傳感器與微系統(tǒng)( Transducer and Microsystem Technologies2009年第28卷第12期瓜果動(dòng)力學(xué)特性的研究麥智煒,劉洪山,李明(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院廣東廣州510642)摘要:同傳統(tǒng)的瓜果品質(zhì)檢測(cè)技術(shù)相比,瓜果無(wú)損檢測(cè)技術(shù)能對(duì)每個(gè)瓜果進(jìn)行品質(zhì)鑒定,鑒定結(jié)果更加準(zhǔn)確。從 Cooke理論出發(fā),采用自行研制的微型壓電加速度計(jì)構(gòu)建試驗(yàn)平臺(tái),對(duì)不同品種、同一品種不同品質(zhì)、同一水果不同部位的蘋(píng)果和橙子的脈沖響應(yīng)特性進(jìn)行了初步研究,試驗(yàn)結(jié)果表明:不同品質(zhì)的水果具有不同的沖擊響應(yīng)頻率,由此提出了瓜果品質(zhì)脈沖響應(yīng)特性檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)想關(guān)鍵詞:水果;壓電加速度計(jì);脈沖響應(yīng)特性;檢測(cè)系統(tǒng)中圖分類號(hào):TH82文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1000-9787(2009)12-0024-0Study on melon and fruits dynamic characteristicMAI Zhi-wei, LIU Hong-shan, LI MingCollege of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)Abstract: Compared with traditional measurement technique of fruits, non-destructive testing of fruit is suitablefor testing every fruits. From the Cooke theory, the experimental platform based on a self-developed micro-piezoelectric accelerometer is used. The platform is used to study the impulsive response charactoristic betweendifferent kinds of fruits, different quality of same fruits, and different parts of one fruit. The experiment resultsshow that the detection system of melon and fruit with the impulsive excitation response is advancedKey words: fruit; piezoelectric accelerometer; impulsive response charactoristic; detection system0引言貯存過(guò)程中,表征細(xì)胞間結(jié)合力變化的物理指標(biāo)。一般情瓜果的力學(xué)特性是對(duì)瓜果進(jìn)行品質(zhì)評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)之況下,細(xì)胞間的結(jié)合力變小,堅(jiān)實(shí)度變?nèi)?成熟度提高其中,瓜果堅(jiān)實(shí)度是表示瓜果軟硬程度的量。它主要取Cooke J等人利用瓜果振動(dòng)的固有頻率檢測(cè)其堅(jiān)實(shí)度,決于瓜果本身的彈性模量、屈服強(qiáng)度、塑性、脆性以及內(nèi)部建立了瓜果簡(jiǎn)化為線彈性球體的動(dòng)力學(xué)模型,并通過(guò)理論分子結(jié)構(gòu)、結(jié)晶狀態(tài)及原子間的鍵合力等因素。分析得到了各向同性的線彈性球狀瓜果的固有頻率與其材Salveit M E等人田(1985)和 Armstrong P等人2料彈性模量的關(guān)系為(1990)的研究表明:蘋(píng)果、西紅柿和西瓜的共振頻率均隨E-2(1ta)(6m著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)而減小,并與硬度顯著相關(guān)。 Chen H等人2(196。)研制出了一種低質(zhì)量高速的撞擊傳感器用來(lái)式中E為瓜果的彈性模量,MPap為瓜果的密度,gmm測(cè)量桃子硬度。饒秀勤和應(yīng)義斌(2004)用他們?cè)O(shè)計(jì)的為瓜果的泊松比;m為瓜果的質(zhì)量,mg;為歸一化頻率水果聲學(xué)特性測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試了14只麒麟西瓜。