CN103308423A

CN103308423A - 西瓜密度在线检测方法与装置

Info

Publication number: CN103308423A
Application number: CN2013102414011A
Authority: CN
Inventors: 徐惠荣; 陈华瑞; 鲍军其; 应义斌
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-06-17
Filing date: 2013-06-17
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2033-06-17
Also published as: CN103308423B

Abstract

本发明公开了一种西瓜密度在线检测方法与装置，该装置包括检测系统、输送系统和控制系统，该方法为：将西瓜放入共振腔体后，将一定频率的调频波输入共振腔体，引起共振腔体内部空气振动产生共振，再将共振信号经快速傅里叶变换提取出共振频率，从而得到西瓜的体积，最后由西瓜质量除以西瓜体积得到西瓜的密度。本发明可进行快速、无损、精确地完成西瓜质量和体积的在线检测。本发明设计了两种输送系统，实现西瓜检测时的自动化，可提高检测速度，降低人工带来的误差，提高检测精度。对于目前西瓜体积检测手段少、传统方法费时费力提出了一种新的思路，并为后续品质检测分级提供了新的技术手段。

Description

西瓜密度在线检测方法与装置

技术领域

本发明涉及一种利用亥姆霍兹共振在线检测西瓜密度的方法和装置。

背景技术

西瓜既解渴爽口，又营养丰富，深受人民的喜爱。随着现代人们的生活水平的提高，消费市场对西瓜的需求也发生了变化，不仅要求有好的风味品质，而且在品种的商品性等方面都提出了很高要求。目前对西瓜的无损检测方法，应用最多的是敲击声学特性和振动特性，主要原因是技术和设备上的要求比较简单，价格低廉。但是，这种方法存在着一定的局限性，尤其在检测过程中难以避免环境中的噪声干扰，此外，西瓜果形不规则，大小不一，结构明显不均匀，单点测试无法获得所有的内部信息，难以达到预测要求。对于用密度法进行西瓜品质无损检测，主要问题在于没有价格低廉、可靠、准确快速的体积干测方法，如果采用排水法测定西瓜体积，则西瓜的保鲜时间将大大下降，而且也不适用于在线检测和分级。虽然也有一些学者在致力于研究用于体积检测的设备，但是离实际应用还有一定的距离。因而开发出一种新型快速无损的西瓜体积实时检测方法，结合电子称重对西瓜质量的精确测量从而得出西瓜密度信息，可以为西瓜品质检测、分级提供有利手段。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种西瓜密度在线检测方法与装置。本发明将亥姆霍兹共振技术应用于西瓜体积的实时快速检测，并通过测量西瓜的质量得出西瓜的密度，从而为西瓜品质实时检测分级提供的理论依据及技术手段。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种西瓜密度在线检测方法，其特征在于，该方法具体为：将西瓜放入共振腔体后，将一定频率的调频波输入共振腔体，引起共振腔体内部空气振动产生共振，再将共振信号经快速傅里叶变换提取出共振频率，通过下式得到西瓜的体积：

；

式中，V是被测物西瓜的体积，W是共振腔体的容积，f ₀是空共振腔体的共振频率，f _p是西瓜放入共振腔体后的共振频率，b是校正系数；最后由西瓜质量除以西瓜体积得到西瓜的密度。

