2-3110100122-邵建智-基于聲學(xué)特性的禽蛋裂紋檢測(cè)

基于聲學(xué)特性的禽蛋裂紋檢測(cè)邵建智3110100122

蛋品工業(yè)中,盡管現(xiàn)代化生產(chǎn)的許多環(huán)節(jié)都已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,但是雞蛋的裂紋、血斑等的質(zhì)量檢測(cè)多數(shù)仍為人工通過(guò)照蛋技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。國(guó)內(nèi)外無(wú)損檢測(cè)雞蛋的裂紋主要有計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)和聲學(xué)方法，但應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)檢測(cè)破損禽蛋時(shí)，難以實(shí)現(xiàn)禽蛋表明圖像全面采集，易造成漏采，誤差較大；禽蛋表明污點(diǎn)或異物都會(huì)大大降低準(zhǔn)確率。聲學(xué)振動(dòng)法是實(shí)現(xiàn)禽蛋破損檢測(cè)的有效方法，具有適應(yīng)性強(qiáng)、檢測(cè)靈敏度高、操作方便、成本低等特點(diǎn)。

農(nóng)產(chǎn)品在聲波作用下的反射、散射和吸收特性、衰減系數(shù)和傳播速度及其本身的聲阻抗與固有頻率等,它們均反映了聲波與農(nóng)產(chǎn)品相互作用的規(guī)律,這些特性隨農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部組織的變化而變化,不同農(nóng)產(chǎn)品其聲學(xué)特性不同,包括聲波脈沖響應(yīng)法和超聲波法兩種方法,聲學(xué)特性對(duì)其品質(zhì)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和分級(jí)是近30年來(lái)發(fā)展的新技術(shù)。聲學(xué)特性

固有頻率隨著裂紋的加劇而下降，其阻尼比則隨著裂紋的擴(kuò)展而增大，從而導(dǎo)致振動(dòng)傳播受阻。因此，裂紋雞蛋受沖擊發(fā)出的聲音沙啞沉悶，完好蛋品發(fā)聲清脆?；谶@種聲學(xué)特性的差異，可以將完好雞蛋和裂紋雞蛋區(qū)分開(kāi)。檢測(cè)預(yù)期檢測(cè)裝置主要部件：禽蛋的敲擊裝置、支撐裝置、麥克風(fēng)、信號(hào)放大器、聲卡和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

檢測(cè)原理敲擊裝置：敲擊雞蛋發(fā)出聲音麥克風(fēng)：采集響應(yīng)信號(hào)電磁鐵驅(qū)動(dòng)器：提供敲擊裝置的驅(qū)動(dòng)力可調(diào)穩(wěn)壓器：控制敲擊力度單片機(jī)：控制敲擊頻率

敲擊裝置敲擊雞蛋的聲音，通過(guò)麥克風(fēng)采集相應(yīng)的響應(yīng)信號(hào)，經(jīng)放大、濾波及A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入計(jì)算機(jī)，由Labview語(yǔ)言編制蛋殼敲擊聲音的采集和信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)程序。

敲擊雞蛋的裝置由電磁鐵驅(qū)動(dòng)器、可調(diào)穩(wěn)壓器、單片機(jī)、金屬敲擊棒等組成。電磁鐵驅(qū)動(dòng)器是敲擊裝置的驅(qū)動(dòng)力，敲擊的力度調(diào)節(jié)由可調(diào)穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)，敲擊的頻率由單片機(jī)控制。檢測(cè)原理檢測(cè)原理敲擊部位選擇

對(duì)蛋敲擊響應(yīng)信號(hào)的判別有較大的影響

生產(chǎn)線實(shí)時(shí)檢測(cè)：對(duì)禽蛋表明進(jìn)行多點(diǎn)全面的敲擊，以保證裂紋區(qū)域的特性信號(hào)能被提取

預(yù)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)：敲擊部位應(yīng)控制在裂紋區(qū)域的1cm左右，完好禽蛋則選取其蛋殼的隨機(jī)位置

檢測(cè)注意事項(xiàng)

閾值觸發(fā)系統(tǒng)：敲擊即時(shí)信號(hào)采集傅里葉變換：響應(yīng)信號(hào)的頻域信息頻域幅值譜：頻率成分、諧波分量、各諧波的分量幅值

檢測(cè)系統(tǒng)

