水果声学特性测试系统的研制

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2 4月 0年3 0

农业机械学报

第3卷第2 5期

水果声学特性测试系统的研制*

饶秀勤应义斌吕飞玲金波 【摘要】研制了利用声学特性测试水果内部品质的试验台。声波信号由传声器接收后转换为电信号，经信号调理电路放大和滤波后由 P L一1 0 C 80数据采集卡转换为数字信号存贮于计算机，采样频率为 i Iz 0kI。测试了 l - 4只麒麟西瓜，测试数据采用 Mal t b软件分析。西瓜内部空心存在与否对声波传播速度的测量结果有重要影响。该 a测量结果还受西瓜生长状态的影响，当西瓜的蒂部不靠近地面时，西瓜声波传播速度与测试点的含糖量在 3阶 p lf函数统计回归分析时， oyi t相关系数为 0 9 68 .4 关键词：水果质量声学检验文献标识码： A中圈分类号： B 2￥ 8 T 5; 13

De eo me t fa F u t ai n p ci gS se v l p n r i Qu l y I s e t y tm o t nBa e n Ac u tc Pr pe te s d o o s i o r i s

Ra u i Yig Yii L el g Jn 1 o Xi qn n bn d F i n i o i 3

( hj n iesy Z ei gUnv ri ) a tAb ta t sr c

A r i q a i n p c i g s s e b s d o c u t r p r y . s d v l p d Th y t m fu t u l y i s e tn y t m a e n a o s i p o e t wa e e o e . t c e s sec nss s f mi r ph ne o it o 6 c o o s, f e of i al r c s cr u t, f l s t sgn p o e s ic i l da a c uiii b a d n f t a q ston o r a d l

c mp t r Th o n v s c l c e y mir p o e, a d t e r n f r d i t l c rc o ue. e s u d wa e wa o l t d b c o h n s e n h n t a s o me n o ee ti sg a h twa mp i e n i e e y f p o e sn ic i wih p s a d wi t ~ 3 0 0 Hz i n l a s a l id a d f t r d

b r c s i g cr u t t a s b n d h 3 t f l l 0 .

Th r c s e in l ss m pe tfr t f1 Hzwih f d t c ust n b a d P L一1 0 . e p o e s d sg a wa a ld a aeo k t a aa q ii o o r C l 0 l i 0 8

1 Qi n”wa e meo s we e ts,a d a mo e ewe n t e ta s tig v l ct n u a 4“ l g i tr l n r e t n d lb t e h r n mitn eo iy a d s g rc n e to h e td wae meo ss tu a e n M a lb p o r m . W e f u d t a h e t o t n ft e ts e t r ln wa e p b s d o ta r g a o n h tt e tsr s l wa e e d n n t ewa e meo t o l w rn t n h r wi g s a u f h a l . eut sd p n e t h t r l n wih h l o o o o d t eg o n t t so es mp e a t Atp d c l e ie,wi a l b p l f u c i n a r e,t e c r e a i n c e fce ti . 4 o h t t M ta o y tf n to t 3o d r h o r l t o fii n 0 9 6 8 f rt a h i o S s m p e o i h p d c li n tc o e t r u d d rn r wi g a l fwh c e ie s o l s o g o n u i g g o n .

Ke o d F u t, aiy,S nct sig y w r s r is Qu l t o i e tn

引言近年来的研究表明，果的内部品质与其声学水特性有一定的相关性。但研究者所用的i试装卜引昊 I置均只针对一种水果特别设计，只能检测一两项且声学指标。i试设备，叫多采用价格较为昂贵的昊 I。。收稿日期： 0 2—1 20 0—0 9

声学测量设备，加速度传感器及电荷放大器、级如声计等，量点也就限制为一次只能i试一个，同一测昊 j对水果难以在一次试验中取得较多的 i试结果，而昊 I从

难以保证同一

水果 i试结果的一致性。因此在分析昊 I以往测量数据的基础上，制了水果声学特性 i试研昊 I试验台。

*国家自然科学基金资助项目(目编号：0 7 3 1和浙江省自然科学基金资助项目(目编号：0 2 7项 3307)项 316)饶秀勤应义斌吕飞玲金波

浙江大学生物系统工程与食品科学学院高级实验师， 10 9杭州市 302浙江大学生物系统工程与食品科学学院教授博士生导师浙江大学生物系统工程与食品科学学院浙江大学生物系统工程与食品科学学院

