CN102156169B - 一种鸡蛋蛋壳强度在线无损检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种针对禽蛋蛋壳强度的检测领域，特指基于敲击响应信号分析的禽蛋蛋壳强度在线快速无损检测方法及装置。由禽蛋敲击响应信号采集和处理硬件系统及信号分析软件系统组成；禽蛋放置在支撑滚轮上，随着高速运行、水平传送的生产线滚动前行，在传送带支架上有4个轨道完成对受测禽蛋进行机械敲击，禽蛋每经过一个敲击轨道时，就由永磁式电磁铁带动敲击棒执行敲击命令，实现对受检禽蛋的机械敲击，其响应信号由麦克风采集，并由DSP系统处理并分析信号，通过标准库模型得出禽蛋强度的在线检测结果。可全面采集并分析禽蛋蛋壳敲击响应信号，实现禽蛋蛋壳强度的自动、快速检测并分级，加快禽蛋生产加工和流通过程中的自动化检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对鸡蛋蛋壳强度的检测领域，特指基于敲击响应信号分析的鸡蛋蛋壳强度在线快速无损检测方法及装置。
背景技术
鸡蛋在生产、加工和销售过程中容易破损，微生物等有害物质易从破损处侵害鸡蛋，导致新鲜度降低，腐败变质，甚至污染其它鸡蛋。据统计，美国每年约有6%的鸡蛋因蛋壳破损而浪费，造成的经济损失达到7000多万美元。我国每年鸡蛋的此类损耗占总产量的10%左右。因此，破损是鸡蛋蛋壳质量最重要的检测指标之一。此外，要减少蛋壳破损造成的损失，对鸡蛋蛋壳强度进行预测并分级，以避免过载造成的破损，则能从源头上控制蛋壳质量，减少损失。
准静态压缩法是鸡蛋蛋壳强度的常规检测方法。该方法对鸡蛋进行准静态压缩测试其强度，鸡蛋压缩破损前的承受应力称为最大承受应力，即为受测鸡蛋的蛋壳强度。准静态压缩法检测结果比较准确客观，可用于鸡蛋蛋壳强度的抽样检测。但由于鸡蛋之间蛋壳强度差异较大，需逐一检测每个鸡蛋，进而根据其蛋壳强度值进行分类，才能减少过载造成的蛋壳破损。因此，一种快速、无损鸡蛋蛋壳质量检测方法和装置的研制显得尤为重要。当鸡蛋的蛋壳强度发生变化时，其结构刚度和阻尼系数将随之变化，必然会反映到其模态固有频率和阻尼比上。经验数据表明，固有频率随着蛋壳强度的降低而下降，其阻尼比则随着蛋壳强度的下降而增大。由于阻尼比的增大，导致振动传播受阻。因此，蛋壳强度较高的完好鸡蛋受冲击发出的声音发声清脆，蛋壳强度较低的鸡蛋相对比较沉闷，利用这种敲击振动响应信号特性的差异，可区分出鸡蛋蛋壳强度的差异。
日本、荷兰等发达国家均对鸡蛋蛋壳强度进行检测并分级。中国刚开始这方面的研究，还很不完善和规范。周平、蔡健荣、林颢在《食品科技》35卷2期(2010年)中发表了“基于声学特性的鸡蛋蛋壳强度检测的研究”，在静态条件下尝试利用声学特性检测鸡蛋蛋壳强度的可行性。由于我国鸡蛋产量大（年产量超过2500万吨），价格低廉，因此，为了减少鸡蛋检测的附加费用，一种快速、可实时处理大量鸡蛋蛋壳强度检测方法和装置的研制，显得尤为重要。经检索，目前还没有鸡蛋蛋壳强度在线检测方法及装置研究的报道。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种基于敲击响应信号分析的鸡蛋蛋壳强度在线无损检测方法及装置，该装置可全面采集并分析鸡蛋蛋壳强度信息，该方法可应用于鸡蛋生产加工和流通过程中的自动化检测。
本发明提供了一种鸡蛋蛋壳强度在线无损检测方法，按照下述步骤进行：
（1）鸡蛋敲击响应信号的产生：将受测鸡蛋放置在支撑滚轮上，随着滚轮向前高速滚动前行，鸡蛋每经过一个敲击轨道时产生一个电压信号，此信号传送至单片机的I/O口，当单片机检测到此信号后发出相应的控制信号，驱动永磁式电磁铁，永磁式电磁铁带动敲击棒执行敲击命令，实现对受检鸡蛋的敲击；每个鸡蛋分别在4个敲击轨道上共经历4次机械敲击并相应地产生4个敲击响应信号，并通过协调鸡蛋的水平向前运行速度、滚动速度和敲击点的位置，使4个敲击点分别落在鸡蛋蛋壳的不同经度和纬度位置上；
