專利名稱：基于激光超聲融蝕機(jī)制的糧食品質(zhì)檢測系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及糧食品質(zhì)在線檢測系統(tǒng)及方法，特別是一種基于激光超聲融蝕機(jī)制的糧食品質(zhì)檢測系統(tǒng)及方法，屬于糧食品質(zhì)檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
糧食的生產(chǎn)、貿(mào)易及利用是以糧食的品質(zhì)為基礎(chǔ)的。在糧食生產(chǎn)過程中，糧食品質(zhì)是育種和指導(dǎo)種植的重要目標(biāo)；在收購環(huán)節(jié)，糧食品質(zhì)是定等作價的依據(jù)；在糧食儲藏過程中，隨著儲藏時間的延長，糧食的品質(zhì)會發(fā)生很大變化，甚至發(fā)生劣變，糧食品質(zhì)是指導(dǎo)國家儲備糧合理輪換的最重要指標(biāo)。必須不斷監(jiān)測糧食品質(zhì)的變化，避免給國家造成重大損失，危及國家糧食安全；在糧食加工及貿(mào)易過程中，糧食品質(zhì)決定糧食的最佳用途與市場價值，是有關(guān)食品工業(yè)質(zhì)量控制的重要基礎(chǔ)；“民以食為天”，糧食品質(zhì)是人們身體健康的基本保證。任何糧食的數(shù)量都是以糧食的基本品質(zhì)為前提的，撇開糧食的品質(zhì)只談糧食的數(shù)量是沒有意義的。確保糧食品質(zhì)優(yōu)質(zhì)、安全是貫穿我國糧食工作始終的生命線?？陀^、快速、 準(zhǔn)確地測定糧食的品質(zhì)是維護(hù)我國糧食貿(mào)易基本利益、加強(qiáng)流通、合理利用糧食資源、引導(dǎo)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，提高農(nóng)民收入的技術(shù)保證，是糧食工作最重要的內(nèi)容之一。在糧食檢驗和品質(zhì)控制中，目前有許多常規(guī)方法用于檢測糧食的物理特性、化學(xué)成分和功能特征。根據(jù)工作原理，現(xiàn)行的這些分析方法大致可以分為計算機(jī)視覺檢測法、 化學(xué)分析方法、近紅外光譜分析法和聲學(xué)法(可聽聲頻段)等。上述幾種方法在糧食品質(zhì)檢測方面都獲得了廣泛應(yīng)用并取得較好的結(jié)果，到目前為止，這些方法仍然是其它方法不可替代，今后仍將被廣泛應(yīng)用的。然而，這些常規(guī)方法均存在一些難以克服的缺陷。例如，基于計算機(jī)視覺的糧食品質(zhì)檢測方法主要對糧食的外觀品質(zhì)參數(shù)檢測較為適用，并且這種方法屬于靜態(tài)檢測，限制了檢測的實時性；化學(xué)分析方法不同程度地存在著檢測時間長、成本高、污染環(huán)境和影響工作人員健康的問題；近紅外光譜分析法的模型維護(hù)較為困難，建立的模型并不能一勞永逸，并且品質(zhì)參數(shù)測量的精度很大程度上依賴于已知樣品的化學(xué)分析準(zhǔn)確度；而聲學(xué)方法(可聽聲頻段)對環(huán)境噪聲屏蔽的要求較為苛刻。隨著社會對糧食安全和生態(tài)環(huán)境的關(guān)注，人們越來越歡迎準(zhǔn)確、快速、無損、成本低，不需要化學(xué)藥劑，不污染環(huán)境、 不會對工作人員健康造成傷害、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，并且能夠在線檢測的新型檢驗技術(shù)。糧食品質(zhì)檢測，特別是準(zhǔn)確、快速、在線檢測是目前我國糧食生產(chǎn)、收購、儲藏、加工、流通和消費(fèi)過程中最突出的技術(shù)“瓶頸”之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于激光超聲融蝕機(jī)制的糧食品質(zhì)檢測系統(tǒng)及方法，以解決現(xiàn)有糧食檢測存在的檢測時間長、成本高、污染環(huán)境、影響工作人員身體健康、檢測環(huán)境苛刻的問題。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的基于激光超聲融蝕機(jī)制的糧食品質(zhì)檢測系統(tǒng)，包括激光器、分光鏡、衰減片、透鏡、光電二極管、放大器、計算機(jī)和超聲探測器，該超聲探測器的輸