硕士生本科生

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农

业

机

械

学

报

1测试系统组成如图 1所示，测试系统包括声波发生器、信号采集、数据处理和水果的支撑装置几部分。采用驻极体话筒作为传声器，同时记录声波注入点及其他相可关点的声学响应情况，从而避免由于注入声波变化引入的误差。同时，系统通过 D A转换来产生声该/波，可根据测试需要灵活地改变声波频率、幅值及波形，从而方便地测量各种不同水果的声学特性，建并立其声学特性与品质之间的相互关系。

即可。而本系统实际采用的采样频率是 1 Hz 6 0k,路

输入所需的最高 A/转换频率为 6 Hz显然该 D 0k,

采样卡能满足系统要求。

图 2声波信号的采集、过滤和放大电路图Fi 2 Si alpr e s cr u t g. gn oc s ic i

2软件构成2 1系统控制与数据采集 .

测试系统的控制软件采用 Vi a s l u C++ 6 0 .编制，括水果信息采集模块、据采集参数设置模包数图 1总体方案示意图F g 1 S h ma i ig a o h e t b d i . c e t d a r m ft e t s— e c

块、数据采集与显示模块。

水果信息采集模块：于输入和保存水果试验用信息，如水果种类、验编号、试测试次数、测试日期、 水果声波数据文件名等，这些信息全部存入水果声学信息数据库中，在进行声波信号分析时，可将这些信息调出，作对比研究。 数据采集参数设置模块：置声波发生器信号设频率、样频率、据采集长度等，些也被存入水采数这果声学信息数据库。 数据采集与

显示模块：在收到启动指令后，系统

1 1工作原理 .

检测时，C机控制声波发生器产生一个声波信 P号，信号在水果中传播后被传感器接收并转换成该

电信号，过滤波和放大处理后，经由数据采集卡转换成数字信号，存贮于计算机以备后用。后再通过破然坏性试验来确定该水果的品质，过数据处理和统通计分析，立二者之间的关系模型。建

12声波采集和信号调理 .驻极体传声器具有质量小、体积小、便于安装等优点，系统中共安装了 6麦克风，个在进行西瓜品质检测时，可根据测试要求，图 1所示的各点处灵活在布置传感器。试验时，在其中一个点处注入声波，将记录的该声波作为注入声波，样可以有效抑制声这波发生器的频率响应特性变化带来的误差。各点得

开始采集声波信号，将信号以文本形式存放，并同时在计算机屏幕上显示出来。2 2数据分析、考虑到水果的不同品质特征可能与其某一项或多项的声学指标 (如共振频率、传播速度、减系数衰等 )间具有相关性，之本系统将测量的数据以文本的

形式存放于计算机，后采用 Malb软件来分析测然 t a量数据的频率特性、各通道相关性等指标，以分析水果的共振频率、波传播速度等。声取得的声学特性与

到的声波信号输入到带通滤波器和放大器进行调节和处理，使其幅值和频率范围均在要求的范围内，然后输出到模数转换器作 A/转换。 D 由于有源滤波器具有体积小、效率高、率特性频好等优点，系统采用一阶有源滤波器进行滤波。本如图 2所示，根据以往的试验结果，有效的声波频率不会超过 30 0Hz本系统的通频带为 3 30 0Hz 0,~ 0,

水果的品质相联系，立水果品质特性与其一项或建多项声学特性之间的相互关系。

3试验3 1试验材料及方法 .选取 1 4只麒麟西瓜，于声波传播速度与其含用糖量之间相关性研究， 1是这些西瓜的质量及各表测试点的含糖量，试日期为 2 0测 0 2年 7月 2 6日，温度为 2℃。表 1中各测试点的定义如图 3所示。 5

