基于声学特性的禽蛋裂纹快速在线无损检测装置及方法

1.一种基于声学特性的禽蛋裂纹快速在线无损检测装置，其特征是：将禽蛋(9)放置在支撑滚轮(2)上，步进电机(1)连接并驱动支撑滚轮(2)，设置在禽蛋(9)旁的麦克风(4)依次以信号放大器(5)、滤波器(6)和A/D转换器(7)连接到计算机(8)；所述支撑滚轮(2)由链条(11)串接成上下两层封闭的滚动链，禽蛋(9)位于上层滚动链的两个支撑滚轮(2)之间，在禽蛋(9)的上方设置敲击棒支撑架(12)，敲击棒(3)的上端固定在支撑架(12)上，敲击棒(3)的下端自由端接触禽蛋(9)；在上层滚动链的支撑滚轮(2)下方设置一个工程塑料平台(10)，麦克风(4)固定在工程塑料平台(10)上；所述麦克风(4)和敲击棒(3)的数量与禽蛋(9)的数量相同且位置与禽蛋(9)的位置相对应。

基于声学特性的禽蛋裂纹快速在线无损检测装置及方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种针对禽蛋裂纹的检测，特指基于声学特性的禽蛋裂纹在线快速无损检测装置及其方法。\n背景技术\n[0002] 禽蛋是老少皆宜的营养食品，但目前无论是鲜蛋的出口量还是禽蛋的纵深加工均相对较少，其主要原因是禽蛋的标准化加工设施和手段都比较落后。在禽蛋生产、经营、加工过程中，禽蛋容易破损。在破损禽蛋的检测中，蛋壳裂纹是最难辨别的，但它对蛋品质量影响非常大。随着时间的延长，破损蛋的裂纹会由小变大，微生物等易从裂纹处侵害蛋内，导致新鲜度降低，甚至腐败变质。因此，蛋壳裂纹的快速有效检测是禽蛋产品加工和储运过程中最为重要的环节之一。\n[0003] 目前，对禽蛋蛋壳裂纹的无损检测研究方法主要有以下几种。(1)利用机器视觉技术检测蛋壳裂纹。随着计算机硬件成本的降低、运算速度的提高和图像处理技术的发展，机器视觉技术己在农产品品质研究和检测方面得到初步的应用，并在检测裂纹、血斑等蛋品品质研究方面得到越来越多的关注。国内外一些学者通过机器视觉采集裂纹蛋和完好蛋图像，并建立了相关的检测禽蛋裂纹的数学模型。但在应用机器视觉技术检测破损禽蛋时，由于机器视觉是按固定的时间间隔连续采集图像，难以实现禽蛋表面图像全面采集，易造成采集信息的遗漏；另外，禽蛋表面不洁净，图像中污点或异物等噪音会致使检测的准确率大大降低；而且，图像缺陷算法比较复杂，检测速度慢。(2)利用禽蛋的动力学特性检测蛋壳裂纹。鸡蛋的破损大多数是由于动载所造成的，所以对于鸡蛋动力学特性的研究显得甚有意义。目前的研究主要是利用禽蛋的冲击或振动特性所获取的相关信号来检测禽蛋裂纹。\n由于动力学检测禽蛋裂纹检测的系统比较复杂，致使该研究仍停留在理论水平上。(3)利用禽蛋的声学特性检测蛋壳裂纹。由于声音的产生是因为物体的振动能量向空气传送，从而产生振动。声音信号主要包括声音的频率及强度。从振动力学角度来看，当禽蛋的蛋壳出现裂纹时，其结构的刚度和阻尼系数将随之变化，必然会反映到其模态固有频率和阻尼比上。\n经验数据表明，固有频率随着裂纹的加剧而下降，其阻尼比则随着裂纹的扩展而增大，尤其是较高频率的模态更为明显。由于阻尼比的增大，导致振动传播受阻。因此，有裂纹的蛋品受冲击发出的声音沙哑沉闷，完好蛋品发声清脆，这正是利用声学特性检测区分正常蛋与裂纹蛋的基本原理。\n[0004] 近年来，利用声学特性进行农产品无损检测已有较多的研究应用，如根据声学特性测定西瓜、梨等水果的成熟度、硬度等内部品质，并研制出根据声学特性检测水果品质的仪器。\n[0005] 目前，在国内，利用声学特性检测鸡蛋裂纹已有相关的文献报道。