（2）鸡蛋敲击响应信号的采集及预处理：产生的每个鸡蛋的敲击响应信号经麦克风的采集后转换为模拟电信号，通过放大电路将信号放大；并采用巴特沃斯带通滤波器对信号进行滤波去噪；滤波处理后的模拟电信号通过自适应的调理电路，将信号调理至2-2.5v进入信号处理器系统，通过信号处理器系统自带的模数转换器将每次采集的鸡蛋敲击响应模拟电信号转换成时域数字信号；并通过基线校正去除基线漂移，输送进入信号处理器系统做进一步处理分析；
（3）鸡蛋敲击响应信号分析：在信号处理器系统内设置阈值触发，当所得信号判断为鸡蛋蛋壳强度敲击响应信号时，软件系统即开始采集信号并进行快速傅立叶变换，将信号从时域空间转换到频率空间，并采用自适应滤波方法对响应信号进行处理；利用联合区间偏最小二乘法选取响应信号频率域的特征区域，然后通过逐步回归法从特征区域中再选取与蛋壳硬度信息相关性强的特征频率；
（4）鸡蛋蛋壳强度检测模型的建立：挑选一批蛋壳完好的鸡蛋样本作为标准样本建立一个标准库，在信号处理器系统中取4次敲击响应信号功率谱的均值作为最后结果，采用多元线性回归建立响应信号功率谱的均值与采用常规准静态压缩法获取的每个鸡蛋蛋壳强度值之间的相关预测模型，即为标准库中鸡蛋蛋壳强度检测模型；
通过上述模型对受测鸡蛋的敲击响应信号均值进行分析，获得鸡蛋蛋壳强度预测值。
其中所述的步骤（1）的向前运行速度为0.236m/s，滚动速度为0.735s/圈，两个敲击点的位置距离为0.49m。
本发明还提供了一种鸡蛋蛋壳强度在线检测装置，该装置包括传送带支架、支撑滚轮、敲击轨道、红外发射器和红外接收器、永磁式电磁铁、敲击棒、麦克风、放大电路、DSP系统；其中支撑滚轮在传送带上，由传送带带动其滚动前行，在传送带支架上安装4个敲击轨道，每个轨道下方的两侧分别连接了红外发射器和红外接收器，永磁式电磁铁安装在敲击轨道上方，电磁铁上连接着敲击棒，麦克风安装在敲击棒附近，通过放大电路连接到DSP系统上。上述装置的工作过程：受测鸡蛋放置在支撑滚轮上，随着高速运行、水平传送的生产线滚动前行，鸡蛋每经过一个敲击轨道时，就由永磁式电磁铁带动敲击棒执行敲击命令，实现对受检鸡蛋的机械敲击，麦克风采集敲击响应信号经过放大电路传送到DSP系统中处理。
所述的支撑滚轮材料为经改造的工程塑料，在本发明中实现支撑鸡蛋并带动其滚动前行的功能，其特征是：（1）刚度适中，比鸡蛋蛋壳强度略低，使其在运行和敲击过程中不易破损，有一定的弹性，使鸡蛋在敲击过程中能充分自由振动，以便将蛋壳结构特征充分表现出来；（2）形状是综合多个鸡蛋投影而成的，可使鸡蛋平稳前行，且受机械敲击能自由振动。（3）有一定的摩擦性，可与传送装置的底板摩擦滚动前行，且与鸡蛋充分接触，带动其滚动前行，但又不过于粗糙，以至于摩擦声音太大，干扰鸡蛋敲击响应信号的识别。
所述的敲击棒是特为检测蛋壳强度设计的，敲击棒的材料刚度较大（硬铝），可实现对鸡蛋的刚性冲击，使蛋壳强度的特征尽可能充分地被激发及采集，敲击棒与鸡蛋接触面的形状为与蛋壳赤道相近的弧形，机械敲击时，敲击棒与蛋壳的接触面积较大而不至于将蛋壳敲破。
本发明的有益效果是：
1. 研制的在线检测系统，可全面采集并分析鸡蛋蛋壳敲击响应信号，实现鸡蛋蛋壳强度的自动、快速检测并分级，并加快鸡蛋生产加工和流通过程中的自动化检测进程。
2. 每个鸡蛋蛋壳硬度检测时间为0.25S，蛋壳强度检测结果误差率小于4%，可满足在线检测的速度需求和鸡蛋蛋壳质量分级的精度需求。
