面向苹果硬度检测仪的声振信号激励与采集系统设计

王冉冉，刘鑫，尹孟，翟德昂，刘双喜，王金星*

（1.山东农业大学机械与电子工程学院，山东 泰安271018；2.山东省园艺机械与装备重点实验室，山东 泰安271018）

据联合国粮食及农业组织（FAO）统计，2017 年我国苹果产量达4 450万t，占世界苹果产量的58%，其中苹果消费3 838万t，占世界消费总量（6 458万t）的59%，产销量均居世界首位。随着人民生活水平的提高，消费者越来越关注水果的品质，而硬度是苹果果实食用品质的重要指标之一，是果实质地好坏最直接的反映[1-2]。研究表明，随着富士苹果贮藏时间的延长，果实硬度呈逐渐下降趋势[3]；当苹果硬度低于69 N/cm2时，便失去了其品种特有的硬脆属性，使得口味变差，果肉变松软，汁液含量减少[4]。如果能够根据苹果的物理特性来进行评价和分级，然后针对不同的果品设定不同的货架期，就可以有效地提高果品的贮藏水平。而在后期果品的流通及销售中，如果能实现严格、精准的品质分级，对品质有差异的苹果进行区别和精准定价，那么既能使消费者买到质量更高的果品，又可以保证果农的利益[5]。因此，苹果硬度无损检测技术对于果品销售、储藏、运输、加工等具有重要的意义。

手持式水果硬度计和质构仪都可以进行果实硬度检测，但这2种方法都属于破坏性检测方法，不能满足实际检测需要。国外基于声振法进行水果硬度检测的研究相对于国内较多，如：SUGIYAMA等利用声音传感器研发了一种用来测量西瓜硬度的便携式硬度检测仪[6]，KUROKI等[7]基于振动频率特性采用压电传感器而研制出一种果蔬硬度检测仪，MACRELLIA 等[8-9]基于声振响应法设计出一种猕猴桃硬度检测系统等。由于基于声振法的苹果硬度检测系统极少，而且目前还没有应用于流水线的苹果硬度分级系统中，为此，本文设计了基于声振法的苹果硬度检测仪中声振信号激励与采集系统，实现了利用声振法在流水线上对苹果进行无损检测并分级。

1 装置的结构设计与工作原理

1.1 整体结构与工作原理

研究表明，当水果受到外部激励时，其共振频率与弹性特性有较大的相关性[10-13]。因此，可以通过分析找出声音、振动信号与苹果实际硬度的关系，从而利用声振信号对苹果进行硬度检测。苹果硬度检测装置主要由2 大部分（激励部分和信号采集部分）组成。其中，激励部分是对苹果进行敲击实验，然后由信号采集部分对敲击所产生的声音与振动信号进行准确收集。

苹果检测装置总体结构如图1所示。该装置通过控制电磁铁与电磁阀开关对苹果进行敲击，由麦克风和振动传感器收集声音与振动信号，在主机上分析处理数据。具体操作如下：放置苹果在托盘上，将电磁铁、电磁阀同时通电，再将电磁阀断电，使弹簧处于蓄力状态；接着将电磁铁断电，使得击打钢板在弹簧恢复力作用下带动击打头敲击苹果；最后由麦克风和振动传感器收集声振信号，将数据于主机上进行分析处理，无效则进行二次敲击，有效则储存数据。

图1 苹果检测装置总体结构图Fig.1 General structure diagram of apple testing device

1.2 敲击装置的结构设计

图2 敲击装置机械结构图Fig.2 Mechanical structure diagram of percussion device

装置首先要满足信号采集的准确性要求。同一苹果不同部位的硬度不一样，因此要求对苹果敲击的位置进行合理的选择。在对苹果硬度进行检测时，绝大多数文献没有标明具体的检测位置[14-18]；本文根据苹果不同部位的硬度变化（硬度从高到低依次为果实顶部＞果实肩部＞果实阳面＞果实阴面）[19]和敲击不同部位时的难度，选择对苹果肩部进行硬度测量。这主要是由于肩部面积较大、较平整，敲击时苹果更稳定，而且肩部硬度处于最大硬度与最小硬度之间，更具有代表性。该装置是模拟人手敲击苹果的动作，利用连杆机构实现对苹果肩部的垂直敲击，使用EAROBE SuperLav 麦克风和MPU6050振动传感器对声音及振动信号进行收集。