用传感器采集鸡蛋经敲击后的时域特性信号，并通过信号频谱分析，可以判断无裂纹鸡蛋的频域特征有相似的规律性，而有裂纹鸡蛋频域特征无规律性，没有明显的主频值。但这些均为实验室的基础研究，离实现工业化生产中的在线检测还有一段距离。\n发明内容\n[0006] 本发明的目的是为克服现有技术的不中，提供一种基于声学原理的禽蛋裂纹快速在线无损检测装置及其方法，该装置可全面采集禽蛋裂纹信息且采集的准确率高，该方法可应用于禽蛋生产加工和流通过程中的自动化检测。\n[0007] 本发明基于声学特性的禽蛋裂纹快速在线无损检测装置采用的技术方案是：将禽蛋放置在支撑滚轮上，步进电机连接并驱动支撑滚轮，设置在禽蛋旁的麦克风依次以信号放大器、滤波器和A/D转换器连接到计算机。\n[0008] 本发明基于声学特性的禽蛋裂纹快速在线无损检测方法按如下步骤：\n[0009] A、步进电机通过链条驱动支撑滚轮，使禽蛋在链条上滚动，同时以敲击棒多点机械敲击禽蛋的不同部位，发出响声；\n[0010] B、麦克风采集相应的声音信号，采集得到的信号经信号放大器放大、滤波器滤波和A/D转换器A/D转换后输入计算机；\n[0011] C、将输入计算机的信号经过信号处理和模式识别分析，综合判别禽蛋裂纹情况。\n[0012] 本发明的有益效果是：\n[0013] 1、由于裂纹蛋和完好蛋的固有频率不同，敲击棒机械敲击后产生的特征信号频谱图不同，利用该原理，用高精度实时模式分类系统来分析禽蛋敲击得到的功率谱，进行综合检测，可用于鉴别完好蛋和裂纹蛋，挑选出破损蛋，从而使禽蛋质量得到保证。可以实现禽蛋生产加工和流通过程中的自动化检测，还可同时应用于禽蛋蛋壳强度等力学指标及推广应用于水果和蔬菜等农产品硬度和成熟度的无损检测。\n[0014] 2、本发明同时提供了柔性技术，即可以控制敲击装置的敲击力度和敲击频率，以适应不同类型、不同大小的禽蛋。\n[0015] 3、本发明采用一条生产线上多轨道多点机械敲击滚动中的禽蛋，这样可以尽可能的接近禽蛋裂纹的位置敲击禽蛋，以保证裂纹部位无遗漏的敲击。由于禽蛋的裂纹位置不同，禽蛋蛋壳受敲击产生的信号也不完全一致，敲击装置在接近禽蛋裂纹的位置更可能采集裂纹蛋壳的特征频谱。\n[0016] 4、本发明为禽蛋的分级、自动化生产提供了应用基础，与目前的人工识别相比，信息更全面，可靠性、可重复性更强；同时本发明采用多轨道敲击装置同时敲击禽蛋，可同时检测多个禽蛋样品，适用于在线检测。\n[0017] 5、本发明将基于计算机技术的高新检测手段，应用于禽蛋蛋壳检测过程中，既可以解放劳动力，排除人的主观因素干扰，具有自动化程度强检测结果高等优点，为禽蛋产品标准化加工创造了条件。\n附图说明\n[0018] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。\n[0019] 图1是本发明装置的检测原理示意图；\n[0020] 图2是图1中支撑滚轮2及相关部件的检测装置示意图；\n[0021] 图中：1、步进电机，2、支撑滚轮，3、敲击棒，4、麦克风，5、信号放大器，6、滤波器，7、A/D转换器，8、计算机，9、禽蛋，10、工程塑料平台，11、链条；12、敲击棒支撑架。\n[0022] 图3是本发明声音信号采集及处理示意图；\n[0023] 图4是本发明DSP信号检测处理系统框架图。\n具体实施方式\n[0024] 如图1、2所示，本发明装置由禽蛋支撑装置、敲击响应装置、信号采集和调理、响应信号的处理和综合判别四个部分组成。\n[0025] 禽蛋9的支撑装置由一组支撑滚轮2组成，将禽蛋9放置在支撑滚轮2上。