（农业机械化工程专业论文）基于人工神经网络利用机械特性检测苹果品质方法的研究.pdf

华中农业大学2 0 0 6 年颂七学位论文 基于人工神经网络利用机械特性 检测苹果品质方法的研究 农业机械化工程 2 0 0 6 届硕士研究生汪小芳指导教师李小昱 苹果具有重要的经济价值，而且营养丰富、味美可口。目前，苹果检测及处理 手段较为落后引起果品品质下降，极大的影响了苹果的生产、加工和销售。所以， 苹果品质的检测是亟待解决的闯题。 通过研究苹果的机械特性与理化特性指标之间的关系，建立用机械特性指标检 测苹果品质的评价指标，利用神经网络模型检测苹果的品质，并建立基于虚拟仪器 技术，用m a t l a b 开发的苹果品质的检测系统。主要结论如下： 1 ) 通过试验测得苹果的机械特性指标和理化特性指标，并对机械特性指标和理 化特性指标进行了相关性研究和回归分析，结果表明：可用苹果的机械特性指标来 描述理化特性指标。 2 ) 采用基于反向传播算法的人工神经网络( b p 网络) 方法用机械特性指标( 压 缩时的最大力、屈服力、弹性模量) 检测理化特性指标( 硬度、可溶性固形物、总酸、 水分) ，建立了苹果品质的检测模型。用试验所测的机械特性指标为输入、苹果理化 特性指标为输出来确定网络的拓扑结构，训练建立的b p 神经网络。仿真结果表明 该神经网络模型用机械特性指标能预测苹果理化特性指标，同时通过5 组非样本数 据来验证该神经网络，模型的预测值与实测值的相对误差在5 以下，能够满足检 测的精度要求。 3 ) 采用b p 神经网络建立了苹果贮藏品质的模型，可用该模型预测苹果机械特 性和理化特性随时间变化的规律，通过验证，确定了预测模型的可用性。 4 ) 基于l a b v i e w 虚拟仪器技术。用m a t l a b 开发了具有可视化界面的应用 程序，为苹果品质检测提供了一种方便快捷，操作简单，可靠性高的应用软件系统。 关键词：机械特性理化特性神经网络m a t i a b 工具箱虚拟仪器 基于人t 神纤网络利用机械特忭检测苹果品质方法的研究 r e s e a r c ho ne x a m i n i n g a p p l eq u a l i t yu s i n gt h em e c h a n i c a l p r o p e r t y b a s e do na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k a g r i c u l t u r a lm e c h a n i z a t i o ne n g i n e e r i n g c a n d i d a t ew a n gx i a o f a n g s u p e r v i s o rl ix i a o y u t h ea p p l eh a sa l li m p o r t a n te c o n o m i cv a l u e ，m o r e o v e rt h en u t r i t i o ni sr i c ha n dt h e t a s t ei sd e l i c i o u s a tp r e s e n t ，b e c a u s et h ee x a m i n a t i o na n dp r o c e s s i n gm e t h o da r c b e h i n d h a n d ，t h ef r u i tq u a l i t yi sd e s c e n t ，a n dt h ep r o d u c t i o n ，p r o c e s s i n ga n ds a l eo fa p p l e h a v eb e e ni n f l u e n c e dt o o t h e r e f o r e , t h eq u a l i t ye x a m i n a t i o no fa p p l ei sap r o b l e mt h a t u r g e n t l yt ob es o l v e d o nt h eb a s eo fr e s e a r c ho nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dt h ep h y s i c o c h e m i c a l p r o p e r t i e si n d e xs i g n , c o m b i n gw i t ht h er e l a t i o nb e t w e e nt h e m ，t h ee v a l u a t i o ni n d e xs i g n o ft h ee x a m i n i n ga p p l eq u a l i t yw i t ht h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e si n d e xs i g nw a s e s t a b l i s h e d ， u s e dn c l 、，en e t w o r km o d e lt oe x a ma