一种西瓜密度在线检测装置，它包括检测系统、输送系统和控制系统；其中，所述检测系统主要由共振腔体、共振腔底盖、安装架、可调支座、信号发生器、放大器、扬声器、扬声器支座、传声器、数据采集卡、重力传感器、托板和气缸组成；所述共振腔体固定在安装架上，传声器固定在共振腔体的细颈上并高度可调，扬声器通过扬声器支座安装在共振腔体的细颈正上方，扬声器支座通过定位螺钉实现高度上下调节，重力传感器与气缸上的活塞固定连接，托板固定在重力传感器上，信号发生器、放大器和扬声器依次相连，传声器与数据采集卡相连；所述输送系统主要由倍速链、导轨、机架、电机、动力链、链轮、侧板、输送托、第一阻挡器、第二阻挡器组成；所述倍速链安装在导轨上，导轨固定在机架上，由电机通过动力链和链轮驱动；电机安装在机架的侧板上，第一阻挡器安装在机架上，位于两条倍速链的中间，上升状态阻挡置于倍速链上的输送托前行，下降状态时输送托可通过；所述控制系统由PLC、控制台、第一接近开关、第二接近开关、第三接近开关、工控机、变频器、气动控制阀组成；第一接近开关安装在安装架上，检测共振腔底盖是否合上；第二接近开关安装在检测工位右侧，检测输送托是否离开检测工位；第三接近开关安装在检测工位左侧，检测输送托是否进入检测工位；变频器、PLC和开关电源安装在控制柜内，变频器与电机相连，控制电机的转速；第一接近开关、第二接近开关、第三接近开关、第一阻挡器、第二阻挡器、变频器和气动控制阀均与PLC相连，气动控制阀安装在安装架上，工控机与数据采集卡相连。

一种西瓜密度在线检测装置，它包括检测系统、输送系统和控制系统；其中，所述检测系统主要由共振腔体、共振腔底盖、安装架、可调支座、信号发生器、放大器、扬声器、扬声器支座、传声器、数据采集卡、重力传感器、托板和气缸组成；所述共振腔体固定在安装架上，传声器固定在共振腔体的细颈上并高度可调，扬声器通过扬声器支座安装在共振腔体的细颈正上方，扬声器支座通过定位螺钉实现高度上下调节，重力传感器与气缸上的活塞固定连接，托板固定在重力传感器上，信号发生器、放大器和扬声器依次相连，传声器与数据采集卡相连；所述输送系统由倍速链、第二西瓜托盘、第三阻挡器、第一拨杆、第二拨杆、第一气动马达、第二气动马达、过渡板和导向条组成；所述所述倍速链安装在导轨上，构成倍速链传动装置；第一拨杆和第二拨杆分别安装在第一气动马达和第二气动马达轴端，第一气动马达安装在左侧的倍速链外侧，第二气动马达安装在过渡板上，过渡板固定在安装架上，与倍速链上侧处于同一水平面；导向条分别安装在过渡板和共振腔底盖上，置于倍速链上的第二西瓜托盘通过倍速链输送到传动装置左侧时，第三阻挡器工作，阻挡后面的第二西瓜托盘前进，同时第一气动马达工作带动第一拨杆转动，将第二西瓜托盘在导向条的限位下推入检测工位O的共振腔底盖上，检测完成后第二气动马达工作带动第二拨杆转动，将第二西瓜托盘推入检测系统右侧的倍速链传动装置上；所述控制系统由PLC、工控机、第四接近开关、第五接近开关、第六接近开关、变频器、气动控制阀组成；第四接近开关安装在检测系统左侧倍速链上，以检测第二西瓜托盘是否到达检测系统入口处；第五接近开关安装在安装架上，以检测共振腔底盖是否合上；第六接近开关安装在检测系统右侧倍速链上，检测第二西瓜托盘是否离开检测系统；变频器、PLC和开关电源安装在控制柜内，变频器与电机相连，控制电机的转速；第五接近开关、第六接近开关、变频器、第三阻挡器和气动控制阀均与PLC相连，气动控制阀安装在安装架上，工控机与数据采集卡相连。

本发明具有的有益效果是：本发明基于亥姆霍兹共振系统提出了一种新型检测西瓜密度的方法与装置，可进行快速、无损、精确地完成西瓜质量和体积的在线检测。本发明设计了两种输送系统，实现西瓜检测时的自动化，可提高检测速度，降低人工带来的误差，提高检测精度。对于目前西瓜体积检测手段少、传统方法费时费力提出了一种新的思路，并为后续品质检测分级提供了新的技术手段。

