CN213337476U - 一种基于音频信号特征的肉品水分检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于音频信号特征的肉品水分检测装置，包括信号发生装置、音频信号发射装置、音频信号接收装置以及信号控制与处理装置，所述信号发生装置与音频信号发射装置电连接，所述音频信号发射装置和音频信号接收装置之间放置被测肉品，所述音频信号发射装置发射出音频信号，所述音频信号穿透被测肉品后被音频信号接收装置接收；所述信号发生装置及音频信号接收装置均与信号控制与处理装置电连接，所述信号控制与处理装置对信号发生装置进行控制并对音频信号接收装置输入的电信号进行信号处理和分析。本实用新型无需破坏性采样，检测效率高；实时进行肉品水分检测，有效减少对肉品加工生产工的影响。

Description

一种基于音频信号特征的肉品水分检测装置

技术领域

本实用新型涉及肉品水分检测领域，特别是一种基于音频信号特征的肉品水分检测装置。

背景技术

在肉和肉制品的品质评价指标中，水分含量常常是需要检测的重要指标之一。对于原料肉而言，水分含量与肉品持水性、弹性、硬度等性质有关，同时也间接反映出肉品原料的新鲜度；对于风干类肉制品，如腊肉、香肠、火腿等产品，水分含量与产品风干进程和产品质地、口感相关，同时也关系到产品的贮藏性和出品率等。常用的肉品水分检测方法包括有烘箱干燥法、红外线水分检测方法、卤素水分检测方法、微量水分检测方法、卡尔费休水分检测方法等。烘箱干燥法作为传统经典物理水分检测方法，操作简便，结果准确，但缺点是耗时较长；红外水分检测方法和卤素水分检测法是基于烘箱干燥法的基础上，通过对发热源和传感器的改进，提升了传统烘箱干燥法的检测速度；微量水分检测方法和卡尔费休水分检测方法主要针对微量水分以及对检测精度要求较高的试样，测结果精准，但检测过程较为繁琐。如上述可见，以上的检测方法均需要对检测对象进行取样分析，难以实现快速、实时的监测，当需要在线检测肉品水分时，若采取切割取样的话，对产品破坏大，增加了产品损耗。现有一些基于电导原理的快速水分检测装置虽然能够对水分含量进行快速检测，但感应电极在测定组织干硬粗糙的样品时，电极表面不能与样品充分接触，导致检测结果存在较大误差。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于音频信号特征的肉品水分检测装置，实现无破坏性采样下的实时肉品水分检测。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于音频信号特征的肉品水分检测装置，包括信号发生装置、音频信号发射装置、音频信号接收装置以及信号控制与处理装置，所述信号发生装置与音频信号发射装置电连接，所述音频信号发射装置和音频信号接收装置之间放置被测肉品，所述音频信号发射装置发射出音频信号，所述音频信号穿透被测肉品后被音频信号接收装置接收；所述信号发生装置及音频信号接收装置均与信号控制与处理装置电连接，所述信号控制与处理装置对信号发生装置进行控制并对音频信号接收装置输入的电信号进行信号处理和分析。

声波的传递与介质的性质和状态有关，在压缩性小的介质中声波传递速度大于在压缩性大的介质中的速度。此外，介质内部组织结构的不同，对声波产生的折射、散射及反射作用也不同。以猪肉为例，当一定频率声波穿透一定厚度的猪肉时，声波的能量被削弱，而不同水分含量的肉品，能量衰减程度不同，水分越高，声波的穿透能力越弱，能量衰减越大。利用以上性质，可通过对穿透肉品样品的声波信号进行分析，从而判断肉品内部水分和组织状态。

