陕西师范大学应用电子技术教育专业本科生毕业论文（设计）.doc

分类号:
本科生毕业论文(设计)

题目: 西瓜成熟度的超声检测法

作者单位物理学与信息技术学院
作者姓名
专业班级应用电子技术教育(1)班
指导教师(职称) (教授)
论文(设计)完成时间二〇一四年五月
西瓜成熟度的超声检测法

陕西师范大学物理学与信息技术学院,陕西西安 710062
摘要: 超声波法无损检测技术以其操作简单、快速、适应性强、检测精度较高等特点而在农产品品质无损检测中得到了广泛应用。为达无损检测西瓜成熟度的目的,本研究在自主搭建的超声学检测台上采集透过西瓜的超声学信号,提取超声从脉冲发射点传到接收点过程中声透过率参数(δ)。从中选取相关系数前30位的声透过率值,借助软件中多元线性回归函数建立多元线性回归方程。研究不同发射点和信号接收点组合所建模型的预测值和实测值。试验结果表明,发射点和接收点位于赤道部位能获得较好的测定模型。利用Matlab软件中的仿真技术,对超声衰减与西瓜硬度进行仿真。成熟度指数与坚硬度有较为接近的线性关系。因此,用西瓜成熟度指数来检验西瓜的成熟程度是一种比较有效的无损检测方法。
关键词:西瓜;超声衰减;Matlab仿真;坚硬度

1前言
随着现代食品工业的发展以及为了满足市场竞争的需求,人们越来越多地把主要精力投向提高产品品质。因此,建立有效的农产品无损检测方法对促进食品产业健康蓬勃发展以及提高国民生活质量发挥着重要作用。在农产品加工中,水果的成熟度以及随后的质量评估都非常重要。要求有一种可靠、快速、非破坏性的检测技术,用来测量水果中与成熟和品质有关的一些物理性质。
西瓜作为世界上的重要水果之一,为人们所喜爱,给人们带来可观的经济效益。在判断西瓜成熟度方面,人们积累了丰富的经验,比如“计算生长期”,“观察外部形态”,“触、拍、压、闻”等无损检验法,为消费者提供成熟的西瓜起到了关键作用。但这些方法依赖于个人经验等主观因素,尤其消费者难以掌握。然而按西瓜成熟度分级销售,对销售者和消费者都是有益的。因此,科学地、客观地对西瓜进行无损检验变得尤其重要,国内外学者通过检测西瓜瓜瓤硬度、颜色、糖度来判断西瓜成熟度的方法已经开始了研究。
为了达到检测西瓜成熟度且又不破坏西瓜的目的,国内外众多学者利用西瓜的声学特性来实现西瓜内部品质的研究,常用的声学参数是声振荡频率。
1975年,Clark[1]研究表明声波在西瓜内部的传递和反射时间随着瓜瓤成熟、变红而延长,从而实现西瓜成熟度的检测。
1968年Abbot等人[2]研究利用苹果声学特性检测苹果硬度,建立了弹性模量与苹果固有基频关系方程,后来的研究对此方程做了改进,现已成为声学参数提取的重要等式;有研究表明,众多声学参数与西瓜质量、瓜瓤糖度、弹性模量、瓜瓤颜色及空心的相关系数并不高,而且不同品种的西瓜相关性也不一致,所以还有待进一步研究[3]。西瓜越成熟,质地越软,所以可用西瓜的声振动频率来计算瓜瓤弹性模量,与西瓜的成熟度相关性比较好。同时由声谱图的峰值可以判定西瓜空心存在[4]。
Farabee等人[5]在频谱图中提取含50%能量波段的中心频率参数以及85~160Hz内的能量值,研究这2个声学参数与西瓜成熟度之间的关系,通过线性回归分析,。
JSugiyama[6]于1998年开发便携式仪器测定甜瓜硬度;2009年肖珂等人[7]根据声谱图中峰值出现的频率范围,可以判定西瓜的成熟度。其中频率范围大于189Hz的是未成熟瓜,而在160~189Hz内是成熟瓜,在133~160Hz的是过熟瓜。
BDiezma-Iglesias[8-9]利用声学检测西瓜内部空心,并在后续研究中建立西瓜的有限元模型,与理论模型比较发现此方法更适用于长型西瓜检测。该项技术在国内发展仍处于初步理论研究阶段[10-11]。
如何找到更好的超声学参数以及适用于不同品种的检测模型一直是该领域研究的重点,为此本实验利用超声信号在西瓜中传递容易衰减的特性,提取超声衰减特征参数值(δ),与糖度做相关性分析,实现西瓜糖度检测,判断西瓜成熟度。
2 超声波法检测技术原理
超声波在被检测物料中传播时,物料的声学特性和内部组织的变化会对超声波的传播产生一定的影响,通过对超声波受影响程度和状况的探测了解物料性能和结构变化的技术称为超声波法检测技术。超声波无损检测技术是一门涉及多种学科的综合技术,利用低能量超声波对处理对象进行无损伤探测(NDT),其特点是频率较高(~)、能量较低(往往小于100mW)和大多采用脉冲式操作。因为能量低,所以声波通过时不会根本改变介质的物理或化学性质。
超声波通过介质时大致表现为三种形式:压缩波、表面波和切