CN111855800B - 声学振动快速无损测定水果货架期或最佳食用期的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声学振动快速无损测定水果货架期或最佳食用期的方法。方法包括采集建模样品集、测定质量、采集振动响应信号、水果品质检测、提取振动特征参数、计算各贮藏温度下振动特征参数变化速率、货架期或最佳食用期预测模型的建立、待测水果的测定等步骤。本发明通过声学振动处理，采用无损检测的方式，实现水果货架期和最佳可食用期的准确测定，能实现水果样本的快速个体检测并避免浪费。

Description

声学振动快速无损测定水果货架期或最佳食用期的方法

技术领域

本发明涉及一种水果贮藏时间的测定方法，尤其涉及一种声学振动快速无损测定水果货架期或最佳食用期的方法。

背景技术

我国是水果大国，每年水果产量巨大。成熟度是水果的重要品质指标之一，水果的成熟度影响着水果的内部品质，不同成熟度的水果，果肉颜色不同，其内部品质(可溶性固形物、维生素C等营养物质的含量)也不相同。

为延长果品销售时间和保证果品质量，果农通常会提前采摘水果以使得水果在到达消费者手中依然保持良好品质。同时，果农或经销商通常会将一部分水果冷藏以延长保存时间。因此，十分有必要明确水果在不同贮藏温度下的品质变化规律，并以此预测水果的货架期和最佳可食用期等。目前，水果货架期和最佳可食用的判断主要是以个人经验为主的主观判断和抽样检测。但是，主观判断结果往往和个人经验有关，且结果不准确，而抽样检测只能检测部分样本且造成浪费。

水果在成熟过程中，细胞膜和细胞壁物质逐渐降解，淀粉酶使细胞壁被分解，细胞间的附着力不断减弱，宏观上则表现为果实的不断软化。因此可利用其内部结构变化特点，采用声学振动的无损检测方法，并结合适当的数学模型，建立快速无损评估水果品质变化并预测货架期或最佳食用期的无损检测方法。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明目的在于提供了一种基于声学振动的快速无损测定水果货架期或最佳食用期的方法。

本发明采用的技术方案是：

步骤1)采集建模样品集：挑选同一批次、完整的水果作为样本，样本存放于a个不同贮藏温度环境中，在每个贮藏温度环境下每m_i天进行一次试验，各贮藏温度下均分别进行b_i次试验，每次试验随机选取n_i个样本采集在按照以下步骤进行；

步骤1.1)测定质量m：对样本中的各个水果用电子天平逐一称重；

步骤1.2)采集振动响应信号：两根手指上通过指套分别安装固定激振器和振动测量传感器，两根手指抓捏在水果的对称两侧，使得水果样本夹持于激振器与振动测量传感器之间，激振器在激励信号下进行振动，经水果传导后被振动测量传感器采集获得水果样本的振动响应信号，振动测量传感器采集的振动响应信号通过信号采集模块送至计算机并保存；

步骤1.3)提取振动特征参数：对采集到的振动响应信号进行快速傅里叶变换处理提取获得振动特征参数；

步骤1.4)水果品质检测：对水果样本进行品质检测获得货架期或最佳食用期；

步骤2)计算各贮藏温度下振动特征参数变化速率：将得到的振动特征参数EI作为因变量、时间t作为自变量进行线性或曲线拟合，得到贮藏温度下振动特征参数EI的变化速率k，一个贮藏温度具有一个变化速率k，不同的贮藏温度获得各自的振动特征参数EI的变化速率k；

步骤3)预测模型的建立：

以变化速率k为因变量、贮藏温度T为自变量采用动力学模型建立水果振动特征参数变化模型EI＝f(T,t)；再结合步骤1.4)测量结果和步骤1.3)获得的振动特征参数，确定水果货架期或最佳食用期的振动特征参数阈值；具体实施中选取最长货架期或最佳食用期对应的振动特征参数作为振动特征参数阈值。将振动特征参数阈值输入水果振动特征参数变化模型EI＝f(T,t)得到货架期或最佳食用期的预测模型；

步骤4)待测水果的预测：挑选同一品种的待测水果在贮藏温度T下贮藏，按照步骤1)相同方式进行测试获得贮藏第0天的振动特征参数EI₀，然后将EI₀和T输入到步骤3)建立的预测模型中处理获得货架期或最佳食用期。

所述的步骤3)和步骤4)，具体为：

建立以下水果振动特征参数变化模型：

式中：EI_yu为振动特征参数阈值，t为待测水果的货架期或最佳食用期天数，EI₀为贮藏第0天的振动特征参数，k_ref为拟合常数参数，E_a为活化能，R为理想气体常数，T表示贮藏温度，e表示自然常数；

