瓜果动力学特性的研究

传感器与微系统( Transducer and Microsystem Technologies2009年第28卷第12期瓜果动力学特性的研究麦智炜,刘洪山,李明(华南农业大学工程学院广东广州510642)摘要:同传统的瓜果品质检测技术相比,瓜果无损检测技术能对每个瓜果进行品质鉴定,鉴定结果更加准确。从 Cooke理论出发,采用自行研制的微型压电加速度计构建试验平台,对不同品种、同一品种不同品质、同一水果不同部位的苹果和橙子的脉冲响应特性进行了初步研究,试验结果表明:不同品质的水果具有不同的冲击响应频率,由此提出了瓜果品质脉冲响应特性检测系统的构想关键词:水果;压电加速度计;脉冲响应特性;检测系统中图分类号:TH82文献标识码:A文章编号: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引言贮存过程中,表征细胞间结合力变化的物理指标。一般情瓜果的力学特性是对瓜果进行品质评价的主要指标之况下,细胞间的结合力变小,坚实度变弱,成熟度提高其中,瓜果坚实度是表示瓜果软硬程度的量。它主要取Cooke J等人利用瓜果振动的固有频率检测其坚实度,决于瓜果本身的弹性模量、屈服强度、塑性、脆性以及内部建立了瓜果简化为线弹性球体的动力学模型,并通过理论分子结构、结晶状态及原子间的键合力等因素。分析得到了各向同性的线弹性球状瓜果的固有频率与其材Salveit M E等人田(1985)和 Armstrong P等人2料弹性模量的关系为(1990)的研究表明:苹果、西红柿和西瓜的共振频率均随E-2(1ta)(6m着贮藏时间的延长而减小,并与硬度显著相关。 Chen H等人2(196。)研制出了一种低质量高速的撞击传感器用来式中E为瓜果的弹性模量,MPap为瓜果的密度,gmm测量桃子硬度。饶秀勤和应义斌(2004)用他们设计的为瓜果的泊松比;m为瓜果的质量,mg;为归一化频率水果声学特性测试系统测试了14只麒麟西瓜。G6 mez A H Hz; f为瓜果的固有频率Hz等人5(2005)肯定了敲击共振法与其他物理测定法在梨经测量得到固有频率f后,由上式可以估算出瓜果的质地状况检测上的相关性。屠康等人6(2008)利用敲击弹性模量E,从而确定其坚实度此即为用冲击响应固有频共振方法对新高梨的品质进行了无损检测。率检测瓜果坚实度的基本原理。本文从 Cooke理论出发,采用自行研制的加速度计,利用瓜果振动的固有频率检测其坚实度为众多学者所对不同情况下的球形水果进行脉冲响应特性测量从而判关注,虽然他们的测量方法和技术不完全相同,但其基本原断水果的坚实度并由此提出采用瓜果动力学特性判断瓜理均np第用冲击振动产生的噪品质研究的构想。声和中国煤化工士的坚实度; Louis等人1瓜果动力学特性研究的基本原理研CNMHG-T结果的变化及苹冲击响应无损检测瓜果坚实度是基于检测瓜果生长和果皮对固有频率的影响;Abot等人对美国的2个主要苹收稿日期:2009-060第12期麦智炜,等:瓜果动力学特性的研究果品种用3种方法(固有频率,M-T试验和组织压缩试验)不同材料的锤头。由于瓜果类被测物体需突出其低频特测量其坚实度并进行了对比;国内也有学者利用 Cooke原性,因此,采用橡胶锤头和橡皮锤头较为合适。理对西瓜和酥梨进行了相关研究。在敲击振动试验中,振动方向为铅锤方向,选择瓜果经在已有瓜果成熟度预测研究中,大多数学者建议将质纬线响应测点测点为采用自制微型加速度计。加速度计量、密度、响应主频率一起综合考虑,提出了综合指标坚实可釆用预紧方式贴于瓜果表面加速度计通过虚拟仪器获度系数得时域信号后,进行快速傅立叶变换(FFT)得到频域特征曲线,据此获得响应频率幅值最大的频率(响应主频率)式中m为瓜果的质量,mg;f为瓜果的固有频率,Hz依据 Cooke J弹性模量公式和坚实度系数公式,分别计算该但该项技术目前的研究成果距实际应用仍有较大差瓜果的弹性模量和坚实度系数,并研究瓜果弹性模量和坚距,有些基本的理论问题尚不清楚。但就冲击响应无损检实度系数与成熟度等品质参数的相关关系测方法的应用可得出如下结论2.2试验结果与分析1)冲击力和瓜果的固有频率随成熟度而变化,这些变本研究在简易试验平台上,研究了不同品种同一品种化的根本原因是瓜果组织的弹性模量的改变;不同品质、同一水果向阳面和背阳面的苹果与橙子的脉冲2)冲击力和冲击力引起的振动固有频率有望成为无响应特性。试验由自制的压电型力传感器和加速度计分别损检测的2个重要物理量;测量单点激励信号和多点脉冲响应信号,由虚拟仪器采集3)对各种瓜果的内部组织的研究尚需深入,有些理论信号并进行信号的时域和频域分析。图2为多点脉冲响应还要继续深入的探讨布点示意图;图3为苹果的各点脉冲响应频谱;表1为对不2瓜果脉冲响应特性测量品种苹果的测试结果。2.1试验平台背阳面从 Cooke理论与冲击响应无损检测的一般方法出发根据国内目前测试技术水平,构建利于开展瓜果坚实度的冲击响应无损检测试验平台,并在此基础上深入开展相关试验和数值模拟以逐步获得瓜果品质与物理参数之间的复杂关系。试验平台采用冲击力锤单点激励,瓜果多点响应的形图2多点脉冲响应布点示意图式构建所施加的激励信号和由此获得的响应信号经放大Fig 2 Schematic diagram of impulsive response调理,由计算机进行分析处理,从而获得瓜果的响应频率。of different points试验平台如图1所示。