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哈尔滨理_ 【人学工学硕十学位论文 盒装液态奶变质的快速无损检测方法研究 摘要 随着人们生活水平的提高，盒装液态奶已经成为人们生活中不可缺少的消费 品。然而盒装液态奶变质检测方法仍停留在原始的开包检测方法上，不仅造成了极 大的浪费，而且容易产生漏检及误检。因此研究一种新型的、有效的、不开包检测 方法是盒装液态奶生产及销售过程中急需解决的课题。 通过对液态奶的流变特性与液态奶粘度关系的分析，根据液体粘度测量的自由 衰减扭摆振动法原理，得出了液态奶的粘度指标与系统振动幅频特性相关，按照粘 性阻尼理论，推导出阻尼系数对系统振动幅频特性的影响，进而得到液态奶的粘度 指标与阻尼系数有关的理论，因此本文提出了通过检测阻尼系数来间接判断液态奶 变质的观点。由于检测时不可避免的存在噪声的影响，必然会影响检测的精度，为 此可以通过利用小波变换中的去噪原理对自由衰减扭摆振动产生的信号进行去噪 处理，然后利用希尔伯特变换求包络曲线原理求取信号的包络曲线，最后根据最小 二乘法曲线拟合原理，对包络曲线进行拟合的方法，得到阻尼系数。在上述理论的 基础上，运用多线程技术，并结合v is u a lb a s i c 的界面友好及m a t l a b 计算功能强 大的特点，研究开发了一种基于u s b 接口的快速无损检测盒装液态奶变质的装置。 最后使用该装置进行了实验，实验结果表明，检测装置在噪声干扰下，利用上述方 法检测的盒装液态奶变质的准确度接近理论值，检测精度较高。 关键词无损检测；盒装液态奶；阻尼系数 哈尔滨理t 大学下学硕上学位论文 r e a r c ho nb o x l i q u i dm i l km e t a m o r p h o s e r a p i dn o n d e s t r u c t i v et e s t i n gm e t h o d a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fo u rl i v i n gs t a n d a r d ，b o x e dl i q u i dm i l ka l r e a d yb e c o m e i n d i s p e n s a b l ec o n s u m e rg o o d s h o w e v e r , t h eq u a l i t yo fm e a s u r i n gm e t h o d sb o x e dl i q u i d m i l kr e m a i n si nt h eo r i g i n a lo p e n - p a c k e ti n s p e c t i v em e t h o d s ，n o to n l yc a u s i n ge n o r m o u s w a s t e ，b u ta l s oe a s i l yl e a dt om i s s e da n df a l s e t h e r e f o r e ，s t u d y i n gan e w , e f f e c t i v e ， n o n - o p e n p a c k e tm e a s u r i n gm e t h o d sa r eu r g e n t l yn e e d e dt h et o p i co fb o x e dl i q u i dm i l k p r o d u c t i o na n ds a l e s t h r o u g ht h er h e o l o g i c a lp r o p e r t i e sa n dl i q u i dm i l kv i s c o s i t ya n a l y s i so ft h e r e l m i o n s h i p ，a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo ft h ev i s c o s i t ym e a s u r e m e n to fl i q u i dw i t ha f r e e v i b r a t i o nt o r s i o np e n d u l u m ，o b t a i nt h er e l m i o no fl i q u i dv i s c o s i t yi n d e xa n dv i b