（机械设计及理论专业论文）双壳贝类分选装置的研制.pdf

双壳贝类分选装置的研制 摘要 双壳贝类是人们日常生活中比较喜欢食用的水产品，但是由于水质污染原因及采收、 运输等环节，经常产生泥贝、死贝和裂贝等异常贝。这些异常贝类若没有剔除，一旦被人 食用，会严重影响到人们的身体健康。因此，研制一台能自动识别并剔除泥贝、死贝和裂 贝等异常贝类的装置具有非常重要的现实意义。 由于双壳贝类受n 5 i - 界振动刺激后，活贝的闭壳肌收缩，使贝闭合形成封闭腔体；而 泥贝、死贝和裂贝等异常贝闭壳肌失效无法闭合。采集敲击活贝及死贝和裂贝的声音信号 并进行分析，发现活贝与异常贝的声音信号有明显区别。本课题以文蛤为研究对象，通过 敲击活文蛤与裂文蛤、死文蛤所获取的声音信号的差异，借助于计算机技术、机电一体化 技术，研制一台能识别并剔除裂文蛤、死文蛤等异常文蛤设备。 本课题主要研究文蛤敲击声音信号采集与处理、分选装置样机的机械结构设计、分选 装置控制系统设计及样机测试四方面。敲击声音信号采集与处理部分主要涉及采集活文蛤 及死文蛤和裂文蛤等敲击声音信号，根据获得的原始信号，在时域和频域分析、处理得到 各种类型文蛤的信号特征。依据声音信号差异，根据黑箱原理初步确定分选流程及分选装 置的组成。然后，分别对各个组成部分振动给料系统、梯形齿同步带传动系统、电磁敲击 系统、麦克风信号采集系统、电磁剔除系统及贝体收集系统进行详细设计。分选装置控制 系统设计主要包括基于m a t l a b 环境的串口通信和外围电路，采用a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机实 现整体控制。通过建立单片机与计算机的串口通信，实现对信号的实时采集和实时处理。 并对分选装置的电源电路、电压驱动电路及l e d 电路等进行设计。借助串口调试软件对通 讯过程进行数据检测，判断通讯是否正常。最后，对分选装置的性能进行测试。测试结果 表明：双壳贝类分选装置能较精确实现贝类分选。 所研制的文蛤分选装置具有挑选效率高、挑选准确、工人劳动强度低等优点，该设备 也可应用于对其它双壳贝类的分选，具有较广阔的应用前景。 关键词：文蛤，信号采集与处理，机械结构设计，控制系统，样机测试 d e v e l o p m e n to ft h eb i v a l v em o l l u s c a ns h e l l f i s hs e p a r a t o r a b s t r a c t b i v a l v em o l l u s c a ns h e l l f i s hi st h es e a f o o dw h i c hp e o p l ep r e f e rt oe a ti nd a i l yl i f e b u tt h e a b n o r m a ls h e l l f i s hs u c ha sm u ds h e l l f i s h ，d e a ds h e l l f i s ha n dc r a c k e ds h e l l f i s ha r eo f e np r o d u c e d b e c a u s eo fw a t e rp o l l u t i o na sw e l la st h e l i n k so fh a r v e s ta n dt r a n s p o r t a t i o n i ft h e s ea b n o r m a l s h e l l f i s ha r en o te l i m i n a t e d ，i tw i l lh a r mp e o p l e sh e a l t hs e r i o u s l yo n c et h e ye a tt h e m t h e r e f o r e ， d e v e l o p m e n to fad e v i c et h a tc a na u t o m a t i c a l l yr e c o g n i z ea n de l i m i n a t et h ea b n o r m a ls h e l l f i s h s u c ha sm u ds h e l l f i s h ，d e a ds h e l l f i s ha n dc r a c k e ds h e l l f i s hh a sav e r y i m p o r t a n tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e