CN104062357B - 西瓜敲击振动多点同步测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种西瓜敲击振动多点同步测量装置。包括活动支架、撞击部件和传感器夹持部件；中心体架侧面四周均布安装有四个臂架，四个臂架的长度方向均沿中心体架径向安装，各个臂架内沿长度方向安装有直线导轨，直线导轨上均安装滑块，各个臂架侧面设有手柄件；四周其中一侧臂架的滑块下端安装有撞击部件，四周其余三侧臂架的滑块下端各安装有传感器夹持部件，中心体架中心装有升降机构，西瓜的四周被撞击部件和三个传感器夹持部件夹持。检测时将本装置置于西瓜上，通过调整传感器夹持部件的位置可使本装置紧扣西瓜。本发明装置体积小，重量轻，可以多点同步获取西瓜敲击振动信号，有利于进一步西瓜品质的精确检测。

Description

西瓜敲击振动多点同步测量装置

技术领域

本发明涉及一种水果的测量装置，尤其是涉及一种西瓜敲击振动多点同步测量装置。

背景技术

西瓜是一种深受人们喜爱的水果，在全球水果总产中西瓜位居第五。在我国，西瓜有着广泛的种植，同时产量和消费量均很大。西瓜不仅味美，而且营养丰富，具有保健的功效。另外，西瓜的种植周期短、收益高，在不影响粮食生产的情况下，可以利用间种套种多种一茬西瓜，增加经济效益。

西瓜品质标准化一直是国内西瓜销售中的问题，由于国内西瓜多为分散经营，西瓜的品质一般按照经验判断，即使进行抽样检测，也往往使用破坏性试验，效率低下。因此，研究快速无损的西瓜品质检测方法，对于提高西瓜品质、提高西瓜在国际市场上的竞争力，有着非常重要的意义。

常用无损检测农产品品质方法有X射线、高光谱、电子鼻、近红外、核磁共振、声学检测、机器视觉等。在众多农产品无损检测的方法中，声学振动技术具有受干扰少、成本低廉、可在野外等各种环境中工作等优点，在农产品内部品质分析、农产品分级等方面显示出了巨大的潜力，具有广阔的市场前景。

目前基于声学振动技术检测农产品品质的研究大多在实验室中进行。基于该技术开发的仪器都是单点式的，只采集样品某一点的振动信号，并据此对整个样品的品质进行分析。但单点测试无法获得样品所有的内部信息，因此难以达到预测要求。因而，开发一种基于声学振动技术、可实现多点测量、可满足不同尺寸样品测量要求的西瓜振动测量装置，可以为西瓜品质精确检测提供有利的手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种西瓜敲击振动多点同步测量装置，其体积小，重量轻，可同步获取西瓜多点振动信号，且可满足不同尺寸样品测量要求，有利于西瓜敲击振动的精确测量，为西瓜品质精确检测提供有利手段。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括活动支架、撞击部件和传感器夹持部件，活动支架包括顶支架、直线导轨和升降机构，顶支架包括四个臂架、中心体架、和手柄件；

中心体架侧面四周均布安装有四个臂架，四个臂架的长度方向均沿中心体架径向安装，各个臂架内沿长度方向安装有直线导轨，直线导轨上均安装滑块，各个臂架侧面设有用于固定滑块移动的手柄件；

四周其中一侧臂架的滑块下端安装有撞击部件，四周其余三侧臂架的滑块下端各安装有传感器夹持部件，中心体架中心安装有用于固定西瓜中心位置的升降机构，西瓜的四周被撞击部件和三个传感器夹持部件夹持。

所述的撞击部件包括撞击支架、撞击条、螺栓型轨迹滚轮滚针轴承、第一立式直线光轴固定座和镀锌钢丝扭簧；

呈U形的撞击支架倒置安装在滑块下端，撞击支架的U形开口端之间安装有第一立式直线光轴固定座，撞击条顶端的侧臂轴通过螺栓型轨迹滚轮滚针轴承铰接在第一立式直线光轴固定座上，撞击条顶端的侧臂轴套有用于弹性限位的镀锌钢丝扭簧，镀锌钢丝扭簧的扭臂端顶在撞击支架侧面，撞击支架靠近中心体架的一侧通过支架安装有对射光电传感器模块，对射光电传感器模块的对射光电传感器之间设有挡片，挡片连接在撞击条侧面，撞击条底端侧面安装有用于敲击西瓜的撞击头。

所述的升降机构包括螺纹手柄、螺孔法兰、锌合金轴承座、轴承连接件和透明吸盘，螺孔法兰安装在中心体架中心，螺孔法兰上通过螺纹套有螺纹手柄，螺纹手柄底部通过轴承安装在锌合金轴承座上，轴承连接件固定安装在锌合金轴承座上，用于固定西瓜位置的透明吸盘固定安装在轴承连接件底面。