r a t i o n a m p l i t u d e - f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c i na c c o r d a n c ew i t hv i s c o u sd a m p i n gt h e o r y , f i n do u t d a m p i n ge f f e c t so fv i b r a t i o na m p l i t u d e - f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h er e l m i o no ft h e v i s c o s i t yi n d e xo fl i q u i dm i l ka n dt h ed a m p i n gc o e f f i c i e n t p u tf o r w a r dt h ev i e w st h a tt h e q u a l i t yo fl i q u i dm i l kc a nb ei n d i r e c t l yd e t e c t e db yj u d g i n gt h ed a m p i n g c o e f f i c i e n t t h e e x i s t e n c eo fn o i s ew i l lb ei n e v i t a b l ea n dc e r t a i n l ya f f e c tt h ea c c u r a c yo fd e t e c t i o n u s i n g t h ew a v e l e tt r a n s f o r mi nd e n o i s i n gp r i n c i p l ed e a l sw i t ht h en o i s es i g n a lm a d eb yt h ef r e e v i b r a t i o nt o r s i o np e n d u l u m ，t h e nu s i n gt h ep r i n c i p l eo ft h eh i l b e r tt r a n s f o r me n v e l o p e c u r v es e e k st oas i g n a le n v e l o p ec u r v e ，a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fl e a s ts q u a r e sg e tt h e c u r v ef i t t i n ga n do b t a i nt h ed a m p i n gc o e f f i c i e n t o nt h eb a s i so ft h ea b o v e - m e n t i o n e d t h e o r y , t h eu s eo fm u l t i t h r e a d i n gt e c h n o l o g y , c o m b i n e dw i t hv b su s e r - f r i e n d l ya n d p o w e r f u lc h a r a c t e r i s t i c so ft h em a t l a bc a l c u l a t i o n , d e v e l o pr a p i dn o n d e s t r u c t i v e t e s t i n gd e v i c eb a s e do nu s bi n t e r f a c e u s i n gt h ed e v i c ep u t su pt h ee x p e r i m e n t ，t h e r e s u l t i n d i c a t e st h a tb o x e dl i q u i dm i l kq u a l i t ya c c u r a c yc l o s e st ot h et h e o r e t i c a lv a l u ew i t h t h en o i s e t h ea b o v e m e n t i o n e dm e t h o dh a sh i g h e rd e t e c t i o na c c u r a c y k e y w o r d