CN116660381A - 一种声学振动无损检测水果硬度的测量系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种声学振动无损检测水果硬度的测量系统和方法，涉及水果检测技术领域，具体为一种声学振动无损检测水果硬度的测量系统和方法，所述声学振动无损检测水果硬度的测量方法的具体步骤如下：S1、数据处理单元将设置好的扫频信号输出到功率放大器；S2、功率放大器将输出信号进行放大后输出到介质共振喇叭，介质共振喇叭与被检测水果直接接触，激励水果产生振动；该声学振动无损检测水果硬度的测量系统和方法，成本低、可靠性高、且适合快速对水果检测，结合了声学振动信号以及激光多普勒振动信号，相比单一声学振动检测或者单一的物体表面振动信号检测，本方法具有更高的检测准确性和可行性，模型的预测精度更高。
Description
技术领域
本发明涉及水果检测技术领域，具体为一种声学振动无损检测水果硬度的测量系统和方法。
背景技术
水果是指多汁且主要味觉为甜味和酸味，可食用的植物果实，水果不但含有丰富的营养，而且能够促进消化，随着对水果的需求量的日益增加，大众对高端水果品质的需求也越来越高，这就需要从不同角度对水果的品质进行检测分选，水果的硬度是水果品质的一项重要参数，其与水果的口感、成熟度(区分欠熟、适熟、过熟水果)、剩余货架期和机械损伤密切相关。
传统的水果硬度检测方法是通过MT穿刺实验进行检测，但由于MT穿刺法需要将探针插入到水果内部，会对水果造成一定的损伤，而且检测速度慢。因此，无法满足实际应用中对水果进行快速、现场检测的需求。在过去几十年中，近红外光谱、高光谱图像、核磁共振及超声波方法是无损检测水果硬度的几种常用的方法。但是由于这几种方法的设备昂贵，不适合在低成本的商业中大规模应用。因此需要一种成本低廉、快速可靠的水果硬度检测方法。
专利CN109932333B公开了一种声学振动和近红外光谱融合的水果坚实度测量系统和方法，实现了对水果硬度的无损检测。而上述方法中使用的扬声器激励装置，结构不紧凑，且以常规喇叭扬声器作为激励源，声波振动能量需要经过固-气-固(扬声器振膜-空气-水果)进行耦合，振动能量传递效率低，振动输出不集中，结构也不紧凑，不适合在小型仪器中使用。专利CN105675720A公开一种水果坚实度信息在线采集系统和方法，该方法在检测水果的过程中，以普通扬声器发出声波信号，发出的信号能量通过固-气-固耦合机制传输，能量传输效率低，且单次检测耗时较长。专利CN104569154B公开了一种快速无损水果质地的检测方法及装置，采用冲击振动和激光多普勒技术检测水果质地，实现了对水果硬度的检测，但是冲击振动激励的时间短，采集得到的振动信号质量差，容易导致检测结果准确性不高。此外使用的激光多普勒测振仪分为激光探测头、激光多普勒测振控制器，模块体积大，成本高，没有集成为微型光学集成芯片式测振传感器。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种声学振动无损检测水果硬度的测量系统和方法，解决了上述背景技术中提出的传统检测方式会对水果造成损伤，并且一般的检测设备体积较大等问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种声学振动无损检测水果硬度的测量系统和方法，声学振动无损检测水果硬度的测量方法的具体步骤如下：
S1、数据处理单元(1)将设置好的扫频信号输出到功率放大器(3)；
S2、功率放大器(3)将输出信号进行放大后输出到介质共振喇叭(8)，介质共振喇叭(8)与被检测水果(6)直接接触，激励水果产生振动；
S3、依照介质共振喇叭(8)发声原理，水果放置于果杯(7)中，并与介质共振喇叭(8)表面接触，将水果作为介质共振喇叭的振动发声介质，通过介质共振喇叭产生的机械振动激励放在果杯(7)中的被检测水果(6)产生声学响应信号；
