CN110187006A - 一种多工位声学响应信号分析的蛋壳裂纹检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多工位声学响应信号分析的蛋壳裂纹检测方法，包括：在单个禽蛋表面的n个不同激励位置进行敲击棒激励，采集各个激励位置上敲击棒单次激励响应的声音信号共n个，其中n为＞2的偶数；利用初始点选取方法确定各原始采集信号中敲击棒有效激励的信号的起始点，并利用有效信号波段选取方法截取各信号中从敲击棒有效激励的信号的起始点开始敲击棒第一次触击蛋壳表面所产生的声音信号波段；采用多信号联合分析的方法，得出单枚禽蛋信号之间的互相关系数；根据所述互相关系数的均值结果来判别禽蛋表面是否存在裂纹，本发明解决了现有蛋壳裂纹检测模型应用于不同品种禽蛋时存在的自适应性差的问题，且检测的正确率高，检测速度快。

Description

一种多工位声学响应信号分析的蛋壳裂纹检测方法

技术领域

本发明涉及禽蛋破损检测技术领域，尤其涉及一种多工位声学响应信号分析的蛋壳裂纹检测方法。

背景技术

根据国家统计局数据显示，近20年我国禽蛋产量呈上升趋势，我国产量约占世界禽蛋产量42％。禽蛋在生产、储存和运输过程中易产生裂纹，禽蛋容易腐败变质，如果裂纹蛋流入市场容易引发严重的食品安全问题。因此，裂纹检测是禽蛋生产消费过程中的必要环节。

目前国内禽蛋裂纹检测方法有人工检测和自动化检测：人工检测精度低，检测速度慢，易受主观经验因素影响；自动化检测中，现有技术公开了一种禽蛋蛋壳裂纹检测方法，利用加速度传感器和声脉冲传感器附着禽蛋表面，采集振动信号和声脉冲信号，建立检测判别模型。该方法传感器分布受禽蛋不同尺寸影响，且检测模型复杂，且针对不同品种的禽蛋其检测模型的自适应差。现有技术还公开了一种禽蛋破损自动敲击检测系统，通过单工位激励禽蛋表面，并利用拾音盒采集激励响应声学信号，作为裂纹判别依据；根据研究表明激励位置与裂纹处距离超过一定范围时，裂纹特征信息难以检出。因此，单工位检测容易出现裂纹蛋漏检。现有技术公开了一种基于声学特性的禽蛋裂纹快速在线无损检测装置及方法，通过采集禽蛋表面多个激励响应信号，分析信号的时域和频域，提取多个特征参数，建立判别模型来检测禽蛋是否存在裂纹；该方法的检测模型同样不能适应不同品种蛋信号，此外，同时进行时域和频域处理，其计算量较大。现有技术公开了一种禽蛋裂纹动态检测系统及方法，根据禽蛋生产线传输速度，禽蛋大小，计算声学激励并精准敲击，保证声学激励的一致性，利用数据采集分析模块获得禽蛋蛋壳检测结果；虽然其声学激励一致，但由于蛋壳刚度不同以及不同品种蛋的信号差异性较大，其检测模型自适应性同样不足。

综上所述，单工位检测，传统多工位检测均难以自适应不同品种禽蛋的裂纹检测。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种多工位声学响应信号分析的蛋壳裂纹检测方法，解决现有蛋检测模型应用于不同品种禽蛋时存在的自适应性差的问题。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种多工位声学响应信号分析的蛋壳裂纹检测方法，包括：

在单个禽蛋表面的n个不同激励位置进行敲击棒激励，采集各个激励位置上敲击棒单次激励响应的声音信号共n个，其中n为＞2的偶数；

利用初始点选取方法确定各原始信号中敲击棒有效激励的信号的起始点，并利用有效信号波段选取方法截取各信号中从敲击棒有效激励的信号的起始点开始敲击棒第一次触击蛋壳表面所产生的声音信号波段，作为后续信号处理的有效信号波段；

采用多信号联合分析的方法，得出单枚禽蛋信号之间的互相关系数；

根据所述互相关系数的均值结果来判别禽蛋表面是否存在裂纹。

优选的，所述敲击棒激励，在单个蛋中每次所产生的激励效果相同，包括激励棒初始位置相同、初始能量相同，以及激励棒接触蛋壳表面前的运动距离相同。

优选的，n/2个所述激励位置分布于禽蛋大头表面，另外n/2个所述激励位置分布于禽蛋小头表面，单个禽蛋得到两组声音信号，分为大头n/2个和小头n/2个。

优选的，位于禽蛋大头表面的n/2个所述激励位置均匀分布于禽蛋大头激励点所在的切面圆圆周上，该切面圆垂直于禽蛋长轴，位于禽蛋小头表面的n/2个所述激励位置均匀分布于禽蛋小头激励点所在的切面圆圆周上，该切面圆同样垂直于禽蛋长轴。