附图说明

图1是实施例1的结构主视图；

图2是实施例1的左视图；

图3是实施例1的局部俯视图；

图4是实施例1中的输送托示意图；

图5是实施例1的过程控制示意图；

图6是实施例2的结构主视图；

图7是实施例2的左视图；

图8-图10是实施例2中拨杆工作过程示意图；

图11是实施例2的过程控制示意图；

图中：共振腔体1、共振腔底盖2、传声器3、扬声器4、；放大器5、信号发生器6、数据采集卡7；托板8、重力传感器9、扬声器支座10、定位螺钉11、内六角螺栓12、安装架13、可调支座14、 O型密封圈15、倍速链17、导轨18、气缸19、机架20、电机21、动力链22、链轮23、侧板24、输送托25、第一西瓜托盘26、第一阻挡器27、第二阻挡器28、脚座29、控制台30、第三阻挡器35、导向条36、过渡板37、第一拨杆38、第一气动马达39、第二拨杆40、第二气动马达41、第二西瓜托盘42、第一接近开关31、第二接近开关32、第三接近开关33、工控机34、第四接近开关43、第五接近开关44、第六接近开关45、西瓜46。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

本发明西瓜密度在线检测方法具体为：将西瓜放入共振腔体后，将一定频率的调频波输入共振腔体，引起共振腔体内部空气振动产生共振，再将共振信号经快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）提取出共振频率，通过下式得到西瓜的体积：

；

式中，V是被测物西瓜的体积，W是共振腔体的容积，f ₀是空共振腔体的共振频率，f _p是西瓜放入共振腔体后的共振频率，b是校正系数。

最后由西瓜质量除以西瓜体积得到西瓜的密度。

本发明为实现西瓜密度在线检测方法提供了两种西瓜密度在线检测装置，这两种装置均包括检测系统、输送系统和控制系统。

实施例1

如图1和图2所示，检测系统主要由共振腔体1、共振腔底盖2、安装架13、可调支座14、信号发生器6、放大器5、扬声器4、扬声器支座10、传声器3、数据采集卡7、重力传感器9、托板8和气缸19组成。共振腔体1通过内六角螺栓12固定在安装架13上，传声器3固定在共振腔体1的细颈16上并高度可调，扬声器4通过扬声器支座10安装在共振腔体1的细颈16正上方，扬声器支座10通过定位螺钉11实现高度上下调节，重力传感器9与气缸19上的活塞固定连接，托板8固定在重力传感器9上。检测时，当西瓜46输送至检测工位O时，气缸19的活塞顶起托板8，托板8将共振腔底盖2及其上方的西瓜46提升至体积检测单元的共振腔体1内，读取此时重力传感器9的读数，就可以获取西瓜46的质量信息。共振腔底盖2与共振腔体1形成密封，触发数据采集卡7通过传声器3采集由信号发生器6、放大器5和扬声器4发出的声波在密封后的共振腔体1内产生的共振信号，并传送至控制系统进行体积计算。

如图1、图2、图3和图4所示，输送系统主要由倍速链17、导轨18、机架20、电机21、动力链22、链轮23、侧板24、输送托25、第一阻挡器 27、第二阻挡器 28组成；倍速链17安装在导轨18上，导轨18固定在机架20上，由电机21通过动力链22和链轮23驱动。电机21安装在机架20的侧板24上，第一阻挡器27安装在机架20上，位于两条倍速链17的中间，上升状态阻挡置于倍速链17上的输送托25前行，下降状态时输送托25可通过；随着倍速链17向前输送，位于输送托25内共振腔底盖2上的第一西瓜托盘26向前输送，到达检测工位O时，第一阻挡器 27工作，阻挡后面的输送托25前进，同时第二阻挡器28工作，阻挡输送托25前进。

