CN103630607A

CN103630607A - 一种利用超声波检测马铃薯空心的方法与装置

Info

Publication number: CN103630607A
Application number: CN201310588825.5A
Authority: CN
Inventors: 宋寿鹏; 赵腾飞; 邵勇华; 王云蛟; 堵莹
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2014-03-12

Abstract

本发明涉及一种超声波马铃薯空心检测方法与装置，该装置可发射低频率高能量超声波，克服了果蔬材料高衰减特性给检测带来的困难，可用于马铃薯空心的检测。当超声波透过马铃薯时，采集其信号，进行时域与频域分析，提取马铃薯的声速、衰减系数和接收信号的功率谱谱矩作为特征，将特征参数融合后实现马铃薯空心诊断。该发明可为马铃薯质量诊断与评价提供重要的参考依据。

Description

一种利用超声波检测马铃薯空心的方法与装置

技术领域

本发明涉及一种采用超声波技术，检测马铃薯是否空心的方法与装置，属于农产品品质无损检测技术领域，具体涉及到用于马铃薯空心病的检测与诊断的方法与装置。

背景技术

马铃薯空心病是马铃薯存在的主要缺陷之一，它会降低马铃薯的食用、种用及深加工用价值，给种植者、加工者以及消费者带来较大的经济损失。无损检测近年来得到了广泛重视，其中超声波以其方向性好、穿透能力强、对人体和环境无害等优点，在工业及医疗领域得到了广泛应用。然而果蔬组织结构内部颗粒大、不均匀而且伴有孔隙，超声在其中传播时很容易因散射而衰减。针对上述问题，本文研制了一套超声检测系统，该系统可发射低频率高能量超声波，克服了果蔬材料高衰减特性给检测带来的困难，成功用于马铃薯空心病的检测与诊断。

目前，国内外学者研究了很多技术对果蔬内部品质进行无损检测，主要包括核磁共振(庞林江,王允祥,何志平等.核磁共振技术在水果品质检测中的应用[J].农机化研究,2006,8:176-180.)、激光(药林桃,刘木华,刘道金等.激光技术在农产品质量检测中的研究进展[J].激光生物学报,2007,16(3):369-373.)、计算机视觉(焦文兴,潘天丽,李月娥.计算机视觉技术在农产品品质检测中的应用[J].陕西农业科学,2003(5):29-33.)、高光谱成像(赵杰文，刘剑华，陈全胜等.利用高光谱图像技术检测水果轻微损伤[J].农业机械学报,2008,39(1):106-109.)、近红外光谱(韩东海,王加华.水果内部品质近红外光谱无损检测研究进展[J].中国激光,2008,35(8):1123-1131.)、主动热成像技术(周建民,周其显.基于主动热成像技术的苹果早期机械损伤检测[J].农机化研究,2010(8):162-165.)、X射线(刘小勇,张辉元,董铁等.苹果水心病无损检测与防治研究进展[J].果树学报,2008,25(5):721-726.)等。这些技术的应用主要集中在果蔬内部的糖度、酸度、水分、果肉坚实度等内部品质指标的检测。目前，并没有利用超声波对马铃薯空心进行无损检测的的相关技术，经检索也没有发现相关报导。

发明内容

本发明的目的是提出一种快速、精准检测马铃薯空心病的装置和方法，该方法采用超声波无损检测方法，可以发射低频率高能量超声波，克服了果蔬材料高衰减特性给检测带来的困难，可用于马铃薯空心病的检测与诊断。

本发明提出的检测马铃薯空心病的装置由由超声波发射电路、超声波接收电路、单片机核心控制电路和超声传感器、按键模块和显示模块组成。

（1）超声波发射电路，该电路主要由低压直流模块、MOSFET驱动模块、MOSFET全桥变换模块、脉冲变压器升压模块组成；

（2）超声波接收电路，该电路主要由前置放大模块、带通滤波模块、后级放大模块、回波输出模块组成；

（3）单片机核心控制电路，该电路主要由STC89C52单片机和外设电路组成；

（4）按键模块；

（5）显示模块；

（6）超声传感器，由一个超声发射传感器和一个超声接收传感器组成。

上述装置的各模块的主要特征和功能包括：

（1）超声波发射电路，主要用于由低压直流电产生高压双极性电脉冲激励信号，电脉冲激励信号波形参数由单片机核心电路控制，用于驱动KHz级超声波发射传感器，以产生低频高能超声波，用于穿透待测马铃薯。