S4、激励后的被检测水果(6)会因为水果自身的共振频率而产生相应的振动信号；
S5、声压传感器(5)检测介质共振喇叭(8)以水果作为振动发声介质产生的水果声学响应信号S1；
S6、微型集成光学芯片激光多普勒测振传感器(4)检测水果表面的振动信号S2；
S7、数据采集卡(2)将检测的声学响应信号S1和振动信号S2采集并初步处理后，传输给数据处理单元(1)；
S8、通过快速傅里叶变换将声学响应信号S1和振动信号S2从时域信号转换成频域信号F1和F2，分别提取频域信号中的第二共振频率F12和F22，利用公式：f2＝F12+F22得到校正后的共振频率；
S9、由于同一水果的不同硬度具有不同的第二共振频率，利用校正过后的第二共振频率以及被测水果质量结合计算出水果的硬度指数；
其中f2为校正后的第二共振频率，m为被检测水果(6)的质量；
计算出水果硬度指数后，可以通过计算出的硬度指数，建立模型预测水果硬度，并以此为依据判别水果的成熟度、剩余货架期以及最佳食用期。
可选的，所述S2中的介质共振喇叭(8)具有输出能量集中、输出音频频率广的特点，其直接以水果作为喇叭发声的共振介质让水果产生声学信号，机械波-声波能量转换效率高，其输出信号不限于0-1500HZ的正弦扫频信号、脉冲扫频信号。
可选的，所述S6中的微型集成光学芯片激光多普勒测振传感器(4)，与激光多普勒测振仪相比，结构紧凑成本低，且相较于传统压电式、电容式应变片和加速度计等振动测量传感器，其为非接触式测量，非接触式测量不需要与待测物体紧密贴合，也不给测量物体带来额外质量，不影响物体本身共振频率。
可选的，所述数据处理单元(1)采用不限于个人电脑的windows系统、基于Linux的嵌入式系统。
可选的，所述数据处理单元(1)的输出端电性连接有功率放大器(3)，所述功率放大器(3)的输出端与介质共振喇叭(8)之间电性连接，所述介质共振喇叭(8)的顶部设有果杯(7)；
所述数据处理单元(1)的输入端连接有数据采集卡(2)，所述数据采集卡(2)的输入端分别电性连接有微型集成光学芯片激光多普勒测振传感器(4)和声压传感器(5)。
可选的，所述微型集成光学芯片激光多普勒测振传感器(4)和声压传感器(5)分别位于被检测水果(6)的顶部两侧。
可选的，所述果杯(7)设置为倒锥型结构体。
可选的，所述微型集成光学芯片激光多普勒测振传感器(4)和声压传感器(5)分别与数据采集卡(2)之间电性串联连接，所述微型集成光学芯片激光多普勒测振传感器(4)和声压传感器(5)之间采用电性并联连接。
可选的，所述数据处理单元(1)、功率放大器(3)与介质共振喇叭(8)之间电性串联连接。
本发明提供了一种声学振动无损检测水果硬度的测量系统和方法，具备以下有益效果：
1.该声学振动无损检测水果硬度的测量系统和方法，使用了声学振动检测以及微型集成光学芯片激光多普勒测振传感器；由于声波在气-固介质间传播的耦合效率较低，因此现有的常规扬声器喇叭音响振膜激励空气声波传播，再由空气中传播的声波激励水果振动的固-气-固耦合激发水果振动的方式振动能量传输效率较为低下；此外，扬声器声波在空气中以球形波形式发散传播，并不能集中作用于水果，振动能量利用率也较低；最后传统扬声器音响的发声振膜容易损坏，且音响扬声器作为激励结构也不紧凑；与骨传导耳机类似，本发明将待测水果直接放置于果杯底座，也即介质共振喇叭的振动发生面上；此时，介质共振喇叭振动能量直接以固-固耦合的方式传输至水果，以水果直接作为声学响应信号发生的振动介质，直接让水果发出声学响应信号，传输效率优势明显；此外，喇叭激励水果，振动能量可更加集中的作用于水果本身，发散的振动能量较少，激励效果更好，通过输出一定能量大小的小于1S的时间内输出1-1500Hz扫频激励信号，既可获得足够的信噪比，检测速度快。
