基于聲學(xué)特性的西瓜糖度檢測(cè)系統(tǒng)

1、姓名:xxx 學(xué)號(hào):xxx,基于聲學(xué)特性的西瓜糖度檢測(cè)系統(tǒng),全球西瓜產(chǎn)量（萬噸）占水果比例,糖度是西瓜成熟度的重要判定指標(biāo)，目前市面上現(xiàn)有的糖度儀多是通過測(cè)量溶液的折射率來確定濃度，對(duì)于西瓜來說需要先將其變?yōu)槲鞴现贉y(cè)量，測(cè)量繁瑣而且對(duì)西瓜本身有破壞。,西瓜品質(zhì)受到品種、農(nóng)藝、氣候、采摘等多種因素的影響，僅根據(jù)西瓜大小、表面顏色或觸感等都很難判斷西瓜品質(zhì)。無損檢測(cè)技術(shù)是提高商品西瓜

2、品質(zhì)及競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的重要方式。,聲學(xué)檢測(cè)方法受干擾較少，檢測(cè)裝置成本低廉、可在野外等各種環(huán)境中工作，且易實(shí)現(xiàn)智能化，應(yīng)用前景廣闊。,生物物料的聲學(xué)特性,農(nóng)業(yè)物料的聲學(xué)特性是指物料在聲波作用下的反射特性、散射特性、透射特性、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，它們反映了聲波與物料相互作用的基本規(guī)律。近年，聲學(xué)特性在農(nóng)產(chǎn)品無損檢測(cè)技術(shù)中的研究和應(yīng)用發(fā)展那很快。目前，美國(guó)在這方面的研究處于領(lǐng)先地位。,Abbot 等研究蘋果聲

3、學(xué)特性檢測(cè)蘋果硬度，建立了彈性模量與蘋果固有基頻的關(guān)系。,,,,,,Armstrong等為了檢測(cè)西瓜在收獲和運(yùn)輸過程中所引起的內(nèi)部損傷，分別測(cè)定了內(nèi)部有損傷和內(nèi)部無損傷西瓜的共振頻率，發(fā)現(xiàn)西瓜的內(nèi)部損傷對(duì)其共振頻率有一定影響。,Stone用便攜式聲學(xué)系統(tǒng)在田間測(cè)定西瓜聲學(xué)品質(zhì)，并與西瓜糖度、色度、硬度、質(zhì)量做相關(guān)性分析。,Diezma-Iglesias 等提取BM（band magnitude of the acoustic spect

4、rum）作為測(cè)定西瓜空心聲學(xué)參數(shù)，其中85～160 Hz 范圍的BM 具有較好的測(cè)定結(jié)果；之后，用有限元方法和振動(dòng)方法分析西瓜，測(cè)定西瓜內(nèi)部品質(zhì)，建立西瓜形狀模型，比較理論模型與實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)該方法更適合于測(cè)定長(zhǎng)型西瓜的空心。,肖珂等提出使用短時(shí)能量和過零率提取打擊信號(hào)的算法來準(zhǔn)確判斷打擊信號(hào)的起始點(diǎn)，可以較準(zhǔn)確地檢測(cè)西瓜成熟度。於鋒在研究西瓜非生物學(xué)信息基礎(chǔ)上完善了聲學(xué)檢測(cè)西瓜系統(tǒng)。ZhangYuxin 等通過聲學(xué)系統(tǒng)檢測(cè)西瓜成

5、熟度，比較振動(dòng)頻率、衰減率、BM 等聲學(xué)參數(shù)與西瓜成熟度的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)相關(guān)性不高。進(jìn)而研究?jī)蓚€(gè)新聲學(xué)參數(shù)MFCC（mel-frequency cepstrum coefficient ） 和BMV（ band magnitude vector）檢測(cè)結(jié)果，其中BMV 可更好檢測(cè)西瓜成熟度。,本系統(tǒng)利用聲波信號(hào)的聲透過率（δ）來建立西瓜糖度檢測(cè)模型，為聲學(xué)無損檢測(cè)西瓜成熟度提供了參考。,西瓜聲學(xué)特性測(cè)試系統(tǒng),小球敲擊西瓜表面而產(chǎn)生聲波，緊貼

6、在樣本表面的6 個(gè)壓電式加速度傳感器同時(shí)感應(yīng)到聲波振動(dòng)信號(hào)后， 由電荷放大器（YE5853B）進(jìn)行信號(hào)調(diào)理；小球在經(jīng)過最低點(diǎn)處時(shí)，與該處平行的（以保證每次采樣起始點(diǎn)一致）光電式觸發(fā)器的激光感受小球到達(dá)，使電路產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡（PCL1800）采集信號(hào)并開始對(duì)6 路聲波信號(hào)同時(shí)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。,在西瓜表面選擇6 個(gè)典型位置作為測(cè)試點(diǎn),試驗(yàn)時(shí)，敲擊處的測(cè)試點(diǎn)稱為敲擊點(diǎn)，其余點(diǎn)均稱作接收點(diǎn)，并分別進(jìn)行標(biāo)記：1 號(hào)點(diǎn)為梗部，2 號(hào)