（2）超声波接收电路，主要用于接收透过马铃薯的超声信号，通过带通滤波模块滤除干扰成份，后级放大模块、回波输出模块并实现信号的放大与输出。

（3）单片机核心控制电路，主要用于产生控制信号，调节电脉冲信号的波形参数，所述波形参数包括激励脉冲信号的频率、个数、重复周期等，控制电子开关的通断，以及为按键模块和显示模块提供信息交互。

（4）按键模块，主要用于人机通讯，控制参数的调节。

（5）显示模块，主要用于显示检测结果。

（6）超声传感器，主要用于发射KHz级超声波，以及接收超声波信号，两传感器采用单发单收模式。

本发明采用上述检测马铃薯空心病的装置对马铃薯空心病诊断方法，主要包括以下具体步骤：

（1）组建超声波检测系统，所述检测系统由超声波发射电路、超声波接收电路、单片机核心控制电路和超声传感器、按键模块和显示模块组成，调试上述超声波检测系统，使各模块能够正常工作；对马铃薯开始检测；

（2）将接收信号经过处理后，提取马铃薯声速，超声衰减系数及功率谱谱矩，各特征参数分别按以下方法计算得到：

i.马铃薯声速C可根据公式C=l/t求出，式中，l为马铃薯探测长度，t为渡越时间；

ii.超声衰减系数A可根据公式A=A₀e^-αl求得，式中，A₀为发射超声信号的幅值，α为超声衰减系数，l为马铃薯探测长度；

iii.功率谱谱矩M可根据公式

求得，式中，f_s为采样频率，N为数据长度，F(jw)为信号频谱。

（3）建立特征向量空间，分析穿透马铃薯的超声波信号的薯声速，超声衰减系数及功率谱谱矩的关系，进行有无空心的识别。

该发明采用低频高能超声收发系统，对马铃薯内部组织空洞进行了检测，通过对接收到的信号分别进行了时域及频域分析，分别计算了含空洞马铃薯与无空洞马铃薯的声速、超声衰减系数以及接收信号的功率谱谱矩，最终实现对马铃薯空心的检测与识别。

附图说明

图1为本发明超声检测系统组成原理图。

图2为本发明实施例中超声波发射电路原理图。

图3为本发明实施例中二阶有源带通滤波器。

图4为本发明实施例中前置放大器电路原理图。

图5为本发明实施例中二级放大电路原理图。

图6为本发明实施例中单片机按键模块电路原理图。

图7为本发明实施例中单片机显示模块电路理图。

图8为本发明实施例中马铃薯超声检测接收信号。

图9为本发明实施例中马铃薯超声检测接收信号功率谱。

图10为本发明实施例中参数分布情况。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明中所研制的超声检测系统，它的系统组成原理图如图1所示，由超声波发射电路、超声波接收电路、单片机核心控制电路和超声传感器、按键模块和显示模块组成。根据多次实验对检测系统参数进行调整以达到测量最佳效果，具体参数设置如下：选择420V作为换能器激励电压，激励脉冲信号峰峰值150V，频率50kHz，激励脉冲个数为1，接收电路放大50倍。发射电路原理图如图2所示。接收电路为了有效降低了噪声干扰，输出波形稳定。采用的滤波电路如图3所示，将R1、C1组成的低通滤波器与R3、C2组成的高通滤波器串联得到带通滤波电路。

为了匹配超声传感器与接收电路的阻抗，设计了前置放大电路，如图4所示，采用双电源供电，C36，C38滤除供电电源噪声，输入信号经过放大器放大到满足后续电路的功率要求进行输出。

二级放大电路主要用于对接收信号的放大，如图5所示，通过调节R9和R11控制其放大倍数，采用阻容耦合方式隔断零漂适用于高频信号。

图6和图7为按键电路和显示电路，其单片机采用STC89C52RC，图6在外部中断接口接一按键，低电平有效，或者采用开关，也是低电平有效（单片机对低电平驱动能力强）。图7为单片机控制LCD显示电路，P0口向LCD输入段码，P2口控制显示的使能。