p p l eq u a l i t y , t h ea p p l eq u a l i t ye x a m i n a t i o ns y s t e m w a sd e v e l o p e db a s e do nt h ev i r t u a li n s t r u m e n ta n ds o f t w a r eo fm a t l a b t h em a i n r e s e a r c hc o n e l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t t h ei n d e xs i g no fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dt h e p h y s i c o c h e m i c a ip r o p e r t i e sw e r eo b t a i n e d t h er e l e v a n tr e s e a r c ha n dr e g r e s s i o na n a l y s i s w e r ed o n et ot h e m ，t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tu s i n gt h ea p p l em e c h a n i c a lp r o p e r t i e si n d e x s i g nt od e s c r i b ei t sp h y s i e o e h e m i c a lp r o p e r t i e si n d e xs i g ni sp o s s i b l e 2 ) e s t i m a t i n gt h ep h y s i c o e h e m i c a lp r o p e r t i e so fa p p l e ( i n c l u d i n gh a r d n e s s m o i s t u r e c o n t e n t ，s o l u b l es o l i d ，t o t a la c i d ) b yt h em e c h a n i c a lp r o p e r t y ( i n c l u d i n gt h em a x i m u mo f c o m p r e s s i o n ，t h ey i e l d i n gf o r c e ，e l a s t i cm o d u l u s ) w i t ht h em e t h o do fo p t i m i z a t i o n a l g o r i t h mo fl m ( 1 e v e r n b e r gm a r q u a r d t ) b pn e u r a ln e t w o r k , a na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k o fs t o r a g eq u a l i t yp r o p e r t i e sm o d e lw a sb u i l t t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sm e a s u r e di nt h e e x p e r i m e n ta sa ni n p u ta n dt h es t o r a g eq u a l i t yp r o p e r t i e sa sa l lo u t p u tw e r et ot r a i nt h eb p n e u r a ln e t w o r k t h ee m u l a f i o n a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i sn e u r a ln e t w o r km a k e sag o o d e s t i m a t i o no fa p p l ep h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e st h r o u g hm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s w h e n t e s t e db yf i v eg r o u p so fn o n s a m p l ed a t a 。