CN110779861B - 一种果蔬紧实度测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种果蔬紧实度测量装置及方法。装置包括机架、张紧带、步进电机、控制器。机架包括平台、水平悬挂杆、左右两根竖直支撑杆；平台左右对称放置步进电机，竖直支撑杆设有标尺，水平悬挂杆依次设有左固定滑轮、左移动滑轮、中心顶杆、右移动滑轮、右固定滑轮；左固定滑轮、右固定滑轮分别位于相应步进电机的正上方；中心顶杆设有压力传感器；张紧带的一端连接步进电机，另一端穿过滑轮与弧形带相连，弧形带用于承托被测果蔬；张紧带设有拉力传感器；控制器用于控制步进电机、拉力传感器、压力传感器。本发明采用两侧同步加载的方式测定给定弹性变形量内果蔬的变形，结构简单，操作方便，能用于准确测定不同果蔬的紧实度。

Description

一种果蔬紧实度测量装置及方法
技术领域
本发明属于农业生产技术领域，具体涉及一种果蔬紧实度测量装置和方法。
背景技术
果蔬紧实度是用来衡量评价球形（或结球）果蔬的一种物理压缩效应的一个指标，衡量果蔬内部抗压能力，与果蔬质地有关，可用于评价果蔬内部品质及成熟度。传统测定果蔬紧实度大都采用手握果蔬的方法进行定性评价，主观性强；目前有关果蔬紧实度的测量主要采用质构仪、硬度计等仪器刺入果蔬内部测得单点或多点数据值，不能全面反映果蔬紧实度真实值，且属于破坏性检测，多集中于测定苹果、梨等传统水果，对白菜、甘蓝等叶类蔬菜紧实度测定较少。
CN104034587A公开了一种球形果蔬坚实度的测量方法，该方法利用的结球类蔬菜坚实度的测量装置，将被测球形果蔬放置于该装置的载物台圆形凹槽处，利用步进电机驱动皮带做水平直线运动，使皮带压实球形果蔬表面，记录拉伸一定位移后拉力传感器的示数用于表示球形果蔬的坚实度。上述专利采用水平单向拉伸加载的方式测量，被测果蔬与皮带两端受力不均易导致侧滑倾斜，致使测量结果不够准确，且直接采用拉伸力去衡量紧实度忽略了带宽对不同大小结球果蔬的影响。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种果蔬紧实度测量装置及方法，模拟用于握果蔬测定紧实度的方法，准确测得不同大小、不同品种果蔬的紧实度真值。
为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：
一种果蔬紧实度测量装置，包括机架、张紧带、步进电机、控制器；其中，机架包括平台、水平悬挂杆、左右两根竖直支撑杆；平台左右对称放置步进电机，竖直支撑杆设有标尺，水平悬挂杆依次设有左固定滑轮、左移动滑轮、中心顶杆、右移动滑轮、右固定滑轮；左固定滑轮、右固定滑轮分别位于相应步进电机的正上方；中心顶杆与被测果蔬的接触端设有压力传感器；张紧带的一端连接步进电机，另一端穿过左固定滑轮、左移动滑轮与弧形带相连，弧形带用于承托被测果蔬；张紧带设有拉力传感器；控制器位于平台上，用于控制步进电机、拉力传感器、压力传感器。
所述的左移动滑轮、右移动滑轮可左右移动，用于调节弧形带包裹被测果蔬的松紧度。
所述弧形带、张紧带采用不变形材料，包括玻璃纤维带。
一种采用所述装置检测果蔬紧实度的方法，包括以下步骤：
（1）测量果蔬直径：测得被测果蔬直径d，以此选定合适宽度为B的弧形带，B=0.1d；取果蔬变形量Δd=0.05d，则测量过程张紧带拉伸位移加载量ΔL=0.05πd；
（2）施加预载荷：将被测果蔬置于弧形带上，调节左移动滑轮和右移动滑轮至合适位置；通过控制器启动步进电机使被测果蔬表面与弧形带包裹均匀，同时连接弧形带两端的张紧带匀速向上移动使被测果蔬上表面与中心顶杆缓慢接触施加压紧力；待压力传感器感应到压力信号变化时，信号反馈给控制器控制步进电机停止转动，利用制动施加预载荷，保证被测果蔬与弧形带均匀接触；
（3）标定起始状态：标计出标尺零刻度对应张紧带所处的位置x 0；
