瓜果動(dòng)力學(xué)特性的研究

傳感器與微系統( 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(華南農業(yè)大學(xué)工程學(xué)院廣東廣州510642)摘要:同傳統的瓜果品質(zhì)檢測技術(shù)相比,瓜果無(wú)損檢測技術(shù)能對每個(gè)瓜果進(jìn)行品質(zhì)鑒定,鑒定結果更加準確。從 Cooke理論出發(fā),采用自行研制的微型壓電加速度計構建試驗平臺,對不同品種、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特性進(jìn)行了初步研究,試驗結果表明:不同品質(zhì)的水果具有不同的沖擊響應頻率,由此提出了瓜果品質(zhì)脈沖響應特性檢測系統的構想關(guān)鍵詞:水果;壓電加速度計;脈沖響應特性;檢測系統中圖分類(lèi)號:TH82文獻標識碼:A文章編號: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,表征細胞間結合力變化的物理指標。一般情瓜果的力學(xué)特性是對瓜果進(jìn)行品質(zhì)評價(jià)的主要指標之況下,細胞間的結合力變小,堅實(shí)度變弱,成熟度提高其中,瓜果堅實(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)的固有頻率檢測其堅實(shí)度,決于瓜果本身的彈性模量、屈服強度、塑性、脆性以及內部建立了瓜果簡(jiǎn)化為線(xiàn)彈性球體的動(dòng)力學(xué)模型,并通過(guò)理論分子結構、結晶狀態(tài)及原子間的鍵合力等因素。分析得到了各向同性的線(xiàn)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(zhù)貯藏時(shí)間的延長(cháng)而減小,并與硬度顯著(zhù)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測量桃子硬度。饒秀勤和應義斌(2004)用他們設計的為瓜果的泊松比;m為瓜果的質(zhì)量,mg;為歸一化頻率水果聲學(xué)特性測試系統測試了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定法在梨經(jīng)測量得到固有頻率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,從而確定其堅實(shí)度此即為用沖擊響應固有頻共振方法對新高梨的品質(zhì)進(jìn)行了無(wú)損檢測。率檢測瓜果堅實(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,利用瓜果振動(dòng)的固有頻率檢測其堅實(shí)度為眾多學(xué)者所對不同情況下的球形水果進(jìn)行脈沖響應特性測量從而判關(guān)注,雖然他們的測量方法和技術(shù)不完全相同,但其基本原斷水果的堅實(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)研究的構想。聲和中國煤化工士的堅實(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結果的變化及蘋(píng)沖擊響應無(wú)損檢測瓜果堅實(shí)度是基于檢測瓜果生長(cháng)和果皮對固有頻率的影響;Abot等人對美國的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試驗和組織壓縮試驗)不同材料的錘頭。由于瓜果類(lèi)被測物體需突出其低頻特測量其堅實(shí)度并進(jìn)行了對比;國內也有學(xué)者利用 Cooke原性,因此,采用橡膠錘頭和橡皮錘頭較為合適。理對西瓜和酥梨進(jìn)行了相關(guān)研究。在敲擊振動(dòng)試驗中,振動(dòng)方向為鉛錘方向,選擇瓜果經(jīng)在已有瓜果成熟度預測研究中,大多數學(xué)者建議將質(zhì)緯線(xiàn)響應測點(diǎn)測點(diǎn)為采用自制微型加速度計。加速度計量、密度、響應主頻率一起綜合考慮,提出了綜合指標堅實(shí)可釆用預緊方式貼于瓜果表面加速度計通過(guò)虛擬儀器獲度系數得時(shí)域信號后,進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)得到頻域特征曲線(xiàn),據此獲得響應頻率幅值最大的頻率(響應主頻率)式中m為瓜果的質(zhì)量,mg;f為瓜果的固有頻率,Hz依據 Cooke J彈性模量公式和堅實(shí)度系數公式,分別計算該但該項技術(shù)目前的研究成果距實(shí)際應用仍有較大差瓜果的彈性模量和堅實(shí)度系數,并研究瓜果彈性模量和堅距,有些基本的理論問(wèn)題尚不清楚。但就沖擊響應無(wú)損檢實(shí)度系數與成熟度等品質(zhì)參數的相關(guān)關(guān)系測方法的應用可得出如下結論2.2試驗結果與分析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)易試驗平臺上,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)響應特性。試驗由自制的壓電型力傳感器和加速度計分別損檢測的2個(gè)重要物理量;測量單點(diǎn)激勵信號和多點(diǎn)脈沖響應信號,由虛擬儀器采集3)對各種瓜果的內部組織的研究尚需深入,有些理論信號并進(jìn)行信號的時(shí)域和頻域分析。圖2為多點(diǎn)脈沖響應還要繼續深入的探討布點(diǎn)示意圖;圖3為蘋(píng)果的各點(diǎn)脈沖響應頻譜;表1為對不2瓜果脈沖響應特性測量品種蘋(píng)果的測試結果。2.1試驗平臺背陽(yáng)面從 Cooke理論與沖擊響應無(wú)損檢測的一般方法出發(fā)根據國內目前測試技術(shù)水平,構建利于開(kāi)展瓜果堅實(shí)度的沖擊響應無(wú)損檢測試驗平臺,并在此基礎上深入開(kāi)展相關(guān)試驗和數值模擬以逐步獲得瓜果品質(zhì)與物理參數之間的復雜關(guān)系。