如图1、图2所示，控制系统由PLC（图中未示出）、控制台30、第一接近开关31、第二接近开关 32、第三接近开关 33、工控机34、变频器（图中未示出）、气动控制阀（图中未示出）等组成。第一接近开关31安装在安装架13上，以检测共振腔底盖2是否合上。第二接近开关 32安装在检测工位O右侧，以检测输送托25是否离开检测工位O。第三接近开关 33安装在检测工位O左侧，以检测输送托25是否进入检测工位O。变频器、PLC和开关电源安装在控制柜内，变频器控制电机21的转速；接近开关、变频器、阻挡器和气动控制阀的数据线与PLC相连，PLC用以控制接近开关、变频器、阻挡器和驱动控制阀的状态。开关电源为PLC和变频器提供电源；气动控制阀安装在接近气缸19的安装架13上，用以控制气缸19的状态；控制柜安放在控制台30上。工控机34置于控制台30上，用于控制、运算和数据的显示。信号发生器6、放大器5和数据采集卡7放置在控制台30上，用于体积检测共振信号的触发、采集等。

下面结合图1~图5介绍实施例1的工作过程：

如图1、图2、图3、图4和图5所示，当输送托25承载西瓜46完全通过第三接近开关 33，第三接近开关33脉冲呈下降沿时触发第一阻挡器 23上升，防止后续输送托25前行，同时触发第二阻挡器28上升，带有被检测西瓜46的输送托25在检测工位O停止。控制气缸19工作顶升托板8，使得共振腔底盖2脱离输送托25，在顶升过程中工控机34读取托板8下方重力传感器9的数值，以此可以得出西瓜46质量信息。气缸19继续顶升托板8上升至L距离后，共振腔底盖2与共振腔体1合上后，第一接近开关31脉冲呈上升沿，检测系统进行西瓜体积检测，以此可以得到西瓜46的体积信息。停留t秒，检测完成后，气缸19下降L距离，检测后的西瓜46和共振腔底盖2随着托板8回到检测工位O上的输送托25内，第二阻挡器 28下降，输送托25随倍速链17向右运动，当输送托25通过第二接近开关32，第二接近开关 32脉冲呈上升沿时触发第一阻挡器 27下降，以便后续西瓜46进入检测工位O；至此，一个循环结束。

实施例2

检测系统同实施例1。

如图6、图7、图8、图9和图10所示，输送系统由倍速链17、第二西瓜托盘42、第三阻挡器35、第一拨杆38、第二拨杆40、第一气动马达 39、第二气动马达 41、过渡板37和导向条36组成。倍速链传动与输送系统（实施例1）相同；第一拨杆38、第二拨杆40分别安装在第一气动马达39、第二气动马达41轴端，第一气动马达39安装在左侧的倍速链传动装置外侧，第二气动马达41安装在过渡板37上，过渡板37固定在安装架13上，与倍速链传动装置上侧处于同一水平面。导向条36分别安装在过渡板37和共振腔底盖2上，置于倍速链17上的第二西瓜托盘 38通过倍速链17输送到传动装置左侧时，第三阻挡器 35工作，阻挡后面的第二西瓜托盘42前进，同时第一气动马达39工作带动第一拨杆38转动，将第二西瓜托盘 38在导向条36的限位下推入检测工位O的共振腔底盖2上，检测完成后第二气动马达 41工作带动第二拨杆 36转动，将第二西瓜托盘42推入检测系统右侧的倍速链传动装置上。

如图6和图7所示，控制系统由PLC（图中未示出）、工控机34、第四接近开关 43、第五接近开关 44、第六接近开关 45、变频器（图中未示出）、气动控制阀（图中未示出）等组成。第四接近开关43安装在检测系统左侧倍速链传动装置上，以检测第二西瓜托盘42是否到达检测系统入口处；第五接近开关 44安装在安装架13上，以检测共振腔底盖2是否合上；第六接近开关 45安装在检测系统右侧倍速链传动装置上，以检测第二西瓜托盘42是否离开检测系统；变频器、PLC和开关电源安装在控制柜内，变频器控制电机21的转速；接近开关、变频器、阻挡器和气动控制阀的数据线与PLC相连，PLC用以控制接近开关、变频器、阻挡器和驱动控制阀的状态。开关电源为PLC和变频器提供电源；气动控制阀安装在接近气缸19或相应气动马达的安装架13上，用以控制气缸19或相应气动马达的状态；控制柜安放在控制台30上；工控机34置于控制台30上，用于控制、运算和数据的显示。信号发生器6、放大器5和数据采集卡7放置在控制台30上，用于体积检测共振信号的触发、采集等。