最后是将待测水果的振动特征参数利用以下公式获得货架期或最佳食用期：

所述步骤1)中，a取值大于等于3，m_i取值大于等于1，b_i取值大于等于4，n_i大于等于3。

所述步骤3)中，所述的激励信号是由计算机发出并控制激振器工作的信号，采用但不限于正弦扫频信号、脉冲信号。

所述的步骤1.4)中，对水果样本采用质构仪进行品质检测获得货架期或最佳食用期。

所述的步骤1.3)中，振动特征参数EI＝f²m^2/3，f为待测水果的共振频率，m为待测水果的质量。

所述的步骤2)中，所述的线性或曲线拟合，包含但不限于一元线性拟合、指数函数模型拟合、倒数模型拟合。

具体实施的装置包括振动控制系统和振动信号采集系统。振动控制系统包括计算机、振动控制模块、激振器；激振器上固定有指套；计算机输出振动控制信号，经振动控制模块与激振器连接。振动信号采集系统包括振动测量传感器和信号采集模块；振动测量传感器上固定有指套；振动测量传感器与信号采集模块输入端连接，信号采集模块输出端与计算机连接。

本发明通过采用无损检测的方式，建立并结合了动力学模型，进行水果货架期和最佳可食用期的预测和测定，实现水果样本的全部个体检测并避免浪费。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

本发明通过声学振动处理，采用无损检测的方式，实现水果货架期和最佳可食用期的准确测定，能实现水果样本的快速个体检测并避免浪费。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

图2是本发明的装置结构示意图。

图中：1、激振器；2、指套；3、振动控制模块；4、计算机；5、信号采集模块；6、指套；7、振动测量传感器；8、水果。

图3是本发明实施例中不同贮藏温度下猕猴桃预测货架期天数。

图4是本发明实施例中猕猴桃弹性系数EI实测值与预测值图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图2所示，本发明的实施装置包括振动控制系统和振动信号采集系统，其中：

1)振动控制系统：包括激振器1(F40-49R8)、指套2、振动控制模块3和计算机4；指套2通过胶水固定于激振器1背面，计算机4输出振动控制信号，经振动控制模块3与激振器1连接；

2)振动信号采集系统：包括信号采集模块5(DFT600)、指套6和振动测量传感器7(KT1010)；指套6通过胶水固定于振动测量传感器7背面，振动测量传感器7与信号采集模块5输入端连接，信号采集模块5输出端与计算机4连接。

两根手指上通过指套2和6分别安装固定激振器1和振动测量传感器7，两根手指抓捏在水果8的对称两侧，使得水果8夹持于激振器1与振动测量传感器7之间，激振器1在激励信号下进行振动，经水果8传导后被振动测量传感器7采集获得水果8的振动响应信号，振动测量传感器7采集的振动响应信号通过信号采集模块5送至计算机4并保存。

本发明对水果成熟度和最佳食用期的测定具有通用性，以猕猴桃为例，介绍本发明测定水果货架期或最佳食用期的方法的实施过程，其它水果可参照该实施例的方法，建立相应的水果货架期或最佳食用期预测模型，即可对不同水果的货架期或最佳食用期进行无损测定。

实施例：一种快速无损测定猕猴桃货架期或最佳食用期的方法，按照如图1所示的步骤进行：

步骤1)采集建模样品集：挑选同一批次、完整的357个猕猴桃作为样本，样本存放于0、4、10和20℃4个不同贮藏温度环境中，在0、4、10和20℃贮藏温度下分别每10、8、4和2天进行一次试验，各贮藏温度下均分别进行8次试验，每次试验随机选取9～12个样本采集在按照以下步骤进行；

步骤1.1)测定质量m：对样本中的各个猕猴桃用电子天平逐一称重；

步骤1.2)采集振动响应信号：两根手指上通过指套2和6分别安装固定激振器1和振动测量传感器7，两根手指抓捏在猕猴桃的对称两侧，使得猕猴桃夹持于激振器1与振动测量传感器7之间，激振器1在激励信号下进行振动，经猕猴桃传导后被振动测量传感器7采集获得猕猴桃的振动响应信号，振动测量传感器7采集的振动响应信号通过信号采集模块5送至计算机4并保存；

步骤1.3)提取振动特征参数：对采集到的振动响应信号进行快速傅里叶变换处理提取获得振动特征参数EI，EI＝f²m^2/3，f为待测猕猴桃的共振频率，m为待测猕猴桃的质量；

步骤1.4)水果品质检测：猕猴桃样本采用质构仪进行品质检测获得货架期或最佳食用期；

步骤2)计算各贮藏温度下振动特征参数变化速率：采用自然指数为底的指数函数模型，将得到的振动特征参数EI作为因变量、时间t作为自变量进行曲线拟合，得到贮藏温度下振动特征参数EI的变化速率k，一个贮藏温度具有一个变化速率k，4个不同的贮藏温度获得各自的振动特征参数EI的变化速率k；

步骤3)预测模型的建立：

以变化速率k为因变量、贮藏温度T为自变量，采用阿列纽斯模型建立水果振动特征参数变化模型EI＝f(T,t)如下：

式中：EI_yu为猕猴桃货架期或最佳食用期的振动特征参数EI阈值，t为待测猕猴桃的货架期或最佳食用期天数，EI₀为贮藏第0天EI值，k_ref为拟合常数；4.697×10⁸d^-1，E_a为活化能，52.666kJ/mol，R为理想气体常数8.314J/(mol·K)。