t h ee r r o rb e t w e e nt h ee s t i m a t i o no ft h i sm o d e a n dt h em e a s u r e dv a l u ei sb e l o wt h e5 w h i c h 伽m e e tt h ep r e c i s i o nr e q u i r e m e n to f a p p l es t o r a g eq u a l i t yp r o p e r t i e sw e l li ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s 3 ) t h es t o r em o d e lo fa p p l eq u a l i t yw a se s t a b l i s h e dw i t ht h eb pn e r v en e t w o r k t h e m o d e lc a np r e d i c tt h er u l eo fa p p l e sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dp h y s i c o c h e m i c a l p r o p e r t i e sa l o n g w i t ht h et i m ev a r i a t i o n ，t h em o d e li su s a b l et h o u g ht h et e s t i n g 竺主查些盔兰! ! 堂兰堡主兰竺堡兰 4 ) b a s e do nt h el a b v l e wv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , aa p p l i e dp r o c e d u r ew i t h v i s u a ls u r f a c ew a gd e v e l o p e dw i t hm a t l a b i tp r o v i d e so n ek i n do fc o n v e n i e n c es y s t e m f o rt h ea p p l eq u a l i t ye x a m i n a t i o nq u i c k l y , t h eo p e r a t i o ni ss i m p l ea n dt h er e l i a b i l i t yi s h i g l l k e y w o r d s ：m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；p h y s i c o c h e m i c a l p r o p e r t i e s ；n e u r a l n e t w o r k ； m a t i a bt o o l b o x ；v i r t u a li n s t r u m e n t 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文题目：基于人工神经网络利用机械特性学位级别硕士 所在学院 检测苹果品质方法的研究 工程技术学院 ( 系) 学科专业 农业机械化工程 导师姓名李小昱学生姓名汪小芳 学位论文 是否保密 否如需保密，解密时间年 月 日 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料，指导教师对此进行了审定。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意 研究生签名：豇d 、甍时问：? 年多月劢日 学位论文使用授权书 本人完全了解。华中农业大学关于保存，使用学位论文的规定”，即学生必须按 照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印刷版和电 子版，并提供日录检索和阅览服务，可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存，汇 编学位论文本人同意华中农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表传播学位论 文的全部或部分内容 注：保密学位论文在解密后适用于本授权书 学位论文作者签名：鲤小若 导师签名：害手羔 签名日期：气“年乡月劢日签名日期：知。6 年乡月动日 华中农业大学2 0 0 6 年硕七学位论文 1 1 研究目的及意义 第一章绪论 中国是一个农业大国，农产品资源十分丰富，水果种类繁多，从1 9 9 3 年开始， 中国的果品总产量和果树栽培面积居世界第一位。到1 9 9 6 年，全国梨和苹果的产量 居世界首位。中国是世界第一水果生产大国，但贮存保鲜和分选加工技术落后。由 于检测及采后处理手段落后而引起的腐烂变质和品质下降，每年造成的损失巨大。 近年来，国际市场上农产品品质竞争越来越激烈，特别是加入w t o 对于中国农产 品产后保鲜分选检测加工来说，挑战大于机遇，中国农业在国际上将面临更加激烈 的竞争。因此，农业现代化的进程急需加快，实现农业生产自动化更为紧迫，品质 检测和分级技术也显得更加重要，这不仅影响果农的收入和国家税收，还影响着农 村的稳定与发展，所以应研究方便快捷、成本低廉的水果品质检测方法。 影响苹果效益的主要因素是果实品质差，苹果品质包括外观品质和内在品质。 外观品质包括：果实大小，果形指数，果实色泽，果面光洁度等。内在品质包括： 含糖量，含酸量，糖酸比，果胶，可溶性固形物，维生素c 等。