l i v es h e l l f i s hc l o s es h e l l sa n df o r mc l o s e dc a v i t i e sw h e nm u s c l ec o n t r a c t i o nd u et oe x t e r n a l v i b r a t i o ns t i m u l a t i o n b u tt h ea b n o r m a ls h e l l f i s ha r en o t o b v i o u sd i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ev o i c e s i g n a l so fl i v es h e l l f i s ha n dt h ea b n o r m a lw e r ef o u n db yc o l l e c t i n ga n da n a l y s i n gt h ek n o c k i n g v o i c es i g n a l so ft h e m c l a mi st h er e s e a r c ho b j e c to ft h i st o p i c b a s e do nd i f f e r e n c e sa m o n g v o i c es i g n a l so b t a i n e db yk n o c k i n gv a r i o u ss h e l l f i s ha n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , m e c h a n i c a la n d e l e c t r i c a li n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y , t h es u b j e c tw a sp r o c e e dt od e v e l o pae q u i p m e n tt h a tc a n i d e n t i f ya n de l i m i n a t et h ea b n o r m a ls h e l l f i s h k n o c k i n gv o i c es i g n a l sa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n go fc l a m ，m e c h a n i c a ls t r u c t u r ed e s i g no f p r o t o t y p e ，c o n t r o ls y s t e md e s i g na n dp r o t o t y p et e s ta r et h ef o u ra s p e c t sw h i c ht h i st o p i cr e s e a r c h o n k n o c k i n gv o i c es i g n a l sa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gm a i n l yi n v o l v e sc o l l e c tp e r c u s s i o ns i g n a l s o fe a c ht y p e t h es p e c i a ls i g n a l so fa l lt y p e sh a v eb e e no b t a i n e da f t e ra n a l y s e da n dp r o c e s s e d o r i g i n a ls i g n a l so b t a i n e di nt h et i m ed o m a i na n dt h ef r e q u e n c yd o m a i n b o t hs o r t i n gp r o c e s sa n d t h ec o m p o n e n tp a r t so fs e p a r a t o rh a v eb e e np r e l i m i n a r ym a d eo nt h eb a s i so ft h ed i f f e r e n c e s a m o n gv o i c es i g n a l sa sw e l la st h eb l a c k - b