3110100279 竺涵宇 利用声学特性检测农产品品质装置的设计(ppt)

利用声学特性检测农产品品质装置的设计,3110100279 竺涵宇,生物物料的声学特性,农业物料的声学特性是指物料在声波作用下的反射特性、散射特性、透射特性、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，它们反映了声波与物料相互作用的基本规律。研究农业物料的声学特性对农业物料的检测、分类、分级等有重要的意义。近年，声学特性在农产品无损检测技术中的研究和应用发展很快。目前，美国在这方面的研究处于领先地位。,生物物料的声学特性,Abbott等人对苹果的声学特性进行了研究，发现苹果在受到声波激励后有许多共振点，还可利用苹果的声学特性测出苹果的杨氏模量、密度和泊松比等机械特性。,生物物料的声学特性,生物物料的声学特性,Sugiyamma等人为了监测甜瓜在生长过程中的成熟度，研究了甜瓜的声波响应特性，发现随着甜瓜的成熟，甜瓜的共振频率降低，据此研制出一种便携式的甜瓜硬度测定仪。,生物物料的声学特性,生物物料的声学特性,Armstrong等人通过研究桃子的声学特性，发现桃子的声波响应特性与其Effe-gi硬度具有较高的相关性，认为可以利用硬度因子作为硬度指标来检验桃子的成熟度。,生物物料的声学特性,生物物料的声学特性,Salveit等人的研究表明，西红柿在声波作用下的共振频率随贮藏时间的延长而减小，并与硬度显著相关，为西红柿的贮藏提供了技术支持。,生物物料的声学特性,生物物料的声学特性,Schotte提出了基于第一共振频率和西红柿质量的硬度检测因子，试验表明：利用该硬度因子来测定西红柿的硬度比专家主观评审具有更高的可重复性和精确度，为西红柿质量检测和评定提供了实用定量的技术参数。,生物物料的声学特性,生物物料的声学特性,Belie等人利用声脉冲响应技术对生长在梨树上的梨的硬度变化进行了实时监测， 发现梨的硬度与其声脉冲响应特性的相关性达到0.82，依此可以确定梨的适宜采收时间。,生物物料的声学特性,生物物料的声学特性,何东健等人测定了西瓜果实的打击声波曲线，研究发现：未熟果在打击瞬时，其声波振幅达到最大，随后急剧衰减，呈不规则的衰减波形；而适熟果和过熟果的振幅出现在打击之后的某一时刻，其波形上下对称，呈有规律的衰减。,生物物料的声学特性,生物物料的声学特性,王书茂等人的研究表明，含糖量作为传统的判断西瓜成熟度指标与西瓜的振动基频有较好的相关性，而且冲击振动方法是一种比较有效的西瓜成熟度无损检测方法。,生物物料的声学特性,生物物料的声学特性,饶秀勤等人利用声学特性研制出水果内部品质测试系统。,生物物料的声学特性,利用声学特性检测苹果的无损程度,Abbott等人建立苹果共振频率与弹性特性之间的关系。该理论将水果简化为多层球状弹性体,当其受到瞬态冲击时,根据弹性体振动理论建立起拉压弹性模量E与样品固有频率f及样品质量m的关系: E f2m2 /3 由此可知通过对水果固有频率的测量,可以确定其弹性模量进而检测水果的成熟程度。,利用声学特性检测苹果的无损程度,Chen P等研究发现苹果的硬度、尺寸和形状是影响苹果的声波响应特性的主要因素,并指出声音脉冲产生方法、果的测量位置和水果支持方法没有影响水果的共振频率; Clark和Robinson等人根据声波通过西瓜的衰减时间特性测量西瓜的成熟度; Salveit等和Armstrong等分别利用水果贮藏时间与共振频率之间的关系建立成熟度及硬度的测量模型。饶秀勤,应义斌等人建立一个声学特征测试平台测量西瓜含糖量与其声学特性之间的关系;李建平等提出松子的声学特性可以作为判别其是否开口的指标。,利用声学特性检测苹果的无损程度,测试系统构成测试系统的硬件构成 :左边是信号产生部分,为降低环境噪音对试验的影响,整个装置被放置在一个木盒内,中间填充一些隔音材料以保证效果。需要采集的有效信号由一个直径20mm的橡胶小球撞击待测水果产生,撞击模拟水果在受到脉冲信号作用时的响应。实验所采用橡胶球较柔软且具有弹性,可以避免损伤试验用果品,每次工作时,橡胶球由细线牵住以相同的角度撞击实验品一次后弹开,保证声音信号的可用性和一致性。,利用声学特性检测苹果的无损程度,声音信号产生后由声卡通过传声器采集,传声器选用一般音响工程中常用的驻极体话筒。以往的试验以及资料表明,撞击所产生的有效声音信号一般分布在33000Hz范围内,采用话筒作为传声器是完全符合试验要求的;声音信号的A /D转换由计算机中的声卡来完成,目前PC机中声卡的采样率通常为44kHz,根据采样定理的要求, 3Hz3kHz范围的声音信号需要的采样频率应为6kHz以上即可,显然采用声卡作为A /D转换也是符合要求的;而后期的声音信号处理,包括滤波、去噪等皆由软件来实现。,利用声学特性检测苹果的无损程度,测试系统的软件构成 :该软件采用C + +编制,包括声音信号采集和保存模块、采集参数设置模块、数据显示模块、数据处理和分析模块。