苹果果实在贮藏过 程中，苹果的品质会随着贮藏时间而变化，不同的贮藏时间、温度、湿度对苹果的 品质变化快慢有不同的影响。目前中国苹果的加工率比较低，所以每年有大量的苹 果要通过贮藏鲜食消费掉。光靠内销鲜食解决不了果农卖果难的问题，也难以增加 农民收入。加大苹果加工深度，扩大鲜果出口才是解决问题的关键，但目前国内分 选苹果时的检测能力弱，检测速度慢，达不到国际市场的要求，这大大影响了中国 苹果的出口。所以苹果品质检测方法的试验研究也显得尤为重要。 苹果品质无损检测的方法按其检测手段的不同主要可以分为光学检测、电学检 测、射线检测等( a r m s t r o n g ，1 9 9 7 ) ，( c h e n ，1 9 8 9 ) ，( m i z r a c h ，1 9 8 9 ) ，( n i ，1 9 9 7 ) ， ( a n e s h a n s l e y ，1 9 9 3 ) ，它们各有自己的优缺点。如利用红外光照明和红外反射所得 的图像进行分析，来检测水果是否有损伤，但只能对水果表面的损伤进行较好的检 测( a f f e l d tc ta l ，1 9 9 3 ) 。同样，利用激光扫描技术也只能对水果表面进行较好的检 测( 吴卫华，2 0 0 1 ) 目前，水果的品质主要依靠目测和品尝的方法进行评价，而分析水果内部组成 成分则主要依靠破坏性的化学检测方法，但目前也在研究近红外光谱的分析方法来 检测苹果品质，此方法成本较高。 如果可以通过无损检测方法测量水果的内部特性，那么在贮藏和处理以及销售 和流通之前，就根据质量进行严格分级，这样可以有效地提高水果生产的技术水平。 因此，研究用机械特性检测水果品质的无损检测方法、技术及装置，不仅可以 摹于人丁神绎阿络利用机掖特件拎测苹果品质方法的研究 减少工人的劳动强度、减少经济损失，提高水果的生产水平，而且对于开发新型水 果分级设备都具有重要意义。 综上所述，本文对利用苹果的机械特性来检测苹果品质作一试验研究，尝试用 机械特性参数的变化来反映苹果内部理化特性的变化，从而为利用机械特性参数测 量苹果的内部品质提供理论依据，同时为利用机械特性进行苹果内部品质无损检测 和自动化分级的研究鉴定基础。 1 2 国内外研究现状 目前我国对苹果品质的研究主要集中在外观品质以及糖酸含量等参数上( 李宝 国等。2 0 0 3 ) ，( 李宝江等，1 9 9 4 ) 。苹果果实在贮藏过程中会发生变化，不同时间、 温度、湿度对贮藏苹果有不同影响。目前我国苹果品质检测手段还不完善，导致了 苹果的贮藏保鲜能力弱及深j j n i 加工率较低的问题，要解决苹果深加工问题，苹果 品质检测能力有待加强，检测速度有待加快。苹果品质的检测方法有有损检测和无 损检测。 用化学方法测定果蔬内部成分是常用的有损检测方法。李宝江等利用化学方法 测定苹果中含糖、含酸量( 李宝江等，1 9 9 4 ) ，研究了苹果糖酸含量与果实风味品质 的关系，刘全宏等测定箪果的粗蛋白、总糖、果胶( 刘全宏等，2 0 0 1 ) ，得出在自然 贮藏条件下苹果的硬度、总糖、果胶等的含量随贮藏时自】的延长而下降，顾姻、王 传永等测定了兔眼蓝浆果果实的养分( 顾姻等，1 9 9 8 ) 等。 近年来，无损检测技术在工业和农业中得到了广泛应用。农业的无损检测技术 是利用农产品的物理性质如光学特性、声学特性、电磁学特性和机械特性等的变化 而实现的。目前，无损检测技术包括以下几项技术：近红外技术、超声波技术、软 x 射线、计算机视觉技术、电磁特性、机械特性的应用技术等。 近红外光谱法是利用农产品对光的吸收、散射、反射和透射等特性确定农产品 内部成分的一种方法。中国的近红外技术也正在迅速发展，许多国内仪器厂家正在 转向生产近红外光谱仪，如北二光、上海棱光、石科院等单位，但均未形成产业化 的生产与应用。近红外技术已用于农畜产品品质检测方面，国外的应用较为成熟， 但国内尚属研究开发阶段。p e i r i s 和d u l l 等利用近红外技术对加工过程中番茄的可 溶性固形物含量进行了测定( p e i r i sa n dd u l l ，1 9 9 8 ) 。c a r l i n i 和m a s s a n t i n i 等在可见 近红外光谱区成功地检测了樱桃和杏子中可溶性固形物含量( c a r l i n ia n dm a s s a n t i n i ， 2 0 0 0 ) 。金同铭、河野澄夫等利用近红外( n i r ) 光谱法测定完整苹果糖含量进行了 研究( 金同铭等，1 9 9 5 ) 。何东健、前川孝昭等人研究了水果内部品质在线近红外光 检测装冒并进行了试验( 何东健和前川孝昭，2 0 0 1 ) 。另外，b r i t h 等测定了洋葱的 干物质( b r i t hc ta l ，1 9 8 5 ) ) ，d u l l 等用近红外技术测定了罗马甜瓜的可溶性固形物 2 牛中农业大学2 0 0 6 年硕士学位论文 ( b u l le ta l ，1 9 8 9 ) ，k a w a n o 等测定了桃子的糖含量( k a w a n oe ta l ，1 9 9 2 ) 。 超声波技术是一种声学特性分析法。