o x p r i n c i p l e t h e n ，m a k i n gt h ed e t a i l e dd e s i g nf o r v i b r a t o rf e e d i n gs y s t e m ，t r a p e z o i d a lg e a r ss y n c h r o n o u sb e l tt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，l e c t r o m a g n e t i c k n o c k i n gs y s t e m ，t h em i c r o p h o n es i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e m ，e l e c t r o m a g n e t i ce l i m i n a t i n gs y s t e m a n dc l a mc o l l e c t i o ns y s t e mr e s p e c t i v e l y t h ec o n t r o ls y s t e mo fs e p a r a t o r , w h i c hc o m p l e t e dt h e o v e r a l lc o n t r o lb yu s i n gs i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ra t 8 9 c 2 0 5 1 ，i sm a i n l yc o n t a i nw i t hu a r t c o m m u n i c a t i o nb a s e do nm a t l a be n v i r o n m e n ta n de x t e r n a lc i r c u i t s t h e u a r t c o m m u n i c a t i o nb e t w e e ns i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ra n d c o m p u t e rw a se s t a b l i s h e dt oa c h i e v et h e r e a l - t i m es i g n a lc o l l e c t i o na n dr e a l - t i m ep r o c e s s i n g n e x t ，p o w e rs u p p l yc i r c u i t ，v o l t a g ed r i v i n g c i r c u i ta n dl e dc i r c u i tw e r ed e s i g n e d i no r d e rt oj u d g et h ec o m m u n i c a t i o nw a sn o r m a lo rn o t ， d a t ah a v eb e e nt e s t e db ym a k i n gu s eo fu a r t d e b u g g i n gs o f t w a r e f i n a l l y , at e s tw a sm a d et o i i e x a m i n et h e p e r f o r m a n c e s o ft h es e p a r a t o r e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tt h eb i v a l v e m o l l u s c a ns h e l l f i s hs e p a r a t o rc a ns e p a r a t es h e l l f i s ha c c u r a t e l y t h ec l a ms e p a r a t o rd e v e l o p e dh a sa d v a n t a g e sw i t hh i g hc h o o s ee f f i c i e n c y , a c c u r a t es e l e c t ， l o wl a b o ri n t e n s i t ya n ds oo n a l s o ，t h ee q u i p m e n tc a nb ea p p l i e dt os e p a r a t eo t h e