專利名稱：一種禽蛋細(xì)小裂紋的敲擊響應(yīng)檢測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及禽蛋細(xì)小裂紋檢測技術(shù)，特別地，涉及一種禽蛋細(xì)小裂紋的敲 擊響應(yīng)檢測裝置及方法。
背景技術(shù)：
由于蛋殼薄且易破碎， 一旦破碎，細(xì)菌會很快侵入和繁殖，引起禽蛋的腐 敗、變質(zhì)。因此禽蛋的破損檢測是禽蛋生產(chǎn)、經(jīng)營和加工中的重要環(huán)節(jié)之一。
據(jù)報道，我國每年收購的禽蛋由于腐敗變質(zhì)所造成的損失約占收購量的10-15% 以上。因此對禽蛋的裂紋檢測十分必要。
目前，國內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)中主要依靠人工在燈光下剔除污斑蛋，通過觀察和 轉(zhuǎn)動互碰禽蛋，聽蛋殼發(fā)出的聲音來識別、剔除破損禽蛋。這類方法不僅勞動 強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，人為破損量大，而且檢測精度易受人工注意力、體力、 經(jīng)驗(yàn)和工作態(tài)度的影響而得不到根本保證，對細(xì)小裂紋蛋難以檢測出來。
最近有報道了聲脈沖頻率特性，例如聲學(xué)脈沖共振特征頻率特性、衰減 時間、最小共振峰頻率和最大頻率差等等來檢測蛋殼裂紋，測出率也較高。但 聲學(xué)檢測存在受環(huán)境噪聲影響較大的缺陷。
隨著傳感器和數(shù)據(jù)采集技術(shù)的提高，禽蛋的裂紋檢選技術(shù)也在提高。然而， 較少采用柔性壓電薄膜傳感器對禽蛋的裂紋進(jìn)行研究。禽蛋裂紋檢選敲擊響應(yīng) 特性檢測中，數(shù)據(jù)的分析十分重要。敲擊響應(yīng)特性檢測獲得的信息是大量的， 采用不同的數(shù)據(jù)處理與分析，獲得的結(jié)果可能不同。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種禽蛋細(xì)小裂紋的敲擊響 應(yīng)檢測裝置及方法。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的
一種禽蛋細(xì)小裂紋的敲擊響應(yīng)檢測裝置，它主要由檢測平臺、數(shù)據(jù)采集器、A/D轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)依次相連組成。所述檢測平臺包括平臺底座、臺架、敲 擊小球、橫徑處傳感器、小頭處傳感器和大頭處傳感器；其中，平臺底座置于 臺架底部上，臺架的左右側(cè)和后側(cè)處開有小孔，依次分別放置大頭處傳感器、 小頭處傳感器和橫徑處傳感器。
一種應(yīng)用上述禽蛋細(xì)小裂紋的敲擊響應(yīng)檢測裝置的檢測方法，包括以下步
驟
(1) 將禽蛋固定在平臺底座上，采用單點(diǎn)激振、三點(diǎn)響應(yīng)的檢測方法；即采用 了以橫徑處為激勵點(diǎn)，大頭處、小頭處和橫徑處同時為測點(diǎn)進(jìn)行禽蛋蛋殼有無 裂紋的敲擊檢測；
(2) 禽蛋被激勵后，傳感器信號觸發(fā)響應(yīng)信號，數(shù)據(jù)采集器采集傳感器所產(chǎn)生 的響應(yīng)信號；通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)理和轉(zhuǎn)換后，送到計(jì)算機(jī)中存儲。獲得并
存儲的響應(yīng)信號為時域數(shù)據(jù)；
(3) 獲得時域數(shù)據(jù)后，進(jìn)行快速傅立葉變換，得到0-7500Hz間的響應(yīng)頻率曲 線；
(4) 對響應(yīng)頻率進(jìn)行歸一化處理后，依次取最高幅值提取特征值和幅值高低提 取的頻率特征值，用主成分分析和線性判別函數(shù)分析進(jìn)行模式識別。