表1不同品质苹果的脉冲响应固有频率特性「信号放大与调理between different qualities of apples号放大与词理加速度响应频率(Hz)数据采集序习果(好)2果(好)1苹果(烂)2嶂苹果(烂)电子称信号分析计算机图1瓜果脉冲响应特性测量试验Fig 1 Measurement experiment with impulsiveresponse characteristic of fruit激励方法对瓜果的性能检测至关重要:1)要能激起瓜果的振动以突出瓜果的共振特性;2)尽量减小外界对瓜果特性的影响,即减小对瓜果的振动有影响的附加质量和附加刚度;3)要实现无损检测,不对瓜果形成损伤。中国煤化工冲击力锤头部装有自制的压电式力传感器,以测试敲CN MHG25击力的时域信号(力的大小和脉宽)。一般情况下,脉冲持由试验分析可知:续时间τ越短,激振频率越宽,分析频率越高。而敲击力的1)不同品种、同一品种不同品质、同一水果向阳面和脉冲持续时间与锤头材料有着密切关系,因此,需配备几个背阳面的水果在脉冲激励下,具有不同的响应频率特性,因传感器与微系统第28卷6)将预测样本的频响特性数据代入数值模型计算出待测成分的理论计算值垂0.047)进行误差分析,若误差不能达到预定的要求,则需要改变数值模型的建立方法,返回到(5)重建模型。(a)点2和点7响应频谱(a)impulsive response of point 2 and point 70.10关联0.08已知品质指标」,[测未知品质指标法定的标准检恻方法(b)点3和点8响应频谱Fig 4 Model of impulsive response characteristic of fruit(b)impulsive response of point 3 and poi结束语0.12冲击响应方法在瓜果无损检测中虽然得到应用,但由于瓜果的基本性质随品种和生长地域不同而异,瓜果的品质与物理参数之间的复杂关系需要一个较长的研究过程。因此应根据不同地域、不同品种采用合适的试验参数在同一试验平台上进行脉冲响应特性分布测量借助于数学建模和数据(c)点4和点9响应频谱库,不断完善试验方法和数值模拟方法,在实践过程中不断se of point 4 and point积累瓜果坚实度与瓜果动力学特性之间的研究成果,无疑将图3苹果各点的脉冲响应频谦图有助于瓜果坚实度冲击响应无损检测方法的实用化。sive response of different parts of apple参考文献此,研究瓜果的脉冲响应特性可以表征瓜果的品质[1] Salveit M E, Upadhyaya, Happ J F Maturity determination of to2)对于同一脉冲激励,不同响应点的频率特性略有差nates using acoustic methods[ J]. ASAE Paper, 1985, 85(1):异,但存在一定的分布规律。在本试验条件下,赤道附近的测量点的振动频率比苹果两端附近的测量点的振动频率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脉冲响应特性对瓜果品质评coustic vibrations in apples for firmness determination[J].Trans定具有重要意义ASAE,1990,33(4):1353-13593)自行研制的加速度计应进一步小型化,便于密集布点测量,以期获得更完整的试验结果。sensing of firmness[ J]. Trans of the A SAE, 1996, 39(3): 10573瓜果品质脉冲响应特性检测系统构想[4]饶秀勤,应义斌,自适应滤波器在水果声学特性研究中的应瓜果品质脉冲响应特性检测系统希望通过对瓜果的动用[J]浙江大学学报,2003,29(2):143-146力学特性检测,获得瓜果的品质指标,这就必须要建立瓜果[5]Gmex A H, Wang J, Pereira A G Impulse response of pear fruit的脉冲响应信号和瓜果品质指标的相互关联,以达到用脉and its relation to Magness-taylor firmness during storage[ J]冲响应信号表征瓜果品质指标的目的。建立两者之间相互Postharvest Biology and Technology, 2005, 35(2): 209-215关联的研究思路设想如下(见图4)[6]杨佳丽,屠康潘磊庆,等基于敲击共振法无损检测新高1)选择合理的试验平台和检测系统参数;梨品质的研究[J」.江苏农业学报,2008,24(2):179-1842)收集可能出现的所有状态的样本,一般需要量在7Cke. An interpretation of the resonant behavior of intact fruits50~80个左右,其中,一部分用作数值模型的建立,另一部and its vegetables[J]. Trans of the ASAE, 1972, 15(2):1075分用作数值模型的检验;中国煤化工3)按统一的检测方法对全部样本进行频响特性测定;CNMHG应无损检测方法[J4)按国家标准或行业标准用法定的化学方法确定全作者简介:部样本的某待测品质;麦智炜(1985-),男,广东佛山人,硕士研究生,主要从事物性5)采用数值模拟方法(如有限元)确定样本数值模型测量、机械设计、自动化控制的研究