下面结合图6~图11介绍实施例2的工作过程：

如图6、图7、图8、图9、图10和图11所示，当第二西瓜托盘42承载西瓜46靠近第四接近开关 43时，第四接近开关 43脉冲呈上升沿触发第三阻挡器35上升，阻挡后续西瓜46前行。当第二西瓜托盘 38承载西瓜46完全通过第四接近开关43时，第四接近开关43脉冲呈下降沿，触发第一气动马达39驱动第一拨杆38转动135°，将第二西瓜托盘 42拨动至位于检测工位O的共振腔底盖2上，随后第一拨杆38复位并触发气缸19工作，托板8顶升, 在顶升过程中工控机34读取托板8下方重力传感器9的数值，以此可以得出西瓜46质量信息。气缸19继续顶升托板8上升至L距离后，共振腔底盖2与共振腔体1合上后，第五接近开关 44脉冲呈上升沿，触发检测系统进行西瓜体积检测，以此可以得到西瓜46的体积信息。停留t秒，检测完成后，气缸19下降L距离，检测后的西瓜46和共振腔底盖2随着托板8回到检测工位O，控制系统控制第二气动马达 41驱动第二拨杆 40转动150°，将第二西瓜托盘42拨到右侧倍速链传动装置上，当第二西瓜托盘42承载西瓜46随倍速链传动装置传输到第六接近开关45时，第六接近开关45脉冲呈上升沿，控制第二拨杆40复位，并触发第三阻挡器35下降，释放下一个第二西瓜托盘42进入。至此，一个循环结束。

本发明西瓜46体积的计算公式如下：

；

式中，V是被测物西瓜46的体积，W是共振腔体的容积（已知），f ₀是空共振腔的共振频率，f _p是西瓜46进入共振腔后的共振频率，b是校正系数，由此即可计算出放在共振腔中的被测物西瓜46的体积。根据西瓜46的质量和体积信息，工控机34通过计算获得密度并可用于判别西瓜的其他相关品质，如成熟度、空心度等。

Claims

1.一种西瓜密度在线检测方法，其特征在于，该方法具体为：将西瓜放入共振腔体后，将一定频率的调频波输入共振腔体，引起共振腔体内部空气振动产生共振，再将共振信号经快速傅里叶变换提取出共振频率，通过下式得到西瓜的体积：

；

式中，V是被测物西瓜的体积，W是共振腔体的容积，f ₀是空共振腔体的共振频率，f _p是西瓜放入共振腔体后的共振频率，b是校正系数；

最后由西瓜质量除以西瓜体积得到西瓜的密度。

2.一种西瓜密度在线检测装置，其特征在于，它包括检测系统、输送系统和控制系统；其中，所述检测系统主要由共振腔体（1）、共振腔底盖（2）、安装架（13）、可调支座（14）、信号发生器（6）、放大器（5）、扬声器（4）、扬声器支座（10）、传声器（3）、数据采集卡（7）、重力传感器（9）、托板（8）和气缸（19）组成；所述共振腔体（1）固定在安装架（13）上，传声器（3）固定在共振腔体（1）的细颈（16）上并高度可调，扬声器（4）通过扬声器支座（10）安装在共振腔体（1）的细颈（16）正上方，扬声器支座（10）通过定位螺钉（11）实现高度上下调节，重力传感器（9）与气缸（19）上的活塞固定连接，托板（8）固定在重力传感器（9）上，信号发生器（6）、放大器（5）和扬声器（4）依次相连，传声器（3与数据采集卡（7相连；所述输送系统主要由倍速链（17、导轨（18）、机架（20）、电机（21）、动力链（22）、链轮（23）、侧板（24）、输送托（25）、第一阻挡器（27）、第二阻挡器（28）组成；所述倍速链（17）安装在导轨（18）上，导轨（18）固定在机架（20）上，由电机（21）通过动力链（22）和链轮（23）驱动；电机（21）安装在机架（20）的侧板（24）上，第一阻挡器（27）安装在机架（20）上，位于两条倍速链（17）的中间，上升状态阻挡置于倍速链（17）上的输送托（25）前行，下降状态时输送托（25）可通过；所述控制系统由PLC、控制台（30）、第一接近开关（31）、第二接近开关（32）、第三接近开关（33）、工控机（34）、变频器、气动控制阀组成；第一接近开关（31）安装在安装架（13）上，检测共振腔底盖（2）是否合上；第二接近开关（32）安装在检测工位右侧，检测输送托（25）是否离开检测工位；第三接近开关（33）安装在检测工位左侧，检测输送托（25）是否进入检测工位；变频器、PLC和开关电源安装在控制柜内，变频器与电机（21）相连，控制电机（21）的转速；第一接近开关（31）、第二接近开关（32）、第三接近开关（33）、第一阻挡器（27）、第二阻挡器（28）、变频器和气动控制阀均与PLC相连，气动控制阀安装在安装架（13）上，工控机（34）与数据采集卡（7）相连。