sn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g , b o x e dl i q u i dm i l k ，d a m p i n gc o e f f i c i e n t - i i - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文盒装液态奶变质的快速无损检测 方法研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行 研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或 撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：欠韧汤 日期研年弘月器日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 盒装液态奶变质的快速无损检测方法研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大 学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工 大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子 版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密，口在年解密后适用授权书。 不保密吡 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：挝骞刁沥 日期：力俨炒月8 日 导师签名： 蚶僦l 钞同期：。乡年妒月g 日 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 第1 章绪论 1 1 无损检测的概念及课题的研究背景 1 1 1 无损检测的概念 无损检沏1 ( n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，简称n d t ) 在同常生活中经常被人们使 用，有着古老的历史。比如，人们通过拍打西瓜听声音来判断西瓜的好坏、中 医通过号脉来看病，但真正作为一门技术学科的分支则是新兴的。检测技术、 通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大支柱，它们分别构成现代信息技 术系统的“感官”、“神经”和“大脑”。检测技术是现代信息社会的重要技术 基础，它与现代生产和科学技术相结合，几乎渗透到了人类的一切活动领域 中，其原理、方法和手段直接决定了信息技术系统的功能和质量1 。无损检测 是在不破坏被检测材料的情况下，应用一定的检测技术和分析方法，对原材料 的结构、几何关系、物理性能、状态特性以及各种工艺参数等加以测定，并按 一定的准则对其做出评价的过程。也就是说，它是利用由于材料内部结构的异 常或缺陷而引起的材料对磁、电、光、声、热等反应的变化，评价材料中的结 构异常和缺陷存在及其危害程度心1 。与破损检测比较，无损检测是在不改变物 件状态和使用性能的前提下，直接对使用中的材料的损耗、构件的缺陷进行测 试，进而推测出材料的剩余使用寿命、承载能力和安全系数等1 。随着现代工 业和科学技术的发展，无损检测技术应用范围也越来越广，不仅在传统产业一 一机械制造业，而且也成为现代工业检测所必须的共性技术。比如冶会、电 力、汽车、铁路、现代建筑等高新技术产业都迫切需要应用无损检测技术，以 满足提高这些工业领域质量的需要h 。 1 1 2 课题研究的背景 我国从2 0 世纪8 0 年代引进国外超高温杀菌技术，发展到至今已有二十几 年的历史，由于生活方式的不科学和营养知识的缺乏，我国居民每日营养素的 摄入量与中国营养学会推荐的“每日膳食中营养素供给量( r d a ) ”均有差距， 尤其是特殊人群的营养素摄入差距较大。因此人们要求能够方便、准确地补充 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 每日所需的营养素，而乳制品f 好能够满足这一需求。随着人们生活水平的不 断提高和生产、包装设备的不断改进，液态乳制品已经取代奶粉成为我国生产 量最大的乳制品品种。而液态纯牛奶以其饮用方便、口感好、长保鲜期以及可 远距离销售等特点已逐渐成为普通百姓的必备食品，在人们的饮食文化中扮演 着越来越重要的角色。