王冉冉，劉鑫，尹孟，翟德昂，劉雙喜，王金星*

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安271018；2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安271018）

據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）統(tǒng)計(jì)，2017 年我國蘋果產(chǎn)量達(dá)4 450萬t，占世界蘋果產(chǎn)量的58%，其中蘋果消費(fèi)3 838萬t，占世界消費(fèi)總量（6 458萬t）的59%，產(chǎn)銷量均居世界首位。隨著人民生活水平的提高，消費(fèi)者越來越關(guān)注水果的品質(zhì)，而硬度是蘋果果實(shí)食用品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，是果實(shí)質(zhì)地好壞最直接的反映[1-2]。研究表明，隨著富士蘋果貯藏時間的延長，果實(shí)硬度呈逐漸下降趨勢[3]；當(dāng)蘋果硬度低于69 N/cm2時，便失去了其品種特有的硬脆屬性，使得口味變差，果肉變松軟，汁液含量減少[4]。如果能夠根據(jù)蘋果的物理特性來進(jìn)行評價和分級，然后針對不同的果品設(shè)定不同的貨架期，就可以有效地提高果品的貯藏水平。而在后期果品的流通及銷售中，如果能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格、精準(zhǔn)的品質(zhì)分級，對品質(zhì)有差異的蘋果進(jìn)行區(qū)別和精準(zhǔn)定價，那么既能使消費(fèi)者買到質(zhì)量更高的果品，又可以保證果農(nóng)的利益[5]。因此，蘋果硬度無損檢測技術(shù)對于果品銷售、儲藏、運(yùn)輸、加工等具有重要的意義。

手持式水果硬度計(jì)和質(zhì)構(gòu)儀都可以進(jìn)行果實(shí)硬度檢測，但這2種方法都屬于破壞性檢測方法，不能滿足實(shí)際檢測需要。國外基于聲振法進(jìn)行水果硬度檢測的研究相對于國內(nèi)較多，如：SUGIYAMA等利用聲音傳感器研發(fā)了一種用來測量西瓜硬度的便攜式硬度檢測儀[6]，KUROKI等[7]基于振動頻率特性采用壓電傳感器而研制出一種果蔬硬度檢測儀，MACRELLIA 等[8-9]基于聲振響應(yīng)法設(shè)計(jì)出一種獼猴桃硬度檢測系統(tǒng)等。由于基于聲振法的蘋果硬度檢測系統(tǒng)極少，而且目前還沒有應(yīng)用于流水線的蘋果硬度分級系統(tǒng)中，為此，本文設(shè)計(jì)了基于聲振法的蘋果硬度檢測儀中聲振信號激勵與采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了利用聲振法在流水線上對蘋果進(jìn)行無損檢測并分級。

1 裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

研究表明，當(dāng)水果受到外部激勵時，其共振頻率與彈性特性有較大的相關(guān)性[10-13]。因此，可以通過分析找出聲音、振動信號與蘋果實(shí)際硬度的關(guān)系，從而利用聲振信號對蘋果進(jìn)行硬度檢測。蘋果硬度檢測裝置主要由2 大部分（激勵部分和信號采集部分）組成。其中，激勵部分是對蘋果進(jìn)行敲擊實(shí)驗(yàn)，然后由信號采集部分對敲擊所產(chǎn)生的聲音與振動信號進(jìn)行準(zhǔn)確收集。

蘋果檢測裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置通過控制電磁鐵與電磁閥開關(guān)對蘋果進(jìn)行敲擊，由麥克風(fēng)和振動傳感器收集聲音與振動信號，在主機(jī)上分析處理數(shù)據(jù)。具體操作如下：放置蘋果在托盤上，將電磁鐵、電磁閥同時通電，再將電磁閥斷電，使彈簧處于蓄力狀態(tài)；接著將電磁鐵斷電，使得擊打鋼板在彈簧恢復(fù)力作用下帶動擊打頭敲擊蘋果；最后由麥克風(fēng)和振動傳感器收集聲振信號，將數(shù)據(jù)于主機(jī)上進(jìn)行分析處理，無效則進(jìn)行二次敲擊，有效則儲存數(shù)據(jù)。

圖1 蘋果檢測裝置總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 General structure diagram of apple testing device