配有调速器的步进电机1(20—60转/分钟)连接并驱动支撑滚轮2，设置在禽蛋9旁的麦克风\n4依次以信号放大器5、滤波器6和A/D转换器7连接到计算机8。\n[0026] 支撑滚轮2由链条11串接成上下两层封闭的滚动链，每个支撑滚轮2与链条11相接，禽蛋9位于上层滚动链的两个支撑滚轮2之间。步进电机1通过链条11带动支撑滚轮2前行。在禽蛋9的上方设置敲击棒支撑架12，敲击棒3的上端固定在支撑架12上，敲击棒3的下端自由端接触禽蛋9。\n[0027] 在上层滚动链的支撑滚轮2下方设置一个工程塑料平台10，麦克风4固定在工程塑料平台10上；麦克风4和敲击棒3的数量与禽蛋9的数量相同且位置与禽蛋9的位置相对应，以便每个麦克风4接受对应的敲击棒3敲击对应禽蛋9的声音。支撑滚轮2前行过程中与下方工程塑料平台10相接触并通过摩擦以实现其滚动。支撑滚轮2的材料为工程塑料，其形状是根据多个禽蛋9外形加工而成，以便禽蛋9平稳滚动前行。\n[0028] 禽蛋敲击装置用于敲击禽蛋9，产生响应信号且敲击频率可调。敲击系统以步进电机1为驱动力，由单片机控制敲击频率。敲击的力度由电磁线圈控制，可通过改变电压而改变吸引力，达到调整敲击力度的目的，敲击的频率由单片机控制，可根据不同类型禽蛋9的具体状况调整相关的敲击力度和频率。\n[0029] 信号采集和调理系统用于信号的采集和调理，禽蛋9经敲击装置敲击后得到的信号需经过相关的调理才能为计算机8下一步处理所用。敲击响应信号是用麦克风4来采集(参数指标：动圈式麦克风，单指向型，采样频率20-20KHz)。麦克风4输出的是微弱的电压信号，此信号一般是几十毫伏到几百毫伏，必须对其放大后才能对其进一步处理，本系统采用的放大器的核心芯片是TI公司的放大器INA217，并设计相关的外围电路，连接麦克风4和声卡。麦克风4输出的信号中含有大量的高频噪声信号，在数字信号处理过程中，这些高频信号将会“折叠”到较低频率中而产生混叠现象，因此，在进行A/D转换之前，必须对信号进行抗混叠滤波处理；麦克风4发出的是模拟信号，而计算机8所能处理的都是数字信号，因此必须完成模拟信号到数字信号的转换及A/D转换，本系统通过声卡完成信号的滤波及A/D转换，输送信号到计算机处理，如附图3所示。\n[0030] 响应信号的处理和综合判别对获取的响应信号进一步处理并进行频谱分析，综合判别是否为裂纹禽蛋。该系统包括信号的阈值触发、信号的读取、信号处理和结果判别四个部分。为了保证系统的工作效率，本系统设计了敲击禽蛋9后即采集信号的阈值触发系统，系统读取触发后的信号，得到时间-幅值的二维声音信号强度的时域图。系统得到的时域信号经快速傅立叶变化(FFT)得到信号的功率谱，获取的功率谱信号经过进一步的滤波去噪进入信号判别模块，在这个模块中对功率谱信号进行分析处理，最后得出结果，判别该禽蛋9是否为裂纹蛋，在人机界面有一个指示灯，通常情况下，指示灯处于闲置状态，如果系统判别该禽蛋9是裂纹蛋，指示灯启动，灯亮，表明此禽蛋9是裂纹禽蛋。\n[0031] 本发明采用DSP信号处理系统完成声音信号的采集、处理和判别。由信号放大电路、滤波电路、A/D转换电路、阀值触发电路(触发中断)、DSP最小系统、分级驱动电路、分级执行机构、PC机通信接口等组成。敲击装置敲击禽蛋9后，声音传感器采集蛋壳发出的声音信号，信号经放大、滤波及A/D转换后，进入到DSP芯片中央处理器内，由DSP对数字信号进行数字滤波、FFT变换等处理，通过频谱分析后对蛋壳状况进行判别，最后由DSP发出信号驱动分级执行机构剔除破损蛋，系统通过与PC机的通信可以实现相互间的数据交换，如图4所示。\n[0032] 信号的频谱分析包括信号的傅立叶变换，功率谱密度估算，以及一些特征信号的分析。