本發(fā)明的有益效果是禽蛋進(jìn)行了敲擊激勵后，可以無損快速地檢測出細(xì) 小裂紋的禽蛋，本發(fā)明不受環(huán)境噪聲的影響，排除人工作業(yè)時主觀因素干擾， 又能準(zhǔn)確地區(qū)分出禽蛋蛋殼細(xì)小裂紋。


圖1是禽蛋細(xì)小裂紋的敲擊響應(yīng)檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖；其中，(a)為正視 圖，(b)為(a)的A-A剖視圖;
圖2是敲擊響應(yīng)特性圖，其中，a為時域圖，b為頻域圖； 圖3是幅值高低提取前10個幅值的判別結(jié)果圖； 圖4是幅值高低提取前10個頻率的判別結(jié)果圖中1、禽蛋，2、平臺底座3、臺架，4、敲擊小球，5、橫徑處傳感器， 6、小頭處傳感器，7、大頭處傳感器，8、數(shù)據(jù)采集器，9、 A/D轉(zhuǎn)換器，10、
計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明的禽蛋細(xì)小裂紋的敲擊響應(yīng)檢測裝置主要由檢測平
臺、數(shù)據(jù)采集器8、 A/D轉(zhuǎn)換器9和計(jì)算機(jī)IO依次相連組成。其中，檢測平臺 包括平臺底座2、臺架3、敲擊小球4、橫徑處傳感器5、小頭處傳感器6和 大頭處傳感器7;其中，平臺底座2置于臺架3底部上，臺架3的左右側(cè)和后側(cè) 處開有小孔，依次分別放置大頭處傳感器7、小頭處傳感器6和橫徑處傳感器5。 傳感器采用柔性壓電薄傳感器，數(shù)據(jù)采集器采用高性能自觸發(fā)的數(shù)據(jù)采集卡。
檢測前，在平臺底座2上固定禽蛋1，臺架3的左右側(cè)和后側(cè)處開有小孔， 分別用于放置大頭處傳感器7、小頭處傳感器6和橫徑處傳感器5，三個傳感器 的位置在禽蛋縱徑的大、小頭處(以下簡稱'大頭處'、'小頭處，)和橫徑的赤道中 央(簡稱'橫徑處')。
本發(fā)明的禽蛋細(xì)小裂紋的敲擊響應(yīng)方法，包括以下步驟:—
1. 將禽蛋固定在平臺底座上，采用單點(diǎn)激振、三點(diǎn)響應(yīng)的檢測方法；即采用
了以橫徑處為激勵點(diǎn)，大頭處、小頭處和橫徑處同時為測點(diǎn)進(jìn)行禽蛋蛋殼有無 裂紋的敲擊檢測。
2. 禽蛋被激勵后，傳感器信號觸發(fā)響應(yīng)信號，數(shù)據(jù)采集器采集傳感器所產(chǎn)生 的響應(yīng)信號；通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)理和轉(zhuǎn)換后，送到計(jì)算機(jī)中存儲。獲得并
存儲的響應(yīng)信號為時域數(shù)據(jù)。
3. 獲得時域數(shù)據(jù)后，進(jìn)行快速傅立葉變換，得到0-7500Hz間的響應(yīng)頻率曲 線('頻域特征'或稱'功率頻譜特征')。
4. 對響應(yīng)頻率進(jìn)行歸一化處理，后依次取最高幅值提取特征值、幅值高低提 取的頻率特征值。用主成分分析和線性判別函數(shù)分析進(jìn)行模式識別。
所述的歸一化功率處理，是用頻率譜中最大敲擊響應(yīng)幅值進(jìn)行歸一化，以 消除功率譜幅值的大小受禽蛋本身的多種物理特性有關(guān)(例如激勵強(qiáng)度、禽蛋大 小、蛋形指數(shù)、蛋殼強(qiáng)度等等)的影響。
所述的依次取最高幅值提取特征值，在歸一化功率譜幅值中，依次提取最 高幅值、第二高幅值、第三高幅值、......，直至第10高幅值功率譜幅值，共提
取前10個歸一功率幅值作為特征值，來進(jìn)行區(qū)分有無裂紋禽蛋的識別。這樣， 大頭、小頭和橫經(jīng)等三處信號的頻譜曲線中各10個特征值，共計(jì)有30功率譜 幅值的特征值。
所述的幅值高低提取的頻率作為特征值，在歸一化功率譜幅值中，從幅值 高低依次提取相對應(yīng)的頻率值，將前10個頻率值作為特征值，來進(jìn)行區(qū)分有無 裂紋禽蛋的識別。三個測點(diǎn)共有30個功率譜值特征值。