2.该声学振动无损检测水果硬度的测量系统和方法，激光多普勒测振相较于传统压电式、电容式应变片和加速度计等振动测量传感器，其为非接触式测量；非接触式测量不需要与待测物体紧密贴合，也不给测量物体带来额外质量，不影响物体本身共振频率，具有检测速度快、非接触振动、检测灵敏度高的优点；但是传统的激光多普勒测振仪体积大，难以集成到小型台式检测仪器中，本发明使用的微型集成光学芯片激光多普勒测振传感器在非接触振动测量、体积小、成本更为低廉的同时，同样具有检测速度快、检测灵敏度高的优点；此外，相较于近红外光谱、高光谱这类水果检测硬度检测方式，本发明的成本更低。
本发明结合了声学振动信号以及激光多普勒振动信号，相比单一声学振动检测或者单一的物体表面振动信号检测，本方法具有更高的检测准确性和可行性，模型的预测精度更高。
附图说明
图1为该声学振动无损检测水果硬度的测量系统和方法中的整体结构示意图；
图2为该声学振动无损检测水果硬度的测量系统和方法中的芒果实际硬度的线性回归曲线图；
图3为该声学振动无损检测水果硬度的测量系统和方法中的芒果预测硬度的线性回归曲线图。
图中：1、数据处理单元；2、数据采集卡；3、功率放大器；4、微型集成光学芯片激光多普勒测振传感器；5、声压传感器；6、被检测水果；7、果杯；8、介质共振喇叭。
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。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
请参阅图1至图3，本发明提供一种技术方案：一种声学振动无损检测水果硬度的测量系统和方法，声学振动无损检测水果硬度的测量方法的具体步骤如下：
S1、数据处理单元(1)将设置好的扫频信号输出到功率放大器(3)；
S2、功率放大器(3)将输出信号进行放大后输出到介质共振喇叭(8)，介质共振喇叭(8)与被检测水果(6)直接接触，激励水果产生振动；
S3、依照介质共振喇叭(8)发声原理，水果放置于果杯(7)中，并与介质共振喇叭(8)表面接触，将水果作为介质共振喇叭的振动发声介质，通过介质共振喇叭产生的机械振动激励放在果杯(7)中的被检测水果(6)产生声学响应信号；
S4、激励后的被检测水果(6)会因为水果自身的共振频率而产生相应的振动信号；
S5、声压传感器(5)检测介质共振喇叭(8)以水果作为振动发声介质产生的水果声学响应信号S1；
S6、微型集成光学芯片激光多普勒测振传感器(4)检测水果表面的振动信号S2；
S7、数据采集卡(2)将检测的声学响应信号S1和振动信号S2采集并初步处理后，传输给数据处理单元(1)；
S8、通过快速傅里叶变换将声学响应信号S1和振动信号S2从时域信号转换成频域信号F1和F2，分别提取频域信号中的第二共振频率F12和F22，利用公式：f2＝F12+F22得到校正后的共振频率；
S9、由于同一水果的不同硬度具有不同的第二共振频率，利用校正过后的第二共振频率以及被测水果质量结合计算出水果的硬度指数；
其中f2为校正后的第二共振频率，m为被检测水果(6)的质量；
计算出水果硬度指数后，可以通过计算出的硬度指数，建立模型预测水果硬度，并以此为依据判别水果的成熟度、剩余货架期以及最佳食用期。
本实施例中，如图1所示，S2中的介质共振喇叭(8)具有输出能量集中、输出音频频率广的特点，其直接以水果作为喇叭发声的共振介质让水果产生声学信号，机械波-声波能量转换效率高，其输出信号不限于0-1500HZ的正弦扫频信号、脉冲扫频信号。
本实施例中，如图1所示，S6中的微型集成光学芯片激光多普勒测振传感器(4)，与激光多普勒测振仪相比，结构紧凑成本低，且相较于传统压电式、电容式应变片和加速度计等振动测量传感器，其为非接触式测量，非接触式测量不需要与待测物体紧密贴合，也不给测量物体带来额外质量，不影响物体本身共振频率。