本系统采取快速傅立叶变化把系统所得到的时域信号变换为频域功率谱，有利于信号的进一步分析。采集到的声音信号经过硬件滤波后，仍存在部分干扰信号，在本系统中通过平滑去噪、主成分分析、独立分量分析和归一化等算法进行软件滤波去除随机噪声。对于处理后的信号，本系统提取共振峰对应的主频率值、功率谱面积、高频段额外峰功率谱幅值、特征点前后频段功率谱面积的比值、不同部位的频率分布等特征参数，输送至DSP信号处理系统综合判别。\n[0033] DSP信号处理系统综合判别是指每一禽蛋9经历一次机械敲击后其声音相应信号被送至DSP中央处理器的T寄存器暂时寄存，当禽蛋9经过生产线的全部11次机械敲击后，T寄存器所得的11次敲击禽蛋9的数据送至所建立的禽蛋裂纹响应信号的模式识别知识库，综合判别该禽蛋9是否为裂纹禽蛋。\n[0034] 本发明快速在线无损检测方法按如下步骤操作：\n[0035] A、步进电机1通过链条11驱动支撑滚轮2，使禽蛋9在链条11上滚动，每个禽蛋\n9在生产线上边滚动边向前运动；\n[0036] B、在敲击棒支撑架12上有多个由步进电机1带动的敲击棒3，禽蛋9通过一次生产线经历多轨道多点机械敲击，这样可以尽可能的接近禽蛋裂纹的位置敲击禽蛋9，以保证裂纹部位无遗漏的敲击；\n[0037] C、每个禽蛋9每一次敲击由麦克风4采集后经信号放大器5放后通过巴尔沃斯带通自适应硬件滤波器6对信号进行滤波处理；\n[0038] D、滤波处理后的信号通过A/D转换器7将其转换成离散的时域信号并输送进入输入计算机8的DSP数据处理系统；\n[0039] E、通过快速傅里叶变换将离散时域信号转换成功率谱信号，并对功率谱信号进行独立分量分析、最小均方差算法及小波分析进一步滤波去噪，提取有效信息；\n[0040] F、对滤波去噪后信息提取其功率谱面积，功率谱方差，最大共振峰功率谱幅值值，前三个功率谱幅值的均值等特征参数进行分析；\n[0041] G、每一个禽蛋9每一次敲击后信号的经滤波去噪并特征提取后在DSP系统中暂存；\n[0042] H、通过建立的模式识别模型对多次敲击禽蛋信号特征进行综合识别，判别其是否为裂纹禽蛋；\n[0043] I、DSP检测禽蛋的判别结果通过上下位机通信到PC机，在PC机中可以得到检测结果，并对裂纹蛋进行进一步处理。\n[0044] 下面通过实施例再详细说明本发明：\n[0045] 实施例\n[0046] 本发明以鸡蛋为实施实例，其它禽蛋产品的检测可参照该实施实例的方法，具体针对所测的样本的评价标准，建立一个新的知识库，就可以对该类产品进行测试。\n[0047] 随即挑选一批鸡蛋，先按常规的人工检测判断鸡蛋的裂纹状况，并详细记录裂纹的位置和大小，然后将这些鸡蛋作为标准样本，用基于声学原理的无损检测敲击装置对其进行无损检测，启动步进电机1敲击鸡蛋蛋壳，敲击的声音信号经麦克风4采集后进入声卡对其进行放大、滤波和A/D信号转换，最终输入计算机分析系统。对输入计算机8的信号进行独立分量分析及小波变化等预处理，然后选择共振峰对应的主频率值、功率谱面积、高频段额外峰功率谱幅值、特征点前后频段功率谱面积的比值和不同部位的频率分布作为特征参数。为了满足在线检测的速度要求，对所提取的特征参数采用简单快速的线性判别模型判断被测鸡蛋是否有裂纹，建立知识库。\n[0048] 一个鸡蛋在生产线上需经过11次机械敲击，每经历一次机械敲击后其声音相应信号被送至DSP的T寄存器暂时寄存，当鸡蛋经过生产线的全部11次机械敲击后，T寄存器所得的11次敲击禽蛋的数据送至所建立的鸡蛋裂纹响应信号的模式识别知识库，综合判别该鸡蛋是否为裂纹蛋。