rb i v a l v e m o l l u s c a ns h e l l f i s h s o ，t h e r ew i l lb eb r o a dp r o s p e c t sf o ra p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：c l a ms i g n a la c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g m e c h a n i c a ls t r u c t u r ed e s i g nc o n t r o l s y s t e mp r o t o t y p e t e s t l i i 集美大学硕士学位论文双壳贝类分选装置的研制 第1 章绪论 1 1 贝类生产概况 1 1 1 贝类生产规模 双壳贝类是贝类中一个重要的类别，其营养丰富，且对人类具有养生保健功能，长期 以来深受国内外消费者欢迎，特别受到欧洲、亚洲和北美很多国家消费者的青睐。近年来 无论是其生产规模，还是贸易规模均呈增长之势，在世界水产品生产和贸易中愈显重要。 至2 0 0 4 年世界贝类生产总量达到1 4 0 0 多万吨，比2 0 年前增加了近1 0 0 万吨。贝类 产量在水产品总产量中所占比重一直呈上升之势，2 0 0 4 年超过1 0 ，比1 0 年前增加超过 2 个百分点【l 】。贝类生产集中在亚洲、欧洲和北美洲。2 0 0 4 年亚洲的生产规模达到1 1 4 0 多 万吨，占世界贝类生产总量的8 0 以上，主要分布在中国、日本和韩国。 我国地跨三个气候地带，海岸线长达1 8 万多公里，大小海岛5 0 0 0 多个。广阔的滩涂 和近岸水域为养殖各种贝类创造了良好的条件【2 j 。介于地理因素，中国沿海消费者向来有 喜食贝类的习惯，加之改革开放后中国水产品养殖生产者对国外市场的了解，国内贝类的 生产和贸易规模均迅速增长。2 0 0 4 年中国贝类产量为9 5 0 万吨，约占亚洲生产总量的8 3 和世界生产总量的6 8 ，贝类产量名列世界第一。2 0 0 6 年，国内贝类总产量达1 2 6 1 0 2 万 吨，比上年增长约为4 2 l 【3 j 。2 0 0 8 年我国的贝类总产量约l1 2 2 万吨，约占世界贝类产量 的6 8 ，其中海水贝类超过国内贝类总产量的9 5 4 1 。近年来，中国贝类出口规模亦日益 增长，2 0 0 4 年贝类出口量约为2 2 万吨，是亚洲贝类出口第一大国，出口量约占亚洲贝类 出口总量的6 0 ，世界贝类出口总量的1 4 。 由上述背景可知，中国既是世界贝类第一生产大国，也是世界贝类进出口贸易大国之 一。贝类在中国渔业经济中占有十分重要的地位。 1 1 2 贝类污染问题 世界上，与食用贝类有关的危害主要来自于其生长水域的微生物污染。多数危害通常 与粪便污染有关，如引起传染性肝炎和肠胃炎的病毒以及可以引起伤寒的细菌。其他某些 危害与海洋环境中天然存在的生物体有关，如海洋弧菌致病细菌引起的感染以及一些单细 胞藻类产生的生物毒素，这些毒素会引起各种中毒，例如麻痹性贝毒( p s p ) 、腹泻性贝毒 ( d s p ) 、神经性贝毒洲s p ) 和记忆缺失性贝毒( a s p ) 【5 ，6 】。另一种常见的危害是化学污染物， 如重金属、农药、石油烃、有机氯化物等i 7 j 。 在许多国家，与食用贝类相关的最常见疾病是诺瓦克病毒引发的病毒性胃肠炎。其每 年都会大量发生，给国家的医疗和财政带来巨大的负担。在意大利等国家甲型肝炎也是一 个重大问题。而消费贝类与甲型肝炎的相关度高达7 0 ，它的影响比诺瓦克病毒更为严重 集美大学硕士学位论文 双壳贝类分选装置的研制 且持久。这些疫情对人类的健康造成了严重影响，最终引起英国、法国、意大利、美国等 国家调整管理政策的呼声。因此，净化技术作为一种降低食用贝类致病风险的方法在1 9 世纪后期被创立1 8 】，2 0 世纪欧洲和美国均立法对贝类卫生进行控制。 1 2 贝类净化研究现状 1 2 1 贝类净化技术及分选方法 提高双壳贝类品质的净化方法主要有净水区贝类暂养和净化工厂净化两种方式。其特 点如下：( 1 ) 贝类暂养；该技术是将己污染的贝类送至无污染的海区进行暂养，直至贝 体内的病原微生物数量低于卫生标准为止，然后重新收获贝类并上市销售。研究发现洁净 海水的暂养能消除贝体内8 5 的致病菌；暂养法也是目前消除重金属等化学物质污染的唯 一方法。但由于该方法的劳动强度大、时间长，且损耗往往超过初次收获时的5 0 ，故在 经济上很难行得通。