然而从液态纯牛奶发展的整个历程来看，液态纯奶的坏 包率一直居高不下，其中常见表现为脂肪上浮、蛋白凝块、乳清析出、酸包、 苦包、胀包、色香味的改变等等，类似的液态纯牛奶质量问题严重影响了产品 的品质，同时也成为制约液念纯牛奶生产企业升级发展的桎梏。企业要想抢得 发展先机就必须加强液态纯牛奶变质检测，如果质量问题解决不好，液态纯牛 奶业就只能是在低水平层次上踯躅不前| 5 1 。另外，随着全球经济一体化的发展 和市场需求水平的提高，国外乳品企业巨头卷土重来，液态纯牛奶业将面临更 为严峻的市场竞争，这种激烈的竞争使得企业都面临着提高质量、削减成本的 巨大挑战。所以液态牛奶生产企业如何实现快速变质检测、最大程度的降低成 本，保持其在市场中的竞争优势是一项迫切需要研究的课题| 6 。 1 2 无损检测技术国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 无损检测技术国外研究现状 1 9 9 2 年1 0 月在巴西圣保罗召开了第1 3 届世界无损检测会议，这次大会学 术报告中突出的主题是检测技术的可靠性。广泛采用计算机和各种信息处理技 术，排除干扰因素，提高无损检测技术的可靠性，是当今国际无损检测领域的 研究方向。现在认为，信号处理和分析对无损检测来说不仅是辅助技术，而且 是一种基本技术h 1 。常规无损检测中采集的都是空域和时域数据，当前己扩展 到频域、幅域、相域和倒频域信号等。其中采用数字过滤改进信噪比和时问系 列模拟等近代方法效果显著，人工智能专家系统和人工神经网络处理等都是无 损检测现代化工具。无损检测技术迸一步发展趋势足从一般无损评价发展到自 动无损评价，尽量减少人为因素和干扰因素的影响，而采用计算机来检测与评 价 8 1 。美国的无损检测技术在世界上领先，其主要原因是美国在基础材料研 究、计算机科学与应计与研究用、激光技术和光导技术等方而在世界上处于领 先地位，这些技术都是无损检测技术进一步发展的源泉旧1 。德国在超声波检测 的数字化与计算机化、x 射线、恒压高频技术及磁粉探伤自动化等方面具有高 水平n0 。俄罗斯在超声、涡流、射线、电磁无损检测以及材料物理和力学性能 哈尔滨理t 人学1 ：学硕l j 学位论文 评价方面具有相当先进的技术1 。日本重点在于无损检测技术的广泛应用，射 线检测仪器和残余应力测试仪器也达到了世界领先水平n 引。涉及到液态奶的无 损检测，这也是世界卫生组织非常关注的课题，目前全世界只有芬兰依莱克斯 德一家公司生产此类型产品，他们利用电子物理方法设计研制了适用于不 同的超高温灭菌牛奶的产品。 1 2 2 无损检测技术国内研究现状 我国无损检测技术随着工业发展的需要取得了迅速的发展，很多工业部门 近年来加强了无损检测的应用。航空、航天、冶金、核工业、煤炭、船舶、石 化等部和总公司都建立了部级无损检测中心。铁道、电力、石油、机械、兵工 等部门也都设置了部级统管归口单位。全国无损检测学会从1 9 7 8 年建立至 今，已培训了大量无损检测人员，并按照国标对无损检测人员进行资格鉴定。 在国际交流方面，中国无损检测学会于1 9 7 9 年1 1 月加入国际无损检测委员 会，并与同本、德国、俄罗斯等国的学会建立了友好协作关系，与德国学会还 签订了双方互认无损检测人员培训和资格证书的协议。近1 0 年来，由于工业 发展的刺激，我国的无损检测技术得到了较快发展。但总的看来，无损检测技 术是我国发展较为薄弱的环节之一引。目前，我国国民生产总值只及同本的四 分之一左右，这种现象的原因之一是由于我国产品质量上存在问题而导致大量 产品报废。据测算，我国企业不良品年损失约2 0 0 0 亿元。若能在生产过程中 采用无损检测技术，及早发现不良品，则可以将损失减到最低程度。如上海热 电设备行业大量采用无损检测技术后，每年的经济效益以百万元计。从产品质 量来看，无损检测所带来的经济效益将直接表现在产品的市场竞争能力上。我 国在无损检测液态奶方面也进行了一些研究，提出了一些方法。刘东红提出了 利用超声传播检测液态食品1 1 4 |以此来判断液态食品的变质。王立杰提出使用 近红外光谱测量的方法，通过测量液态奶成份的变化引，来检测奶变质。王松 松提出利用振动法判断幅频特性引来判断盒装液态奶的变质。 1 2 3 无损检测技术的发展趋势 第十五届世界无损检测会议( w c n d t ) 肯定了无损检测技术未来的发展趋 势向无损评价( n o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n ) 方向发展。