装置还需要满足信号采集的效率要求。对苹果进行检测分级时，苹果数量成千上万，这就要求装置的检测效率要高，尽量保证装置的高自动化程度，减少人工手动干预装置的运行。敲击装置对苹果的自动敲击是通过控制电磁阀和电磁铁开关实现的。电磁铁、电磁阀通电，击打钢板下端被电磁阀撞击，击打钢板上端被电磁铁吸引复位，弹簧被压缩；电磁阀失电，装置处于预备击打的状态；电磁铁失电，电磁铁磁力消失，击打钢板在弹簧恢复力的作用下实现对苹果的自动敲击。操作人员只需要控制开关就可以实现对苹果的敲击。

2 主要零件设计

2.1 击打头的材料选择

采用实验对比的方法选择击打头材料，即选择采集信号稳定且显著的材料。选用铁、尼龙材料和橡胶材料，采集其声音和振动信号进行比较。结果表明：铁质材料极易造成苹果损伤；橡胶材料敲击的声音信号振幅较小（图3），在实验过程中极易受到周围环境产生的噪声影响，对提取有用信号造成困难；尼龙材料采集的声音信号波形更加显著（图4），信号强且易于和噪声信号区分。因此，本实验选择尼龙作为敲击头的制作材料。

2.2 弹簧选型

图3 橡胶头敲击的声音信号Fig.3 Acoustic signals collected by rubber head hitting

图4 尼龙头敲击的声音信号Fig.4 Acoustic signals collected by nylon head hitting

弹簧的选型必须要考虑到对苹果的敲击力，需要在敲击时对苹果外部不造成可见损伤和对苹果内部组织不造成破坏，而且尽量使所收集的声音和振动信号显著。通过对苹果被敲损伤时临界弹簧弹力进行测定来选择弹簧型号。实验选用YA 0.5X9X30、YA 0.6X9X30 和YA 0.7X9X30（GB/T 2089—2009）3 种型号的304 小压簧，对它们分别压缩9、10、11、12 mm 进行敲击实验。结果发现：YA 0.6X9X30在压缩长度为11 mm时，将被敲击的苹果放置几小时，削掉其被敲击位置果皮后呈现浅褐色的伤痕；而压缩长度为10 mm 时，被敲击位置未见伤痕，可以实现无损检测且收集的声音波形也很明显。故装置选择YA 0.6X9X30 型号弹簧，其压缩长度取10 mm。

2.3 击打钢板的设计

2.3.1 击打钢板摆动角度设计

设计击打钢板时需要考虑到苹果的果实外形特征，确保击打头能垂直对苹果进行敲击。影响苹果果实外形特征的主要为果轴和最大果径处2个参数。果形指数是指果实纵径与横径的比值，通常果形指数在0.6～0.8之间的为扁圆形，0.8～0.9的为圆形或近圆形，0.9～1.0 的为椭圆形或圆锥形，1.0 以上的为长圆形[20]。苹果剖面轮廓和选择的敲击平面如图5所示。选择该敲击平面的原因是：第一，敲击是从苹果的一侧从上向下进行敲击，而该点正好位于苹果最高点且稍微偏向一侧，更便于敲击；第二，击打头产生的敲击力指向苹果内部核心位置，声音与振动信号更能反映苹果内部品质。

图5 苹果剖面轮廓和被敲击平面示意Fig.5 Schematic diagram of apple profile and its hit surface

图5 中∅角大小的计算：由于果径大都位于果轴的垂直平分位置且苹果左右对称，因此，为便于计算，认为果径与果轴互相垂直平分，则

取果形指数范围为0.6～1.2，则∅角的取值范围为31°～50°，由于击打头与被敲击平面垂直，则固定有击打头部分的击打钢板与被敲击平面平行，则有

光电开关采用M12 NPN型对射型光电开关，当发射端与接收端中间有物体遮挡时，接收端有信号输出，一般为低电平；反之输出高电平。由于输出的是模拟信号，需要通过AD转换器转换为数字信号以供读取。友善mini2440内置开发板，通过GPIO口引出了AD转换接口，故将光电开关的输出端接到开发板的AD转换口即可。