G6 mez A H Hz; f為瓜果的固有頻率Hz等人5(2005)肯定了敲擊共振法與其他物理測(cè)定法在梨經(jīng)測(cè)量得到固有頻率f后,由上式可以估算出瓜果的質(zhì)地狀況檢測(cè)上的相關(guān)性。屠康等人6(2008)利用敲擊彈性模量E,從而確定其堅(jiān)實(shí)度此即為用沖擊響應(yīng)固有頻共振方法對(duì)新高梨的品質(zhì)進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)。率檢測(cè)瓜果堅(jiān)實(shí)度的基本原理。本文從 Cooke理論出發(fā),采用自行研制的加速度計(jì),利用瓜果振動(dòng)的固有頻率檢測(cè)其堅(jiān)實(shí)度為眾多學(xué)者所對(duì)不同情況下的球形水果進(jìn)行脈沖響應(yīng)特性測(cè)量從而判關(guān)注,雖然他們的測(cè)量方法和技術(shù)不完全相同,但其基本原斷水果的堅(jiān)實(shí)度并由此提出采用瓜果動(dòng)力學(xué)特性判斷瓜理均np第用沖擊振動(dòng)產(chǎn)生的噪品質(zhì)研究的構(gòu)想。聲和中國(guó)煤化工士的堅(jiān)實(shí)度; Louis等人1瓜果動(dòng)力學(xué)特性研究的基本原理研CNMHG-T結(jié)果的變化及蘋(píng)沖擊響應(yīng)無(wú)損檢測(cè)瓜果堅(jiān)實(shí)度是基于檢測(cè)瓜果生長(zhǎng)和果皮對(duì)固有頻率的影響;Abot等人對(duì)美國(guó)的2個(gè)主要蘋(píng)收稿日期:2009-060第12期麥智煒,等:瓜果動(dòng)力學(xué)特性的研究果品種用3種方法(固有頻率,M-T試驗(yàn)和組織壓縮試驗(yàn))不同材料的錘頭。由于瓜果類被測(cè)物體需突出其低頻特測(cè)量其堅(jiān)實(shí)度并進(jìn)行了對(duì)比;國(guó)內(nèi)也有學(xué)者利用 Cooke原性,因此,采用橡膠錘頭和橡皮錘頭較為合適。理對(duì)西瓜和酥梨進(jìn)行了相關(guān)研究。在敲擊振動(dòng)試驗(yàn)中,振動(dòng)方向?yàn)殂U錘方向,選擇瓜果經(jīng)在已有瓜果成熟度預(yù)測(cè)研究中,大多數(shù)學(xué)者建議將質(zhì)緯線響應(yīng)測(cè)點(diǎn)測(cè)點(diǎn)為采用自制微型加速度計(jì)。加速度計(jì)量、密度、響應(yīng)主頻率一起綜合考慮,提出了綜合指標(biāo)堅(jiān)實(shí)可釆用預(yù)緊方式貼于瓜果表面加速度計(jì)通過(guò)虛擬儀器獲度系數(shù)得時(shí)域信號(hào)后,進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)得到頻域特征曲線,據(jù)此獲得響應(yīng)頻率幅值最大的頻率(響應(yīng)主頻率)式中m為瓜果的質(zhì)量,mg;f為瓜果的固有頻率,Hz依據(jù) Cooke J彈性模量公式和堅(jiān)實(shí)度系數(shù)公式,分別計(jì)算該但該項(xiàng)技術(shù)目前的研究成果距實(shí)際應(yīng)用仍有較大差瓜果的彈性模量和堅(jiān)實(shí)度系數(shù),并研究瓜果彈性模量和堅(jiān)距,有些基本的理論問(wèn)題尚不清楚。但就沖擊響應(yīng)無(wú)損檢實(shí)度系數(shù)與成熟度等品質(zhì)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系測(cè)方法的應(yīng)用可得出如下結(jié)論2.2試驗(yàn)結(jié)果與分析1)沖擊力和瓜果的固有頻率隨成熟度而變化,這些變本研究在簡(jiǎn)易試驗(yàn)平臺(tái)上,研究了不同品種同一品種化的根本原因是瓜果組織的彈性模量的改變;不同品質(zhì)、同一水果向陽(yáng)面和背陽(yáng)面的蘋(píng)果與橙子的脈沖2)沖擊力和沖擊力引起的振動(dòng)固有頻率有望成為無(wú)響應(yīng)特性。試驗(yàn)由自制的壓電型力傳感器和加速度計(jì)分別損檢測(cè)的2個(gè)重要物理量;測(cè)量單點(diǎn)激勵(lì)信號(hào)和多點(diǎn)脈沖響應(yīng)信號(hào),由虛擬儀器采集3)對(duì)各種瓜果的內(nèi)部組織的研究尚需深入,有些理論信號(hào)并進(jìn)行信號(hào)的時(shí)域和頻域分析。圖2為多點(diǎn)脈沖響應(yīng)還要繼續(xù)深入的探討布點(diǎn)示意圖;圖3為蘋(píng)果的各點(diǎn)脈沖響應(yīng)頻譜;表1為對(duì)不2瓜果脈沖響應(yīng)特性測(cè)量品種蘋(píng)果的測(cè)試結(jié)果。