优选的，采集过程中，禽蛋平躺在敲击棒的正下方，禽蛋长轴于敲击棒共平面，敲击棒在所共平面内通过上下运动对禽蛋施加激励，此外，让禽蛋沿长轴自转来改变激励位置，以此采集不同位置的激励响应信号。

优选的，所述初始点选取方法是利用原始信号相邻点之间的幅值差值法来确定各原始采集信号对应的敲击棒有效激励的信号的起始点，当某一采样点A与相邻下一采样点B的幅值差值达到一定阈值时，确定采样点A为有效信号起始点。

优选的，所述有效信号波段选取方法是从敲击棒有效激励的信号的起始点开始截取256个采样点信号。

优选的，所述多信号联合分析方法是将单个禽蛋采集的两组信号分别求互相关系数，以每组其中一个信号为基准，与该组内其余信号分别作互相关计算，计算公式为：

其中X，Y代表两个有效信号组，Cov(X,Y)代表X，Y的协方差，D(X)，D(Y)分别代表X，Y的方差。

本发明的有益效果：

1.本发明通过采集单个禽蛋表面均匀分布的n个不同激励位置的激励响应信号，提取全面的禽蛋表面声学信息，提高禽蛋裂纹检测的正确率。

2.本发明利用单个禽蛋上信号之间的互相关性来判别裂纹蛋，有效避免不同品种蛋以及同种不同批次蛋之间信号的差异性所产生的影响，检测模型的自适应性较好。

3.本发明将单个禽蛋信号中大头、小头信号分开作互相关计算，避免禽蛋大小头信号差异所产生的影响，进一步提高禽蛋裂纹检测的准确度。

4.本发明利用时域信号互相关系数表征信号之间的互相关程度，大大降低计算量，提高禽蛋裂纹检测的速度。

5.本发明提取原始信号敲击棒第一次触击的有效波段，利用有效波段作互相关计算，计算量减少，禽蛋裂纹判别速度进一步提高。

附图说明

图1为本发明所述禽蛋大头和小头上激励位置的示意图。

图2为本发明实施例中采集禽蛋激励响应信号原始图。

图3为本发明实施例中敲击棒第一次触击禽蛋信号的时域图。

图4为本发明实施例中102枚完好鸡蛋和裂纹鸡蛋互相关系数均值对比图。

图5为本发明实施例中100枚完好鸭蛋和裂纹鸭蛋互相关系数均值对比图。

附图标记：

1.禽蛋小头激励位置；2.禽蛋大头激励位置；3.禽蛋。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明实施例的一种多工位声学响应信号分析的蛋壳裂纹检测方法，包括：

步骤一：在单个禽蛋表面的n个不同激励位置进行敲击棒激励，采集各个激励位置上敲击棒单次激励响应的声音信号共n个，其中n为＞2的偶数；

其中，对于在单个蛋中的敲击棒激励，每次所产生的激励效果相同，包括激励棒初始位置相同、初始能量相同，以及激励棒接触蛋壳表面前的运动距离相同。

如图1所示，n个不同激励位置中有n/2个激励位置均匀分布于禽蛋大头表面，另外n/2个所述激励位置均匀分布于禽蛋小头表面，单个禽蛋得到两组声音信号，分为大头n/2个和小头n/2个。

采集过程中，禽蛋平躺在敲击棒的正下方，禽蛋长轴与敲击棒共平面，敲击棒在所共平面内通过上下运动对禽蛋施加激励，此外，让禽蛋沿长轴自转来改变激励位置，以此采集不同位置的激励响应信号。

步骤二：利用初始点选取方法确定各原始采集信号中敲击棒有效激励的信号的起始点，并利用有效信号波段选取方法截取各信号中从敲击棒有效激励的信号的起始点开始敲击棒第一次触击蛋壳表面所产生的声音信号波段，作为后续信号处理的有效信号波段；

其中，所述初始点选取方法是利用原始信号相邻点之间的幅值差值法来确定各原始采集信号对应的敲击棒有效激励的信号的起始点，当某一采样点A与相邻下一采样点B的幅值差值达到一定阈值时，确定采样点A为有效信号起始点，禽蛋激励响应的原始信号如图2所示。

在敲击棒受弹簧作用完成一次敲击过程中，棒头会与禽蛋表面产生多次振动接触，其中第一次接触为敲击棒第一次触击，且第一次触击产生的信号能够全面的反应敲击处蛋壳特征，因此截取各信号中从有效信号起始点开始敲击棒第一次触击蛋壳表面所产生的声音信号波段，截取激励棒第一次触击波段如图3所示。

本实施例中优选从从敲击棒有效激励的信号的起始点开始截取256个采样点信号，由于在大部分禽蛋声学信号中，激励棒第一次触击时长均≥256个采样点(实验采样频率96KHz)，因此有效波段取起始点开始的256个采样点信号。