,利用声学特性检测苹果的无损程度,声音信号采集和保存模块负责通过声卡采集声音数据信号,当信号通过数据分析模块处理后,把声音信号和频谱信号以文本格式输出,并附加试验编号、测试日期等信息以便管理。 采集参数设置模块完成设置数据采集的参数,如采样频率、采样长度等。数据显示模块承担显示采集到的声音信号和处理得到的频谱数据,并可以使用不同的颜色显示出几组数据以方便比较。数据处理和分析模块完成对声音信号进行滤波降噪等处理以得到有效信号,然后将时域信号转换成为频谱数据进行分析。,利用声学特性检测苹果的无损程度,试验及数据处理 系统稳定性测试：下图是在没有样品的情况下,小球直接撞击话筒数次得到的声音信号的频谱图,从该频谱图可以看出,整个实验系统的一致性和可重复性是可以信赖的。,频率/Hz 系统稳定性测试,利用声学特性检测苹果的无损程度,声学特性试验 选取两组红富士苹果,第一组用来测试贮藏时间对苹果声学特性的影响,其中大苹果4只,直径约12cm左右,重量约220g上下;小苹果4只,直径约9cm左右,重量180g上下。将苹果经过敲击测试后放在通风干燥处, 20d和40d以后各测试一次,以模拟贮藏时间过长失去水分的状态。第二组样品用于测试不同质量苹果受敲击后的声音特性,样品分为3组质量数据 。试验时每只苹果在不同部位进行3次敲击,受敲击后发出的声音由声卡转换后被测试软件记录。,利用声学特性检测苹果的无损程度,声音数据的处理主要由MATLAB软件来完成,被记录的声音数据首先经过软件数字滤波,以消除噪声的影响。然后对信号进行加窗,截取出声音信号中反映受敲击发声的有效信号段。接着通过时频变换分析截取出信号的频域特性,以得到影响苹果受敲击发生的几个因素和其影响的趋势。,利用声学特性检测苹果的无损程度,贮藏时间对苹果声学特性的影响 贮藏时间影响苹果的含水量、质地等指标, 4只大苹果的频谱数据取均值以后得到的曲线,可以看出随着贮藏时间变长,苹果的声音特性发生相应的变化。,频率/Hz 不同存放时间的苹果之间频谱比较,利用声学特性检测苹果的无损程度,从上表中可以看出,贮藏过的苹果受到敲击以后发出的声音在频谱峰值上明显小于新鲜的苹果,从人耳的听觉上来说干瘪的苹果受到敲击发出的声音是很微弱的。而从图4推测,苹果的含水量对苹果受激发声的频率分布影响不大,其中新鲜苹果的出峰频率在106Hz处, 而贮藏过的苹果出峰频率则在127Hz处,两者靠得很近,还不排除受到质量因素的影响,所以对苹果含水量的检测,主要可以通过受激发声的总强度和频率峰值来判断,声音强度越大的苹果越新鲜。,质量对苹果声学特性的影响,质量也是苹果检测和分类时的重要指标之一,表2的数据指出210g苹果的第一个谐振点及响应的基频在靠近100Hz处,二倍频在靠近200Hz处,两个波峰之间的能量分布较为平均; 200g苹果的基频则出现在靠200Hz处,二倍频出现在靠近400Hz处,而振动的能量更集中在基频附近,其第一个谐振点处的幅频响应甚至会高于体积较大的苹果; 180g苹果则没有明显的二倍频波峰,能量集中于基频处。从能量的角度推测,较小的苹果在受到撞击时,由于体积较小,声音在苹果内部产生的效应少,能量被集中释放出来;而较大的苹果在受到冲击时,声音能量容易在苹果内部经过一系列反射、折射等作用后才释放出来,表现在频谱上则可以看出能量分布更均匀一些。所以从声学特性上来看,苹果的体积越小,受振动发出声音频率越高,而声音能量也越集中分布于基频附近。,利用声学特性检测苹果的无损程度,利用声学特性检测苹果的无损程度,频率/Hz 质量不同的苹果之间频谱比较,从这几种水果受激发声的频谱特征上可以看出利用水果的声音特性来对水果进行无损检测是具有普遍的适用前景的从试验数据的分析可以看出,通过对苹果声学特性的检测来评价苹果的水分、体积等指标进而对苹果的质量给出综合的评估是可行的。利用这种方法建立的水果无损检测系统在水果的分类、评价以及病虫害测量等方面都显现出良好的应用前景。,利用声学特性检测苹果的无损程度,参考文献,1应义斌,蔡东平,何卫国等. 农产品声学特性及其在品质无损检测中的应用J,农业工程学报, 1997, 13 (3) : 2082122饶秀勤,应义斌,吕飞铃等. 水果声学特性测试系统的研制J,农业机械学报, 2004, 35 (2) : 69713 葛屯,徐凌,夏恒. 利用振动理论对西瓜成熟度进行无损检测的研究J,农业工程学报, 1998, 14 (2) : 2312344陈积懋. 声学综合无损检测技术J ,中国工程科学,2004, 2 (4) : 64695 郭文川,朱新华. 果品内在品质无损检测技术的研究进展J,农业工程学报, 2001, 17 (5) : 15,参考文献,6 周祖谔，农业物料学M.北京：中国农业出版社，1994.7 何东健等. 西瓜打击音波特性的研究J,西北农业大学学报, 1994, 22 (3) : 1051078 梅秀庄,宋京伟,刘举平. 基于声卡的信号采集系统设