1.2 敲擊裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 敲擊裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Mechanical structure diagram of percussion device

裝置首先要滿足信號采集的準(zhǔn)確性要求。同一蘋果不同部位的硬度不一樣，因此要求對蘋果敲擊的位置進(jìn)行合理的選擇。在對蘋果硬度進(jìn)行檢測時，絕大多數(shù)文獻(xiàn)沒有標(biāo)明具體的檢測位置[14-18]；本文根據(jù)蘋果不同部位的硬度變化（硬度從高到低依次為果實(shí)頂部＞果實(shí)肩部＞果實(shí)陽面＞果實(shí)陰面）[19]和敲擊不同部位時的難度，選擇對蘋果肩部進(jìn)行硬度測量。這主要是由于肩部面積較大、較平整，敲擊時蘋果更穩(wěn)定，而且肩部硬度處于最大硬度與最小硬度之間，更具有代表性。該裝置是模擬人手敲擊蘋果的動作，利用連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對蘋果肩部的垂直敲擊，使用EAROBE SuperLav 麥克風(fēng)和MPU6050振動傳感器對聲音及振動信號進(jìn)行收集。

裝置還需要滿足信號采集的效率要求。對蘋果進(jìn)行檢測分級時，蘋果數(shù)量成千上萬，這就要求裝置的檢測效率要高，盡量保證裝置的高自動化程度，減少人工手動干預(yù)裝置的運(yùn)行。敲擊裝置對蘋果的自動敲擊是通過控制電磁閥和電磁鐵開關(guān)實(shí)現(xiàn)的。電磁鐵、電磁閥通電，擊打鋼板下端被電磁閥撞擊，擊打鋼板上端被電磁鐵吸引復(fù)位，彈簧被壓縮；電磁閥失電，裝置處于預(yù)備擊打的狀態(tài)；電磁鐵失電，電磁鐵磁力消失，擊打鋼板在彈簧恢復(fù)力的作用下實(shí)現(xiàn)對蘋果的自動敲擊。操作人員只需要控制開關(guān)就可以實(shí)現(xiàn)對蘋果的敲擊。

2 主要零件設(shè)計(jì)

2.1 擊打頭的材料選擇

采用實(shí)驗(yàn)對比的方法選擇擊打頭材料，即選擇采集信號穩(wěn)定且顯著的材料。選用鐵、尼龍材料和橡膠材料，采集其聲音和振動信號進(jìn)行比較。結(jié)果表明：鐵質(zhì)材料極易造成蘋果損傷；橡膠材料敲擊的聲音信號振幅較?。▓D3），在實(shí)驗(yàn)過程中極易受到周圍環(huán)境產(chǎn)生的噪聲影響，對提取有用信號造成困難；尼龍材料采集的聲音信號波形更加顯著（圖4），信號強(qiáng)且易于和噪聲信號區(qū)分。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇尼龍作為敲擊頭的制作材料。

2.2 彈簧選型

圖3 橡膠頭敲擊的聲音信號Fig.3 Acoustic signals collected by rubber head hitting

圖4 尼龍頭敲擊的聲音信號Fig.4 Acoustic signals collected by nylon head hitting

彈簧的選型必須要考慮到對蘋果的敲擊力，需要在敲擊時對蘋果外部不造成可見損傷和對蘋果內(nèi)部組織不造成破壞，而且盡量使所收集的聲音和振動信號顯著。通過對蘋果被敲損傷時臨界彈簧彈力進(jìn)行測定來選擇彈簧型號。實(shí)驗(yàn)選用YA 0.5X9X30、YA 0.6X9X30 和YA 0.7X9X30（GB/T 2089—2009）3 種型號的304 小壓簧，對它們分別壓縮9、10、11、12 mm 進(jìn)行敲擊實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：YA 0.6X9X30在壓縮長度為11 mm時，將被敲擊的蘋果放置幾小時，削掉其被敲擊位置果皮后呈現(xiàn)淺褐色的傷痕；而壓縮長度為10 mm 時，被敲擊位置未見傷痕，可以實(shí)現(xiàn)無損檢測且收集的聲音波形也很明顯。故裝置選擇YA 0.6X9X30 型號彈簧，其壓縮長度取10 mm。