3. 本发明提供了柔性技术，不仅可以检测鸡蛋的蛋壳强度，也可以检测鸡蛋的蛋壳破损。此外，还可以根据受检物料，更换支撑平台，在线检测水果的损伤、强度、成熟度等物理结构特征。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1 鸡蛋蛋壳强度在线检测系统的结构框架图；
图中： 1、支撑滚轮，2、传送带支架，3、敲击轨道，4、红外发射器，5、红外接收器，6、永磁式电磁铁，7、敲击棒，8、单片机，9、DSP系统，10、麦克风，11、放大电路。
图2 鸡蛋蛋壳强度敲击振动响应信号检测系统流程图。
图3联合区间偏最小二乘法结合逐步回归法提取鸡蛋敲击响应信号特征频率（3175.36Hz， 2220.98 Hz， 6143.82 Hz， 3379.3 Hz）。
具体实施方式
本发明对禽蛋的蛋壳强度在线无损检测具有通用性，在此以鸡蛋为例，介绍本发明对鸡蛋强度检测的实施过程。
如图1所示，一种鸡蛋蛋壳强度在线检测装置，该装置包括传送带支架 2 、支撑滚轮 1 、敲击轨道 3 、红外发射器 4 和红外接收器 5 、永磁式电磁铁 6 、敲击棒 7 、麦克风 10 、放大电路 11 、DSP系统 9 ；其中支撑滚轮 1 在传送带上，由传送带带动其滚动前行；在传送带支架 2 上安装4个敲击轨道 3 ，每个敲击轨道下方的两侧分别连接了红外发射器 4 和红外接收器 5 ，实现鸡蛋到达时触发敲击的功能；永磁式电磁铁 6 安装在敲击轨道上方，驱动敲击棒进行机械敲击；永磁式电磁铁分别与敲击棒 7 和单片机 8 和DSP系统 9 相连，麦克风 10 安装在敲击棒附近采集鸡蛋敲击响应信号，通过放大电路 11 连接到DSP系统 9 上。
一种鸡蛋蛋壳强度在线无损检测方法，按照下述步骤进行：
1. 鸡蛋敲击响应信号的采集：如图1所示，将受测鸡蛋放置在支撑滚轮 1 上，随着滚轮向前高速滚动前行，在传送带支架 2 上有4个敲击轨道 3 完成对鸡蛋蛋壳不同位置进行机械敲击。在每一个敲击轨道上安装一对红外发射器 4 和红外接收器 5 ，当无鸡蛋通过时，红外接收器可接收到38kHz的红外光，敲击装置保持静止。鸡蛋每经过一个敲击轨道时，就切断了红外接收器所接收的信号，产生了一个电压信号，此信号传送至单片机的I/O口，当单片机 8 检测到此信号后发出相应的控制信号，驱动永磁式电磁铁 6 ，永磁式电磁铁带动敲击棒 7 执行敲击命令，实现对受检鸡蛋的敲击。在红外触发单片机 8 的同时，也触发开启DSP (TMS320F2812) 系统 9 ，使DSP系统处于工作状态。每个鸡蛋蛋壳强度的测定需经历4次敲击，为了保证敲击位置的不重叠，受测鸡蛋的敲击点在经度方向上，2次敲击的位置在赤道和大头之间的区域，2次敲击在赤道和小头之间的区域；同时，综合协调鸡蛋的水平向前运行速度 （0.236m/s） ，滚动速度（0.735s/圈），两个敲击点的位置（0.49m），红外的位置，及触发到敲击的时间等因素，使每2次敲击在纬度上的位置距离为90-180度之间。这样，每个鸡蛋在硬度测试过程中所经历4次敲击点可落在在蛋壳表面的不同位置，即可从整体上判别鸡蛋的蛋壳强度。
2. 鸡蛋敲击响应信号处理：鸡蛋蛋壳受到自动敲击后发出响应信号，此信号经麦克风 10 的采集后转换为模拟电信号，通过放大电路 11 对信号放大，并通过巴特沃斯带通滤波器（1000-6800Hz） 对信号进行滤波去噪，去除环境高低频信号的影响，并通过自适应信号调理电路将模拟电信号调理到2-2.5V（DSP系统最适宜信号范围）之间，进入DSP系统。DSP系统中自带的A/D转换器将每次采集的鸡蛋敲击响应模拟信号转换为时域数字信号，并通过基线校正去除基线漂移，输送进入DSP系统编译的软件进一步处理分析。