农产品的声学特性是指在声波作用下的反 射、散射和吸收特性、衰减系数和传播速度及其本身的声阻抗与固有频率等，它们 均反映了声波与农产品相互作用的规律，这些特性随农产品内部组织的变化而变化， 不同农产品其声学特性不同，因此声学特性包括声波脉冲响应法和超声波法两种方 法。目前国内外对农产品的声学特性研究主要是对水果类成熟度、硬度和内部质量 缺陷进行无损检测。a b b o t t 等人对苹果进行了非破坏性硬度测量( a b b o t t ，1 9 9 5 ) ； c h e n g 和h a u g h 等人利用超声波检测空心马铃薯( c h e n ga n dh a u g h ，1 9 9 4 ) 。 x 射线具有较好的穿透能力，激光具有较好的单色性，通过其对农产品的穿透 量分析可以探明物质内部的情况。利用软x 射线的穿透能力，可以检测农畜产品的 内部缺陷和异物，如苹果内部的病变，猪肉内的碎骨片、金属和非金属混入等。该 项技术主要用于农畜产品加工厂的产品品质在线快速无损检测，韩东海运用x 射线 检测了柑橘的皱皮果( 韩东海，1 9 9 8 ) 。 随着图像处理技术的专业化和计算机硬件成本的下降和速度的提高，计算机视 觉技术在农产品品质自动识别和分级方面的应用越来越广。计算机视觉技术就是用 各种成像系统代替视觉器官作为输入手段，由计算机代替大脑完成处理和解释三计 算机视觉的最终研究目标就是使计算机能象人那样通过视觉观察和理解世界，具有 自主适应环境的能力。e l s t e r 和o o o d n t m 等人利用计算机视觉技术检测了鸡蛋表面 缺陷( e l s t e ra n dg o o d r u m ，1 9 9 1 ) 。国内运用计算机视觉系统进行农产品品质检测与 分类的研究开展较晚，从9 0 年代才开始，但日益得到重视和发展。 电特性法是通过果蔬在电场中的电特性参数的变化来区分果蔬的品质，能够测 定果蔬的成熟度、内部品质等综合指标。有无损检测和有损检测两种方法。水果的 内部品质表示水果内部的生理、化学和物理特性。水果作为生物体由生物组织组成， 从微观结构角度观察，其内部存在大量带电粒子形成生物电场，水果在生长、成熟、 受损以及腐烂变质过程中的生物化学反应将伴随物质能量的转化，导致生物组织内 各类化学物质所带电荷量及电荷的空间分布的变化，生物电场的分布和强度，从宏 观上影响水果的介电特性。因此，从理论上说，水果的内部品质可以通过对水果宏 观介电特性的无损检测加以判别【5 3 l 。国内外对采后果品电特性的研究取得了一些成 果。w o l f ( w b l fa n dz a c h a r i a h ，1 9 7 3 ) 将介电特性用于评价苹果的成熟度。n e l s o n ( n e l s o n ，1 9 8 0 ) ，( n e l s o ne ta l ，1 9 9 3 ) 研究了新鲜水果和蔬菜的微波介电特性。 t r a n 等( t r a ne ta l ，1 9 8 4 ) 研究了室温下1 0 0 1 0 0 0 0 m h z 范围内，马铃薯、胡萝b 、 苹果、桃子和梨的介电特性，结果表明介电常数和损耗因素是频率的函数。国内胥 芳、张立彬等用水果的介电特性评价苹果和梨等水果的品质( 胥芳和张立彬，2 0 0 1 ) ， ( 张立彬等，1 9 9 6 ) ，( 张立彬等，2 0 0 0 ) ，表明水果的电特性参数与水果品质有密切 的关系，基于电特性参数可以实现水果品质的在线、无损检测。 目前利用苹果机械特性进行苹果内部品质检测的报道较少，但苹果机械特性与 3 基于人丁神经剐络利用机械特件拎测苹果品质方法的研究 苹果理化指标之间有一定的联系( 王书茂等，1 9 9 9 ) ，( 周祖锷，1 9 9 4 ) ，( 王俊等， 1 9 9 4 ) ，( 李小昱和王为，1 9 9 8 ) ，可以用机械特性指标检测苹果内部品质，李小昱等 ( 李小昱和王为，2 0 0 5 ) 用灰色系统理论研究了二者之间的关系，并建立了灰色系 统的理论模型，说明苹果机械特性与理化质量指标存在一定关系，并可用来预测苹 果品质。 1 3 研究内容及技术路线 1 3 1 研究内容 通过研究苹果的机械特性与理化特性指标之间的关系，建立用机械特性指标检 测苹果品质的评价指标，利用神经网络模型检测苹果的品质，并建立基于虚拟仪器 技术，用m a t l a b 开发的苹果品质的检测系统。 1 、研究苹果压缩时的机械特性( 生物屈服力、破损力、弹性模量等力学特性) 与理化特性质量指标 硬度、水分、总酸量、可溶性固形物) 之间的关系。 2 、用人工神经网络的方法建立由苹果机械特性检测苹果内部品质的数学模型， 并验证该模型的合理性。 3 、建立基于人工神经网络的苹果贮藏品质预测理论模型，并验证该数学模型的 有效性。 4 、利用虚拟仪器技术建立苹果品质的检测系统。 1 3 2 技术路线 4 华中农业大学2 0 0 6 年硕卜学位论文 研究的技术路线如下： i 根据神经网络理论建立机 l 械特性与理化指标之间的 i测定和预测模型 l 模型的验证和 分析 图1 - 1 技术路线 f i g 1 - 1t e c h n i cr o u t e 5 摹f 人t 种弊网络利用机械特件拎测苹果品质方法的研究 第二章苹果机械特性及理化指标的试验研究 2 1 苹果机械特性的试验研究 苹果的机械特性即力学特性的测定可为工程分析和设计提供较为合理和可靠的 数据，测定方法包括基本试验和模拟试验两类。