2.1試驗(yàn)平臺(tái)背陽(yáng)面從 Cooke理論與沖擊響應(yīng)無(wú)損檢測(cè)的一般方法出發(fā)根據(jù)國(guó)內(nèi)目前測(cè)試技術(shù)水平,構(gòu)建利于開(kāi)展瓜果堅(jiān)實(shí)度的沖擊響應(yīng)無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái),并在此基礎(chǔ)上深入開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)和數(shù)值模擬以逐步獲得瓜果品質(zhì)與物理參數(shù)之間的復(fù)雜關(guān)系。試驗(yàn)平臺(tái)采用沖擊力錘單點(diǎn)激勵(lì),瓜果多點(diǎn)響應(yīng)的形圖2多點(diǎn)脈沖響應(yīng)布點(diǎn)示意圖式構(gòu)建所施加的激勵(lì)信號(hào)和由此獲得的響應(yīng)信號(hào)經(jīng)放大Fig 2 Schematic diagram of impulsive response調(diào)理,由計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理,從而獲得瓜果的響應(yīng)頻率。of different points試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。表1不同品質(zhì)蘋(píng)果的脈沖響應(yīng)固有頻率特性「信號(hào)放大與調(diào)理between different qualities of apples號(hào)放大與詞理加速度響應(yīng)頻率(Hz)數(shù)據(jù)采集序習(xí)果(好)2果(好)1蘋(píng)果(爛)2嶂蘋(píng)果(爛)電子稱信號(hào)分析計(jì)算機(jī)圖1瓜果脈沖響應(yīng)特性測(cè)量試驗(yàn)Fig 1 Measurement experiment with impulsiveresponse characteristic of fruit激勵(lì)方法對(duì)瓜果的性能檢測(cè)至關(guān)重要:1)要能激起瓜果的振動(dòng)以突出瓜果的共振特性;2)盡量減小外界對(duì)瓜果特性的影響,即減小對(duì)瓜果的振動(dòng)有影響的附加質(zhì)量和附加剛度;3)要實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè),不對(duì)瓜果形成損傷。中國(guó)煤化工沖擊力錘頭部裝有自制的壓電式力傳感器,以測(cè)試敲CN MHG25擊力的時(shí)域信號(hào)(力的大小和脈寬)。一般情況下,脈沖持由試驗(yàn)分析可知:續(xù)時(shí)間τ越短,激振頻率越寬,分析頻率越高。而敲擊力的1)不同品種、同一品種不同品質(zhì)、同一水果向陽(yáng)面和脈沖持續(xù)時(shí)間與錘頭材料有著密切關(guān)系,因此,需配備幾個(gè)背陽(yáng)面的水果在脈沖激勵(lì)下,具有不同的響應(yīng)頻率特性,因傳感器與微系統(tǒng)第28卷6)將預(yù)測(cè)樣本的頻響特性數(shù)據(jù)代入數(shù)值模型計(jì)算出待測(cè)成分的理論計(jì)算值垂0.047)進(jìn)行誤差分析,若誤差不能達(dá)到預(yù)定的要求,則需要改變數(shù)值模型的建立方法,返回到(5)重建模型。(a)點(diǎn)2和點(diǎn)7響應(yīng)頻譜(a)impulsive response of point 2 and point 70.10關(guān)聯(lián)0.08已知品質(zhì)指標(biāo)」,[測(cè)未知品質(zhì)指標(biāo)法定的標(biāo)準(zhǔn)檢惻方法(b)點(diǎn)3和點(diǎn)8響應(yīng)頻譜Fig 4 Model of impulsive response characteristic of fruit(b)impulsive response of point 3 and poi結(jié)束語(yǔ)0.12沖擊響應(yīng)方法在瓜果無(wú)損檢測(cè)中雖然得到應(yīng)用,但由于瓜果的基本性質(zhì)隨品種和生長(zhǎng)地域不同而異,瓜果的品質(zhì)與物理參數(shù)之間的復(fù)雜關(guān)系需要一個(gè)較長(zhǎng)的研究過(guò)程。因此應(yīng)根據(jù)不同地域、不同品種采用合適的試驗(yàn)參數(shù)在同一試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行脈沖響應(yīng)特性分布測(cè)量借助于數(shù)學(xué)建模和數(shù)據(jù)(c)點(diǎn)4和點(diǎn)9響應(yīng)頻譜庫(kù),不斷完善試驗(yàn)方法和數(shù)值模擬方法,在實(shí)踐過(guò)程中不斷se of point 4 and point積累瓜果堅(jiān)實(shí)度與瓜果動(dòng)力學(xué)特性之間的研究成果,無(wú)疑將圖3蘋(píng)果各點(diǎn)的脈沖響應(yīng)頻謙圖有助于瓜果堅(jiān)實(shí)度沖擊響應(yīng)無(wú)損檢測(cè)方法的實(shí)用化。