CN103424474A

CN103424474A - 水果品质声学无损检测装置

Info

Publication number: CN103424474A
Application number: CN2013103400980A
Authority: CN
Inventors: 王剑平; 毛建华; 张剑一; 杨春伟; 盖玲
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-08-06
Filing date: 2013-08-06
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2033-08-06
Also published as: CN103424474B

Abstract

本发明公开了一种水果品质声学无损检测装置。步进电机通过安装座固定在横梁的一端，安装座上端与叉形传感器支架的柄部连接，叉形传感器支架的两臂垂直向下分别装有激光发射管和接收管，在叉形传感器支架的任一臂上装有麦克风，敲击杆通过联轴器与步进电机轴端相连，横梁的另一端固定在垂直滑杆上端的滑槽中，垂直滑杆下端固定于底座边框上，控制器固定在横梁上，放有水果的托盘位于敲击杆下方，敲击杆和叉形传感器支架均位于水果的同一侧，敲击杆敲击落在水果的赤道部位上，能在叉形传感器支架的两臂内运动。本发明利用水果受到撞击时产生的声音信号的共振频率与水果品质之间的关系实现无损检测，具有快速准确，操作简便、可靠性高的优点。

Description

水果品质声学无损检测装置

技术领域

本发明涉及一种水果品质检测装置，尤其是涉及一种水果品质声学无损检测装置。

背景技术

随着人们生活水准的不断提高，人们在消费水果时更加注重风味、口感、糖度等内部品质，通过技术的手段对水果品质准确的检测水果已成为消费者和销售商共同关注的焦点。现有的水果品质检测技术可分为有损检测和无损检测两种。有损检测技术费时费力、对环境造成污染以及对水果造成损伤，目前有逐渐被无损检测技术所取代的趋势。

无损检测技术包括近X射线法、电学法、红外光谱法、电子鼻法、机器视觉法等，在不破坏水果外观、不改变水果风味的前提下通过水果的光学、电学、气味、动力学特性等对水果实现内部品质的检测。但是，上述无损检测技术也存在固有的局限性，如X射线法常用于水果内部损伤和缺陷的检测，但装置体积大，成本高；电学法主要是通过检测水果的电导、电抗、损耗因数等电学参数判断水果品质，但检测精度易受到外界电磁场干扰和电极极化等因素的影响；近红外光谱法能检测水果的许多内部品质，如糖度、可溶性固形物、酸度等，但穿透距离小，对皮厚水果无能为力，而且仅能做局部品质检测，由于水果内部成分分布不均匀而影响检测的准确度；电子鼻法针对水果成熟过程中发出的特定气味来判断内部品质，检测的精度和适用水果种类受到限制；机器视觉法仅能对水果的颜色、尺寸等外观指标进行检测，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水果品质声学无损检测装置，解决水果品质无损检测易受干扰，适用性差的缺点，提高了水果品质检测的可靠性和精度。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括垂直滑杆、控制器、蝶形螺母和螺杆、横梁、安装座、联轴器、步进电机、叉形传感器支架、一对激光传感器、麦克风、敲击杆、水果、托盘、底座；步进电机通过安装座用螺杆和蝶形螺母固定在横梁的一端，安装座上端与叉形传感器支架的柄部连接，叉形传感器支架的两臂垂直向下，两臂端部分别装有激光传感器的发射管、接收管，在叉形传感器支架的任一臂上装有麦克风，敲击杆通过联轴器与步进电机轴端相连，横梁的另一端固定在垂直滑杆上端的滑槽中，垂直滑杆下端固定于底座边框上，控制器固定在横梁上，将水果放在托盘上，托盘放在敲击杆下方，托盘处于底座的中心位置，敲击杆和叉形传感器支架均位于水果的同一侧，敲击杆敲击的位置落在水果的赤道部位上，且敲击杆能在叉形传感器支架的两臂内运动。

所述的控制器，包括DSP、麦克风、信号调理电路、触发电路、采集模块、驱动模块、按键和液晶显示模块；麦克风收集的声音信号Vm送入经信号调理电路，得到的信号Vc送入触发电路处理后输出信号Vin，Vin经采集模块采集后经同步串行总线输入DSP，驱动模块、按键和液晶显示模块分别与DSP相连，驱动模块与步进电机连接。

所述的信号调理电路，包括放大器U9和电位器R15构成的仪用放大电路；由放大器U10A、放大器U10B、放大器U11A及外围电容电阻构成的六阶贝塞尔低通滤波电路；声音信号Vm经仪用放大电路放大、低通滤波电路滤波后输出后信号Vc。

