如图6，所述的信号调理电路，包括包括内部含有LM124芯片，由电容C65、电容 C66、电阻R99和电阻R100构成的二阶有源滤波电路；由电阻R97和电阻R98构成比例变化电路；限幅电路由滑动电阻R101、稳压二极管D42、D43和电容C69组成。

信号调理电路原理：由感测端产生的响应电信号EXBIN1，经过比例变换，降低响应电压值，之后经过有源二阶滤波电路进行滤波，然后经过LM124电压跟随器，之后再经过D42、D43稳压二极管进行稳压，保证输出稳定的电压AINB1。

图7所示，自动检测装置的工作流程包括激光对射开关接收端被待检香梨遮挡，输出端发出高电平信号被DSP接收，DSP发出尖波脉冲激励信号，经高压放大电路放大，通过激励端压电梁式传感器激励待检香梨，感测端压电梁式传感器感测出声振响应信号，经过信号调理电路调理，由DSP采集，经DSP内置程序FFT变换后，并通过算法得出声振信号的传播时间，同时DSP采集步进电机的脉冲数据计算出距离数据，经DSP进行数据处理并计算得出声速值，进而评估出香梨硬度，最后由触摸屏显示模块显示待检香梨的硬度参数值。

本实用新型中的信号收集与处理电路中的DSP芯片可采用TMS320F28335。