所述的传感器夹持部件包括传感器支柱和第二立式直线光轴固定座，传感器支柱顶端固定安装在滑块底面，第二立式直线光轴固定座安装在传感器支柱底端，第二立式直线光轴固定座的通孔中安装有加速度传感器，加速度传感器朝向西瓜放置。

所述加速度传感器为硅电容式微机械加速度传感器；硅电容式微机械加速度传感器通过焊接在传感器电路板上再安装到第二立式直线光轴固定座上，传感器电路板外部包裹一层泡沫塑料膜。

本发明所产生的有益效果是：

1、可以对西瓜赤道面上间隔为90°的三个位置进行同步采样，以实现对样品整体品质的准确分析。

2、可以根据西瓜的大小调节活动支架，确保检测点的位置始终保持在西瓜的赤道部位，以应对不同尺寸西瓜的测量要求，且测试时不会对西瓜及瓜藤造成损害。

3、可以测量撞击加速度在±50g范围内的加速度。

4、撞击部件的设计：本发明设计的撞击部件集成化程度高，不受操作人员的熟练程度影响，且不会对西瓜造成损害。

5、可以将采样后的加速度传感器输出信号通过USB转TTL串口模块传送到计算机中。

6、自行编写的“声学振动分析软件”可对上传到计算机中的采样后的加速度传感器输出信号进行快速傅里叶变换、归一化幅频响应、计算不同频段BM值等处理，供研究人员进一步分析西瓜品质。

7、操作简单、体积小、重量轻。

附图说明

图1是本发明的总装配侧视图。

图2是本发明的总装配俯视图。

图3是本发明的活动支架装配侧视图。

图4是本发明撞击部件的装配侧视图。

图5是本发明传感器夹持部件的装配侧视图。

图6是传感器电路原理图。

图7是信号采集电路原理图。

图中：1、臂架，2、中心体架，3、滑块，4、手柄件，5、直线导轨，6、螺纹手柄，7、螺孔法兰，8、锌合金轴承座，9、轴承连接件，10、透明吸盘，11、撞击支架，12、撞击条，13、螺栓型轨迹滚轮滚针轴承，14、第一立式直线光轴固定座，15、镀锌钢丝扭簧，16、传感器支柱，17、对射光电传感器模块，18、第二立式直线光轴固定座，19、挡片，20、撞击头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方案作进一步的说明。

如图1、图2所示，本发明包括活动支架、撞击部件和传感器夹持部件，活动支架包括顶支架、直线导轨5和升降机构，顶支架包括四个臂架1、中心体架2、和手柄件4。

如图2所示，中心体架2侧面四周均布安装有四个臂架1，四个臂架1的长度方向均沿中心体架2径向安装，各个臂架1内沿长度方向安装有直线导轨5，直线导轨5上均安装滑块3，各个臂架1侧面设有用于固定滑块3移动的手柄件4。

如图1所示，四周其中一侧臂架1的滑块3下端安装有撞击部件，四周其余三侧臂架1的滑块3下端各安装有传感器夹持部件，中心体架2中心安装有用于固定西瓜中心位置的升降机构，西瓜的四周被撞击部件和三个传感器夹持部件夹持。

如图1、图4所示，所述的撞击部件包括撞击支架11、撞击条12、螺栓型轨迹滚轮滚针轴承13、第一立式直线光轴固定座14和镀锌钢丝扭簧15；呈U形的撞击支架11倒置安装在滑块3下端，撞击支架11的U形开口端之间安装有第一立式直线光轴固定座14，撞击条12顶端的侧臂轴通过螺栓型轨迹滚轮滚针轴承13铰接在第一立式直线光轴固定座14上，撞击条12顶端的侧臂轴套有用于弹性限位的镀锌钢丝扭簧15，镀锌钢丝扭簧15的扭臂端顶在撞击支架11侧面，撞击支架11靠近中心体架2的一侧通过支架安装有对射光电传感器模块17，对射光电传感器模块17的对射光电传感器之间设有挡片19，挡片19连接在撞击条12侧面，撞击条12底端侧面安装有用于敲击西瓜的撞击头20。

如图1、图3所示，所述的升降机构包括螺纹手柄6、螺孔法兰7、锌合金轴承座8、轴承连接件9和透明吸盘10，螺孔法兰7安装在中心体架2中心，螺孔法兰7上通过螺纹套有螺纹手柄6，螺纹手柄6底部通过轴承安装在锌合金轴承座8上，轴承连接件9固定安装在锌合金轴承座8上，用于固定西瓜位置的透明吸盘10固定安装在轴承连接件底面。