sive response of different parts of apple參考文獻(xiàn)此,研究瓜果的脈沖響應(yīng)特性可以表征瓜果的品質(zhì)[1] Salveit M E, Upadhyaya, Happ J F Maturity determination of to2)對(duì)于同一脈沖激勵(lì),不同響應(yīng)點(diǎn)的頻率特性略有差nates using acoustic methods[ J]. ASAE Paper, 1985, 85(1):異,但存在一定的分布規(guī)律。在本試驗(yàn)條件下,赤道附近的測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)頻率比蘋(píng)果兩端附近的測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)頻率2] Amstrong P, Zapp H R, Boron G K. Impulsive excitation of a低,因此,深入研究瓜果表面的脈沖響應(yīng)特性對(duì)瓜果品質(zhì)評(píng)coustic vibrations in apples for firmness determination[J].Trans定具有重要意義ASAE,1990,33(4):1353-13593)自行研制的加速度計(jì)應(yīng)進(jìn)一步小型化,便于密集布點(diǎn)測(cè)量,以期獲得更完整的試驗(yàn)結(jié)果。sensing of firmness[ J]. Trans of the A SAE, 1996, 39(3): 10573瓜果品質(zhì)脈沖響應(yīng)特性檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)想[4]饒秀勤,應(yīng)義斌,自適應(yīng)濾波器在水果聲學(xué)特性研究中的應(yīng)瓜果品質(zhì)脈沖響應(yīng)特性檢測(cè)系統(tǒng)希望通過(guò)對(duì)瓜果的動(dòng)用[J]浙江大學(xué)學(xué)報(bào),2003,29(2):143-146力學(xué)特性檢測(cè),獲得瓜果的品質(zhì)指標(biāo),這就必須要建立瓜果[5]Gmex A H, Wang J, Pereira A G Impulse response of pear fruit的脈沖響應(yīng)信號(hào)和瓜果品質(zhì)指標(biāo)的相互關(guān)聯(lián),以達(dá)到用脈and its relation to Magness-taylor firmness during storage[ J]沖響應(yīng)信號(hào)表征瓜果品質(zhì)指標(biāo)的目的。建立兩者之間相互Postharvest Biology and Technology, 2005, 35(2): 209-215關(guān)聯(lián)的研究思路設(shè)想如下(見(jiàn)圖4)[6]楊佳麗,屠康潘磊慶,等基于敲擊共振法無(wú)損檢測(cè)新高1)選擇合理的試驗(yàn)平臺(tái)和檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù);梨品質(zhì)的研究[J」.江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2008,24(2):179-1842)收集可能出現(xiàn)的所有狀態(tài)的樣本,一般需要量在7Cke. An interpretation of the resonant behavior of intact fruits50~80個(gè)左右,其中,一部分用作數(shù)值模型的建立,另一部and its vegetables[J]. Trans of the ASAE, 1972, 15(2):1075分用作數(shù)值模型的檢驗(yàn);中國(guó)煤化工3)按統(tǒng)一的檢測(cè)方法對(duì)全部樣本進(jìn)行頻響特性測(cè)定;CNMHG應(yīng)無(wú)損檢測(cè)方法[J4)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)用法定的化學(xué)方法確定全作者簡(jiǎn)介:部樣本的某待測(cè)品質(zhì);麥智煒(1985-),男,廣東佛山人,碩士研究生,主要從事物性5)采用數(shù)值模擬方法(如有限元)確定樣本數(shù)值模型測(cè)量、機(jī)械設(shè)計(jì)、自動(dòng)化控制的研究