进一步，所述信号发生装置为超声波发生器，所述音频信号发射装置为超声波换能器，所述音频信号接收装置为超声波传感器。

进一步，信号控制与处理装置为AT89C51单片机。

进一步，所述信号控制与处理装置电连接有测距装置，所述测距装置测量音频信号发射装置与音频信号接收装置之间的距离。

进一步，所述信号控制与处理装置为AI计算设备。

进一步，所述AI计算设备电连接有图像采集设备，所述图像采集设备采集被测肉品的图像。

进一步，所述信号控制与处理装置电连接有测厚仪，所述测厚仪测量被测肉品的厚度本实用新型的有益效果是：

(1)无需破坏性采样，检测效率高；

(2)实时进行肉品水分检测，有效减少对肉品加工生产工的影响。

附图说明

图1为穿透不同水分含量的肉样前后声波信号强度图；

图2为穿透不同水分含量的肉样前后声波信号频率图；

图3为穿透不同水分含量的肉样前后声波信号频谱分析图；

图4为本实用新型的结构框图；

图5为本实用新型的结构示意图。

图中，信号发生装置11、音频信号发射装置12、音频信号接收装置2、信号控制与处理装置3、测距装置4、卡尺5、显示设备6、图像采集设备7、测厚仪8。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一：

如图1至图5所示，一种基于音频信号特征的肉品水分检测装置，包括信号发生装置11、音频信号发射装置12、音频信号接收装置2以及信号控制与处理装置3，所述信号发生装置11与音频信号发射装置12电连接，所述音频信号发射装置12和音频信号接收装置2之间放置被测肉品，所述音频信号发射装置12发射出音频信号，所述音频信号穿透被测肉品后被音频信号接收装置2接收；所述信号发生装置11及音频信号接收装置2均与信号控制与处理装置3电连接，所述信号控制与处理装置3对信号发生装置11进行控制并对音频信号接收装置2输入的电信号进行信号处理和分析。

信号控制与处理装置3控制信号发生装置11产生的电信号的频率。信号控制与处理装置3对音频信号接收装置2输入的电信号进行频谱分析，得到不同频率下的振幅，对不同频率下的振幅平方进行积分得到能量值A，另外，信号控制与处理装置3计算在其控制下信号发生装置11发出的电信号的能量值B，能量值B减能量值A即为能量衰减值，进而换算出被测肉品中水分含量。通过大量实验确定能量衰减值与被测肉品种水分含量之间的关系。

信号控制与处理装置3为AT89C51单片机，通过FFT算法实现频谱分析。

音频信号发射装置12为超声波换能器，用于将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)再传递出去。

信号发生装置11为超声波发生器，用于产生与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，驱动超声波换能器工作。

音频信号接收装置2为超声波传感器，用于将超声波信号转换成电信号。

使用方法：

将被测肉品置于音频信号发射装置12和音频信号接收装置2之间，超声波发生器产生高频交流电信号，驱动超声波换能器发射超声波，超声波穿透被测肉品后被超声波传感器接收，超声波传感器输出的电信号输入AT89C51单片机，AT89C51单片机通过FFT算法进行频谱分析并进行计算得到被测肉品中水分含量。

这样无需破坏性采样，将肉品放置于音频信号发射装置12和音频信号接收装置2之间即可。AT89C51单片机实时分析计算得到肉品水分含量。

实施例二：

如图1至图5所示，实施例二具有实施例一的全部特征，区别在于：

所述信号控制与处理装置3电连接有测距装置4，所述测距装置4测量音频信号发射装置12与音频信号接收装置2之间的距离。

具体地，测距装置4采用激光测距仪。

激光测距仪固定于音频信号发射装置12或音频信号接收装置2上，开始检测前，通过激光测距仪测量音频信号发射装置12与音频信号接收装置2之间的距离，并进行调整，确定后由激光测距仪将距离信息传送给信号控制与处理装置3。实验时，多次测量，改变音频信号发射装置12与音频信号接收装置2之间的距离，从而确定这一距离对能量衰减值的影响。使用时，根据测得的距离，对能量衰减值进行调整，使测量更准确。这样可减小音频信号发射装置12与音频信号接收装置2之间的距离所带来的误差。

