论文-利用超声检测西瓜的成熟度

分类号： O426.9
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
作者姓名张俊贤
专业班级应用电子技术教育（1）班
指导教师（职称）郭建中（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
张俊贤
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，发现两者与西瓜含糖量相关系数分别是0.67和0.56。

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（介于0.1～0.2MHz ）、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、表面波和切变波。

在NDT 应用中，较之其它两种形式，压缩波是最重要的考虑因素。

这种压缩波在介质中的传递是通过介质的压缩和膨胀进行的，但这种介质质点在声波作用下以原始位置为原点所发生的振荡仍服从Hooke 定律，换言之，介质的结构在声波传递过程中未发生任何根本性的破坏。

超声波检测技术最为常用的两个测量参数是通过介质的声速和振幅衰减。

超声波检测技术分为连续式和脉冲式。

前者操作较为复杂，仪器和技术要求较高，测量精度也相应较高，主要使用在一些专门的研究场所。

工业上比较实用的是脉冲式技术，其优点是操作简单，快速，易于自动化，测量精度对农产品品质检测也是足够的。

3 西瓜超声检测系统
超声检测西瓜成熟度的系统见图1
图1 超声检测系统简图
接收 探头
发射 探头
计算机
高频脉冲
发射器
样本
宽频 接收器 数字存储 示波器
绘图仪
此装置主要包括信号发生装置（高频脉冲发射装置，超声频率为25kHz ）、
信号接收装置（宽频接收器）、信号处理装和数据分析处理系统（个人电脑，数据采集控制系统）。

软件部分采用C 语言编程设计数据采集窗口，输入编号和信号发射点，与高频脉冲发射装置连接，从而完成数据采集。

采用MATLAB 完成数据处理。

4 实验设计
4.1西瓜选样
样本选自产于陕西西安地区的西瓜，共30个。

选取成熟度分别为60%，80%
和100%的西瓜样本。

每个西瓜编号后，称质量，测量西瓜的质量，半径。

西瓜梗部和蒂部2个点分别标号1，2，赤道上等距标定4个点3，4，5，6，其中3号点为靠地点，5号点向阳。

西瓜标号示意图见下图。

图2 西瓜标号示意图
图2 西瓜示意图
4.2超声信号采集
将发射探头按标号对应贴在西瓜上，记录试验日期、样品编号、发射点、接收点、试验次数、压电式加速度传感器编号等信息。

声波信号由计算机记录在硬盘上。

按编号顺序依次单独发射，在每一个点发射5次，其余编号的每个点单独接收一次。

4.3超声特征参数提取
超声波在介质中传递过程复杂，有阻尼振动情况下，振幅的衰减很快，可
用于表征声波在介质中传播情况。

本研究发射—接收点组合ij 间的透过率计算方法：①采用傅里叶变换将时域信号转换成频域信号，得到信号幅频谱；②对发射点和接收点幅频谱上每个频率（下称频率点）对应的幅值采用公式（1）计算透过率：
1
3
2
5
赤
道 4（6）
梗部
蒂部
δij=Aj/Ai（1）
（1）式中：δij为点i发射，点j接收时点组合ij间的声透过率；
Ai为接收点i的幅值
Aj为发射点j的幅值
表1 为超声检测西瓜的超声透过率
表1 超声检测西瓜的超声透过率
ijδij ijδij
12 0.6822 41 0.7025
13 0.6847 42 0.7289
14 0.7176 43 0.8910
15 0.8435 45 0.7118
16 0.7534 46 0.7589
21 0.7417 51 0.7378
23 0.8356 52 0.7723
24 0.8630 53 0.8283
25 0.7986 54 0.8015
26 0.7963 56 0.7895
31 0.7044 61 0.7920
32 0.7750 62 0.7884
34 0.8019 63 0.8185
35 0.8640 64 0.8088
36 0.8090 65 0.7998
由表1可见，由1号点发射脉冲时，赤道部位（3，4，5，6）接收信号，获得的超声透过率建立模型，预测值与真实值之间相关系数比2号点大；由2号点发射脉冲时，根据数据可以得出一个结论，赤道部位接收所获模型相关性比1号点大；由赤道部位发射脉冲时，1号和2号接收点相关系数相对赤道部位接收信号要低。