本发明实施例中，马铃薯采用土豆作为实验对象，采用7个大小相当，形状匀称的土豆，对其进行随机编号1-7。实验时，分别让超声波穿过每一个土豆，实验中的空心土豆采用了人工空洞模拟空心缺陷，其中a代表无空洞土豆，b代表小直径空洞土豆，c代表含大直径空洞土豆。三组检测完成后对各组数据进行时域及频域分析，根据分析结果判断基于超声无损检测技术的土豆空心病诊断的可行性。

图8为三组土豆超声检测接收信号，通过得到的峰值可以算出超声波衰减系数，并且通过得到的渡越时间可以计算出超声波在土豆中的传播速度。正常情况下，土豆中的超声传播速度在330～420m/s，具有空心病土豆的声速范围为200～320m/s。但由于二者界限并不明显，容易由于测量误差导致误判。

在频域中，与土豆品质相关的参数为接收信号的功率谱谱矩。文中采用MATLAB软件对图8所示时域信号进行处理，绘制其功率谱，如图9所示。并利用MATLAB处理程序求取功率谱谱矩，功率谱密度曲线与横轴所包围的面积称为谱矩，谱矩代表了接收信号的能量。

据图10特征参数的分布情况可以看出，通过计算的超声接收信号的特征参数能够明确区分出含有空心病的土豆，并且无空心病与有空心病土豆之间的谱矩值相差明显。此外通过观察谱矩值的大小可以区分出所含空洞的大小，即谱矩越小，空洞越大。

Claims

1.一种利用超声波检测马铃薯空心的检测装置，其特征在于，该装置由超声波发射电路、超声波接收电路、单片机核心控制电路和超声传感器、按键模块和显示模块组成；

所述的超声波发射电路，用于由低压直流电产生高压双极性电脉冲激励信号，电脉冲激励信号波形参数由单片机核心电路控制，用于驱动KHz级超声波发射传感器，以产生低频高能超声波；

所述的超声波接收电路，用于接收透过马铃薯的超声信号，滤除干扰成份，并实现信号的放大与输出；

所述的单片机核心控制电路，用于产生控制信号，调节电脉冲信号的波形参数，控制电子开关的通断，为按键模块和显示模块提供信息交互。

2.根据权利要求1所述的一种利用超声波检测马铃薯空心的检测装置，其特征在于：超声波发射电路，该电路由低压直流模块、MOSFET驱动模块、MOSFET全桥变换模块、脉冲变压器升压模块组成。

3.根据权利要求1所述的一种利用超声波检测马铃薯空心的检测装置，其特征在于，超声波接收电路，该电路由前置放大模块、带通滤波模块、后级放大模块、回波输出模块组成。

4.根据权利要求1所述的一种利用超声波检测马铃薯空心的检测装置，其特征在于：单片机核心控制电路，该电路由STC89C52单片机和外设电路组成。

5.根据权利要求1所述的一种利用超声波检测马铃薯空心的检测装置，其特征在于，所述按键模块，用于人机通讯，控制参数的调节；所述显示模块，用于显示检测结果。

6.根据权利要求1所述的一种利用超声波检测马铃薯空心的检测装置，其特征在于，超声传感器由一个超声发射传感器和一个超声接收传感器组成，用于发射KHz级超声波和接收超声波信号，所述超声发射传感器和超声接收传感器为单发单收模式。

7.一种超声波马铃薯空心检测方法，其包括以下具体步骤：

（1）组建超声波检测系统，所述检测系统由超声波发射电路、超声波接收电路、单片机核心控制电路和超声传感器、按键模块和显示模块组成；

（2）启动上述超声波检测系统，超声波发射电路发射超声波，超声波接收电路接收信号，经过处理后，提取马铃薯声速，超声衰减系数及功率谱谱矩，各特征参数分别按以下方法计算得到：

iii.功率谱谱矩M可根据公式

求得，式中，f_s为采样频率，N为数据长度，F(jw)为信号频谱；

（3）建立特征向量空间，根据信号的时域信号和频域信号，计算经过待检测的马铃薯的超声波信号的声速、超声衰减系数以及接收信号的功率谱谱矩，进行有无空心的识别。