基本试验所测定的为苹果本身所固 有的基本性质，例如弹性模量、泊松比、松弛时间等，与苹果的几何形状、载荷状 况或使用的仪器等有关。适合苹果的基本试验又可分为两种，即静态或准静态试验 和动态试验。试验采用静态试验测试苹果的机械特性。 2 1 1 试验材料 试验苹果品种为山东烟台红富士，采摘后及时贮存于温度为1 2 c 、相对湿度 为9 0 9 5 的冷藏条件下( 任小林等，1 9 9 7 ) ，( 蒙盛华，1 9 9 1 ) ，( 桂耀林，1 9 8 6 ) ， ( 黄邦彦和杨谦，1 9 8 8 ) 。( 李慎福等，1 9 9 5 ) 。每周取样一次，测定贮存期间苹果整 果机械特性的交化。试验时间共2 0 周，每次试验取样1 5 个( 田勇，1 9 9 5 ) ，每个样 品取3 个点。 2 1 2 试验装置 试验采用的是由深圳市瑞格尔仪器有限公司生产的r g t 2 0 0 0 1 0 微机控制电子 万能材料试验机( 深圳市瑞格尔仪器有限公司，2 0 0 0 ) 。 图2 - 1 微机控制电子万能试验机 f i g 2 - 1a l l p u r p o s ep c - c o n t r o le l e c t r o n i ct e s t e r 6 华中农业大学2 0 0 6 年硕j j 学位论文 1 控制箱( c o n t r o l b o x ) ，2 馓机( c o m p u t e r ) ，3 机架( t e s ts h e l f ) ，4 横梁( c r o s s b e a m ) ，5 力 传感器( 1 0 a ds e n s o r ) ，6 位移传感器( d i s p l a c e m e n ts e n s o r ) ，7 限位保护装置 ( p l a c ef i x i n g p r o t e c t o r ) ，8 夹具( c l a m p i n ga p p a r a t u s ) 试验装黄及测量系统如图2 - 1 所示。试验机主要由上横梁、移动横梁、传感器、 下横梁。滚珠丝杠副、传动( 减速) 系统、伺服电机、防护外壳、限位保护装置及 控制系统等组成。 试验机性能参数如下： ( 1 ) 载荷分档：1 0 0 、5 0 、2 0 、1 0 、5 、2 5 、1 。 ( 2 ) 载荷精度：示值的o 5 以内。 ( 3 ) 试验速度：0 0 0 l m m m i n 5 0 0 m m m i n ； ( 4 ) 速度精度：示值的o 5 以内。 ( 5 ) 有效拉伸距离：8 0 0 m m 。 ( 6 ) 有效试验宽度4 0 0 m m 。 ( 7 ) 位移测量精度：示值的+ o 5 以内。 ( 8 ) 电源功率：a c 2 2 0 v 、4 0 0 w 。 ( 9 ) 主机尺寸：6 0 0 x 4 6 0 x 1 5 4 0 m m 。 蓦 ( 1 0 ) 主机重量：1 5 0 k g 。 2 1 3 试验方法 据有关文献( m o h s c n i n ，1 9 8 6 ) ，( 赵学笃等，1 9 8 7 ) ，( 李小昱和王为，1 9 9 8 ) ， 确定平顶圆柱压头的直径为6 r a m ，加载速率为1 5 r a m r a i n 。 2 1 4 试验结果 苹果压缩时的f - s 曲线如图2 2 所示。 位移f 勰) 图2 2 苹果力和变形关系曲线 f i g 2 - 2f o r c e - d e f o r m a t i o n a t l l v ef o ra p p l e 7 摹于人工神纾嗍络利用机械特性检测苹果品质方法的研究 由图可知，曲线的初始阶段压力随变形的增加近似呈线性关系，在e 点处力和 变形关系曲线开始偏离初始的线性区段的点称作弹性极限点( 1 i m i t o f e l a s t i c i t y ) 。图 中生物屈服点b ( b i o y i e l dp o i n t ) 以后，力继续增加直至苹果破裂，此时变形虽在 增加，但增加量很小。图中力急剧减小的位置称为破裂点r ( r u p t u r e p o i n o ，在这位 置时物料在轴向载荷作用下产生了破裂。破裂是由于外皮的裂口和破裂所引起的， 这时细胞发生滑移、变形和破裂，细胞液发生明显的粘滞流动。一般认为，生物物 料中生物屈服点对应于微观结构的破坏，而破裂点对应于宏观结构的破坏。破裂点 可以出现在曲线上生物屈服点以后的任何位置。脆性物料中破裂点可能出现在曲线 的初始阶段。韧性物料中破裂点可能在大量的塑性流动以后才发生。 2 2 苹果理化指标的试验研究 2 2 1 试验材料 试验苹果品种为山东烟台红富士，采摘后及时贮存于温度为1 2 。0 、相对湿度 为9 0 9 5 的冷藏条件下( 任小林等，1 9 9 7 ) ，( 蒙盛华。1 9 9 1 ) ，( 桂耀林，1 9 8 6 ) ， ( 黄邦彦和杨谦，1 9 8 8 ) ，( 李慎福等，1 9 9 5 ) 。每周取样一次，测定苹果机械特性的 同时测定贮存期间苹果内部品质的变化。试验时间共2 0 周，每次试验取样1 5 个( 田 勇，1 9 9 5 ) ，每个样品重复3 次。 