所述的触发电路，包括放大器U1A和电位器R13构成的第一比较器；放大器U1B和电位器R14构成的第二比较器；与门U2A和非门U6A构成的逻辑门电路；电阻R1、三极管Q1、继电器K1和二极管D1构成的开关通断电路；由激光传感器T1、D触发器U12A构成触发使能电路；触发使能电路的输出信号Vt和两个比较器的输出连接到逻辑门电路，逻辑门电路的输出连接开关通断电路，信号Vc连接开关通断电路中的继电器K1的一个触点，继电器K1的另一个触点输出信号Vin。

所述的驱动模块，包括降压型DC/DC开关芯片U3、数字电位器U5、二输入或门U4A及外围器件构成的可调直流电源电路；光耦芯片U7构成的隔离电路；H桥芯片U8构成的驱动电路；来自DSP的信号IN1、信号IN2、信号IN3和信号IN4输入光耦，光耦芯片U7的输出和可调直流电源电路的输出信号Vdri连接到驱动电路，驱动电路的输出信号OUT1～OUT4与步进电机相连，来自DSP的信号PU和信号PD与或门U4A相连，或门U4A的输出端连接数字电位器U5的第四脚ASE端。

本发明具有的有益效果是：

本发明利用水果受到撞击时产生的声音信号的共振频率与水果品质之间的关系来实现无损检测，由于检测时将水果视作整体，克服了因水果成分分布不均对检测结果造成的影响；触发电路降低了外界噪声对声音信号的干扰，提高测量精度；敲击时高度、力度和速度均可调节，具有快速、成本低廉、检测精度高；适用于多种水果品质无损检测，尤其适合于西瓜、哈密瓜、核桃等皮厚壳硬的水果的品质检测。

附图说明

图1是本发明的检测装置结构示意图。

图2是本发明控制器电路原理框图。

图3是本发明的信号调理电路电路图。

图4是本发明的触发电路电路图。

图5是本发明的驱动模块电路图。

图6是本发明的检测装置工作流程图。

图中：1、垂直滑杆，2、控制器，3、蝶形螺母和螺杆，4、横梁，5、安装座，6、联轴器，7、步进电机，8、叉形传感器支架，9、激光传感器，10、麦克风，11、敲击杆，12、水果，13、托盘，14、底座。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明包括垂直滑杆1、控制器2、蝶形螺母和螺杆3、横梁4、安装座5、联轴器6、步进电机7、叉形传感器支架8、一对激光传感器9、麦克风10、敲击杆11、水果12、托盘13、底座14；步进电机7通过安装座5用螺杆和蝶形螺母3固定在横梁4的一端，安装座5上端与叉形传感器支架8的柄部连接，叉形传感器支架8的两臂垂直向下，两臂端部分别装有激光传感器的发射管、接收管9，在叉形传感器支架8的任一臂上装有麦克风10，敲击杆11通过联轴器6与步进电机7轴端相连，横梁4的另一端固定在垂直滑杆1上端的滑槽中，垂直滑杆1下端固定于底座14边框上，控制器2固定在横梁4上，将水果12放在托盘13上，托盘13放在敲击杆11下方，托盘13处于底座14的中心位置，敲击杆11和叉形传感器支架8均位于水果12的同一侧，敲击杆11敲击的位置落在水果12的赤道部位上，且敲击杆11能在叉形传感器支架8的两臂内运动。

测试前将水果12放置于托盘13上，沿垂直滑杆1调节横梁4的高度，当敲击杆11距离水果的高度合适后，将横梁4位置固定，然后拧松蝶形螺母3，对敲击杆11的高度进行细调，确保敲击杆11下端小球能敲击到水果的赤道部位，然后拧紧蝶形螺母3。

本发明的无损检测装置的工作原理为：

控制器2驱动步进电机7转动，从而带动与联轴器7相连的敲击杆11的运动，敲击杆11向水果12表面运动的过程中，对激光传感器9形成遮挡，产生的信号上升沿使触发电路开始工作，当敲击结束后，控制器2控制步进电机7反方向运动，敲击杆11沿反方向转动，再次通过激光传感器9时，产生的信号上升沿使触发电路停止工作，保证了检测装置只有在敲击时段内才会采集声音信号，其他时段内不采集信号，尽可能的降低了外界噪声对检测的干扰。

如图2所示，控制器2，包括DSP、麦克风、信号调理电路、触发电路、采集模块、驱动模块、按键和液晶显示模块；麦克风收集的声音信号Vm送入经信号调理电路，得到的信号Vc送入触发电路处理后输出信号Vin，Vin经采集模块采集后经同步串行总线输入DSP，驱动模块、按键和液晶显示模块分别与DSP相连，驱动模块与步进电机连接。