更进一步地，音频信号发射装置12固定在卡尺5一端，卡尺5另一端滑动连接音频信号接收装置2，音频信号接收装置2可在卡尺5上滑动，从而调整与音频信号发射装置12之间的距离。这样调整距离更容易。

更进一步地，所述信号控制与处理装置3电连接有显示设备6，显示设备6显示音频信号接收装置2向信号控制与处理装置3输入的电信号的波形图和频谱分析图以及能量衰减值、测距装置4测得的距离值。

实施例三：

如图1至图5所示，实施例三具有实施例二的全部特征，区别在于：

所述信号控制与处理装置3为AI计算设备，所述AI计算设备选用英伟达NVIDIA的Jetson TX2 Developer Kit AI人工智能开发板，使用TensorFlow框架搭建BP(backpropagation)神经网络模型。

BP神经网络模型的输入包括测距装置4测得的距离以及经频谱分析得到的不同频率下的振幅，神经元激活函数取为单极性Sigmoid函数，输出为被测肉品中水分含量。

通过BP神经网络模型的计算，可提高水分含量检测的准确率。

实施例四：

如图1至图5所示，实施例四具有实施例三的全部特征，区别在于：

所述AI计算设备电连接有图像采集设备7，所述图像采集设备7采集被测肉品的图像。

AI计算设备接收到图像采集设备7采集到的图像后，通过卷积神经网络模型进行图像识别，确定被测肉品为猪肉、牛肉、鸡肉还是其他种类，即肉品种类。

BP神经网络模型的输入还包括经图像识别确定的肉品种类。

这样在水分含量检测的问题中，还考虑到肉品种类，能提高检测准确率。

实施例五：

如图1至图5所示，实施例五具有实施例四的全部特征，区别在于：

所述信号控制与处理装置3电连接有测厚仪8，所述测厚仪8测量被测肉品的厚度。

所述测厚仪8为超声波测厚仪。BP神经网络模型的输入还包括测厚仪8测得的被测肉品厚度。

这样在水分含量检测的问题中，还考虑到肉品厚度，能提高检测准确率。因为音频信号经过不同厚度的肉品，其能量衰减不同。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于音频信号特征的肉品水分检测装置，其特征在于：包括信号发生装置、音频信号发射装置、音频信号接收装置以及信号控制与处理装置，所述信号发生装置与音频信号发射装置电连接，所述音频信号发射装置和音频信号接收装置之间放置被测肉品，所述音频信号发射装置发射出音频信号，所述音频信号穿透被测肉品后被音频信号接收装置接收；所述信号发生装置及音频信号接收装置均与信号控制与处理装置电连接，所述信号控制与处理装置对信号发生装置进行控制并对音频信号接收装置输入的电信号进行信号处理和分析。

2.根据权利要求1所述的一种基于音频信号特征的肉品水分检测装置，其特征在于：所述信号发生装置为超声波发生器，所述音频信号发射装置为超声波换能器，所述音频信号接收装置为超声波传感器。

3.根据权利要求1所述的一种基于音频信号特征的肉品水分检测装置，其特征在于：信号控制与处理装置为AT89C51单片机。

4.根据权利要求1所述的一种基于音频信号特征的肉品水分检测装置，其特征在于：所述信号控制与处理装置电连接有测距装置，所述测距装置测量音频信号发射装置与音频信号接收装置之间的距离。

5.根据权利要求1所述的一种基于音频信号特征的肉品水分检测装置，其特征在于：所述信号控制与处理装置为AI计算设备。

6.根据权利要求5所述的一种基于音频信号特征的肉品水分检测装置，其特征在于：所述AI计算设备电连接有图像采集设备，所述图像采集设备采集被测肉品的图像。

7.根据权利要求1所述的一种基于音频信号特征的肉品水分检测装置，其特征在于：所述信号控制与处理装置电连接有测厚仪，所述测厚仪测量被测肉品的厚度。

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