无损检测不但要在不 损伤被检对象使用性能的前提下，探测其内部或表面的各种宏观缺陷，判断缺 陷的位置、大小、形状和性能，还应能对被评价对象的固有属性、功能、状态 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学化论文 和发展趋势( 安全性和剩余寿命) 等进行分析、预测，并做出综合评价n7 。计算 机技术、数字图像处理技术、电子测量技术的发展为无损检测技术奠定了良好 的基础。无损检测技术的研究和应用将呈现如下的特点： 1 数字化随着计算机技术和数字图像处理技术在无损检测中的应用，以 c t 和d r 为代表的数字式射线成效技术得到了飞速的发展。与传统的胶片射 线照相方法相比，数字式射线成像有着突出的特点数字图像不仅可以方便 地存储和复制，可以进行各种数字处理，以提高图像显示的效果和质量，而且 可以通过高效的信息系统进行传递，使得远程实施诊断和实时分析成为可能。 2 高智能化高智能化表现在应具有良好的用户友好界面，能开机后自检； 用菜单选择仪器测试参数；可调用或存储仪器设定的参数( 探伤工艺) 及与主计 算机进行通讯或传输数据。无损检测仪器将拥有比较完备的数据库和专家评判 系统，具有对被检测对象的缺陷类型进行自动识别以及对被检对象的状态进行 自动评价的功能。这是一项艰巨而富有挑战性的工作，在这方面投入研究具有 重大的意义。 3 自动化各部门对无损检测技术的要求是提高检测自动化程度和缩短检测 时间。尤其是在环境特别恶劣的地方，检测系统的自动化性能就显得更为重 要。如激光超声、激光电子剪切成像、磁记忆等非接触无损检测方法的发展， 无损检测传感器、换能器的改进都将促进无损检测的自动化的进程。目前，各 种自动监测仪器的发展相当快，把握这方面的发展动态、跟上国际发展潮流是 十分必要的引。 1 3 课题研究的意义及课题来源 1 3 1 课题研究的意义 液态奶作为人们r 常生活中的重要组成部分，其品质也越来越受到人们的 关心，如何能快速检测其品质，而且不损坏产品，最大程度的降低成本，成为 企业关心的问题，因此液态奶的变质的无损检测应运而生。目前我国大多数中 小型生产企业依然延续传统的开包检测手段，这样的检测手段浪费了原材料， 加大了企业的生产成本，影响了企业的发展，因此开发一种无损检测装置及系 统，可以减少企业的生产成本，促进企业的发展。芬兰的依莱克斯德公司基于 流体力学的运动原理检测产品细微的变化，研制了一种检测仪，通过振动包装 盒测定振幅值来实现。被检盒装奶在检测中无需开包或受到任何其他形式的破 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 坏，被检样品可与同批产品一起j 下常发出和销售。这样乳品厂可避免传统质量 控制涉及的问题：复杂、超时和劳力需求导致的高成本和形成浪费9 。由于其 价格昂贵，我国仅有几家大型乳品生产厂购买了该种设备，因此有必要研究一 种新型的、有效的、不开包检测盒装液态奶变质的装置。为此我们将计算机技 术与检测技术相结合，利用数据采集卡与计算机相连，设计检测装置，对相关 数据进行采集并进行分析，测量阻尼系数，进而得到相应的幅值，确定粘性指 标，判断液态奶的变质。 但长期以来，阻尼问题一直是个难点，特别是小阻尼系统的阻尼估计，其 受测量方法、试验参数和估计方法的影响很大1 2 叭。阻尼测量的方法比较多，如 自由衰减波形法、半功率点法及改进的半功率法、峰值法、实验模态分析法、 曲线拟合法等幢。在这些方法中自由衰减法最直观，一般只适用于单自由度系 统，虽然经过改进也可适用于两自由度情形，但如果要用于多自由度情形，把 时域的各阶模态的贡献迭加在一起，需要配合带通滤波器才能将模态逐一分 离，这在操作上十分困难| 22 。；半功率点法最方便，使用的比较多，但阻尼测量 的重复性较差；曲线拟合法最复杂，运算量也最大；实验模态分析法不适合小 阻尼系统他3 2 引。 由于瞬时信噪比按指数衰减，采样点的选取应在瞬时信噪比较大的区域中 选取5 。对于峰值法，因可供选择的信号点数目较少( 当f 弦波频率较小时情况 更加严重) ，所以大信噪比区域的采样点选择的自由度较小；因可供选择的峰 值来样点数目较少，无法实现多次估计平均处理。在希尔伯特变换法中，由于 可在估计的包络信号中瞬时信噪比较大的区域选取采样点，采样点选择的自由 度较大，大量的包络信号的采样点可供选择他，因此可以进行多次最小二乘估 计，然后将多次估计的结果平均处理，可有效提高估计的准确性；对于希尔伯 特方法，可以直接得到阻尼曲线，阻尼因子是通过阻尼曲线上采样点计算得到 的。但对于峰值法，先估计得到阻尼因子和信号幅度，然后利用阻尼凶子和信 号幅度计算生成阻尼曲线。