如图1、图5所示，所述的传感器夹持部件包括传感器支柱16和第二立式直线光轴固定座18，传感器支柱16顶端固定安装在滑块3底面，第二立式直线光轴固定座18安装在传感器支柱16底端，第二立式直线光轴固定座18的通孔中安装有加速度传感器，加速度传感器朝向西瓜放置。

所述的加速度传感器为硅电容式微机械加速度传感器；硅电容式微机械加速度传感器通过焊接在传感器电路板上再安装到第二立式直线光轴固定座18上，传感器电路板外部包裹一层泡沫塑料膜，以保护电路不受损害。将焊接有加速度传感器的传感器电路插入第二立式直线光轴固定座18的通孔中，调节第二立式直线光轴固定座18顶部的内六角螺钉以夹紧传感器电路。在第二立式直线光轴固定座18的前沿可以贴上保护垫防止传感器受损。

图1为装置的总装配图，由活动支架、撞击部件、传感器夹持部件组成。本发明使用时，将装置放置在西瓜上，通过透明吸盘10吸附在西瓜上使装置稳固。通过旋动螺纹手柄6调节活动支架的高度，使得撞击部件和传感器夹持部件均处于西瓜的赤道面上。通过调节撞击部件和传感器夹持部件与装置中心线之间的距离使这两个部件紧贴西瓜。旋动安装在手柄件4上的手柄夹紧直线导轨上的滑块，使得撞击部件和传感器夹持部件的位置固定。拨动撞击条12，释放后撞击条12的撞击头20撞击西瓜，传感器即会自动开始采集振动信号。

本发明的零件之间可通过螺纹紧固件连接。手柄件4上安装螺纹手柄，通过安装在手柄件4上的螺纹手柄将滑块滑动的距离控制在0-51.5mm。

直线导轨5上的滑块可以在导轨上做直线滑动。滑块上可以用螺钉安装撞击部件和传感器夹持部件，因此装撞击部件和传感器夹持部件可以根据西瓜的大小调整其与活动支架中心线之间的距离。

透明吸盘10具有吸附西瓜的功能，使得活动支架可以放置在西瓜上而不掉落，通过旋转螺纹手柄6，使得活动支架可以上下移动，因此可以将撞击部件和传感器夹持部件调整到西瓜的赤道面上。撞击部件的撞击点和传感器夹持部件的夹持点共面，即三个加速度传感器和对射光电传感器安装在同一平面上。

撞击支架11直接前端安装有对射光电传感器模块，撞击条12中部适当位置安装一块挡片19。当拨动撞击条时，镀锌钢丝扭簧15被压缩，释放撞击条即可撞击西瓜，在撞击到西瓜的同时，挡片19挡住对射光电传感器，传感器信号采集开始。

具体实施中通过将撞击条拨动到撞击支架11的后沿使得每次撞击的力度均相同。可以更换不同的扭簧使撞击力度不同，可以在撞击条的前端安装具有一定弹性的材料如橡胶、EVA、软木等防止撞击时对西瓜的损害。

加速度传感器可采用飞思卡尔MMA2202KEG的硅电容式微机械加速度传感器，传感器电路原理图如图6所示。可根据撞击加速度大小的不同选用不同型号的传感器。传感器输出电压信号，该电压信号与加速度呈线性关系。传感器电路由信号采集电路供电。

对射光电传感器模块17可采用H206对射光电传感器模块。

本发明的三个加速度传感器和对射光电传感器17采集得到的信号传输到如图7所示的信号采集电路中，包括模数传感器、8051单片机U1或其兼容机、8路锁存器U5、扩展存储器U6和USB转TTL串口模块。所述加速度传感器连接模数转换器、8051单片机或其兼容机；所述8051单片机或其兼容机再连接8路锁存器U5；所述8路锁存器U5再连接扩展存储器U6；所述USB转TTL串口模块一端连接8051单片机或其兼容机的串口引脚（P3.0和P3.1），另一端连接计算机的USB接口。

USB转TTL串口模块如：WaveSharePL2303TAUSB转TTL串口模块将计算机的USB接口转换为RS232接口，为整个信号采集电路供电。电路中芯片U2的SENSOR0、芯片U3的SENSOR1、芯片U4的SENSOR2与三个加速度传感器中的信号输出引脚相连。

单片机U1：AT89C51RB2的P1.0、P1.1和P1.2引脚用于分别接收3个模/数转换器如：LTC1292CCN8的串行输入，P1.6和P1.7引脚分别连接3个模/数转换器的控制引脚CLK和CS，用以同步控制3个模/数转换器。单片机的P0口和P2口与扩展存储器如：62256相连。