由此可见，信号接收点最好选择在赤道部位。

同为赤道部位接收信号，选择较好的信号发射点。

比较发现，由赤道部位发射脉冲，获得的相关系数都较高。

其中由4号点发射脉冲时，各组合获得的相关系数普遍都高。

所以最后选定脉冲信号发射点和信号接收点都在赤道部位能达到更好的坚硬度预测效果。

分析出现这种状况的原因：①在1号发射或接收脉冲信号时，由于梗部像橄榄球两端，与小球接触面积太小，产生信号及感应信号随机性大，获得检测效果稍差；②在2号及赤道部位，信号接收和感应面积较大，能充分反映西瓜的状况。

并且瓜瓤在泛瓤期间，是横向增长的，赤道部位是整个西瓜瓜瓤主体，能较好反映西瓜的成熟状况。

4.4西瓜硬度检测
超声波的衰减公式：
l e A A X α-=0（2）
式中，A x 为检测西瓜是的振幅，A 0为不检测西瓜，空载时的振幅，e 为自然对数，α为衰减系数，不同的介质中衰减系数是不同的，L 为测距（西瓜赤道直径）。

而衰减系数α由3个部分组成：
4
2
cf bf af ++=α（3）
a 代表介质弹性摩擦吸收系数，与频率的一次方成正比。

b 代表介质粘滞性与热传导的吸收系数，与频率的二次方成正比。

c 代表介质内散射体的瑞利散射吸收系数，与频率的四次方成正比。

由于衰减系数与实际的声强衰减成正比，因此只需计算衰减系数即可反映超声波的衰减变化情况。

在实际数据处理中，只需用（2）式计算即可。

（2）式经化简可得：
α=8.686/L
式中L 为西瓜赤道直径。

然后利用Matlab 对超声在西瓜的传播过程中的衰减特性进行仿真。

根据前人研究的陈国发现，由于超声波的衰减与西瓜的坚硬度有着直接的联系，当超声衰减增加的同时西瓜的硬度会减小。

西瓜坚硬度FE(N)与超声衰减A （db/mm ）之间有较好的相关性[12]。

其关系为：
25.1334.73167.67315.18123-+-=A A A FE (4)
根据（4）式超声衰减与西瓜坚硬度的关系，利用Matlab 进行仿真。

仿真图见下图。

图2 西瓜坚硬度随超声波衰减变化的情况 表2 超声衰减与西瓜坚硬度的数值
5 数据分析
首先，利用Matlab 中相关性函数分析1024个衰减值与坚硬度间的相关性，。

然后按照需要，比如选取相关系数前3位的衰减值，借助软件中多元线性回归函数建立3个衰减值与坚硬度间的三元线性回归方程。

利用matlab 对（2）式进行仿真，得到下图。

编号 坚硬度/N 衰减系数 db/mm
编号 坚硬度/N 衰减系数 db/mm
1 109.5 0.881 8 112.9 0.861
2 112.6 0.862 9 103.4 0.896
3 95.8 1.15
4 10 109.2 0.886 4 113.2 0.846 11 100.7 0.964
5 97.2 1.057 12 98.1 1.012
6 108.9 0.916 13 96.1 1.094 7
99.8
0.975
14
94.5
1.181
20 40
60
80 100
120 0
0.5
1.0
1.5
2.0
坚 硬
度（N ） 超声衰减（dB/cm ）
图3 超声衰减随检测长度的变化关系
表3 不同测量长度时的衰减系数
测量长度L/ cm 衰减系数 dB/cm 测量长度L/ cm 衰减系数 dB/cm 5.00 1.73 9.50 0.91
5.50 1.58 10.0 0.87
6.00 1.45 10.50 0.83
6.50 1.36 11.00 0.79
7.00 1.24 11.5. 0.76
7.50 1.16 12.00 0.72
8.00 1.09 12.50 0.69
8.50 1.02 13.00 0.67
9.00 0.97 13.50 0.64
由图2，图3，表2，表3可知，超声衰减大小不仅与测量西瓜的长度有关，而且与西瓜的坚硬度也有关。