其他缺点：在整个净化过程中贝类必须从始至终暂养在洁净的海水中， 这个过程存在着污染暂养区水质的可能；且采用该方法需要获取生长区和暂养区的基础资 料。一般只有当贝类生长区受到污染，而非生长区的水质条件非常良好时才采用此法。( 2 ) 净化工厂净化；该技术是在工厂内通过某些技术渠道来净化贝类，如利用海水消毒剂。在 某一场所暂养贝类需要一定实际经验，又由于许多地区的贝类暂养海区受到污染，这样的 背景加速了净化工厂的兴起。虽然净化工厂净化贝类的费用通常要远远高于贝类暂养的成 本，但是其能提供可安全食用的贝类产品和可靠稳定的优良水质。净化工厂的另一个优点 是贝类的净化能力有可能被机械系统或某些化学物质激活。通过上述两种净化手段可以消 除贝体内部分病毒和毒素p d 。 对双壳贝类食用安全性问题的处理手段除了上述的净化方法外，还有分选方法。目前， 双壳贝类中异常贝体的分选方法主要有：人工敲音识别法、海水暂养人工识别法以及泥浆 重力浮选法等几种。其中人工敲音识别法是将双壳贝类进行人工敲音识别挑选。此方法须 依靠人工对贝体进行逐个操作，并利用耳朵进行声音识别，分选效率低下。而且该方法需 要受过专f - j i ) l l 练的人员来操作。基于上述原因，该方法分选的效率不高，且容易出现误判 断，难以适应需要大量进行贝类挑选的场合。但此法有不受环境温度影响的优点。 海水暂养人工识别法是利用活贝在海水中伸出吸水足后，靠人工观察并用镊子夹出完 好的贝体，来达到分选目的的。该方法能达到剔除效果，但存在较多局限性： ( 1 ) 分选 过程全靠肉眼观察和手工夹取，所需成本高，分选效率低且容易造成遗漏； ( 2 ) 此法只 能在有海水供应的地方实行；( 3 ) 一旦环境温度过低，许多贝体在海水中不会伸出吸水 足，这将导致无法进行挑选。上述原因导致此法也难以适应需要大量进行贝类挑选的场合。 泥浆重力浮选法可实现双壳贝类中异常贝体的挑选，采用此法将不受低温下贝类张i s i 难问题的影响，且可采用半机械操作。但其也存在一定局限性：该方法只能将密度较大的 异常贝挑选出来，对于与完好的活贝密度相近或者更小的死贝和空壳贝等异常贝体却无法 集美大学硕士学位论文双壳贝类分选装置的研制 剔除。另外，泥浆重力浮选法的设备占地面积比较大，贝类产品易受到污染。上述缺点限 制了这种方法的广泛推广【1 2 】。 1 2 2 国外贝类净化处理现状 在欧洲贝类净化技术的应用有着悠久的历史，初期主要用于解决由海岸居住人口众多 及畜牧引起的贝类收获区的粪便污染问题。在美国贝类净化技术也有着悠久的历史，但是 关注点不一样，其关注的是如何扩展适宜采捕贝类的相对洁净的沿海水域范围，而不是收 获后如何去除污染物。在澳大利亚和日本，贝类净化技术的应用已相当广泛，但在新西兰 该技术的应用仍然有限。大致说来，世界上很多地区对于市售贝类没有特定的卫生要求， 因此在这些地区不进行贝类净化。贝类净化技术主要集中于：欧洲、北美和亚洲。 欧盟是世界上最早开展双壳贝类暂养和净化的地区，1 9 1 2 年世界上第一座贝类净化工 厂在英国建成；美国的贝类净化工厂始建于1 9 2 8 年；1 9 6 4 年澳大利亚引进英国技术和工 艺建立了第一个贝类净化工厂；加拿大贝类净化主要开始于2 0 世纪7 0 年代。目前国外贝 类净化的技术和方法主要有以下几种： ( 1 ) 贝类暂养。p h e l p 于1 9 1 1 年将污染的牡蛎放置在清洁的海水中暂养，发现细菌 明显减少1 3 1 。1 9 1 4 年j o h n s t o n e 于英国也做了贝类暂养研究【1 4 , 1 5 。 ( 2 ) 利用氯及氯化物。英国的c a r m e l i a 率先采用该净化方法【l 州，并于1 9 2 1 开始将其 商业化。氯及氯化物是最早用于净化贝类的化学试剂，其具有较强的杀菌能力，能快速杀 灭贝类体内的致病菌。但氯气会抑制贝类张壳和滤食，其在有效控制病菌进入贝类体内的 同时也会影响净化的效率。且氯及氯化物是化学试剂，具有一种化学味道，会影响贝类的 品质；同时该净化技术容易产生有毒的氯胺，因此现在氯及氯化物在大部分地区已经不用 了【1 7 】。 ( 3 ) 利用紫外线。最早利用该方法的是日本 1 8 , 1 9 1 。利用紫外线照射处理海水是最常用 的贝类净化方法，紫外线能破坏不饱和键，尤其是d n a 中的嘌呤和嘧啶，从而引起致病 菌逐渐损伤或致命性的生理变化，达到灭菌的效果，具有很强的杀菌性。但是紫外线处理 海水时也存在一些局限性，如海水的颜色、浑浊度和可溶性铁盐会严重影响紫外线的杀菌 效果【2 0 1 。紫外线的杀菌能力与穿透水层的深度有直接关系，紫外接触器中的水必须滤除大 于1 0 9 m 的颗粒物质，且厚度必须限制在几个毫米内。 ( 4 ) 臭氧。v o i l e l 2 1 】于1 9 2 9 年、s a l m o n 2 2 】等人于1 9 3 7 年均发现臭氧能杀灭海水里的 细菌。上世纪6 0 年代该方法实现商业用途【2 3 】。臭氧是一种强氧化剂，用其净化贝类的优 点是不改变贝类的外形及风味，却能直接杀灭致病菌，同时臭氧还能杀灭细菌和病毒，如 河豚毒素、甲藻毒素等生物类毒素。其缺点是会对贝类的张壳和滤食产生一定的影响；成 本高。臭氧是如今利用较多的方法，一些和臭氧有关的设备如臭氧发生器己开发出来，这 些设备的发展增加了臭氧的可生产性和可控制性。 上述的( 2 ) 、( 3 ) 和( 4 ) 统称为海水消毒法 1 6 - 2 8 】，在净化工厂中广泛应用。采用这 3 集美大学硕士学位论文 双壳贝类分选装置的研制 三种消毒法的净化系统优缺点见表1 1 。除了上述4 种方法外，意大利的贝类净化系统曾 采用碘伏进行消毒，称该方法不仅能够对净化用水进行消毒，而且残留在贝类肠道内的碘 伏还具有直接杀菌、杀灭病毒作用。但是，碘伏杀灭病毒的作用受到质疑，此法没有受到 推广。 表1 1 三种海水消毒系统的比较 采用不同的技术方法，根据不同操作要求，可采用不同的净化模式。目前国际上采用 净化模式主要有：浅水槽系统、多层系统、垂直多层系统和大型箱式系统。部分模式对应 的净化系统如图1 1 所示。 a 小型浅水槽系统b 垂直多层系统 图1 1贝类净化系统 1 2 3 国内贝类净化处理现状 1 9 9 7 年东海水产研究所承担的中华农业科教基金项目一一贝类净化技术研究是我国 贝类净化研究工作的开端。该研究的进展情况为：1 9 9 7 1 9 9 8 年期间开始了实验室的基础 研究，至1 9 9 9 2 0 0 0 年在青岛中试研究得到了大批研究成果。主要成果如下：( 1 ) 完成 了海水中臭氧浓度的测定方法研究和臭氧、含氯消毒剂以及紫外线对大肠杆菌等灭菌效果 试验。( 2 ) 完成了净化设备的设计及制造，研究及确定文蛤、青蛤等贝类净化工艺。同 4 集美大学硕士学位论文双壳贝类分选装置的研制 时确定了温度、盐度等因素对贝类净化效果的影响。( 3 ) 讨论了贝类净化工厂设计模式。 得出我国贝类净化的首要模式为潜水槽系统模式。( 4 ) 完成了净化后贝类的保藏和包装 技术研究。( 5 ) 将净化技术进行推广1 2 0 , 2 9 j 。 1 9 9 7 年我国发布贝类生产环境卫生监督管理暂行规定，但该规定发布后一直难以 操作。继而我国于2 0 0 2 年出台了贝类净化技术规范，规定了净化贝类产品要求、贝类净 化工厂选址、设计和建造要求、贝类净化工艺和技术要求等。地方上也有出台一些海水贝 类的净化标准，如2 0 0 6 年福建省通过评审的标准规定：贝类出厂时，每l o o g 贝肉中的含 沙量不得超过3 6 m g ，所含的大肠菌群不能超过3 1 0 个，泥贝、死贝个数不能超过2 5 。 然而实际上我国贝类净化技术的推广困难重重。我国贝类年产量已超过1 0 0 0 万吨，若按 照发达国家的标准，则至少需要贝类净化工厂1 5 0 0 座，但是至2 0 0 5 年我国由政府投资建 成的贝类净化工厂还不到5 家，与发达国家相距甚远。部分国家双壳贝类产量及净化工厂 数见表1 2 。由于净化贝类经济效益不高或净化设备投资大等原因，不少贝类生产企业并 不能严格执行贝类净化标准。这不仅使我国消费者食用贝类的安全得不到保障，而且大大 影响了我国的贝类出1 5 1 创汇【2 。 表1 2 双壳贝类产量及净化工厂数量 我国贝类净化技术方面的专家学者一直致力于该技术的研究，并取得了一定的成果。 乔庆林【3 , 4 , 3 0 - 3 3 】等人于上个世纪九十年代中期率先开展此研究，对文蛤、青蛤和牡蛎等展开 了大肠杆菌、病毒和重金属等方面的研究和净化技术产业化工作，至今己在我国沿海建造 数座贝类净化工厂。许永安【3 4 】等人研究了用食品级消毒剂二氧化氯净化文蛤，研究表明： 净化时间随文蛤污染程度的增加而增长；氯未在文蛤中残留。夏武强 3 5 1 研究了二氧化氯净 化缢蛏的工艺，其研究成果主要是消毒剂与缢蛏保鲜的关系。王艳 3 6 1 等人研究了用u v 、 臭氧、臭氧一u v 组合法三种净化方法来净化毛蚶中的大肠杆菌，研究表明臭氧一u v 组合法 灭菌效果最好。余顺年【1 2 】等人在研究现有的贝类净化技术研究后，发现了这些技术的不足， 因此一直寻求二种新的净化方法。最终设计出基于机电一体化技术的自动贝类分选装置， 该设备能将活贝与异常贝体分离，大大降低贝类食品的安全隐患。 