在采用提取的依次取最高幅值提取特征值、幅值高低提取的頻率值后，作為模式識別的輸入特征值。
所述的主成分分析是將多個指標(biāo)化為較少的幾個綜合指標(biāo)的一種統(tǒng)計(jì)方 法，可以分析各變量對分類作用的大小和性狀變異的方向。所述的線性判別函 數(shù)分析是對于滿足類內(nèi)樣本點(diǎn)接近、類間樣本點(diǎn)疏遠(yuǎn)性質(zhì)的分析方法。
采用二種方法提取的特征值，分別采用主成分分析和線性判別分析方法進(jìn) 行模式識別。主成分分析方法和線性判別分析方法均能較好區(qū)分出裂紋蛋，其 中線性判別分析區(qū)分的效果比主成分分析的區(qū)分好些。采用前io個幅值高的頻 率作為特征值，區(qū)分的效果最佳。
具體實(shí)施例
如圖1所示，禽蛋細(xì)小裂紋的敲擊響應(yīng)檢測裝置由雞蛋平臺底座2，臺架
3，敲擊小球4，柔性壓電薄膜傳感器及測點(diǎn)5、 6和7，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)8， A/D 轉(zhuǎn)換與調(diào)理系統(tǒng)9，和計(jì)算機(jī)10等組成。
采用柔性壓電薄膜傳感器5、6和7為LDTO-028K(寬頻帶0.001Hz-lGHz， 香港美隆電子有限公司)、高性能自觸發(fā)PCL-6250的數(shù)據(jù)采集卡(采樣率1.25 Ms/s，研華科技股份有限公司)禾卩A/D轉(zhuǎn)換器(Microchip公司的MCP3421)。在 平臺底座2放置雞蛋1，三個傳感器的位置在雞蛋縱徑的大、小頭處(以下簡稱'大 頭處，、'小頭處，)和橫徑的赤道中央(簡稱'橫徑處，)。檢測采用橫徑處激振、三點(diǎn) 同時檢測的方法。
采用雞蛋樣品，雞蛋被激勵后將自觸發(fā)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、存儲。經(jīng)大量預(yù) 備實(shí)驗(yàn)后，在雞蛋的敲擊檢測中，用小木球敲擊(9.5g)、速度0.584m/s進(jìn)行敲擊。 獲得時域數(shù)據(jù)后，進(jìn)行快速傅立葉變換得到獲得0-7500Hz間的響應(yīng)頻率曲線 ('頻域特征'或稱'功率頻譜特征')。
申請人經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)敲擊響應(yīng)后無論不同品種或不同特性的雞蛋(有 裂紋和無裂紋)其功率譜特性曲線圖都存在相似性，但在相同條件的敲擊響應(yīng) 下，功率譜幅值的大小與雞蛋本身的多種物理特性有關(guān)，例如激勵強(qiáng)度、雞蛋 大小、蛋形指數(shù)、蛋殼強(qiáng)度等等，但頻率大小變化較少。因此提出了歸一化功 率譜幅值。所述的歸一化功率處理，是用頻率譜中最大敲擊響應(yīng)幅值進(jìn)行歸一 化。
其定義如下
式中Pl—從0-7500Hz內(nèi)歸一化功率譜幅值；P—從0-7500Hz內(nèi)功率譜幅值;Pmax—從0-7500Hz內(nèi)功率譜最大幅值。
如圖2所示，依次取最高幅值提取特征值。在歸一化功率譜幅值中，依次提
取最高幅值、第二高幅值、第三高幅值.......，直至第10高幅值功率譜幅值，
共提取前10個歸一功率幅值作為特征值，來進(jìn)行區(qū)分有無裂紋雞蛋的識別。這 樣，大頭、小頭和橫經(jīng)等三處信號的頻譜曲線中各10個特征值，共計(jì)有30功率 譜幅值的特征值。
如圖2所示，幅值高低提取的頻率作為特征值。在歸一化功率譜幅值中，
從幅值高低依次提取相對應(yīng)的頻率值力、/2、/3.....等，將前10個頻率值作為
特征值，來進(jìn)行區(qū)分有無裂紋雞蛋的識別。三個測點(diǎn)共有30個功率譜值特征值。
采用二種方法提取的特征值，進(jìn)行主成分分析和線性判別分析方法模式識 別。如圖3所示，取最高幅值提取特征值的主成分分析方法和線性判別分析方 法有較好的區(qū)分，其中線性判別分析區(qū)分的效果比主成分分析的區(qū)分還好些。