能满足要求。本系统采用 P L一1 0 C 8 0型采样

卡，最高采样其频率为 3 0k, 3 Hz并支持 1 6路单端模拟信号输入和

2路 D/转换。由于本系统中滤波器通频带为 3 A~ 30 0Hz根据采样定理的要求， 0,采样频率为 6k Hz

试验分两步进行：先做无损声波特性测试。将西

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维普资讯 第 2期饶秀勤等：水果声学特性测试系统的研制

瓜安放在试验台上，标记测试点，在测试点安装并

传感器，启动声波发生器， 注入声波，计算机记录由测量数据。然后采用破坏性方法测量西瓜上各测试图 3测试点及其部位名称Fi 3 T e tp ii g. s ostons a he na e nd t m s

点的含糖量，试仪器为测 wYT一4型手持糖量计。

表 1西瓜各测试点的含糖量Ta b.1 S ga o e f t e wa e m e o u r c nt nto h t r l n

图 4声波传播速度与含糖量之间的关系Fi . Re a in h p b t e c u t p e g4 lt s i e we n a o s i s e d o ca u r c ent nd s ga ont

( )蒂部， 1西瓜 a含 O号 ( )梗部， 1西瓜 c含 O号

( )蒂部，含 1 b不 O号西瓜 ( )梗部，含 1西瓜 d不 O号

注：帚邵靠近地面； * *蒂邵靠近地面，存在空心。 *且

3 2数据处理 .

数据处理软件采用 Malb软件编程实现。首 t a先对计算机记录的数据进行数字滤波，消除噪声。以 然后对处理后的数据进行互相关分析，计算声波的

含糖量/% () a

含糖量 f) b

图 5西瓜蒂部靠地对测试结果的影响结果Fi . Ef c s o h r wi g sa u o g 5 f t ft e g o n t t s t et s e ul tp ie e tr s ta edc l

传播时间，而计算声波传播速度。进将计算得到的声波传播速度与相应测试点的含糖量相联系，用利 Malb软件的 3阶 p lf函数进行统计回归分析， t a oyi t 建立二者之间的关系模型。 3 3测试结果 .测试结果如图 4和图 5示。西瓜中空心存在所与否对声波传播速度的测量有重要影响。蒂部，在当 1 O

号西瓜测试数据保留时，相关系数 R为 0 6 52 .0,参考

C )含蒂部靠近地的西瓜数据 a

( )不含蒂部靠近地的西瓜数据 b

而当该西瓜测量数据去除后， 升为 0 6 27在 R上 .3。梗部， 别为 0 7 73和 0 7 05 R分 . 4 . 6。

西瓜声波传播速度的测试结果还受西瓜生长状态的影响。当西瓜的蒂部不靠近地面时，西瓜声波传播速度与测试点的含糖量在 3阶 p lf oyi t函数统计回归分析时，为 0 9 68 R .4。文献

1 Ko t .El c r a e st o tn n s i t n o o u l o i sc n e t fwa e me o To Ka o e t i ld n i s r i g a d e t c y ma i fs l b e s l o t n t r ln.S.Ag i.En .Re .。 o d o rc g s1 7, 99 67: 61 l l~ 7O

2 S o e M Ar sr n t n L, m t o y P R,e 1 ta .W a e me o t rt e e m ia in i h il sn c u t mp le i p d n e t r ln ma u iy d t r n t n t e f d u i g a o s i i u s m e a c o e c t c n q e .Tr n .o h AE, 9 6 3 ( ) 2 2~ 2 3 e h iu s a s ft e AS 1 9,9 6:3 5 30

(转第 8下 7页 )

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第 2期

陈羽白等：喷灌量与喷灌形状的精确控制方法及技术

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单片机通过控制潜水电泵的供电频率从而控制喷灌距离；通过控制喷头的转动速度 (即步进电机的转速 )从而控制喷灌量；并通过控制喷灌距离和控制喷头的喷射角度以达到控制喷射形状，本试验能实现的喷灌形状为矩形。