控制器的工作原理为：按键S1按下后，DSP发出信号IN1、IN2、IN3和IN4，使敲击杆敲击水果表面，声音经过麦克风收集后得到的信号Vm输入信号调理电路进行放大和滤波，滤波后得到的信号处于0~1000Hz之间，将噪声信号滤除的同时包含了品质分析用到的特征频谱段，信号调理电路输出的信号Vc由触发电路控制采样的开始和停止时刻，触发电路的输出Vin输入数据采集模块，通过同步串行总线送入DSP，DSP内置的程序进行FFT变换，将时域信号转换到频域，对信号的第二共振频率进行提取，根据预测模型预测出水果的品质，并将结果送到液晶显示模块上显示。按键S4用来对敲击力和敲击速度进行功能选择，当按键S4选择设置敲击力时，按键S2和按键S3分别对敲击力进行增加和减小，当按键S4选择设置敲击速度时，按键S2和按键S3分别对敲击速度进行增加和减小。

如图3所示，所述的信号调理电路，包括放大器U9和电位器R15构成的仪用放大电路；由放大器U10A、放大器U10B、放大器U11A及外围电容电阻构成的六阶贝塞尔低通滤波电路；声音信号Vm经仪用放大电路放大、低通滤波电路滤波后输出后信号Vc。

信号调理电路的工作原理为：电位器R15和仪用放大芯片U9构成仪用放大电路，通过调节电位器R15实现电压增益的调节，对输入信号Vm进行放大后，送入有放大器U10A、放大器U10B及放大器U11A及外围阻容元件构成的滤波器进行放大，该滤波器的截止频率设置为1000Hz，过渡带宽1000Hz。

仪用放大芯片U9可采用AD620，以降低外围电路复杂程度，提高电路可靠性，放大器U10A、放大器U10B和放大器U11A可以采用带补偿低噪声运放芯片NE5532。

如图4所示，所述的触发电路，包括放大器U1A和电位器R13构成的第一比较器；放大器U1B和电位器R14构成的第二比较器；与门U2A和非门U6A构成的逻辑门电路；电阻R1、三极管Q1、继电器K1和二极管D1构成的开关通断电路；由激光传感器T1、D触发器U12A构成触发使能电路；触发使能电路的输出信号Vt和两个比较器的输出连接到逻辑门电路，逻辑门电路的输出连接开关通断电路，信号Vc连接开关通断电路中的继电器K1的一个触点，继电器K1的另一个触点输出信号Vin。

触发电路的工作原理为：敲击杆向水果方向运动时，当对激光传感器进行遮挡后，会在T1接收管第2脚产生一个正跳沿，从而使D触发器的U12A翻转，其输出端Q的触发使能信号Vt由低电平变为高电平，当敲击结束后，敲击杆回转时会再次遮挡激光传感器，从而再次引起D触发器U12A状态翻转，触发使能信号Vt由高电平变为低电平。比较器U1A和电位器R13构成的比较电路通过改变电位器R13的值，可以设定采样起始时刻的电压阈值，比较器U1B和电位器R14构成的比较电路通过改变电位器R14的值，可以设定采样结束时刻的电压阈值。当触发使能信号Vt为高电平时，若比较器U1A输出高电平时，比较器U1B输出低电平，则经非门U6A后，与门U2A的输出为高电平，使三极管Q1饱和导通，继电器K1触点闭合，声音采样开始；当触发使能信号Vt为低电平时，与门U2A的输出恒为低电平，三极管Q1截止，继电器K1的触点断开，声音采样结束。

图4中的D触发器U12A可以采用CD4013，比较器U1A和比较器U1B可采用LM393，与门U2A可以采用CD4073，非门U6A可以采用74LS04。

如图5所示，所述的驱动模块，包括降压型DC/DC开关芯片U3、数字电位器U5、二输入或门U4A及外围器件构成的可调直流电源电路；光耦芯片U7构成的隔离电路；H桥芯片U8构成的驱动电路；来自DSP的信号IN1、信号IN2、信号IN3和信号IN4输入光耦，光耦芯片U7的输出和可调直流电源电路的输出信号Vdri连接到驱动电路，驱动电路的输出信号OUT1～OUT4与步进电机相连，来自DSP的信号PU和信号PD与或门U4A相连，或门U4A的输出端连接数字电位器U5的第四脚ASE端。

驱动模块的工作原理为：当按键S4选择为更改敲击力道功能时，若按键S2或者按键S3按下，则DSP发出信号PU或PD，通过二输入或门U4A后使数字电位器U5的ASE端有效，数字电位器U5的阻值减小或者增大，引起数字电位器U5和电阻R2构成的分压电路的输出电压FB减小或增大，使得降压型DC/DC芯片U3的输出电压Vdri增大或者减小，Vdri作为驱动电路的供电电源可以改变步进电机通过的电流大小，从而改变敲击水果的力道。DSP通过改变信号IN1、IN2、IN3和IN3的变化频率对步进电机的转速加以控制，不仅可以控制敲击的力道，而且可以控制敲击的间隔时间（即控制敲击的速度）。