集美大学硕士学位论文 双壳贝类分选装置的研制 1 3 贝类净化技术存在的问题 贝类净化技术已有百年历史，在这个历程中，该技术取得了丰富的研究成果，为贝类 食用安全提供了强有力的保障。但该技术还存在某些不足，具体如下： ( 1 ) 贝类净化技术存在局限性。贝类净化技术仅是降低贝体受污染的程度，利用净 化手段只能去除轻度至中度的微生物污染，并不能用于重度污染的贝类而且净化所能去除 的微生物种类也是有限的。 ( 2 ) 未进行死贝、泥贝等异常贝体分离。净化后的贝体直接收获包装，投向市场。 没有对死贝、泥贝等进行有效分离。而上述提到过的贝类分选方法效率低，推广受到限制。 因此迫切需要一种有效分离死贝、泥贝等异常贝体的方法，如以机械化或机电一体化分选 方式代替上述的人工方式。 ( 3 ) 净化技术所需条件高。要求海水的溶解氧、盐度和温度等在一定范围内；进化 水不能过度重复使用，且一般每小时至少更换一次海水；体质虚弱或准备产卵的贝体不宜 净化；贝类不能长时间浸泡。 ( 4 ) 消费者质疑。经过消毒净化过的贝类反而会让部分消费者感到惶恐，他们担心 净化所用的消毒剂会对人体有害。 1 4 课题依据及主要内容 1 4 1 课题依据 利用发声法对被检测对象进行分类的技术在实际中广为应用，只要被检对象的各个类 型的声音信号存在差异，就可以以此为依据来区分对象的各个类型。利用下落撞击和敲击 等方式让文蛤发声，通过采集声音信号发现：活文蛤、死文蛤、裂文蛤及泥文蛤的声音信 号存在一定差异性。故可以利用发声法来分选各类型文蛤。采用敲击发声法，文蛤受到损 坏的概率较低，声音信号容易采集。本课题以上述提到的人工敲音识别法为模型，利用敲 击方式发声，具体实验方案在第二章介绍。 1 4 2 课题研究的主要内容 根据国内外对贝类净化的需求，以文蛤为研究对象，本研究将传统的机械设计方法与 单片机技术相结合，并引入计算机辅助设计等现代设计方法展开设计。旨在研制出一台高 效的双壳贝类分选装置，以提高贝类食用安全。本研究的主要内容如下： ( 1 ) 利用敲击法获取文蛤分选特征信号。对大量的正常文蛤、异常文蛤进行多次重 复敲击实验，收集、处理声音信号，提取两大类贝体之间的明显差异特征，并以此作为分 选依据( 即分选特征信号) 。 ( 2 ) 机电一体化系统设计。根据分选要求，设计分选工艺流程，基于这流程对分选 装置的机械结构和控制系统进行设计。 6 集美大学硕士学位论文 双壳贝类分选装置的研制 ( 3 ) 完成样机并进行测试。将( 1 ) ( 2 ) 的设计相结合完成分选装置样机，并设计样 机测试对分选装置的性能进行评价。 集美大学硕士学位论文 双壳贝类分选装置的研制 第2 章贝类敲击声音信号采集与处理 2 1 一维离散小波变换 2 1 1 一维小波定义 对于任意函数g t ( t ) r ( r ) ，l 2 ( r ) 为尺上平方可积函数构成的函数空间。如果杪( f ) 的傅 立叶变换满足可容许条件： f ”蛾 。 j - 。 国 ( 2 1 ) 则称y ( f ) 是一个母小波函数或基本小波 3 7 - 3 9 】。 母小波沙( f ) 缩放a 倍并平移b 得到： i b r a ( f ) ： y ( 丝)(22),b 、a a 则称虬。( f ) 为小波或小波基函数。其中a 是尺度因子，b 是时移因子。 若厂( ，) l 2 俾) ，记 w l i ( a ，6 ) ： 仁y ( f ) 缈( 丝) a t ：( 饨) ，咖( f ) ) ( 2 3 ) a 。 a 为函数厂0 ) 的小波变换。式中y ( 竺) 是y o ) 的共轭函数； 代表内积。若式中, b t 、口、b 均连续变化，则称上述变换为连续小波变换。若将a 、b 在时间和位移上的离散 点进行取值，即将口、b 进行离散化处理，则可得到厂( f ) 的离散小波变换。 目前通行的离散化方法是：对尺度因子a 进行幂级数离散，即令a = 口孑，m z ，a 。是 大于1 的固定伸长步长；按香容采样定理对时移因子b 进行均匀离散取值，基本间隔为b 。 此时，离散小波函数。( f ) 为： y ( f ) = a o ”佗沙( 口i ”t 一力6 0 ) ( 2 4 ) 根据上述离散小波函数，可推导出相应的离散小波变换： 吗( 聊，甩) = a o 刚2 卜厂( f 沙( 口i ”t n b o ) d t ( 2 5 ) 2 1 2 多分辨率分析 原函数经过离散小波变换后被分为“平滑部分”和“细节部分”。即原函数分解为一 级平滑分量和一级细节分量；而一级分量又可分解为二级平滑分量和二级细节分量。以此 类推：经过分解，每级的输入信号可分解为一个平滑分量( 即低频的粗略逼近) 和一个高 频的细节部分。