5结论()系统硬件采用双电源供电，件采用冗余 1软技术，抗干扰性好。

( )试验中系统能实现喷灌矩形形状地块。 2

从试验中观察到，进电机转速低时喷灌量大步于步进电机转速高时的喷灌量，是因为步进电机这转速越慢，喷头喷水在该区域滞留时间越长，以喷所

()在潜水电泵供电频率较低时喷罐量呈波动 3性，其原因是否与变频器和潜水电泵电机功率的不匹配有关，有待

验证。 ( )今后的研究工作是要实现喷灌形状的多样 4化，利用 P如 C机编写喷灌形状的程序，有效数据将离散化，并通过串行口下传给单片机，由单片机进行相关控制，研究工作将在后续论文中阐述。该

灌量也越大。同时发现步进电机转速大于 20p 0p s (p p s为每秒的脉冲数 )时喷灌量的均匀性较差。频率较高的频段，灌量分布的也较均匀，喷相反，率频

较低，喷灌量波动较大，可能与变频器功率与潜水这电泵功率的不匹配有关。参考

文

献

1吴景社，久生，李英能等 .2世纪节水农业中的高新技术重点研究领域 .农业工程学报，0 0 6 1:~ 1李 1 2 0,1 ( ) 9 2

2康绍忠，李永杰.2 1世纪我国节水农业发展趋势及其对策.农业工程学报，9 7 3 4:1 19,1 ( )~7 3张杰.单片机控制的精确喷灌系统的研究：硕士学位论文][ .广州；华南农业大学，0 1 2 0.

(接第 7页)上 l3 Ar t o y P R,S o e M ms r n tn L, e a . No d s r c i e c u tc a d c m p e s n me s r me t f wa e meo o t 1 n e t u tv a o si n o r s i a u e n s o t r l n f r o

i t r a a g e e t n n e n l ma e d t c i .Ap l d En i e ri r u t r 1 9 1 ( ) 4 1 4 5 d o p i g n e n Ag i lu e。 9 7, 3 5: 6~ 6 e c

Ab o tJA,e 1 b t ta.No d sr cie s ncf mn s a u e n fa p e .Tr n .o h AE, 9 5 3 ( ) 1 6￣ n e tu t o i i e sme s rme to p ls v r a s ft eAS 19,8 5:4 11 466

Ch n P. A e iw fn n d sr cieme h d f rq ai v l ain a d s rig o g iu t rlp o u t .J Ag i. e r ve o o— e tu tv to o u l y e au t n o t fa r lu a r d cs . t o n c rcEn n .Re .,1 9 4 2: 5 8 g g s 9 1, 9( ) 8~ 9Ar to y P R,e 1 I u sv

x i a i n o c u t i r to p l sf rfr e sd t r n t n ms r n ta . mp l ie e ct t f o s i v b a in i a p e imn s e e mi a i .Tr n .o h i o a c n o o a s ft e AS AE,1 9 3 4: 3 3 1 5 9 0, 3( ) 1 5~ 3 9 Ya ma o o H,e 1 Ac u t mpus e p n e me h d f r me s rn a u a r q e c f i t c r i a d t t M t a. o si i c le r s o s t o o a u i g n t r l fe u n y o n a t f u t n s

p ei n r p l ain o itr a u l y e au t n fa p e n t r ln .J fTe t r t de,1 8,1 rl mi ay a p i t st n e n lq ai v l ai so p lsa d wa emeo s .o xu eS u is 9 0 c o t o 1:1~ 1 17 36 89

何东健，李增武，王洪群.西瓜打击音波特性的研究.西北农业大学学报，9 4 2 ( ) 1 5 0 19,2 3:0~1 7葛屯，徐凌，夏恒.利用振动理论对西瓜成熟度进行无损检测的研究.农业工程学报，9 8 1 () 2 1 3 1 9,42:3~2 4王书茂，群英，俊杰 .瓜成熟度无损检测的冲击方法 .业工程学报，99 1 ( )2 1 4焦籍西农 1 9,53:4~2 5李小昱，骊.孙苹果声波特性的测试研究.业机械学报，9 2 2 ( )9~ 10农 1 9,3 3:7 0

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