2.3 擊打鋼板的設(shè)計(jì)

2.3.1 擊打鋼板擺動角度設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)擊打鋼板時需要考慮到蘋果的果實(shí)外形特征，確保擊打頭能垂直對蘋果進(jìn)行敲擊。影響蘋果果實(shí)外形特征的主要為果軸和最大果徑處2個參數(shù)。果形指數(shù)是指果實(shí)縱徑與橫徑的比值，通常果形指數(shù)在0.6～0.8之間的為扁圓形，0.8～0.9的為圓形或近圓形，0.9～1.0 的為橢圓形或圓錐形，1.0 以上的為長圓形[20]。蘋果剖面輪廓和選擇的敲擊平面如圖5所示。選擇該敲擊平面的原因是：第一，敲擊是從蘋果的一側(cè)從上向下進(jìn)行敲擊，而該點(diǎn)正好位于蘋果最高點(diǎn)且稍微偏向一側(cè)，更便于敲擊；第二，擊打頭產(chǎn)生的敲擊力指向蘋果內(nèi)部核心位置，聲音與振動信號更能反映蘋果內(nèi)部品質(zhì)。

圖5 蘋果剖面輪廓和被敲擊平面示意Fig.5 Schematic diagram of apple profile and its hit surface

圖5 中?角大小的計(jì)算：由于果徑大都位于果軸的垂直平分位置且蘋果左右對稱，因此，為便于計(jì)算，認(rèn)為果徑與果軸互相垂直平分，則

取果形指數(shù)范圍為0.6～1.2，則?角的取值范圍為31°～50°，由于擊打頭與被敲擊平面垂直，則固定有擊打頭部分的擊打鋼板與被敲擊平面平行，則有

光電開關(guān)采用M12 NPN型對射型光電開關(guān)，當(dāng)發(fā)射端與接收端中間有物體遮擋時，接收端有信號輸出，一般為低電平；反之輸出高電平。由于輸出的是模擬信號，需要通過AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以供讀取。友善mini2440內(nèi)置開發(fā)板，通過GPIO口引出了AD轉(zhuǎn)換接口，故將光電開關(guān)的輸出端接到開發(fā)板的AD轉(zhuǎn)換口即可。

只需要γ－β 能夠達(dá)到?的最小值31°，取γmin=50°，β=19°。由于γmin為γ可以取得的最小值，則擊打鋼板的可擺動角度的最大值為40°。

2.3.2 擊打鋼板長度設(shè)計(jì)

面對不同種類的蘋果和其不同的生長環(huán)境，每個蘋果果實(shí)的大小不盡相同，這就要求裝置在敲擊蘋果時，必須能適應(yīng)大小各異的蘋果。該裝置擊打鋼板與旋轉(zhuǎn)軸是通過螺栓連接的，擊打鋼板上開有直槽口，通過調(diào)整擊打鋼板與旋轉(zhuǎn)軸的相對位置來調(diào)整擊打頭的位置，實(shí)現(xiàn)對大小不一樣的蘋果進(jìn)行敲擊。

目前，對蘋果的分級大都根據(jù)蘋果的果徑大小進(jìn)行劃分，通過果形指數(shù)可以對果軸的大小范圍進(jìn)行計(jì)算，但是沒有文獻(xiàn)對蘋果的實(shí)際高度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，因此，為方便計(jì)算和使數(shù)據(jù)更加可靠，本文根據(jù)蘋果果形指數(shù)和富士蘋果果徑的大小來估算蘋果的實(shí)際高度。富士蘋果果徑分級如表1 所示，取自NY/T 1075—2006《紅富士蘋果》。

取果形指數(shù)范圍為0.6～1.1，結(jié)合表1，取果徑最小為70 mm，計(jì)算可得果軸L最小為42 mm；取果徑最大為90 mm，則果軸最大為99 mm。一般認(rèn)為果軸長度占蘋果總長度比例超過2/3，在果軸L取值范圍為42～99 mm 時，則蘋果總長度取值范圍為63～148.5 mm。