3.一种西瓜密度在线检测装置，其特征在于，它包括检测系统、输送系统和控制系统；其中，所述检测系统主要由共振腔体（1）、共振腔底盖（2）、安装架（13）、可调支座（14）、信号发生器（6）、放大器（5）、扬声器（4）、扬声器支座（10）、传声器（3）、数据采集卡（7）、重力传感器（9）、托板（8）和气缸（19）组成；所述共振腔体（1）固定在安装架（13）上，传声器（3）固定在共振腔体（1）的细颈（16）上并高度可调，扬声器（4）通过扬声器支座（10）安装在共振腔体（1）的细颈（16）正上方，扬声器支座（10）通过定位螺钉（11）实现高度上下调节，重力传感器（9）与气缸上的活塞固定连接，托板（8）固定在重力传感器（9）上，信号发生器（6）、放大器（5）和扬声器（4）依次相连，传声器（3）与数据采集卡（7）相连；所述输送系统由倍速链（17）、第二西瓜托盘（42）、第三阻挡器（35）、第一拨杆（38）、第二拨杆（40）、第一气动马达（39）、第二气动马达（41）、过渡板（37）和导向条（36）组成；所述所述倍速链（17）安装在导轨（18）上，构成倍速链传动装置；第一拨杆（38）和第二拨杆（40）分别安装在第一气动马达（39）和第二气动马达（41）轴端，第一气动马达（39）安装在左侧的倍速链（17）外侧，第二气动马达（41）安装在过渡板（37）上，过渡板（37）固定在安装架（13）上，与倍速链（17）上侧处于同一水平面；导向条（36）分别安装在过渡板（37）和共振腔底盖（2）上，置于倍速链（17）上的第二西瓜托盘（38）通过倍速链（17）输送到传动装置左侧时，第三阻挡器（35）工作，阻挡后面的第二西瓜托盘（42）前进，同时第一气动马达（39）工作带动第一拨杆（38）转动，将第二西瓜托盘（38）在导向条（36）的限位下推入检测工位的共振腔底盖（2）上，检测完成后第二气动马达（41）工作带动第二拨杆（36）转动，将第二西瓜托盘（42）推入检测系统右侧的倍速链传动装置上；所述控制系统由PLC、工控机（34）、第四接近开关（43）、第五接近开关（44）、第六接近开关（45）、变频器、气动控制阀组成；第四接近开关（43）安装在检测系统左侧倍速链（17）上，以检测第二西瓜托盘（42）是否到达检测系统入口处；第五接近开关（44）安装在安装架（13）上，以检测共振腔底盖（2）是否合上；第六接近开关（45）安装在检测系统右侧倍速链（17）上，检测第二西瓜托盘（42）是否离开检测系统；变频器、PLC和开关电源安装在控制柜内，变频器与电机（21）相连，控制电机（21）的转速；第五接近开关（44）、第六接近开关（45）、变频器、第三阻挡器（35）和气动控制阀均与PLC相连，气动控制阀安装在安装架（13）上，工控机（34）与数据采集卡（7）相连。