在测量时选取在西瓜赤道进行测量效果最佳。

由于西瓜越成熟超声衰减越小，而且超声衰减与西瓜的坚硬度又有良好的相关性。

所以通过检测西瓜坚硬度可以有效的判断西瓜成熟度。

6 西瓜成熟度无损检验的评价方法
经过对西瓜坚硬度与超声衰减特性相关性的研究,发现超声衰减特性与西瓜坚硬度有较好的相关性,故以西瓜坚硬度作为参数来研究西瓜的成熟度。

本次实验采用西瓜的坚硬度来表示西瓜的成熟度,可称之为西瓜的成熟度指数。

选择这个指数的另一个原因是它与国外对水果成熟度无损检测所取的指数一致。

国外研究甜瓜、桃、苹果、菠萝等水果时也采用水果坚硬度作为成熟度的物理检验指数,以代替有损伤的压缩试验的检验方法。

图4[13]为试验样本西瓜的坚硬度与检测长度的仿真图。

用西瓜坚硬度来检验西瓜的成熟程度是一种比较有效的无损检验方法,易于工程应用。

坚 115
硬 110
度 95
/N 90
.
.
.
5 6 7 8 9 10
测量长度/cm
图4 试验测量长度与坚硬度的关系
七总结
本研究开发了一套利用超声特性检测西瓜坚成熟度的装置，试验发现提取30个超声透过率值能获得较好的西瓜坚硬度检测效果；信号发射和接受点在赤道或蒂部，所获得信号声透过率参数与坚硬度相关性更好。

根据测量西瓜的坚硬度能够有效地检测西瓜的成熟度。

在研究测量西瓜长度与坚硬度关系的基础上,提出
用坚硬度来估计西瓜成熟程度的无损检验方法。

试验结果表明,西瓜成熟度与其坚硬度有较好的相关关系,是一种比较有效的无损检验方法,易于工程应用,可实现在线的逐个检验测量和自动分级处理。

西瓜坚硬度大于90时,可以认为已经成熟。

这种方法也可用于其它品种水果成熟度的无损检验,差异仅在于坚硬度的大小。

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The Ultrasonic Testing Method of
Watermelon Maturity
Zhang Junxian
(College of Physics and Information Technology, Shaanxi Normal University , Xian 710062 ，China )
Abstract :The acoustic nondestructive detection technology for its simple oper-
ation, quick, strong adaptability, high precision and nondestructive quality detection
of agricultural products has been widely used in the nondestructive testing of the qua-
lity of agricultural products to detect the watermelon sugar content nondestructively ,
an acoustic system is set up the acoustic penetration ratio (δ) from the signal tapping
point to the receiving point can be calculated from the amplitude spectrum. With the
help of the regression function in Matlab, The top 30 δvalues are chosen to be analy
-zed with the sugar content in the multiple liner regression function.Then the correlati
on coefficients between the predictive value and the real value of different tapping rec
-eiving groups are compared. With the highest R . The results show that the equator p
-art has the relatively better results. There is a linear relationship between maturity in-
dex and sugar content. Therefore, it’s an effective nondestructive testing method to
test the maturity of watermelon with watermelon maturity index.
Keyword: watermelon; Ultrasonic attenuation; Matlab Simulation;hardness
致谢
经过半年的忙碌，本次毕业论文已经接近尾声，作为一个本科生的毕业论文，由于经验的匮乏和知识不太全面，难免有许多地方考虑不周，如果没有导师的督促指导，以及一起生活学习的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。

在这里首先要感谢我的导师郭建中老师。

郭老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段都给予了我悉心的指导。

由于缺乏知识储备的原因，我的论文进度与其他同学相比稍慢，郭老师考虑到我的情况，不辞辛劳多次与我讨论论文思路，提出修改意见，给予了我极大的帮助。

除了敬佩郭老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。

其次还要感谢大学四年来所有的老师，为我们打下坚实的基础；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励，此次毕业论文才会顺利完成。

最后感谢物信院和我的母校——陕西师范大学四年来对我的大力栽培。

以后的路还需要我继续去努力，但我相信，在这四年里所学到的，都为我前进的道路打下了牢固的基石。

向着自己的目标不懈的奋斗，我相信我的明天会更好！。