希尔伯特方法得到的是真正的阻尼衰减曲线，峰值 法得到的阻尼曲线是拟合的结果。因此希尔伯特变换法在检测小阻尼方面的精 确性要好于峰值法。 针对上述检测阻尼系数出现的缺陷，综合了上述多种方法的优缺点，本文 提出了一种新的思路，即采用自由衰减扭摆振动的基础一l ，利用小波方法对液 态奶盒产生的自由衰减扭摆振动非平稳信号进行滤波处理，并利用希尔伯特变 换求包络的方法，计算系统的阻尼比。在不破坏盒装液体奶包装的情况下，利 用阻尼比问接地判断液态奶的变质变化情况。由于增加了小波滤波和希尔伯特 哈尔演理t 人学t 学硕i ：学位论文 变换包络滤波两次滤波过程，大大提高了检测系统阻尼比的检测精度，采用该 算法的盒装奶变质检测装置的检测结果能在分散范围内得到有效控制。 盒装液态奶的无损检测，是在现代计算机识别技术与惯性动能系统相结合 的基础上实现的新一代品质控制检测方法。作为一种具有准确、高效、无损特 点的液态检测的新技术手段，其在我国乳制品行业的应用具有积极的意义。无 损检测是提高产品质量的有力工具，是免受国外同类产品冲击的重要条件，这 在我国经济与世界经济接轨后将具有更重要的意义阮7 。 1 3 2 课题来源 本课题来源于黑龙江省教育厅科技项目( 1 0 0 5 1 0 5 8 ) 、国家科技攻关项目( 东 北专项) ( 2 0 0 4 d a 9 0 7 a 2 9 o 1 4 课题主要研究内容 本课题的研究内容主要包括： 1 研究u s b 接口特点及设计检测装置，采用v i s u a lb a s i c 等高级语言以及 w i n d o w s 自带的a p i 函数编写程序，使其驱动步进电机带动奶盒振动，产生自 由衰减扭转振动，并且对液态奶盒产生的自由衰减扭转振动信号进行分析。 2 运用小波变换中的去噪原理及方法对自由衰减扭转振动产生的非平稳信 号进行处理，对所得的信号使用希尔伯特变换求包络曲线，得到包络曲线后， 再利用最小二乘法进行曲线拟合，对拟合后的曲线求其斜率，进而求的系统的 阻尼比。 3 研究v i s u a lb a s i c 与m a t l a b 之间混合编程，实现数据的动态交换。 利用a c t i v e x 控件结合c o m 组件将m a t l a b 嵌入到v i s u a lb a s i c 软件中，脱 离m a t l a b 的运行环境，避免系统检测过程中启动m a t l a b ，加快系统运行 速度，简化软件开发过程，给用户提供了更加方便的软件界面。在系统的实现 方面，引入多线程技术，充分利用w i n d o w s 系统的多任务特点。 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 第2 章检测装置的理论基础及系统的设计原理 2 1 装置设计原理 粘度的准确测定在许多工业部门和科学研究领域中都具有重要意义，特别 是在石油化工、医药、冶金、食品等行业，粘度的准确测量可有效地控制生产 过程及产品质量心机抽1 。 对于低粘度液体的测定，广泛采用扭摆振动法，其原理是基于阻尼振动的 对数衰减率人与阻尼介质粘度的定量关系。阻尼振动的规律为： ，t a = k e x p ( 一人二1 c o s 2 7 r l - ( 2 - 1 ) ff 式中：彳为振幅；k 为比例系数；人为对数衰减率；f 为振动周期。 对某一确定的振动系统，振动周期r 与对数衰减率人为一定值。由公式( 2 1 ) 可以知道，阻尼振幅彳是随时间t 而衰减的且成指数关系。而对数衰减率人 定义为： 人：坚业生竺 ( 2 2 ) m 、 式中：人为对数衰减率；彳为振幅；m 为介质的质量。 对于扭摆振动法来说，造成振幅衰减的主要原因是液体介质的粘滞性，故 一般可以认为对数衰减率人是液体粘度和密度的函数。因此，通过测量振幅来 计算对数衰减率是扭摆振动法测量液体粘度的基础口0 。 2 2 激励力学模型的建立 按照粘性阻尼理论，自由衰减响应曲线的幅值是按照几何级数衰减的。 由扭摆振动法原理可以知道，通过检测幅频特性，能够确定液态奶的粘性指 标，而盒装液态奶的变质可直接由其粘度指标反映，所以我们可以通过自由 衰减扭摆振动测得脉冲响应曲线的振幅来间接的检测盒装液态奶的粘度指 标，进而可以判断盒装液态奶是否变质。为此先建立一个使盒装液念奶产生 自由衰减扭摆振动的激励装置及其力学模型旧，以此来产生一个自由衰减振 动曲线。激励装置的力学模型及其产生的自由衰减振动曲线如图2 1 所示。 