7、點(diǎn)為蒂部，3 號(hào)至6 號(hào)點(diǎn)均布在西瓜赤道部位，其中3 號(hào)點(diǎn)為西瓜靠地點(diǎn)或靠地點(diǎn)附近，5 號(hào)點(diǎn)位于3 號(hào)點(diǎn)對(duì)側(cè)，4 號(hào)點(diǎn)和6 號(hào)點(diǎn)分別均布在3 號(hào)點(diǎn)和5 號(hào)點(diǎn)之間。 在每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)都貼上1 個(gè)壓電式加速度傳感器，并標(biāo)記為對(duì)應(yīng)的編號(hào)。試驗(yàn)時(shí)，敲擊點(diǎn)i 和接收點(diǎn)j 的加速度信號(hào)共同組成一個(gè)敲擊-接收點(diǎn)組合ij(i,j 為測(cè)試點(diǎn)編號(hào)，且i≠j)。,測(cè)試點(diǎn)的標(biāo)記,聲特征參數(shù)提取,敲擊-接收點(diǎn)組合ij 間的聲透過率計(jì)算方法是：采

8、用傅里葉變換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)，得到信號(hào)的幅頻譜，對(duì)敲擊點(diǎn)和接收點(diǎn)幅頻譜上每一個(gè)頻率（下稱頻率點(diǎn)）對(duì)應(yīng)的幅值采用以下公式計(jì)算聲透過率 δ ij = Aj / Ai ×100%式中，δij 為敲擊點(diǎn)為i，接收點(diǎn)j 時(shí)敲擊-接收點(diǎn)組合ij 間的聲透過率%；Ai 為接收點(diǎn)i 幅值；Aj 為敲擊點(diǎn)j 幅值；對(duì)同一個(gè)敲擊點(diǎn)的聲透過率值取三次試驗(yàn)

9、的平均值。,特征頻率點(diǎn)數(shù)量范圍的確定,由圖 2 可見，選取的頻率點(diǎn)數(shù)量越多，則模型的相關(guān)系數(shù)越高。頻率點(diǎn)數(shù)量在 1～4 之間時(shí)，相關(guān)系數(shù) R 小于 0.8 或在 0.8 附近；頻率點(diǎn)數(shù)量在 4～10 之間時(shí)，相關(guān)系數(shù)在 0.85～0.95 之間；頻率點(diǎn)數(shù)量大于 10 之后，相關(guān)系數(shù)均大于 0.95。 比較圖3和圖4，隨著模型的校正均方根誤差值降低，RMSEC 與 RMSEP 相差逐步增大。選取的頻率點(diǎn)數(shù)量小于 5 時(shí)，模型普遍

10、穩(wěn)定但相關(guān)性不高；選取的頻率點(diǎn)數(shù)量大于 10 時(shí)，檢測(cè)精度和模型穩(wěn)定性普遍降低，因此頻率點(diǎn)數(shù)量選擇在變化較穩(wěn)定的 6～10 范圍較為適宜。,最佳敲擊-接收點(diǎn)組合的確定,4 號(hào)點(diǎn)和6 號(hào)點(diǎn)在雨水、光照、空氣等方面接收條件是基本一致的，瓜瓤在泛瓤期橫向伸展過程中基本一致，使得兩部分瓜瓤的理化性質(zhì)相對(duì)更一致，因此檢測(cè)模型能獲得較好的結(jié)果。同時(shí)，相對(duì)其它檢測(cè)部位，敲擊-接收點(diǎn)組合46 在田間檢測(cè)時(shí)無需翻動(dòng)西瓜，檢測(cè)裝置的安放更為便利，因此選取這

11、兩個(gè)點(diǎn)作為最佳的敲擊-接收點(diǎn)組合。,從表1 可以看到，頻率點(diǎn)數(shù)量在6～10 之間時(shí)，敲擊-接收點(diǎn)組合46 所建模型總體上比敲擊-接收點(diǎn)組合64更穩(wěn)定；在敲擊-接收點(diǎn)組合46 所建立的回歸模型中，盡管用6 個(gè)頻率點(diǎn)的聲透過率值所建立的模型比用9 個(gè)頻率點(diǎn)的聲透過率值所建立的模型相關(guān)性低，但是前者的預(yù)測(cè)均方根誤差（RMSEP）和校正均方根誤差（RMSEC）分別為0.646 和0.655，相差最小，相關(guān)系數(shù)較高，所建立模型穩(wěn)定性更好，精度更高

12、。,確定特振頻率點(diǎn)及檢測(cè)模型,由 TQ 軟件中 SMLR 函數(shù)自動(dòng)選取最優(yōu)結(jié)果表示，敲擊-接收點(diǎn)組合 46 對(duì)應(yīng)的前 6 個(gè)特征頻率點(diǎn)分別為：752、869、1 001、4 556、322、3 950 Hz，其對(duì)應(yīng)的聲透過率參數(shù)分別用 δ 1、 δ 2 、 δ 3 、 δ 4、 δ 5 、 δ 6表示。圖 5表示敲擊-接收點(diǎn)組合 46 聲透過率建立的校正線性回歸圖。,確定特振頻率點(diǎn)及檢測(cè)模型,參考文獻(xiàn)[1] Armstrong P

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