2 2 2 试验仪器 1 、硬度压力计( 经计量部门检定) ； 2 ，天平：感量o 1 i n g ； 3 、电烘箱：可控制温度为1 0 5 + 2 ； 4 、干燥器： 5 、铝盒； 5 ，近红外水分仪； 6 、手持糖量计； 6 、调温水浴锅； 7 、无菌均质器； 2 2 3 试验方法 根据有关文献，理化特性指标( 魏钦平等，1 9 9 7 ) ，( 杨儒林，1 9 9 7 ) ，( 任仲博 8 华中农业大学2 0 0 6 年硕一t 学位论文 和饶景萍，1 9 9 9 ) 选取硬度h d 、可溶性固形物s s ，总酸a 及水分w ，试验方法采 用g b l 0 6 5 1 - - 8 9 。 2 2 3 1 硬度的测定 将样果在果实胴部中央阴阳两面的预测部位削去薄薄的一层果皮，尽量少损及 果肉，削部略大于压力计测头的面积，将压力计测头垂直地对准果面的测试部位， 徐徐施加压力，使测头压入果肉至规定线为止，从指示器所示处直接读数，即为果 实硬度。 每批试验选取1 5 个样果，求其平均值，计算保留小数点后四位。 2 2 3 2 水分的测定 用5 个清洁干燥的铝盒分别称取1 0 9 物料，不盖铝盒盖，在1 0 5 2 烘箱中烘 3 h ( 在温度达到1 0 5 时开始计时) ，取出，盖好铝盒盖，在干燥器中冷却3 0 r a i n ， 称重。再同样烘干1 h ，冷却，称重，直至两次称重差小于0 0 0 2 9 。苹果水分采用质 量百分率表示，按下式计算： 矿旦x 1 0 0 彳 式中：物料含水率，；j m 物料中所含水的质量，g 肘物料总质量，g， 每批试验选取1 5 个样果，求其平均值，计算保留小数点后四位。 2 2 3 3 可溶性固形物的测定 校正好仪器标尺的焦距和位置，打开辅助棱镜，从果样中挤滤出汁液1 2 滴， 仔细滴在棱镜平面中央，迅速关合辅助棱镜，静置l m i n ，朝向光源或明亮处，调节 消失环，使视野内出现清晰的分界线，与分界线相应的读数，即试液在2 0 c 下所含 可溶性固形物的百分率。当环境不是2 0 时，根据仪器所附补偿温度计表示的加减 数进行校正。使用后用清水将镜面冲洗洁净，并用干燥镜纸擦于后，再继续进行测 试。 每批试验选取1 5 个果样，每一试样重复3 次，求其平均值，计算保留小数点后 四位。 2 2 3 4 总酸量的测定 试剂： a 、o 1 m o l l n a o h 标准溶液：溶解化学纯n a o h 4 9 于1 0 0 0 m l 容量瓶中，加蒸 馏水至刻度，摇匀，按下法标定溶液浓度。 将化学纯邻苯二甲酸氢钾放1 2 0 烘箱中烘1 2 h ，待恒重冷却后，准确称取 0 3 0 4 9 ( 精确至o 1 m g ) ，置于2 5 0 m l 锥形瓶中，放入1 0 0 m l 蒸馏水溶解后，摇 匀，加酚酞指示剂3 滴，用以上配制好的氢氧化钠溶液滴定至微红色 9 摹f 人r t 神经网络利用机械特件榆测节果品质方法的研究 计算公式： j 】l f ；兰一 v 0 2 0 4 2 式中：m n a o h 标准溶液的浓度，m o l l ： y 滴定时消耗氢氧化钠标准溶液的体积，m l ； w 童6 苯二甲酸氢钾的质量，g 0 2 0 4 2 一与l m l n a o h 标准溶液【c ( h c d = l m o l 刖相当的邻苯二甲酸氢 钾的质量，g ； b 、酚酞指示剂( 1 乙醇溶液) ：称取酚酞1 9 溶于l o o m l 的中性乙醇中。 测试方法：称取试样2 0 9 ( 精确至0 0 1 9 ) 于小烧杯中，用煮沸放冷的蒸馏水5 0 8 0 m l ，将试样洗入2 5 0 m l 容量瓶中，置7 5 8 0 。c 水浴上加温3 0 m i n ，并摇动数次 促使溶解，冷却后，加蒸馏水至刻度，摇匀，用脱脂棉过滤。吸取滤液5 0 m l 于2 5 0 r a l 锥形瓶中，加入1 酚酞指示剂3 滴，用0 1 m o l l n a o h 标准溶液滴至微红色。 计算公式： 总酸量：v x m 。0 0 6 7 x 5 1 0 0 式中：v 滴定时消耗n a o h 标准溶液的体积，m l ： m n a o h 标准溶液的浓度，m o l l ： 形试样质量( 试样液2 0 9 相当于实际样品1 0 9 ) ，g ： 每批试验选取1 5 个果样，求其平均值，计算保留小数点后四位。 2 3 试验结果及分析 整个试验周期( 2 0 个周) 内测得的苹果的机械特性指标和理化特性指标的结果 如表2 - 1 所示。 1 0 华中农业大学2 0 0 6 年硕卜学位论文 表2 - 1 不同贮藏期苹果特性指标的测量值 ! ! 坠! ! ! ：! 坠! ! ! 竺堡坚：! ! 竺12 11 旦2 1 12 翌窑! 垡j = 垒竺壁旦曼璺! ! ! ! ! ：! 翌! ! 塑翌g ! 壁! 塑2 璺! 周机械特性指标理化特性指标 最大力 屈服力 弹性模量硬度可溶性固形物总酸水董 ，f s el i d嚣a矿 坠o q ) _她 m m ) ( 1 0 翟a l ( )( )( ) 注：各项指标值为4 5 次删量值的平均值。 2 3 1 理化特性指标对机械特性指标的影响 苹果在采收后进行呼吸和代谢，其品质变化是一个多因子的具有动态变化的过 程，可用理化特性指标描述机械特性指标。 ( 1 ) 理化特性指标对最大力f 的影响 由表2 - 1 中数据利用理化特性指标对最大力进行回归分析，结果如表2 2 。 苹果理化特性指标与最大力f 的回归方程如下： f 。2 7 9 6 7 7 3 + 0 3 6 7 6 8 肋一0 1 2 7 1 1 。s s + 2 2 3 6 8 爿+ o 0 2 2 椰 式中f 为压缩时的最大力，l i d 为苹果硬度，豁为可溶性固形物，彳为总酸，为 水分。 1 1 摹于人t 抻绎嘲络利用机械特性榆测苹果品质方法的研究 表2 2 理化特性指标与最大力的方差分析表 t a b l e2 - 2t h ea n a l y s i so fp h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t yt om a x i m u mf o r c e 注：f o x 6 ( 4 ，1 5 ) = 3 0 6 ，f o m ( 4 1 5 ) = 4 8 9 ，”表示p f o 0 1 ( 1 ，1 5 ) = 4 8 9 ，这说明方程 极其显著( 口= 0 0 1 ) ，用这个方程式来表示理化特性指标与最大力的关系是合理的。 ( 2 ) 理化特性指标对屈服力f 的影响 由表2 - i 中数据利用理化特性指标对屈服力进行回归分析，结果如表2 3 。 理化特性指标与屈服力e 的回归方程如下： 只一一4 1 4 4 5 0 2 + 0 2 4 7 2 1 h d4 - 0 1 1 2 8 1 s s4 - 3 5 7 0 4 6 8 a4 - o 6 1 0 0 6 w 式中e 为压缩时的屈服力，h d 为苹果硬度，$ 为可溶性固形物，a 为总酸，矽为 水分。 表2 - 3 理化特性指标与屈服力的方差分析表 t a b l e2 - 3t h ea n a l y s i so fp h y s l c o c h e m i e a lp r o p e r t yt oy i e l d i n gf o r c e 注：f o m ( 4 ，1 5 ) = 3 0 6 ，f 0 0 1 ( t 1 5 净4 8 9 ，”表示p f 0 0 1 ( 4 ，1 5 ) = 4 8 9 ，这说明方程极 其显著( a = o 0 1 ) ，用这个方程式来表示理化特性指标与屈服力的关系是合理的。 ，( 3 ) 理化特性指标对弹性模量e 的影响 由表2 - 1 中数据利用理化特性指标对弹性模量进行回归分析，结果如表2 - 4 。 理化特性指标与弹性模量的回归方程如下： e - - 1 1 5 7 0 0 5 5 + 0 8 0 2 2 5 h d + 0 2 3 9 1 4 s s + 3 4 1 4 7 1 6 爿+ 1 3 2 3 8 6 矿 式中e 为压缩时的屈服力，l i d 为苹果硬度，船为可溶性固形物，a 为总酸，缈为 水分。 1 2 f 兰主查些查兰! ! 竺兰堡兰堡丝兰 一 表2 - 4 理化特性指标与弹性模量的方差分析表 t a b l e2 4t h ea n a l y s i so fp h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t yt oe l a s t i cm o d u l u s 回i 闩 1 2 6 0 8 1 6 6 43 1 5 2 0 4 2 5 6 4 ” 剩余8 3 8 2 4 1 1 5 0 5 5 8 8 3 总和 1 3 4 4 6 4 0 7 1 9 注：f 0 ( 4 ，1 5 ) = 3 0 6 ，f 0 0 1 0 ，1 5 ) = - 4 8 9 ，”表示p f o 0 l ( 4 ，1 5 ) = 4 8 9 ，这说明方程极 其显著( a - - 0 0 1 ) ，用这个方程式来表示理化特性指标与最大力的关系是合理的。 2 3 2 用机械特性指标描述理化特。睦指标的分析 既然理化特性的变化可反映机械特性的变化，那么可用机械特性指标描述理化 特性指标。 ( 1 ) 用苹果机械特性指标描述苹果硬度 由表2 - 1 中数据利用机械特性指标对苹果硬度进行回归分析，结果如表2 - 5 。 机械特性指标与苹果硬度的回归方程如下： h d 一一7 7 8 2 0 7 + 0 3 0 4 5 9 f + 0 1 0 0 9 8 f , + 0 2 8 7 5 6 e 式中b i d 为苹果硬度，f 为压缩时的最大力，e 为压缩时的屈服力，e 为压缩时的 弹性模量。 表2 5 机械特性指标与硬度的方差分析表 t a b l e2 - 5t h ea n a l y s i so fm e c h a n i c a lp r o p e r t yt oh a r d n e s s 回归 3 5 7 0 8 23 1 1 9 0 2 7 3 7 3 4 3一 剩余 2 5 9 3 4 51 6 o 1 6 2 0 9 墨塑罂：! ! ! 箜! !一一 注：f o ( 3 ，1 6 ) = 3 2 5 岛0 1 ( 3 ，1 6 ) = 5 3 0 ，”表示 f o 0 l ( 3 ，1 6 ) = 5 3 0 ，这说明方程 极其显著( 口= 0 0 1 ) ，用这个方程式来表示机械特性指标与苹果硬度的关系是合理 的