（4）加载拉紧力：继续启动步进电机，待张紧带标记x 0移动位移ΔL=0.05πd后，停止步进电机，记录此时两个拉力传感器的示数N 1 ，N 2，取其平均值
Figure 899212DEST_PATH_IMAGE002
；
（5）计算弹性应力和弹性模量：
弹性应力：
Figure 244743DEST_PATH_IMAGE004
弹性模量：
Figure 349096DEST_PATH_IMAGE006
上式中，A为被测果蔬表面受载面积，mm2；F为平均拉紧力，N；ε为应变；B为弧形带宽度，mm；d为被测果蔬直径，mm；
（6）行程返回：通过控制器启动步进电机，使步进电机反转将被测果蔬重新回到放松状态，取下被测果蔬。
本发明的有益效果：可广泛用于甘蓝、白菜、苹果等球形果蔬紧实度的测量。相对于现有技术，本发明中的弧形带能模拟用于握果蔬测定紧实度的方法，通过调节左右移动滑轮位置可以更好包裹不同大小被测果蔬表面；同时可以根据不同大小的果蔬更换不同规格的弧形带，实现对不同尺寸、不同品种果蔬紧实度的测量；结合传感器技术和控制器技术能实现对被测果蔬的同时加载，避免侧滑翻转，准确获得果蔬紧实度真实值。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中：机架1、竖直支撑杆2、水平悬挂杆3、左固定滑轮4、左移动滑轮5、中心顶杆6、压力传感器7、被测果蔬8、弧形带9、右移动滑轮10、右固定滑轮11、张紧带12、拉力传感器13、标尺14、步进电机15、平台16、控制器17。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
如图1所示，一种果蔬紧实度测量装置，包括机架1、张紧带12、步进电机15、控制器17；其中，机架1包括平台16、水平悬挂杆3、左右两根竖直支撑杆2；平台16左右对称放置步进电机15，竖直支撑杆2设有标尺14。
水平悬挂杆3依次设有左固定滑轮4、左移动滑轮5、竖直向下的中心顶杆6、右移动滑轮10、右固定滑轮11；其中左固定滑轮4、右固定滑轮11分别位于相应步进电机15的正上方；中心顶杆6与被测果蔬8的接触端设有压力传感器7。
张紧带12的一端连接步进电机15，另一端穿过左固定滑轮4、左移动滑轮5与弧形带9相连，弧形带9用于承托被测果蔬8；
张紧带12设有拉力传感器13，左右各一个，位于水平悬挂杆3和步进电机15之间。
控制器17位于平台16上，用于控制步进电机15、拉力传感器13、压力传感器7。
所述的左移动滑轮5、右移动滑轮10可左右移动，用于调节弧形带9包裹被测果蔬8的松紧度。
所述弧形带9、张紧带12可采用多种不变形材料，常见的如玻璃纤维带。
一种采用所述装置检测果蔬紧实度的方法，包括以下步骤：
（1）测量果蔬直径：测得被测果蔬直径d，以此选定合适宽度为B的弧形带，B=0.1d；取果蔬变形量Δd=0.05d，则测量过程张紧带拉伸位移加载量ΔL=0.05πd；
（2）施加预载荷：将被测果蔬8置于弧形带9上，调节左移动滑轮5和右移动滑轮10至合适位置；通过控制器17启动步进电机15使被测果蔬8表面与弧形带9包裹均匀，同时连接弧形带9两端的张紧带12匀速向上移动使被测果蔬8上表面与中心顶杆6缓慢接触施加压紧力；待压力传感器7感应到压力信号变化时，信号反馈给控制器17控制步进电机15停止转动，利用制动施加预载荷，保证被测果蔬8与弧形带9均匀接触；
（3）标定起始状态：标计出标尺14零刻度对应张紧带所处的位置x 0；
（4）加载拉紧力：继续启动步进电机15，待张紧带标记x 0移动位移ΔL=0.05πd后，停止步进电机15，记录此时两个拉力传感器13的示数N 1 ，N 2，取其平均值
Figure DEST_PATH_IMAGE007
；
（5）计算弹性应力和弹性模量：
弹性应力：
Figure 147288DEST_PATH_IMAGE009
弹性模量：
Figure 877347DEST_PATH_IMAGE011