4出端連入放大器的輸入端，放大器的輸出連入計算機(jī)的輸入接口，所述分光鏡、衰減片和透鏡順次設(shè)于激光器的光軸上，所述分光鏡水平設(shè)置，激光器的發(fā)射光束平行于分光鏡入射角的入射光線，所述衰減片和透鏡垂直于激光器的光軸設(shè)置，所述光電二極管置于分光鏡反射光束的光軸上，光電二極管與計算機(jī)有線連接。進(jìn)一步的，所述超聲探測器為帶寬電容式超聲探測器。進(jìn)一步的，所述分光鏡的入射角為45°，激光器的發(fā)射光束與分光鏡呈45°角。利用上述檢測系統(tǒng)進(jìn)行糧食品質(zhì)檢測的方法包括以下步驟
(1)調(diào)節(jié)檢測系統(tǒng)的透鏡與糧食籽粒表面的距離，使糧食籽粒表面處于透鏡焦平面上，激光器發(fā)出的激光脈沖通過透鏡匯聚于糧食籽粒表面，在糧食籽粒表層產(chǎn)生熱應(yīng)力區(qū)，從而在糧食籽粒內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力波即超聲波；
(2)超聲探測器接收超聲波信號，該超聲波信號經(jīng)采樣放大后，存儲于計算機(jī)中；
(3)取M粒同一種類相同品質(zhì)糧食籽粒，重復(fù)步驟(2)，收集M粒糧食籽粒的超聲波信號，其中JfHi ；
(4)計算機(jī)對接收到的超聲波信號進(jìn)行時域分析，提取與糧食品質(zhì)有關(guān)的時域特征參
數(shù)；
(5)使用小波包變換技術(shù)提取超聲波信號的頻域特征參數(shù)；
(6)取同一種類糧食的10)個不同品質(zhì)樣本，重復(fù)步驟(3廣(5)，得到同一種類不同品質(zhì)糧食的時、頻特征參數(shù)；
(7)建立糧食品質(zhì)參數(shù)模型，以得到的時域特征參數(shù)和頻域特征參數(shù)作為自變量，品質(zhì)指標(biāo)為因變量，反演出糧食的品質(zhì)參數(shù)；
(8)在得到糧食的品質(zhì)參數(shù)后，根據(jù)國家相關(guān)分類標(biāo)準(zhǔn)，對糧食品質(zhì)進(jìn)行分級。進(jìn)一步的，所述步驟(1)中調(diào)節(jié)激光能量以增加激發(fā)效率，使糧食籽粒表層發(fā)生融蝕效應(yīng)，以激勵出較強(qiáng)的超聲縱波。進(jìn)一步的，所述步驟(4)中時域特征參數(shù)包括幅值總和、幅度方差、幅度均方根值、波形指標(biāo)、峰值因子、脈沖因子、過零率參數(shù)。進(jìn)一步的，所述步驟(5)是使用DaubeChieS4 (db4)小波基函數(shù)對超聲波信號進(jìn)行小波包分解，其消失矩為4，支撐區(qū)間寬度為7，通過對超聲探測器所采集到的信號進(jìn)行3 層小波包分解，得到8個小波包重構(gòu)信號分量即8個頻域特征參數(shù)。進(jìn)一步的，所述步驟(7)中建立糧食品質(zhì)參數(shù)的反演模型用到的特征參數(shù)，是通過計算時域特征參數(shù)與品質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)性，頻域特征參數(shù)與品質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)性，挑選相關(guān)系數(shù)大于0. 8的特征參數(shù)，以這些特征參數(shù)作為自變量，建立糧食品質(zhì)參數(shù)的模型。進(jìn)一步的，所述步驟(7)中以挑選的特征參數(shù)為自變量，品質(zhì)指標(biāo)為因變量，建立多兒|n|Ij I /j f,! :7 = ag ^aJl ^aJ2 + - ^alXi,其中l(wèi)為挑選的特征參數(shù)的個數(shù)，
ι為挑選的特征參數(shù)，γ為品質(zhì)指標(biāo)，通過對Ν個品質(zhì)樣本的測量，得
廣Jhi YXi=Il-M,則可以寫成矩陣形式即為使用最小二乘法求解系數(shù)矩陣』=(ιΣ; ，由此可以通過超聲波時頻信號的特征參數(shù)反演出糧食品質(zhì)的指標(biāo)參數(shù)。本發(fā)明的基于激光超聲融蝕機(jī)制的糧食品質(zhì)檢測系統(tǒng)及方法具有如下優(yōu)點(diǎn)