图6中二输入或门U4A可采用74LS32，数字电位器U5可采用FT6147，H桥芯片U8可采用L298N，光耦芯片U7可采用P521-4。

如图6所示，检测装置的工作流程包括敲击杆敲击水果，产生的信号由麦克风收集，经调理电路、触发电路和采集模块后得到的时域信号送入DSP，由DSP内置程序实现FFT变换，将信号由时域变换到频率后提取第二共振频率，从而对水果品质进行预测。

本发明控制器电路中需要四组独立直流电源，分别为+5V、-5V、+3.3V及10V~30V，上述电源可以采用开关/线性电源芯片（如LM7805、LM7905，LM2596-ADJ等型号）加以实现，控制器电路中的DSP芯片可采用TMS320VC5409。

Claims

1.一种水果品质声学无损检测装置，其特征在于：包括垂直滑杆（1）、控制器（2）、蝶形螺母和螺杆（3）、横梁（4）、安装座（5）、联轴器（6）、步进电机（7）、叉形传感器支架（8）、一对激光传感器（9）、麦克风（10）、敲击杆（11）、水果（12）、托盘（13）、底座（14）；步进电机（7）通过安装座（5）用螺杆和蝶形螺母（3）固定在横梁（4）的一端，安装座（5）上端与叉形传感器支架（8）的柄部连接，叉形传感器支架（8）的两臂垂直向下，两臂端部分别装有激光传感器（9）的发射管、接收管，在叉形传感器支架（8）的任一臂上装有麦克风（10），敲击杆（11）通过联轴器（6）与步进电机（7）轴端相连，横梁（4）的另一端固定在垂直滑杆（1）上端的滑槽中，垂直滑杆（1）下端固定于底座（14）边框上，控制器（2）固定在横梁（4）上，将水果（12）放在托盘（13）上，托盘（13）放在敲击杆（11）下方，托盘（13）处于底座（14）的中心位置，敲击杆（11）和叉形传感器支架（8）均位于水果（12）的同一侧，敲击杆（11）敲击的位置落在水果（12）的赤道部位上，且敲击杆（11）能在叉形传感器支架（8）的两臂内运动。

2.根据权利要求1所述的一种水果品质声学无损检测装置，其特征在于：所述的控制器（2），包括DSP、麦克风、信号调理电路、触发电路、采集模块、驱动模块、按键和液晶显示模块；麦克风收集的声音信号Vm送入经信号调理电路，得到的信号Vc送入触发电路处理后输出信号Vin，Vin经采集模块采集后经同步串行总线输入DSP，驱动模块、按键和液晶显示模块分别与DSP相连，驱动模块与步进电机连接。

3.根据权利要求2所述的一种水果品质声学无损检测装置，其特征在于：所述的信号调理电路，包括放大器U9和电位器R15构成的仪用放大电路；由放大器U10A、放大器U10B、放大器U11A及外围电容电阻构成的六阶贝塞尔低通滤波电路；声音信号Vm经仪用放大电路放大、低通滤波电路滤波后输出后信号Vc。

4.根据权利要求2所述的一种水果品质声学无损检测装置，其特征在于：所述的触发电路，包括放大器U1A和电位器R13构成的第一比较器；放大器U1B和电位器R14构成的第二比较器；与门U2A和非门U6A构成的逻辑门电路；电阻R1、三极管Q1、继电器K1和二极管D1构成的开关通断电路；由激光传感器T1、D触发器U12A构成触发使能电路；触发使能电路的输出信号Vt和两个比较器的输出连接到逻辑门电路，逻辑门电路的输出连接开关通断电路，信号Vc连接开关通断电路中的继电器K1的一个触点，继电器K1的另一个触点输出信号Vin。

5.根据权利要求2所述的一种水果品质声学无损检测装置，其特征在于：所述的驱动模块，包括降压型DC/DC开关芯片U3、数字电位器U5、二输入或门U4A及外围器件构成的可调直流电源电路；光耦芯片U7构成的隔离电路；H桥芯片U8构成的驱动电路；来自DSP的信号IN1、信号IN2、信号IN3和信号IN4输入光耦，光耦芯片U7的输出和可调直流电源电路的输出信号Vdri连接到驱动电路，驱动电路的输出信号OUT1～OUT4与步进电机相连，来自DSP的信号PU和信号PD与或门U4A相连，或门U4A的输出端连接数字电位器U5的第四脚ASE端。