本实施例中，如图1所示，数据处理单元(1)采用不限于个人电脑的windows系统、基于Linux的嵌入式系统。
本实施例中，如图1所示，数据处理单元(1)的输出端电性连接有功率放大器(3)，所述功率放大器(3)的输出端与介质共振喇叭(8)之间电性连接，所述介质共振喇叭(8)的顶部设有果杯(7)；
所述数据处理单元(1)的输入端连接有数据采集卡(2)，所述数据采集卡(2)的输入端分别电性连接有微型集成光学芯片激光多普勒测振传感器(4)和声压传感器(5)。
本实施例中，如图1所示，微型集成光学芯片激光多普勒测振传感器(4)和声压传感器(5)分别位于被检测水果(6)的顶部两侧。
本实施例中，如图1所示，果杯(7)设置为倒锥型结构体。
本实施例中，如图1所示，微型集成光学芯片激光多普勒测振传感器(4)和声压传感器(5)分别与数据采集卡(2)之间电性串联连接，所述微型集成光学芯片激光多普勒测振传感器(4)和声压传感器(5)之间采用电性并联连接。
本实施例中，如图1所示，数据处理单元(1)、功率放大器(3)与介质共振喇叭(8)之间电性串联连接
实施例二
请参阅图2和图3，本测量方法的步骤具体如下：
步骤一：将芒果6放置果杯中，使用数据处理单元1设置扫频信号的扫频速率、扫频范围、扫频幅度，然后输出到功率放大器3，介质共振喇叭8接收到功率放大器3的信号后产生振动，激励芒果6产生振动，声压传感器5和微型集成光学芯片激光多普勒测振传感器4采集芒果6的声学响应信号S1和振动信号S2；
步骤二：对原始声学响应信号S1和振动信号S2分别进行快速傅里叶变换转换为频域信号，根据提取频域振动特征参数，并建立硬度预测模型；
步骤三：运用预测模型对待测芒果6进行检测，预测出芒果的硬度。
其中步骤二具体为：
对原始声学响应信号S1和振动信号S2分别进行快速傅里叶变换，在进行快速傅里叶变换时，需要根据采样频率和采样时间选择合适的分析点数，将声学响应信号S1和振动信号S2从时域信号转换成频域信号F1和F2，分别提取频域信号中的第二共振频率F12和F22，利用公式：f2＝F12+F22得到校正后的共振频率；然后由于同一水果在不同硬度时具有不同的第二共振频率，利用校正过后的第二共振频率以及被测水果质量结合计算出水果的硬度；
其中f2为校正后的共振频率，m为被检测水果的质量。
以基于f12+f22的弹性指数E为自变量，水果果肉弹性率为因变量，用一元线性回归方法建立回归模型，验证集的回归方程为：y＝0.00098*E+0.634，决定系数R2＝0.463和均方根误差RMSE＝2.103，结果如图2所示。训练集的回归方程为：y＝0.00100*E+0.334，决定系数R2＝0.9518，均方根误差RMSE＝2.221，结果如图3所示。基于不同共振频率的弹性指数E建立的预测模型结果如下表所示：
表1
从表1可以看出，单独使用声学响应信号的第二共振频率F12的弹性指数E或者使用振动信号第二共振频率F22的弹性指数E得到的结果，都没有使用校正过的f2＝F12+F22的弹性指数E预测结果好，且使用预测集的相关系数达到了0.9463，实验结果可靠性高，据此方法预测水果硬度具有较大优势。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种声学振动无损检测水果硬度的测量方法，其特征在于：所述声学振动无损检测水果硬度的测量方法的具体步骤如下：
S1、数据处理单元(1)将设置好的扫频信号输出到功率放大器(3)；
S2、功率放大器(3)将输出信号进行放大后输出到介质共振喇叭(8)，介质共振喇叭(8)与被检测水果(6)直接接触，激励水果产生振动；
S3、依照介质共振喇叭(8)发声原理，水果放置于果杯(7)中，并与介质共振喇叭(8)表面接触，将水果作为介质共振喇叭的振动发声介质，通过介质共振喇叭产生的机械振动激励放在果杯(7)中的被检测水果(6)产生声学响应信号；