再结合步骤1.4)测量结果和步骤1.3)获得的振动特征参数，确定猕猴桃货架期和最佳食用期的振动特征参数EI阈值分别为5×10⁴Hz²kg^2/3和15×10⁴Hz²kg^2/3，即当EI值为15×10⁴Hz²kg^2/3时猕猴桃达到最佳食用期，低于5×10⁴Hz²kg^2/3猕猴桃到达货架期终点，失去商品价值不建议食用；将振动特征参数阈值5×10⁴Hz²kg^2/3和15×10⁴Hz²kg^2/3分别输入水果振动特征参数变化模型EI＝f(T,t)得到货架期或最佳食用期的预测模型如下：

步骤4)待测水果的预测：挑选同一品种的猕猴桃在4℃贮藏温度下贮藏，按照步骤1)相同方式进行测试获得贮藏第0天的振动特征参数EI₀，然后将EI₀和4℃输入到步骤3)建立的预测模型中处理获得4℃贮藏温度下猕猴桃的货架期或最佳食用期分别为44天和35天。

实施例进行了货架期或最佳食用期预测模型的验证：挑选同一品种猕猴桃，在4℃条件下贮藏7天，然后转移至20℃条件贮藏10天，每天按照步骤1.1～步骤1.3开展实验，结果如图4所示，结果表明振动特征参数EI实测值与预测值的误差在12％以内，说明了模型具有较好预测性。

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 (5)

1.一种声学振动快速无损测定水果货架期或最佳食用期的方法，其特征在于：方法包括以下步骤：

步骤1)采集建模样品集：挑选同一批次、完整的水果作为样本，样本存放于a个不同贮藏温度环境中，在每个贮藏温度环境下每m_i天进行一次试验，各贮藏温度下均分别进行b_i次试验，每次试验随机选取n_i个样本采集在按照以下步骤进行；

步骤1.1)测定质量m：对样本中的各个水果用电子天平逐一称重；

步骤1.2)采集振动响应信号：两根手指上通过指套分别安装固定激振器和振动测量传感器，两根手指抓捏在水果的对称两侧，使得水果样本夹持于激振器与振动测量传感器之间，激振器在激励信号下进行振动，经水果传导后被振动测量传感器采集获得水果样本的振动响应信号；

步骤1.3)提取振动特征参数：对采集到的振动响应信号进行快速傅里叶变换处理提取获得振动特征参数；

步骤1.4)水果品质检测：对水果样本进行品质检测获得货架期或最佳食用期；

步骤2)计算各贮藏温度下振动特征参数变化速率：将得到的振动特征参数EI作为因变量、时间t作为自变量进行线性或曲线拟合，得到贮藏温度下振动特征参数EI的变化速率k，不同的贮藏温度获得各自的振动特征参数EI的变化速率k；

步骤3)预测模型的建立：以变化速率k为因变量、贮藏温度T为自变量采用动力学模型建立水果振动特征参数变化模型EI＝f(T,t)；再结合步骤1.4)测量结果和步骤1.3)获得的振动特征参数，确定水果货架期或最佳食用期的振动特征参数阈值；将振动特征参数阈值输入水果振动特征参数变化模型EI＝f(T,t)得到货架期或最佳食用期的预测模型；

步骤4)待测水果的预测：挑选同一品种的待测水果在贮藏温度T下贮藏，按照步骤1)相同方式进行测试获得贮藏第0天的振动特征参数EI₀，然后将EI₀和T输入到步骤3)建立的预测模型中处理获得货架期或最佳食用期；

所述的步骤3)和步骤4)，具体为：

建立以下水果振动特征参数变化模型：

式中：EI_yu为振动特征参数阈值，t为待测水果的货架期或最佳食用期天数，EI₀为贮藏第0天的振动特征参数，k_ref为拟合常数参数，E_a为活化能，R为理想气体常数，T表示贮藏温度，e表示自然常数；

最后是将待测水果的振动特征参数利用以下公式获得货架期或最佳食用期：

2.根据权利要求1所述的一种声学振动快速无损测定水果货架期或最佳食用期的方法，其特征在于：所述步骤3)中，所述的激励信号是由计算机发出并控制激振器工作的信号，采用但不限于正弦扫频信号、脉冲信号。

3.根据权利要求1所述的一种声学振动快速无损测定水果货架期或最佳食用期的方法，其特征在于：所述的步骤1.4)中，对水果样本采用质构仪进行品质检测获得货架期或最佳食用期。

4.根据权利要求1所述的一种声学振动快速无损测定水果货架期或最佳食用期的方法，其特征在于：所述的步骤1.3)中，振动特征参数EI＝f2m2/3，f为待测水果的共振频率，m为待测水果的质量。

5.根据权利要求1所述的一种声学振动快速无损测定水果货架期或最佳食用期的方法，其特征在于：所述的步骤2)中，所述的线性或曲线拟合，包含但不限于一元线性拟合、指数函数模型拟合、倒数模型拟合。

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