只需要γ－β 能够达到∅的最小值31°，取γmin=50°，β=19°。由于γmin为γ可以取得的最小值，则击打钢板的可摆动角度的最大值为40°。

2.3.2 击打钢板长度设计

面对不同种类的苹果和其不同的生长环境，每个苹果果实的大小不尽相同，这就要求装置在敲击苹果时，必须能适应大小各异的苹果。该装置击打钢板与旋转轴是通过螺栓连接的，击打钢板上开有直槽口，通过调整击打钢板与旋转轴的相对位置来调整击打头的位置，实现对大小不一样的苹果进行敲击。

目前，对苹果的分级大都根据苹果的果径大小进行划分，通过果形指数可以对果轴的大小范围进行计算，但是没有文献对苹果的实际高度进行统计和计算，因此，为方便计算和使数据更加可靠，本文根据苹果果形指数和富士苹果果径的大小来估算苹果的实际高度。富士苹果果径分级如表1 所示，取自NY/T 1075—2006《红富士苹果》。

取果形指数范围为0.6～1.1，结合表1，取果径最小为70 mm，计算可得果轴L最小为42 mm；取果径最大为90 mm，则果轴最大为99 mm。一般认为果轴长度占苹果总长度比例超过2/3，在果轴L取值范围为42～99 mm 时，则苹果总长度取值范围为63～148.5 mm。

表1 按果径分级的富士苹果Table 1 Fuji apples graded by fruit size

为保证大苹果和小苹果均能够被击打头敲击到，根据上述的苹果高度数据对击打钢板长度进行设计，以旋转轴中轴线所在水平面为基准。设计时只需保证最低和最高苹果能被敲击，即击打头高度要高于苹果放于托盘上的高度。击打头可调整的最大垂直高度为果轴最大值与最小值之差（85.5 mm），满足公式（4）和（5）即可满足被击打要求。

式中：Lmax为最大苹果高度，mm；Lmin为最小苹果高度，mm；ymin为击打钢板调节到最短时击打头距离水平基准的长度，mm；h1为托板距水平基准的长度，mm，如图6所示。

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

图6 零件相对位置图Fig.6 Relative location of parts

计算可得：

式中：b 为开口槽长度，mm；c 为击打头位置到开口槽端点位置的距离，mm。如图7所示：d的取值取决于击打头的直径大小，击打头直径为14 mm，取d=20 mm；a 的取值取决于电磁阀的位置，根据电磁阀的位置取a=16 mm；则击打钢板总长为

图7 击打钢板的剖面图Fig.7 Section drawing of the striking steel plate

2.4 底座及托盘设计

为适应工厂流水线作业，选择工厂流水线上的标准托盘，通过胶水等黏性材料将其与托板固定。

底座需要满足稳定性要求，不能在敲击过程中产生移动和晃动。经实验，当底座选择厚度为8 mm的Q235材料时，能够满足敲击时的稳定性要求。

3 电器元件选型

3.1 麦克风的选型

研究表明，以固定速度敲击水果时，其产生的有效声音信号一般分布在3～3 000 Hz范围内[21]，在20 Hz 以下部分为次声波，由于次声波部分占有效声音信号部分的比例极小而且录制比较困难，因此，该装置只收集20 Hz 以上的声音信号。电容式麦克风频率响应特性较为优良，固有噪声小，而且体积小、重量轻，工程上常用作精密声音的采集。本文采用电容式麦克风EAROBE SuperLav 作为传声器，其频率范围在20～1.6×104Hz之间，信噪比大于58 dB，灵敏度为（－38±3）dB，体积为18.00 mm×8.30 mm×8.30 mm，话筒质量为2.4 g，能够完成音频数据的收集。

3.2 振动传感器的选型

振动传感器的选型要求体积小、重量轻、测量精度高、连接和获得信号方便、工作稳定可靠，本实验选用MPU6050振动传感器。MPU6050是一款集成了6 轴的运动追踪设备，它集成了3 轴微机械陀螺仪和3 轴微机械加速度计，其分辨率为加速度6.1×10－5g，角速度7.6×10－3(°)/s。它能够精确跟踪快速和慢速的运动，对于角速度和加速度均可以精确测量，而且其体积小，仅为15.24 mm×15.24 mm×2.00 mm，便于安装，符合振动传感器选型要求。