上式中，A为被测果蔬表面受载面积，mm2；F为平均拉紧力，N；ε为应变；B为弧形带宽度，mm；d为被测果蔬直径，mm；
（6）行程返回：通过控制器17启动步进电机15，使步进电机反转将被测果蔬8重新回到放松状态，取下被测果蔬。
拉紧力F、弹性应力σ、弹性模量E即可反映果蔬紧实度大小，其值越大，表明果蔬内部越紧实。
本发明可广泛用于甘蓝、白菜、苹果等球形果蔬紧实度的测量。

Claims (4)

1.一种果蔬紧实度测量装置，包括机架（1）、张紧带（12）、步进电机（15），张紧带（12）设有拉力传感器（13），其特征在于：还包括控制器（17）；
其中，机架（1）包括平台（16）、水平悬挂杆（3）、左右两根竖直支撑杆（2）；平台（16）左右对称放置步进电机（15），竖直支撑杆（2）设有标尺（14），
水平悬挂杆（3）依次设有左固定滑轮（4）、左移动滑轮（5）、中心顶杆（6）、右移动滑轮（10）、右固定滑轮（11）；左固定滑轮（4）、右固定滑轮（11）分别位于相应步进电机（15）的正上方；中心顶杆（6）与被测果蔬（8）的接触端设有压力传感器（7）；
张紧带（12）的一端连接步进电机（15），另一端穿过左固定滑轮（4）、左移动滑轮（5）与弧形带（9）相连，弧形带（9）用于承托被测果蔬（8）；
控制器（17）位于平台（16）上，用于控制步进电机（15）、拉力传感器（13）、压力传感器（7）。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的左移动滑轮（5）、右移动滑轮（10）可左右移动，用于调节弧形带（9）包裹被测果蔬（8）的松紧度。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述弧形带（9）、张紧带（12）采用不变形材料，包括玻璃纤维带。
4.一种采用权利要求1所述装置检测果蔬紧实度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）测量果蔬直径：测得被测果蔬直径d，以此选定合适宽度为B的弧形带，B=0.1d；取果蔬变形量Δd=0.05d，则测量过程张紧带拉伸位移加载量ΔL=0.05πd；
（2）施加预载荷：将被测果蔬（8）置于弧形带（9）上，调节左移动滑轮（5）和右移动滑轮（10）至合适位置；通过控制器（17）启动步进电机（15）使被测果蔬（8）表面与弧形带（9）包裹均匀，同时连接弧形带（9）两端的张紧带（12）匀速向上移动使被测果蔬（8）上表面与中心顶杆（6）缓慢接触施加压紧力；待压力传感器（7）感应到压力信号变化时，信号反馈给控制器（17）控制步进电机（15）停止转动，利用制动施加预载荷，保证被测果蔬（8）与弧形带（9）均匀接触；
（3）标定起始状态：标计出标尺（14）零刻度对应张紧带所处的位置x 0；
（4）加载拉紧力：继续启动步进电机（15），待张紧带标记x 0移动位移ΔL=0.05πd后，停止步进电机（15），记录此时两个拉力传感器（13）的示数N 1 ，N 2，取其平均值
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
（5）计算弹性应力和弹性模量：
弹性应力：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
弹性模量：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
上式中，A为被测果蔬表面受载面积，mm2；F为平均拉紧力，N；ε为应变；B为弧形带宽度，mm；d为被测果蔬直径，mm；
（6）行程返回：通过控制器（17）启动步进电机（15），使步进电机（15）反转将被测果蔬重新回到放松状态，取下被测果蔬。
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