每级的分量带宽都减半，故采样频率减半也不至于引起信息丢，这样就将 原始信号厂( f ) 进行了多分辨率分解。该分解方式可以看作是原函数本身在不同频率空间的 分解 3 7 - 3 9 l 。 集美大学硕士学位论文 双壳贝类分选装置的研制 2 1 3 原函数重构 当母小波函数沙( f ) 经过伸缩和时移引出的函数族： ( f ) = 2 - r z g ( 2 一t - n ) 聊，2 z 具有下面性质： ( 2 6 ) a j 1 1 2 l ( 厂，沙。，。) 1 2 - 8j l 2 o 彳 曰 ( 2 7 ) 则称帆，。p ) ) 。，舵z 构成了一个小波框架，式( 2 7 ) 为小波框架条件，其频域表示为： 口眵( 2 “c o ) 2 刖e z 0 口 o o( 2 8 ) 缈舢o ) 的对偶函数瓯，。= 2 - 2 痧( 2 - 卅坨t - n ) 也能构成一个小波框架。其框架条件如下： 三i | 卅1 2 z 。z 。i ( f ，痧。，。) 1 2 去1 | 厂1 1 2 o a 墨三： 集美大学硕士学位论文 双壳贝类分选装置的研制 响，例如：导致信号总能量发生改变；影响对敲击声音信号衰减到零所用时间的判断。这 些都不利于对信号有用信息的提取，所以方案b 优于方案a ，接下去的实验皆以方案b 为 基础。 有用信号只占总信号的小部分。为了保证信号完整性及给敲击动作留有足够的操 作时间，设置的采样时间1 s 相对于有用信号持续时间而言过长。在高频采样下无用数据点 多，不利于对信号的分析；且计算量大，效率降低。需对原始信号进行截取。 上述特征不仅仅适用于某单一样本，对大量样本的图形进行分析发现：其特征均与上 述样本相似。 ( 2 ) 信号的截断处理：为了方便提取敲击声音信号特征，并减少工作量，对所采集 到的4 4 1 0 0 个数据点进行截取。所截取的数据必须保证足够长度，避免有用信息丢失。 对信号进行截取前，必须确定截取的起始点，关键就在于找敲击信号的起始点和信号 的持续时间。分析每一组数据发现：数据点刚开始都会在零处波动，其绝对值不会超过 0 0 0 6 ，持续一段时间后，绝对值会突然增大，如表2 1 所示。敲击动作会导致信号能量的 剧增，可知数值突变处，即为敲击信号的起始点。截取的长度取决于敲击信号持续的时间， 根据实验数据，取2 0 0 3 0 0 个数据点做分析。 表2 1 信号突变附近数据 观察分析表中数据：可把相邻两点的差值是否超过0 0 8 作为判断敲击信号起始的依 据；若两点的差值超过o 0 8 ，则把两者中的前一个作为敲击信号的起始点，并定该点前面 的第五个点为截取起始点。确定初始点的程序如下： l o a d1 m a t ；载入存储的数据 f o ri = l ：4 4 0 9 9 i f a b s ( d a t a ( i + 1 ) 一d a t a ( i ) ) o 0 8 f i r s t d a t a = d a t a ( i ) ； f i r s t p o i n t = i记录敲击信号起始点位置 b r e a k ； e l s e f i r s t p o i n t = o ；无敲击信号标志 1 2 集美大学硕士学位论文 双壳贝类分选装置的研制 e n d e n d 利用上述的截取方法对图2 1 b 进行处理，得到如图2 2 的信号图形。 图2 2 截断处理的信号图 ( 3 ) 第二组实验：将样本放置在棉质软垫上，以相近的力度分别用质地均匀的圆柱 木棒、质地均匀的圆柱铁棒和带弹簧的小球棒对同一文蛤的同一位置进行敲击。所述带弹 簧的小球棒由刚性件、弹簧和硬质小球组成，刚性件通过弹簧与硬质小球连接。敲击得到 的截取信号图形如图2 3 。 题 簪 a 木棒敲击 理 罄 魍 罄 b 铁棒敲击 c 小球棒敲击 图2 3 不同敲击棒敲击 集美大学硕士学位论文双壳贝类分选装置的研制 木棒敲击文蛤产生的能量幅值明显低于铁棒和小球棒敲击的，即使在敲击力度很大的 情况下，幅值绝对值的最大值也不会超过o 7 ，噪音信号对敲击信号的影响明显，主要体 现在噪音幅值与敲击信号末端幅值相近，不易判断敲击信号持续的时间。其幅值变化特征 为：幅值达到最大值后，先急剧减小，然后小幅度增大，紧接着又减小，因此敲击动作有 可能伴随二次敲击。所谓的二次敲击是由于文蛤振动后再次与敲击棒撞击引起的，这并不 是实验需要的，应尽量避免。 铁棒敲击文蛤产生的能量大，最大幅值一般都能达到1 。其信号明显强于噪音信号， 能较清晰的判断敲击信号持续的时间。但对多组铁棒敲击的图谱进行分析，发现不少组实 验中都有二次敲击现象，其产生的信号图谱如图2 3 b ；幅值达到最大值后急剧减小，然后 突然剧增，最后继续衰减。 小球棒敲击产生