3.3 电磁阀的选型

电磁阀的主要功能是检测完成后实现击打板的复位，主要考虑其工作行程和工作效率。第一，要满足尺寸要求，即保证它与调整套筒配合工作时的伸出量等于支撑板厚度与电磁铁厚度的和（26 mm）；第二，能够满足高效检测苹果硬度要求。本实验选定的电磁阀型号为MFB1-4YC，相关参数如表2所示，能满足上述要求。

表2 电磁阀参数Table 2 Parameters of solenoid valve

3.4 电磁铁的选型

电磁铁类型是根据弹簧被压缩状态下长度和压缩状态下恢复力的大小来选择的。弹簧弹力计算公式：

式中：k 为弹簧刚度，N/mm；F 为弹簧的工作载荷，N；f 为工作载荷下的变形量，mm；G 为线材的刚性模量；d 为材料线径，mm；Dm为弹簧中径，mm；NC为弹簧的有效圈数。其中，G=7.1×104，d=0.6 mm，Dm=9 mm，NC=6，f=10 mm，可以求得弹簧弹力F=2.6 N。

本实验选择型号为KB-25/20 的电磁铁，具体参数如表3 所示，其工作时的吸引力大于弹簧工作时的恢复力，其厚度与弹簧在被压缩状态下长度相等，均为20 mm，符合要求。

表3 电磁铁参数Table 3 Parameters of electromagnet

4 实验方法及结果分析

4.1 实验条件与方法

实验对象为2018 年收获的烟台黄富士。从冷库里面选择果形端正，外形没有虫害病变、磕碰等明显损坏的苹果作为实验材料。分批次从冷库中取出苹果，共取5次，每隔3 d取20个，共100个黄富士苹果，每批次取出后将苹果放置于室温为（20±3）℃的环境中（最后一批苹果不进行长时间放置处理），使苹果自然软化，从而得到不同硬度梯度的实验材料。

实验时，首先对100 个苹果按1～100 编号，其中：1～20号为第1批次，21～40号为第2批次，以此类推，共分为5 个批次。使用设计的苹果硬度检测装置（图8）对100个苹果进行数据采集，然后在苹果被敲击位置削去1 cm2左右的薄片，由安装在万能试验台上的苹果硬度检测头对苹果进行实际硬度检测。将实验数据根据苹果编号对应储存。

图8 检测装置实物图Fig.8 Physical drawing of the testing device

4.2 实验结果及分析

图9 ～12 分别是对1 号、99 号苹果所采集的声音和振动波形图。从中可以看出，声振信号激励与采集系统可以收集到明显的声音与振动信号，而且不同硬度的苹果的声音和振动波形具有明显差异，如Z 轴加速度峰值、信号强度幅值、波形对称度、信号长度等差异明显，可以利用MATLAB软件对不同苹果的声振特性差异进行特征提取，通过建立数学模型对苹果硬度进行预测。

图9 硬度为67 N/cm2的苹果（1号）的声音波形图Fig.9 Acoustic oscillogram of the apple(No.1)with hardness of 67 N/cm2

图10 硬度为67 N/cm2的苹果（1号）的振动波形图Fig.10 Vibration oscillogram of the apple(No.1)with hardness of 67 N/cm2

图11 硬度为91 N/cm2的苹果（99号）的声音波形图Fig.11 Acoustic oscillogram of the apple(No.99)with hardness of 91 N/cm2

图12 硬度为91 N/cm2的苹果（99号）的振动波形图Fig.12 Vibration oscillogram of the apple(No.99)with hardness of 91 N/cm2

5 小结

本文对声振信号激励与采集系统进行了设计。针对苹果的果实特性以及目前苹果硬度检测设备面临的一些问题，进行技术创新。通过对敲击方式、敲击位置以及对敲击时苹果大小差异适应性的设计，使该装置能快速、准确收集苹果被敲击后的相关信号。该装置为苹果硬度检测、分级等奠定了技术基础，有效解决了目前硬度检测装置效率低、成本较高和有损检测的问题。