S4、激励后的被检测水果(6)会因为水果自身的共振频率而产生相应的振动信号；
S5、声压传感器(5)检测介质共振喇叭(8)以水果作为振动发声介质产生的水果声学响应信号S1；
S6、微型集成光学芯片激光多普勒测振传感器(4)检测水果表面的振动信号S2；
S7、数据采集卡(2)将检测的声学响应信号S1和振动信号S2采集并初步处理后，传输给数据处理单元(1)；
S8、通过快速傅里叶变换将声学响应信号S1和振动信号S2从时域信号转换成频域信号F1和F2，分别提取频域信号中的第二共振频率F12和F22，利用公式：f2＝F12+F22得到校正后的共振频率；
S9、由于同一水果的不同硬度具有不同的第二共振频率，利用校正过后的第二共振频率以及被测水果质量结合计算出水果的硬度指数；
其中f2为校正后的第二共振频率，m为被检测水果(6)的质量；
计算出水果硬度指数后，可以通过计算出的硬度指数，建立模型预测水果硬度，并以此为依据判别水果的成熟度、剩余货架期以及最佳食用期。
2.根据权利要求1所述的一种声学振动无损检测水果硬度的测量方法，其特征在于：所述S2中的介质共振喇叭(8)具有输出能量集中、输出音频频率广的特点，其直接以水果作为喇叭发声的共振介质让水果产生声学信号，机械波-声波能量转换效率高，其输出信号不限于0-1500HZ的正弦扫频信号、脉冲扫频信号。
3.根据权利要求1所述的一种声学振动无损检测水果硬度的测量方法，其特征在于：所述S6中的微型集成光学芯片激光多普勒测振传感器(4)，与激光多普勒测振仪相比，结构紧凑成本低，且相较于传统压电式、电容式应变片和加速度计等振动测量传感器，其为非接触式测量，非接触式测量不需要与待测物体紧密贴合，也不给测量物体带来额外质量，不影响物体本身共振频率。
4.根据权利要求1所述的一种声学振动无损检测水果硬度的测量方法，其特征在于：所述数据处理单元(1)采用不限于个人电脑的windows系统、基于Linux的嵌入式系统。
5.一种利用如权1-4任一项所述的一种声学振动无损检测水果硬度的测量系统，其特征在于：所述数据处理单元(1)的输出端电性连接有功率放大器(3)，所述功率放大器(3)的输出端与介质共振喇叭(8)之间电性连接，所述介质共振喇叭(8)的顶部设有果杯(7)；
所述数据处理单元(1)的输入端连接有数据采集卡(2)，所述数据采集卡(2)的输入端分别电性连接有微型集成光学芯片激光多普勒测振传感器(4)和声压传感器(5)。
6.根据权利要求5所述的一种声学振动无损检测水果硬度的测量系统，其特征在于：所述微型集成光学芯片激光多普勒测振传感器(4)和声压传感器(5)分别位于被检测水果(6)的顶部两侧。
7.根据权利要求5所述的一种声学振动无损检测水果硬度的测量系统，其特征在于：所述果杯(7)设置为倒锥型结构体。
8.根据权利要求5所述的一种声学振动无损检测水果硬度的测量系统，其特征在于：所述微型集成光学芯片激光多普勒测振传感器(4)和声压传感器(5)分别与数据采集卡(2)之间电性串联连接，所述微型集成光学芯片激光多普勒测振传感器(4)和声压传感器(5)之间采用电性并联连接。
9.根据权利要求5所述的一种声学振动无损检测水果硬度的测量系统，其特征在于：所述数据处理单元(1)、功率放大器(3)与介质共振喇叭(8)之间电性串联连接。
Priority Applications (1)
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| CN202310772480.2A CN116660381A (zh) | 2023-06-28 | 2023-06-28 | 一种声学振动无损检测水果硬度的测量系统和方法 |
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