哈尔滨理t 人学t 学硕1 j 学位论文 厩丑 渺渺 ( a ) 力学模型( b ) 自由衰减振动曲线 ( a ) m e c h a n i c sm o d e l( b ) p u l s er e s p o n s ec u r v e 图2 - 1 白由衰减扭摆振动法力学模型 f i g 2 - 1m e c h a n i c sm o d e lo ff r e ea t t e n u a t i o nt o r s i o n a lv i b r a t i o nm e t h o d 由质量块( 装置和液体奶盒) 、弹簧和阻尼器三个基本元件组成。该系统 的运动方程为： j d ，2 0 ：- + f 宰+ k o ：m ( p ) ( 2 3 ) d t 2 1 d t 、。 、。 式中：为激励装置的等效转动惯量；0 为激励装置的转动角度；f 为激励装 置的等效阻尼系数；k 为激励装置的等效刚度；m ( o ) 为脉冲激励。 式( 2 3 ) 为典型的一个二阶振动系统的数学模型，对于不同的激励m ( o ) ，系统 响应呈不同的特性。如果m ( o ) 为单位脉冲激励，则系统的时域响应为： ) 2 寿e ( v t s i n v , , 厨( 2 4 ) 式中：为激励装置的固有频率；f 为激励装置的阻尼系数。 由公式( 2 4 ) 可知，角度随时间的变化是一正弦衰减振荡曲线，该表达式为 两个因子的乘积： s i nv 厕反映的是激励后产生的周期运动性， 告e - - f v n 则反映了阻尼力的影响。该曲线的幅值衰减与阻尼系数f ：f i - l f 2 关，同时振动的频率也与阻尼系数有关，故采用该激励装置可使液态奶完成衰 减振荡。由于采用激励装置的振动受噪声等因素的影响，不能得到较好的振荡 曲线，所以需要对振荡后产生的曲线进行处理。我们采用小波变换、小波去噪 等方法对信号进行处理，然后将处理后的信号用于检测，有利于提高检测精 度。 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论义 2 3 小波变换 2 3 1 小波变换定义 小波变换是一种信号的时间一频率分析方法，具有多分辨率分析信号的特 点，而且在时域和频域内都具有表征信号局部特征的能力，是一个范围可变的 窗i = 1 方法。它可以用长的时| 、日j 问隔来获得更加精确的低频率的信号信息，用短 的时| 、日间隔_ 米获得高频率的信号信息。 为了克服傅立叶变换没有任何局部化特性和短时傅立叶变换分辨率的缺 陷，希望用于信号分解的基函数是持续时间很短的高频函数和持续时间很长的 低频函数。严格地说，就是要求这些基函数具有足够的光滑性，函数本身及其 倒数在无穷远处速降，具有紧支撑集和高阶消失矩，即小波基函数n 引。 小波是函数空间r ( r ) ( 它定义了整个实数轴r 上满足以下要求的可测函数 的全体集合，即平方可积函数ri 厂( x ) | d x 2 0 v i n l o 。( 4 - 4 5 。范同) 分辨率 0 0 0 l o 独立线性度郢5 ( o 范围)外磁场影响 0 0 6 m v g s 输入阻抗3 k 圭3 0 输出对称性 0 1 、，o u t 零点漂移 3 m v ( 2 4 h o u r ) 使片j 温度 3 0 8 0 温度漂移 0 5 m v 转动力矩 10 0 m o ( d c 5 0 0 v ) 使崩电压6 v ( d c ) 传感器输出的电压经过变送器可以直输入数据采集卡的模拟量输入通道， 使用此传感器的最大优点是其受电磁干扰小，相比使用电磁式角位移传感器可 以有效地避免同步电机的电磁干扰。图3 2 为传感器输出电压与转角的关系。 综合运用上述提到过的数据采集卡、步进电机、角位移传感器的指标，制 作出了一个简易的盒装奶无损快速检测装置及系统。如图3 5 所示。 哈尔演理丁大学丁学碗_ 学位论文 输出电压 + 5 v一一7 i i _ 4 5 。 i i 4 5 。转角 l i 一5 v 图3 4 传感器输出电压与转角的关系 f i g3 - 4 r e l a t i o n o fs e n s o r o u t p u t v o l t a g ea n da n g l e 刚3 - 5 无损检测装簧及榆测系统实物| 璺| f i g3 - 5n o n - d e s t r u c t i v et e s t i n gd e v i c ea n dd e t e c t i o ns y s t e mp h y s i e a lf i g u r e 哈尔滨理t 人学丁学硕j 学位论文 3 3 本章小结 本章介绍了盒装液态奶测试系统的硬件设计，通过对机械装置的设计来实 现二阶振动系统，并且分别讲述了步进电机