单片机U1的P0口还与8路锁存器U5如：74HC373相连。8路锁存器U5的Q0-Q7引脚分别与扩展存储器U6的A0-A7引脚相连。PTP3.0、PRP3.1与USB转TTL串口模块的TXD、RXD相连，单片机U1的PHP3.2与对射光电传感器模块的输出脚相连，对射光电传感器模块由信号采集电路供电。信号采集电路与USB转TTL串口模块、传感器电路和对射光电传感器模块之间的通过XH2.54端子连接线和杜邦线连接，将USB转TTL串口模块插入计算机USB接口即可启动电路，测试就绪。

本发明装置可配合“声学振动分析软件”使用，完成数据接收、数据解码和数据分析的功能。上述USB转TTL串口模块将计算机的USB接口转换成了RS232接口，“声学振动分析软件”能够从转换成的RS232接口自动接收信号采集电路上传的数据，通过对接收的原始二进制流进行移位等操作完成解码，得到加速度传感器输出的实际电压信号。可对采样后的加速度传感器输出信号进行快速傅里叶变换、归一化幅频响应、计算不同频段总能量（BaudMagnitude,BM）值处理，进行进一步分析西瓜品质。

自行编写的“声学振动分析软件”可对上传到计算机中的采样后的加速度传感器输出信号进行快速傅里叶变换、归一化幅频响应、计算不同频段总能量（BaudMagnitude,BM）值处理，供研究人员进一步分析西瓜品质。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种西瓜敲击振动多点同步测量装置，其特征在于：包括活动支架、撞击部件和传感器夹持部件，活动支架包括顶支架、直线导轨（5）和升降机构，顶支架包括四个臂架（1）、中心体架（2）、和手柄件（4）；

中心体架（2）侧面四周均布安装有四个臂架（1），四个臂架（1）的长度方向均沿中心体架（2）径向安装，各个臂架（1）内沿长度方向安装有直线导轨（5），直线导轨（5）上均安装滑块（3），各个臂架（1）侧面设有用于固定滑块（3）移动的手柄件（4）；四周其中一侧臂架（1）的滑块（3）下端安装有撞击部件，四周其余三侧臂架（1）的滑块（3）下端各安装有传感器夹持部件，中心体架（2）中心安装有用于固定西瓜中心位置的升降机构，西瓜的四周被撞击部件和三个传感器夹持部件夹持；

所述的撞击部件包括撞击支架（11）、撞击条（12）、螺栓型轨迹滚轮滚针轴承（13）、第一立式直线光轴固定座（14）和镀锌钢丝扭簧（15）；呈U形的撞击支架（11）倒置安装在滑块（3）下端，撞击支架（11）的U形开口端之间安装有第一立式直线光轴固定座（14），撞击条（12）顶端的侧臂轴通过螺栓型轨迹滚轮滚针轴承（13）铰接在第一立式直线光轴固定座（14）上，撞击条（12）顶端的侧臂轴套有用于弹性限位的镀锌钢丝扭簧（15），镀锌钢丝扭簧（15）的扭臂端顶在撞击支架（11）侧面，撞击支架（11）靠近中心体架（2）的一侧通过支架安装有对射光电传感器模块（17），对射光电传感器模块（17）的对射光电传感器之间设有挡片（19），挡片（19）连接在撞击条（12）侧面，撞击条（12）底端侧面安装有用于敲击西瓜的撞击头（20）。

2.根据权利要求1所述的一种西瓜敲击振动多点同步测量装置，其特征在于：所述的升降机构包括螺纹手柄（6）、螺孔法兰（7）、锌合金轴承座（8）、轴承连接件（9）和透明吸盘（10），螺孔法兰（7）安装在中心体架（2）中心，螺孔法兰（7）上通过螺纹套有螺纹手柄（6），螺纹手柄（6）底部通过轴承安装在锌合金轴承座（8）上，轴承连接件（9）固定安装在锌合金轴承座（8）上，用于固定西瓜位置的透明吸盘（10）固定安装在轴承连接件底面。

3.根据权利要求1所述的一种西瓜敲击振动多点同步测量装置，其特征在于：所述的传感器夹持部件包括传感器支柱（16）和第二立式直线光轴固定座（18），传感器支柱（16）顶端固定安装在滑块（3）底面，第二立式直线光轴固定座（18）安装在传感器支柱（16）底端，第二立式直线光轴固定座（18）的通孔中安装有加速度传感器，加速度传感器朝向西瓜放置。

4.根据权利要求3所述的一种西瓜敲击振动多点同步测量装置，其特征在于：所述加速度传感器为硅电容式微机械加速度传感器；硅电容式微机械加速度传感器通过焊接在传感器电路板上再安装到第二立式直线光轴固定座（18）上，传感器电路板外部包裹一层泡沫塑料膜。