步骤三：采用多信号联合分析的方法，得出单枚禽蛋信号之间的互相关系数；

其中，多信号联合分析方法是将单个禽蛋采集的两组信号分别求互相关系数，以每组其中一个信号为基准，与该组内其余信号分别作互相关计算，计算公式为：

其中X，Y代表两个有效信号组，Cov(X,Y)代表X，Y的协方差，D(X)，D(Y)分别代表X，Y的方差。

步骤四：得出互相关系数值n-2个，计算所述n-2个互相关系数均值，根据所述均值结果来判别禽蛋表面是否存在裂纹。

实施例1：

选取102枚完好鸡蛋和100枚完好鸭蛋，每个蛋按上述方法采集16个信号，完好蛋信号采集完成后，对鸡蛋和鸭蛋制造裂纹，按同样方法采集16个裂纹蛋信号；利用上述信号处理方式对采集到的信号进行计算，得到鸡蛋完好与裂纹信号、鸭蛋完好与裂纹信号互相关系数均值分别如图4、图5所示。图中可以看出，裂纹鸡蛋检测率为100％，误判率(完好蛋判别成裂纹蛋)为2％；裂纹鸭蛋检测率为96％，误判率为2％。

因此，本发明的一种多工位声学响应信号分析的蛋壳裂纹检测方法，对于禽蛋裂纹检测的正确率高，并能够有效避免不同品种蛋以及同种不同批次蛋之间信号的差异性所产生的影响，检测模型的自适应性较好。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种多工位声学响应信号分析的蛋壳裂纹检测方法，其特征在于，包括：

在单个禽蛋表面的n个不同激励位置进行敲击棒激励，采集各个激励位置上敲击棒单次激励响应的声音信号共n个，其中n为＞2的偶数；

利用初始点选取方法确定各原始采集信号中敲击棒有效激励的信号的起始点，并利用有效信号波段选取方法截取各信号中从敲击棒有效激励的信号的起始点开始敲击棒第一次触击蛋壳表面所产生的声音信号波段，作为后续信号处理的有效信号波段；

采用多信号联合分析的方法，得出单枚禽蛋信号之间的互相关系数；

根据所述互相关系数的均值结果来判别禽蛋表面是否存在裂纹。

2.根据权利要求1所述的多工位声学响应信号分析的蛋壳裂纹检测方法，其特征在于，所述敲击棒激励，在单个蛋中每次所产生的激励效果相同，包括激励棒初始位置相同、初始能量相同，以及激励棒接触蛋壳表面前的运动距离相同。

3.根据权利要求1所述的多工位声学响应信号分析的蛋壳裂纹检测方法，其特征在于，n/2个所述激励位置分布于禽蛋大头表面，另外n/2个所述激励位置分布于禽蛋小头表面，单个禽蛋得到两组声音信号，分为大头n/2个和小头n/2个。

4.根据权利要求3所述的多工位声学响应信号分析的蛋壳裂纹检测方法，其特征在于，位于禽蛋大头表面的n/2个所述激励位置均匀分布于禽蛋大头激励点所在的切面圆圆周上，该切面圆垂直于禽蛋长轴，位于禽蛋小头表面的n/2个所述激励位置均匀分布于禽蛋小头激励点所在的切面圆圆周上，该切面圆同样垂直于禽蛋长轴。

5.根据权利要求3所述的多工位声学响应信号分析的蛋壳裂纹检测方法，其特征在于，采集过程中，禽蛋平躺在敲击棒的正下方，禽蛋长轴与敲击棒共平面，敲击棒在所共平面内通过上下运动对禽蛋施加激励，此外，让禽蛋沿长轴自转来改变激励位置，以此采集不同位置的激励响应信号。

6.根据权利要求1所述的多工位声学响应信号分析的蛋壳裂纹检测方法，其特征在于，所述初始点选取方法是利用原始信号相邻点之间的幅值差值法来确定各原始采集信号对应的敲击棒有效激励的信号的起始点，当某一采样点A与相邻下一采样点B的幅值差值达到一定阈值时，确定采样点A为有效信号起始点。

7.根据权利要求1所述的多工位声学响应信号分析的蛋壳裂纹检测方法，其特征在于，所述有效信号波段选取方法是从敲击棒有效激励的信号的起始点开始截取256个采样点信号。

8.根据权利要求3所述的多工位声学响应信号分析的蛋壳裂纹检测方法，其特征在于，所述多信号联合分析方法是将单个禽蛋采集的两组信号分别求互相关系数，以每组其中一个信号为基准，与该组内其余信号分别作互相关计算，计算公式为：

其中X，Y代表两个有效信号组，Cov(X,Y)代表X，Y的协方差，D(X)，D(Y)分别代表X，Y的方差。