試驗平臺采用沖擊力錘單點(diǎn)激勵,瓜果多點(diǎn)響應的形圖2多點(diǎn)脈沖響應布點(diǎn)示意圖式構建所施加的激勵信號和由此獲得的響應信號經(jīng)放大Fig 2 Schematic diagram of impulsive response調理,由計算機進(jìn)行分析處理,從而獲得瓜果的響應頻率。of different points試驗平臺如圖1所示。表1不同品質(zhì)蘋(píng)果的脈沖響應固有頻率特性「信號放大與調理between different qualities of apples號放大與詞理加速度響應頻率(Hz)數據采集序習果(好)2果(好)1蘋(píng)果(爛)2嶂蘋(píng)果(爛)電子稱(chēng)信號分析計算機圖1瓜果脈沖響應特性測量試驗Fig 1 Measurement experiment with impulsiveresponse characteristic of fruit激勵方法對瓜果的性能檢測至關(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)盡量減小外界對瓜果特性的影響,即減小對瓜果的振動(dòng)有影響的附加質(zhì)量和附加剛度;3)要實(shí)現無(wú)損檢測,不對瓜果形成損傷。中國煤化工沖擊力錘頭部裝有自制的壓電式力傳感器,以測試敲CN MHG25擊力的時(shí)域信號(力的大小和脈寬)。一般情況下,脈沖持由試驗分析可知:續時(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)面和脈沖持續時(shí)間與錘頭材料有著(zhù)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下,具有不同的響應頻率特性,因傳感器與微系統第28卷6)將預測樣本的頻響特性數據代入數值模型計算出待測成分的理論計算值垂0.047)進(jìn)行誤差分析,若誤差不能達到預定的要求,則需要改變數值模型的建立方法,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」,[測未知品質(zhì)指標法定的標準檢惻方法(b)點(diǎn)3和點(diǎn)8響應頻譜Fig 4 Model of impulsive response characteristic of fruit(b)impulsive response of point 3 and poi結束語(yǔ)0.12沖擊響應方法在瓜果無(wú)損檢測中雖然得到應用,但由于瓜果的基本性質(zhì)隨品種和生長(cháng)地域不同而異,瓜果的品質(zhì)與物理參數之間的復雜關(guān)系需要一個(gè)較長(cháng)的研究過(guò)程。因此應根據不同地域、不同品種采用合適的試驗參數在同一試驗平臺上進(jìn)行脈沖響應特性分布測量借助于數學(xué)建模和數據(c)點(diǎn)4和點(diǎn)9響應頻譜庫,不斷完善試驗方法和數值模擬方法,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)的脈沖響應頻謙圖有助于瓜果堅實(shí)度沖擊響應無(wú)損檢測方法的實(shí)用化。sive response of different parts of apple參考文獻此,研究瓜果的脈沖響應特性可以表征瓜果的品質(zhì)[1] Salveit M E, Upadhyaya, Happ J F Maturity determination of to2)對于同一脈沖激勵,不同響應點(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律。在本試驗條件下,赤道附近的測量點(diǎn)的振動(dòng)頻率比蘋(píng)果兩端附近的測量點(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特性對瓜果品質(zhì)評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應進(jìn)一步小型化,便于密集布點(diǎn)測量,以期獲得更完整的試驗結果。sensing of firmness[ J]. Trans of the A SAE, 1996, 39(3): 10573瓜果品質(zhì)脈沖響應特性檢測系統構想[4]饒秀勤,應義斌,自適應濾波器在水果聲學(xué)特性研究中的應瓜果品質(zhì)脈沖響應特性檢測系統希望通過(guò)對瓜果的動(dòng)用[J]浙江大學(xué)學(xué)報,2003,29(2):143-146力學(xué)特性檢測,獲得瓜果的品質(zhì)指標,這就必須要建立瓜果[5]Gmex A H, Wang J, Pereira A G Impulse response of pear fruit的脈沖響應信號和瓜果品質(zhì)指標的相互關(guān)聯(lián),以達到用脈and its relation to Magness-taylor firmness during storage[ J]沖響應信號表征瓜果品質(zhì)指標的目的。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)損檢測新高1)選擇合理的試驗平臺和檢測系統參數;梨品質(zhì)的研究[J」.江蘇農業(yè)學(xué)報,2008,24(2):179-1842)收集可能出現的所有狀態(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分用作數值模型的檢驗;中國煤化工3)按統一的檢測方法對全部樣本進(jìn)行頻響特性測定;CNMHG應無(wú)損檢測方法[J4)按國家標準或行業(yè)標準用法定的化學(xué)方法確定全作者簡(jiǎn)介:部樣本的某待測品質(zhì);麥智煒(1985-),男,廣東佛山人,碩士研究生,主要從事物性5)采用數值模擬方法(如有限元)確定樣本數值模型測量、機械設計、自動(dòng)化控制的研究