表1 按果徑分級的富士蘋果Table 1 Fuji apples graded by fruit size

為保證大蘋果和小蘋果均能夠被擊打頭敲擊到，根據(jù)上述的蘋果高度數(shù)據(jù)對擊打鋼板長度進(jìn)行設(shè)計(jì)，以旋轉(zhuǎn)軸中軸線所在水平面為基準(zhǔn)。設(shè)計(jì)時只需保證最低和最高蘋果能被敲擊，即擊打頭高度要高于蘋果放于托盤上的高度。擊打頭可調(diào)整的最大垂直高度為果軸最大值與最小值之差（85.5 mm），滿足公式（4）和（5）即可滿足被擊打要求。

式中：Lmax為最大蘋果高度，mm；Lmin為最小蘋果高度，mm；ymin為擊打鋼板調(diào)節(jié)到最短時擊打頭距離水平基準(zhǔn)的長度，mm；h1為托板距水平基準(zhǔn)的長度，mm，如圖6所示。

其中，Lmax=148.5 mm，Lmin=63 mm，取ymin=95 mm，h1=32 mm，滿足公式（4）和（5）。

圖6 零件相對位置圖Fig.6 Relative location of parts

計(jì)算可得：

式中：b 為開口槽長度，mm；c 為擊打頭位置到開口槽端點(diǎn)位置的距離，mm。如圖7所示：d的取值取決于擊打頭的直徑大小，擊打頭直徑為14 mm，取d=20 mm；a 的取值取決于電磁閥的位置，根據(jù)電磁閥的位置取a=16 mm；則擊打鋼板總長為

圖7 擊打鋼板的剖面圖Fig.7 Section drawing of the striking steel plate

2.4 底座及托盤設(shè)計(jì)

為適應(yīng)工廠流水線作業(yè)，選擇工廠流水線上的標(biāo)準(zhǔn)托盤，通過膠水等黏性材料將其與托板固定。

底座需要滿足穩(wěn)定性要求，不能在敲擊過程中產(chǎn)生移動和晃動。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)?shù)鬃x擇厚度為8 mm的Q235材料時，能夠滿足敲擊時的穩(wěn)定性要求。

3 電器元件選型

3.1 麥克風(fēng)的選型

研究表明，以固定速度敲擊水果時，其產(chǎn)生的有效聲音信號一般分布在3～3 000 Hz范圍內(nèi)[21]，在20 Hz 以下部分為次聲波，由于次聲波部分占有效聲音信號部分的比例極小而且錄制比較困難，因此，該裝置只收集20 Hz 以上的聲音信號。電容式麥克風(fēng)頻率響應(yīng)特性較為優(yōu)良，固有噪聲小，而且體積小、重量輕，工程上常用作精密聲音的采集。本文采用電容式麥克風(fēng)EAROBE SuperLav 作為傳聲器，其頻率范圍在20～1.6×104Hz之間，信噪比大于58 dB，靈敏度為（－38±3）dB，體積為18.00 mm×8.30 mm×8.30 mm，話筒質(zhì)量為2.4 g，能夠完成音頻數(shù)據(jù)的收集。

3.2 振動傳感器的選型

振動傳感器的選型要求體積小、重量輕、測量精度高、連接和獲得信號方便、工作穩(wěn)定可靠，本實(shí)驗(yàn)選用MPU6050振動傳感器。MPU6050是一款集成了6 軸的運(yùn)動追蹤設(shè)備，它集成了3 軸微機(jī)械陀螺儀和3 軸微機(jī)械加速度計(jì)，其分辨率為加速度6.1×10－5g，角速度7.6×10－3(°)/s。它能夠精確跟蹤快速和慢速的運(yùn)動，對于角速度和加速度均可以精確測量，而且其體積小，僅為15.24 mm×15.24 mm×2.00 mm，便于安裝，符合振動傳感器選型要求。

3.3 電磁閥的選型

電磁閥的主要功能是檢測完成后實(shí)現(xiàn)擊打板的復(fù)位，主要考慮其工作行程和工作效率。第一，要滿足尺寸要求，即保證它與調(diào)整套筒配合工作時的伸出量等于支撐板厚度與電磁鐵厚度的和（26 mm）；第二，能夠滿足高效檢測蘋果硬度要求。本實(shí)驗(yàn)選定的電磁閥型號為MFB1-4YC，相關(guān)參數(shù)如表2所示，能滿足上述要求。

