[发明专利]基于激光多普勒测振的水果硬度无损检测方法及装置

说明书

技术领域    

本发明涉及水果硬度的无损检测方法及装置，尤其涉及一种基于激光多普勒测振的水果硬度无损检测方法及装置。

背景技术    

中国素有“世界水果王国”的美称，几乎所有种类的水果都有生产且产量高，但由于检测分级设备落后，水果在国际市场竞争力依然不够，出口率较低，水果在采后贮运过程中存在成熟软化及腐烂的问题。水果的硬度，也称坚实度，是指果肉抗压力的强弱，可以作为判断成熟度和品质的一项重要指标。准确地检测水果的硬度，对于确定适宜的收获期、采后保存、评估最佳食用期以及产品分级等都具有重要意义。

传统的水果硬度检测方法主要是抽样，通常在样品的赤道处选取几个检测点，然后在检测点去皮，用质构仪或硬度计压入果实内部一定距离测得，这是一种破坏性检测，检验率低，费时费力并造成大量浪费。目前有关水果硬度的无损检测方法主要是声学检测法，也有部分研究提到近红外光谱检测法和高光谱空间散射曲线法等。声学检测法信号容易受到环境噪声的干扰导致检测精度不高，有些使用敲击的方式还会对水果造成一定的损伤；近红外技术与其化学物质有关，而水果的硬度主要与其物理结构有关，因而近红外检测结果不是十分理想，且对于水果表面有缺陷的样本时检测点需避开缺陷位置；而高光谱技术受光源等环境因素影响非常大，检测条件苛刻。

激光多普勒测振技术（Laser Doppler Vibrometry (LDV) technology）是一项用于检测物体机械振动特性的技术。对于水果机械振动特性的测量可以分为两种方式：接触式和非接触式。传统的测量方法需要把加速度传感器附着于待测物体表面，利用其输出的信号实现“加速度–速度–位移”的相关测量，这种接触式的安装方式会破坏原有的振动状态，甚至在许多场合无法应用，因此限制了它的应用范围。而激光多普勒测振技术作为一种非接触式测量方法，集光机电为一体，不受环境噪声影响，具有精度高、动态响应快、测量范围大、抗电磁干扰、对横向振动干扰不敏感等优点，对检测振幅微小的振动也很有效，其特点满足了水果振动测量的需要。在不同质地的水果中，振动能量的传递必然不同，因此从理论上讲，可以通过利用该技术来检测水果的机械振动特性用以建立和硬度之间的关系。

发明内容    

针对上述背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于激光多普勒测振的水果硬度无损检测方法及装置。通过该装置获得水果振动信号，并将该信号进行处理，获得特征频率，建立硬度预测模型，从而实现对水果硬度的无损检测。

本发明采用的技术方案是：

一、一种基于激光多普勒测振的水果硬度无损检测方法：

步骤（1）采集具有代表性的水果组成建模样品集；

步骤（2）样品质量的测定：用电子天平称取每个样品的质量；

步骤（3）振动信号的采集：将样品放于振动发生机扩展台的中心位置并对其施以频率变化的激励信号，用激光多普勒测振模块测量样品上表面顶点处的振动速度信号，用ICP加速度传感器测量扩展台面的振动加速度信号，得到的两路振动信号经数据采集卡采集并送至计算机保存，采样频率为5120 Hz；

步骤（4）振动信号的处理：对采集到的两路振动信号进行滤波、积分、快速傅里叶变换处理，再求幅频响应，并提取特征频率；

步骤（5）硬度标准值的测定：在万能力学试验机上测定每一个样品的最大受力/受力面积（N/cm²），作为硬度标准值；

步骤（6）硬度预测模型的建立和验证：将样品分为校正组和验证组，划分校正组和验证组的比例为3:1，采用线性回归方法对校正组样品建立机械振动特性与其硬度之间的模型；并基于验证组对所得到的预测模型进行验证，比较样品硬度的预测值和标准值，并根据实际生产中的需求，对模型进行优化。