雞蛋的敲擊響應(yīng)信號(hào)主要在8000Hz以內(nèi)，在高頻處的信號(hào)較微弱，信噪比較低；

而在低頻處信號(hào)也比較微弱，且通常有外界環(huán)境和儀器自身的噪音干擾。為了保證信號(hào)的靈敏度和分辨率，本實(shí)驗(yàn)采用巴特沃斯帶通濾波器(1000～8000Hz)，濾去功率譜中的高頻和低頻部分的噪音。

從圖中可以看出，完好雞蛋的敲擊信號(hào)的功率譜共振峰比較突出(功率譜幅度值最大點(diǎn))，而且處于中頻置。

每個(gè)雞蛋之間的功率譜差異并不是很大，大部分雞蛋功率譜的共振峰比較穩(wěn)定，一般處在3500～5000Hz之間，而裂紋禽蛋功率譜的共振峰不突出，所對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)比較分散。

自適應(yīng)噪聲消除

特點(diǎn)：計(jì)算量小，穩(wěn)定性好，易于實(shí)現(xiàn)概念：一種線性自適應(yīng)濾波算法，在濾波過(guò)程中以期望響應(yīng)和濾波器之間誤差的均方值最小為原則，依據(jù)輸入信號(hào)在迭代過(guò)程中估計(jì)梯度矢量，并更新權(quán)重系數(shù)以達(dá)到最優(yōu)的自適應(yīng)迭代優(yōu)勢(shì)：敲擊響應(yīng)信號(hào)的噪音顯著減小，提高了信號(hào)的分辨率和靈敏度，為雞蛋敲擊響應(yīng)信號(hào)的特征信號(hào)的有效提取和識(shí)別提供了前提自適應(yīng)噪聲消除最小均方（Leastmeansquare,LMS）算法

自適應(yīng)噪聲消除經(jīng)基于LMS算法的自適應(yīng)濾波器對(duì)雞蛋敲擊響應(yīng)信號(hào)濾波前后，判別結(jié)果如表所示?？梢钥闯觯?jīng)自適應(yīng)濾波器濾波后，能去除部分與信號(hào)無(wú)關(guān)的環(huán)境噪音，更有效地提取雞蛋敲擊響應(yīng)信號(hào)，提高判別模型的分辨率和靈敏度。

受機(jī)械沖擊后產(chǎn)生的響應(yīng)頻率與雞蛋的重量、形狀、蛋殼厚度以及蛋殼裂紋的大小、分布等因素都有關(guān)系。如肉眼不可見(jiàn)裂紋,雖然蛋殼的組織結(jié)構(gòu)已被破壞,若敲擊點(diǎn)不在裂紋的位置,其產(chǎn)生的頻譜圖與完好雞蛋差別比較小,分級(jí)時(shí)便會(huì)有誤差。裂紋尺寸小且位置在兩極附近,雞蛋受沖擊后機(jī)械振動(dòng)模式與完好雞蛋近似,也會(huì)導(dǎo)致將殼裂雞蛋判為完好雞蛋,降低檢測(cè)準(zhǔn)確率。總結(jié)參考文獻(xiàn)[1]姜瑞涉;王俊;陸秋君;于勇.雞蛋敲擊響應(yīng)特性與蛋殼裂紋檢測(cè).農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào).2005，3（30）.[2]林顥;趙杰文;陳全勝;蔡健榮;周平.基于聲學(xué)特性的雞蛋蛋殼裂紋檢測(cè).食品科學(xué).2012,1（15）.[3]應(yīng)義斌;蔡?hào)|平;何衛(wèi)國(guó);金娟琴.農(nóng)產(chǎn)品聲學(xué)特性及其在品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào).1997,9(30).[4]應(yīng)義斌;于海燕.農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展.農(nóng)業(yè)工程科技創(chuàng)新與建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)——2005年中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集第四分冊(cè).2005,12(1).[5]劉燕德;曾一凡.無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢驗(yàn)中的應(yīng)用.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)).202,6(30).[6]王俊;于勇;姜瑞涉.雞蛋蛋殼裂紋敲擊響應(yīng)特性分析.農(nóng)業(yè)機(jī)械化與全面建設(shè)小康社會(huì)——中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)成立40周年慶典暨2003年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.2003,10(1).

[7]周平;蔡健榮;林顥.基于聲學(xué)特性的雞蛋蛋殼強(qiáng)度檢測(cè)的研究.食品科技.2010,2(20).[8]潘磊慶;屠康;趙立;趙藝澤;潘秀娟.敲擊振動(dòng)檢測(cè)雞蛋裂紋的初步研究.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào).2005,4(30).[9