3. 鸡蛋敲击响应信号分析：在DSP软件系统内设置阈值触发，当所得信号判断为鸡蛋蛋壳强度敲击响应信号时，软件系统即开始采集信号并进行快速傅立叶（256点）变换，将信号从时域空间转换到频率空间进行处理，并采用自适应滤波方法对响应信号进行处理。为了满足在线检测的速度需求，采用联合区间偏最小二乘算法结合多元线性法中的逐步回归提取特征频率。首先利用联合区间偏最小二乘法选取响应信号频率域的特征区域 （通过相应的优化处理，选取了4个区域），然后通过逐步回归法从4个特征区域中再选取与蛋壳硬度信息相关性强的特征频率；所选取鸡蛋敲击响应信号频率分别为3175.36 Hz，2220.98 Hz，6143.82 Hz，3379.3 Hz。
4. 鸡蛋蛋壳强度检测模型的建立：挑选一批蛋壳完好的鸡蛋样本（一般大于200个样本）作为标准样本建立一个标准库，每个鸡蛋敲击4次，在信号处理器系统中取4次敲击响应信号功率谱的均值作为最后结果，采用多元线性回归建立响应信号功率谱的均值，采用常规准静态压缩法（标准测定方法）获取鸡蛋蛋壳强度值，采用联合区间偏最小二乘法结合逐步回归法，将响应信号的功率谱均值与准静态压缩法得到的蛋壳强度值建立相关模型。利用多元线性回归建立其与准静态压缩法测定结果预测模型，回归方程为Y=38.139+8.169X 3175.36-2.219X 2220.98 + 18.319X 6143.82 - 4.282X 3379.3，即为标准库中鸡蛋蛋壳强度检测模型。
对于一个鸡蛋样本，要检测其蛋壳强度，可通过上述步骤对其机械敲击，采集敲击响应信号，并信号处理、分析，采用联合区间偏最小二乘法结合逐步回归法选取的特征频率，经过标准库中相应的检测模型预测鸡蛋蛋壳强度，并通过上下位机通讯输送至计算机界面上显示，至此该鸡蛋蛋壳强度测试结束。在本发明中，每个鸡蛋的信号采集、处理分析及结果显示的时间小于20 ms，蛋壳强度检测结果误差率小于4%，完全满足在线检测的速度需求和鸡蛋蛋壳质量分级的精度需求。
Claims (1)
1.一种鸡蛋蛋壳强度在线无损检测方法，其特征在于按照下述步骤进行：
（1）鸡蛋敲击响应信号的产生：将受测鸡蛋放置在支撑滚轮上，随着滚轮向前高速滚动前行，鸡蛋每经过一个敲击轨道时产生一个电压信号，此信号传送至单片机的I/O口，当单片机检测到此信号后发出相应的控制信号，驱动永磁式电磁铁，永磁式电磁铁带动敲击棒执行敲击命令，实现对受检鸡蛋的敲击；每个鸡蛋分别在4个敲击轨道上共经历4次机械敲击并相应地产生4个敲击响应信号，并通过协调鸡蛋的水平向前运行速度、滚动速度和敲击点的位置，使4个敲击点分别落在鸡蛋蛋壳的不同经度和纬度位置上；
（2）鸡蛋敲击响应信号的采集及预处理：产生的每个鸡蛋的敲击响应信号经麦克风的采集后转换为模拟电信号，通过放大电路将信号放大；并采用巴特沃斯带通滤波器对信号进行滤波去噪；滤波处理后的模拟电信号通过自适应的调理电路，将信号调理至2-2.5v进入信号处理器系统，通过信号处理器系统自带的模数转换器将每次采集的鸡蛋敲击响应模拟电信号转换成时域数字信号；并通过基线校正去除基线漂移，输送进入信号处理器系统做进一步处理分析；
（3）鸡蛋敲击响应信号分析：在信号处理器系统内设置阈值触发，当所得信号判断为鸡蛋蛋壳强度敲击响应信号时，软件系统即开始采集信号并进行快速傅立叶变换，将信号从时域空间转换到频率空间，并采用自适应滤波方法对响应信号进行处理；利用联合区间偏最小二乘法选取响应信号频率域的特征区域，然后通过逐步回归法从特征区域中再选取与蛋壳硬度信息相关性强的特征频率；
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通过上述模型对受测鸡蛋的敲击响应信号均值进行分析，获得鸡蛋蛋壳强度预测值。
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