(1)由于使用脈沖激光激勵超聲信號，使用寬帶電容超聲換能器接收超聲縱波信號，因此本檢測系統(tǒng)和方法具有非接觸的特點(diǎn)；
(2)由于以超聲縱波信號作為超聲探測器的接收信號，因此該系統(tǒng)和方法對環(huán)境噪聲的抗干擾能力較強(qiáng)，易于實現(xiàn)實時在線檢測；
(3)由于采用了激光超聲的融蝕機(jī)制激發(fā)超聲波，因此增加了超聲波的激發(fā)效率，改善了接收信號的信噪比，可有效提高測量精度，且糧食籽粒的表層融蝕深度僅幾個微米，接近于無損檢測；
(4)由于該系統(tǒng)和方法在檢測過程中，無需使用任何化學(xué)制劑、無放射性物質(zhì)產(chǎn)生，數(shù)據(jù)的采集與處理由計算機(jī)自動完成，因此該系統(tǒng)和方法具有無污染、無需人工干預(yù)、檢測效率高等優(yōu)點(diǎn)。

綜上所述，本發(fā)明由于以脈沖激光作為激勵源，以超聲波作為檢測信號，因此該方法具有快速、準(zhǔn)無損、非接觸、抗干擾能力強(qiáng)、效率高、無污染等許多優(yōu)點(diǎn)，為糧食品質(zhì)檢測提供了一種新型的實時在線檢測系統(tǒng)和方法。


圖1基于激光超聲融蝕機(jī)制的糧食品質(zhì)檢測系統(tǒng)原理圖； 圖2基于激光超聲融蝕機(jī)制的糧食品質(zhì)檢測方法流程圖3超聲信號的三層小波包分解二叉樹。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明的基于激光超聲融蝕機(jī)制的糧食品質(zhì)檢測系統(tǒng)包括激光器1、 分光鏡2、衰減片3、透鏡4、光電二極管5、放大器6、計算機(jī)8和超聲探測器7，該超聲探測器7的輸出端連入放大器7的輸入端，放大器7的輸出連入計算機(jī)7的輸入端，放大器7、光電二極管5分別與計算機(jī)8有線連接，分光鏡2、衰減片3和透鏡4順次設(shè)于激光器1的光軸上，分光鏡2水平設(shè)置，激光器1發(fā)射光束的光軸與分光鏡2呈45°的入射夾角，衰減片 3和透鏡4垂直于激光器1的光軸，光電二極管5置于分光鏡2反射光束的光軸上，光電二極管5與計算機(jī)8有線連接，用于產(chǎn)生計算機(jī)8的同步接收信號，超聲探測器6為帶寬電容式超聲探測器。主要器件的性能描述如下表
CN 102175775 A
說明書3/7頁
權(quán)利要求
1.基于激光超聲融蝕機(jī)制的糧食品質(zhì)檢測系統(tǒng)，其特征在于包括激光器、分光鏡、 衰減片、透鏡、光電二極管、放大器、計算機(jī)和超聲探測器，該超聲探測器的輸出端連入放大器的輸入端，放大器的輸出連入計算機(jī)的輸入接口，所述分光鏡、衰減片和透鏡順次設(shè)于激光器的光軸上，所述分光鏡水平設(shè)置，激光器的發(fā)射光束平行于分光鏡入射角的入射光線， 所述衰減片和透鏡垂直于激光器的光軸設(shè)置，所述光電二極管置于分光鏡反射光束的光軸上，光電二極管與計算機(jī)有線連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光超聲融蝕機(jī)制的糧食品質(zhì)檢測系統(tǒng)，其特征在于 所述超聲探測器為帶寬電容式超聲探測器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于激光超聲融蝕機(jī)制的糧食品質(zhì)檢測系統(tǒng)，其特征在于所述分光鏡的入射角為45°，激光器的發(fā)射光束與分光鏡呈45°角。
4.利用權(quán)利要求1所述的檢測系統(tǒng)進(jìn)行糧食品質(zhì)檢測的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)調(diào)節(jié)檢測系統(tǒng)的透鏡與糧食籽粒表面的距離，使糧食籽粒表面處于透鏡焦平面上， 