如圖4所示，功率幅值高低提取頻率作為特征值的主成分分析和線性判別 分析的區(qū)分效果很好。裂紋蛋與完整蛋均集中在各自區(qū)域上。相比之下，采用 線性判別分析區(qū)分的效果更好。從圖3和圖4，采用前10個幅值高的頻率作為 特征值，區(qū)分的效果最佳。
權(quán)利要求
1、一種禽蛋細(xì)小裂紋的敲擊響應(yīng)檢測裝置，其特征在于，它主要由檢測平臺、數(shù)據(jù)采集器、A/D轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)依次相連組成。所述檢測平臺包括平臺底座、臺架、敲擊小球、橫徑處傳感器、小頭處傳感器和大頭處傳感器；其中，平臺底座置于臺架底部上，臺架的左右側(cè)和后側(cè)處開有小孔，依次分別放置大頭處傳感器、小頭處傳感器和橫徑處傳感器。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述禽蛋細(xì)小裂紋的敲擊響應(yīng)檢測裝置，其特征在于，所述 傳感器為柔性壓電薄傳感器。
3、 —種應(yīng)用權(quán)利要求1所述禽蛋細(xì)小裂紋的敲擊響應(yīng)檢測裝置的檢測方法，其特 征在于，包括以下步驟(1) 將禽蛋固定在平臺底座上，采用單點(diǎn)激振、三點(diǎn)響應(yīng)的檢測方法；即采用 了以橫徑處為激勵點(diǎn)，大頭處、小頭處和橫徑處同時為測點(diǎn)進(jìn)行禽蛋蛋殼有無 裂紋的敲擊檢測。(2) 禽蛋被激勵后，傳感器信號觸發(fā)響應(yīng)信號，數(shù)據(jù)采集器采集傳感器所產(chǎn)生 的響應(yīng)信號；通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)理和轉(zhuǎn)換后，送到計(jì)算機(jī)中存儲。獲得并 存儲的響應(yīng)信號為時域數(shù)據(jù)。(3) 獲得時域數(shù)據(jù)后，進(jìn)行快速傅立葉變換，得到0-7500Hz間的響應(yīng)頻率曲 線。(4) 對響應(yīng)頻率進(jìn)行歸一化處理后，依次取最高幅值提取特征值和幅值高低提 取的頻率特征值，用主成分分析和線性判別函數(shù)分析進(jìn)行模式識別。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種禽蛋細(xì)小裂紋的敲擊響應(yīng)檢測裝置及方法，檢測裝置主要由檢測平臺、數(shù)據(jù)采集器、A/D轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)依次相連組成；將禽蛋固定在平臺底座上，采用單點(diǎn)激振、三點(diǎn)響應(yīng)的檢測方法；禽蛋被激勵后，傳感器信號觸發(fā)響應(yīng)信號，數(shù)據(jù)采集器采集傳感器所產(chǎn)生的響應(yīng)信號；通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)理和轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行快速傅立葉變換，得到0-7500Hz間的響應(yīng)頻率曲線；對響應(yīng)頻率進(jìn)行歸一化處理后，依次取最高幅值提取特征值和幅值高低提取的頻率特征值，用主成分分析和線性判別函數(shù)分析進(jìn)行模式識別。本發(fā)明不受環(huán)境噪聲的影響，排除人工作業(yè)時主觀因素干擾，又能準(zhǔn)確地區(qū)分出禽蛋蛋殼細(xì)小裂紋。
文檔編號G01N29/34GK101419196SQ200810162640
公開日2009年4月29日 申請日期2008年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月8日
發(fā)明者俊 王, 陸秋君 申請人:浙江大學(xué)