表2 電磁閥參數(shù)Table 2 Parameters of solenoid valve

3.4 電磁鐵的選型

電磁鐵類型是根據(jù)彈簧被壓縮狀態(tài)下長度和壓縮狀態(tài)下恢復(fù)力的大小來選擇的。彈簧彈力計(jì)算公式：

式中：k 為彈簧剛度，N/mm；F 為彈簧的工作載荷，N；f 為工作載荷下的變形量，mm；G 為線材的剛性模量；d 為材料線徑，mm；Dm為彈簧中徑，mm；NC為彈簧的有效圈數(shù)。其中，G=7.1×104，d=0.6 mm，Dm=9 mm，NC=6，f=10 mm，可以求得彈簧彈力F=2.6 N。

本實(shí)驗(yàn)選擇型號為KB-25/20 的電磁鐵，具體參數(shù)如表3 所示，其工作時的吸引力大于彈簧工作時的恢復(fù)力，其厚度與彈簧在被壓縮狀態(tài)下長度相等，均為20 mm，符合要求。

表3 電磁鐵參數(shù)Table 3 Parameters of electromagnet

4 實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)條件與方法

實(shí)驗(yàn)對象為2018 年收獲的煙臺黃富士。從冷庫里面選擇果形端正，外形沒有蟲害病變、磕碰等明顯損壞的蘋果作為實(shí)驗(yàn)材料。分批次從冷庫中取出蘋果，共取5次，每隔3 d取20個，共100個黃富士蘋果，每批次取出后將蘋果放置于室溫為（20±3）℃的環(huán)境中（最后一批蘋果不進(jìn)行長時間放置處理），使蘋果自然軟化，從而得到不同硬度梯度的實(shí)驗(yàn)材料。

實(shí)驗(yàn)時，首先對100 個蘋果按1～100 編號，其中：1～20號為第1批次，21～40號為第2批次，以此類推，共分為5 個批次。使用設(shè)計(jì)的蘋果硬度檢測裝置（圖8）對100個蘋果進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后在蘋果被敲擊位置削去1 cm2左右的薄片，由安裝在萬能試驗(yàn)臺上的蘋果硬度檢測頭對蘋果進(jìn)行實(shí)際硬度檢測。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)蘋果編號對應(yīng)儲存。

圖8 檢測裝置實(shí)物圖Fig.8 Physical drawing of the testing device

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖9 ～12 分別是對1 號、99 號蘋果所采集的聲音和振動波形圖。從中可以看出，聲振信號激勵與采集系統(tǒng)可以收集到明顯的聲音與振動信號，而且不同硬度的蘋果的聲音和振動波形具有明顯差異，如Z 軸加速度峰值、信號強(qiáng)度幅值、波形對稱度、信號長度等差異明顯，可以利用MATLAB軟件對不同蘋果的聲振特性差異進(jìn)行特征提取，通過建立數(shù)學(xué)模型對蘋果硬度進(jìn)行預(yù)測。

圖9 硬度為67 N/cm2的蘋果（1號）的聲音波形圖Fig.9 Acoustic oscillogram of the apple(No.1)with hardness of 67 N/cm2

圖10 硬度為67 N/cm2的蘋果（1號）的振動波形圖Fig.10 Vibration oscillogram of the apple(No.1)with hardness of 67 N/cm2

圖11 硬度為91 N/cm2的蘋果（99號）的聲音波形圖Fig.11 Acoustic oscillogram of the apple(No.99)with hardness of 91 N/cm2

圖12 硬度為91 N/cm2的蘋果（99號）的振動波形圖Fig.12 Vibration oscillogram of the apple(No.99)with hardness of 91 N/cm2

5 小結(jié)

本文對聲振信號激勵與采集系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。針對蘋果的果實(shí)特性以及目前蘋果硬度檢測設(shè)備面臨的一些問題，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。通過對敲擊方式、敲擊位置以及對敲擊時蘋果大小差異適應(yīng)性的設(shè)計(jì)，使該裝置能快速、準(zhǔn)確收集蘋果被敲擊后的相關(guān)信號。該裝置為蘋果硬度檢測、分級等奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，有效解決了目前硬度檢測裝置效率低、成本較高和有損檢測的問題。