激光器發(fā)出的激光脈沖通過透鏡匯聚于糧食籽粒表面，在糧食籽粒表層產(chǎn)生熱應(yīng)力區(qū)，從而在糧食籽粒內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力波即超聲波；(2)超聲探測器接收超聲波信號，該超聲波信號經(jīng)采樣放大后，存儲于計算機(jī)中；(3)取M粒同一種類相同品質(zhì)糧食籽粒，重復(fù)步驟(2)，收集M粒糧食籽粒的超聲波信號，其中M之300;(4)計算機(jī)對接收到的超聲波信號進(jìn)行時域分析，提取與糧食品質(zhì)有關(guān)的時域特征參數(shù)；(5)使用小波包變換技術(shù)提取超聲波信號的頻域特征參數(shù)；(6)取同一種類糧食的10)個不同品質(zhì)樣本，重復(fù)步驟(3廣(5)，得到同一種類不同品質(zhì)糧食的時、頻特征參數(shù)；(7)建立糧食品質(zhì)參數(shù)模型，以得到的時域特征參數(shù)和頻域特征參數(shù)作為自變量，品質(zhì)指標(biāo)為因變量，反演出糧食的品質(zhì)參數(shù)；(8)在得到糧食的品質(zhì)參數(shù)后，根據(jù)國家相關(guān)分類標(biāo)準(zhǔn)，對糧食品質(zhì)進(jìn)行分級。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述步驟(1)中調(diào)節(jié)激光能量以增加激發(fā)效率，使糧食籽粒表層發(fā)生融蝕效應(yīng)，以激勵出較強(qiáng)的超聲縱波。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟(4)中時域特征參數(shù)包括幅值總和、幅度方差、幅度均方根值、波形指標(biāo)、峰值因子、脈沖因子、過零率參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述步驟(5)是使用DaubechieS4(db4) 小波基函數(shù)對超聲波信號進(jìn)行小波包分解，其消失矩為4，支撐區(qū)間寬度為7，通過對超聲探測器所采集到的信號進(jìn)行3層小波包分解，得到8個小波包重構(gòu)信號分量即8個頻域特征參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述步驟(7)中建立糧食品質(zhì)參數(shù)的反演模型用到的特征參數(shù)，是通過計算時域特征參數(shù)與品質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)性，頻域特征參數(shù)與品質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)性，挑選相關(guān)系數(shù)大于0. 8的特征參數(shù)，以這些特征參數(shù)作為自變量， 建立糧食品質(zhì)參數(shù)的模型。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述步驟(7)中以挑選的特征參數(shù)為自變量，品質(zhì)指標(biāo)為因變量，建立多元回歸方程^ =+…其中L為挑選的特征參數(shù)的個數(shù)，14 = 1么…,￡,為挑選的特征參數(shù)，Y為品質(zhì)指標(biāo)，通過對N個品質(zhì)樣本的測量，得到N個數(shù)據(jù)集為( , ,…^)^ = 1,2,--,2^,則可以寫成矩陣形式7=^4，即為
全文摘要
本發(fā)明涉及基于激光超聲融蝕機(jī)制的糧食品質(zhì)檢測系統(tǒng)及方法，本發(fā)明以脈沖激光器為激光源、電容超聲換能器為接收器件建立檢測平臺，獲取糧食籽粒的超聲縱波信號；利用小波包變換技術(shù)提取信號的時頻特征參數(shù)；進(jìn)而基于最小二乘法建立糧食品質(zhì)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型；以國標(biāo)為依據(jù)，最終實現(xiàn)糧食品質(zhì)的分級與評價；本發(fā)明具有快速、準(zhǔn)無損、非接觸、抗干擾能力強(qiáng)、效率高、無污染等諸多優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01N29/34GK102175775SQ201110008029
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月14日
發(fā)明者傅洪亮, 張建華, 張德賢, 朱春華, 楊紅衛(wèi), 楊鐵軍, 梁義濤, 樊超, 靳婷 申請人:河南工業(yè)大學(xué)