基于虚拟仪器皮蛋无损分选系统设计

林惠玲 洪儒哲

摘  要：皮蛋弹性是皮蛋品质的重要指标，研究坏皮蛋与好皮蛋由于弹性差异导致频率变化具有重要意义。本检测装置首先对皮蛋分拣结构进行设计，然后利用labview程序、INY9824加速度传感器、NI-USB-6251采集卡组成系统进行数据采集。应用本检测装置，通过实验数据分析得到皮蛋输出的第16个数据在-91至-94之间可判断为坏皮蛋，根据实验分析结果进行程序设计，完成皮蛋无损分选系统设计。

关键词：虚拟仪器;皮蛋;弹性;labview;无损分选

中图分类号：TP311     文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）13-0001-04

Design of Nondestructive Sorting System for Preserved Eggs Based on

Virtual Instrument

LIN Huiling1， HONG Ruzhe2

（1. Xiamen Nanyang University， Xiamen  361101， China; 2. Fujian University of Technology， Fuzhou  350118， China）

Abstract： Preserved egg elasticity is an important index of preserved egg quality. It is of great significance to study the frequency change caused by the difference of elasticity between bad preserved egg and good preserved egg. Firstly， the detection device designs structure of preserved egg sorting， then a system composed by LabVIEW program， INY9824 acceleration sensor and NI-USB-6251 acquisition card is used for data acquisition. Using the detection device， the 16th data of preserved egg output obtained through experimental data analysis， which can be judged as bad preserved egg between –91 and –94. According to the experimental analysis results， the program is designed to complete the design of preserved egg nondestructive sorting system.

Keywords： virtual instrument; preserved egg; elasticity; labview; nondestructive sorting

0  引  言

皮蛋主要是利用其在堿性溶液中，蛋白质凝胶变成富有弹性固体的原理制成。皮蛋的传统加工工艺以及各种配方大同小异，大多采用纯碱、食盐、生石灰、茶叶、氧化铅等按照一定的比例混合均匀后，再将鸭蛋按照不同的加工方法进行处理，一定温度下一定时间后蛋白在碱液中逐渐变稠，凝固成富有弹性的固体后即为皮蛋[1]。

皮蛋在我国具有悠久的加工历史，但长期以来我国一直采用传统的生产方式和加工工艺，设备简陋，生产工艺无法控制，效率不高，质量不稳定[2]。近几年来国内外研究者采用多种形式对皮蛋好坏进行检测，如陈远哲等采用近红外光谱检测凝胶情况甄别皮蛋好坏[3]，葛一凡等利用神经网络方法测定蛋壳的含铅值甄别皮蛋好坏[4]，黄郁杰等采用络合滴定法与原子吸收光谱法测定皮蛋中的铅含量判断皮蛋好坏[5]，但是利用皮蛋的弹性特点进行甄选的方式研究比较少。本文结合皮蛋的形状特征设计分选整体结构，利用labview程序、INY9824加速度传感器、NI-USB-6251采集卡组成皮蛋无损分选系统。该系统结构简单，有助于实现皮蛋自动化生产，提高了生产效率，降低了生产成本。

1  分选系统总体方案

好的皮蛋内部是具有弹性的，坏的皮蛋内部则是液化成水的[6]，因此掉落时的振动信号的差异必然会不一样[7]，我们可以通过实验确定其频率差异，并根据好坏皮蛋各自的频率范围做出分选。本测试系统首先根据皮蛋的形状设计传输装置，为了保证每一次只检测到一个皮蛋，在传输过程中对皮蛋进行隔开，然后利用自重的原理让被检测的皮蛋进入检测装置，通过检测装置中的传感器获得振动的数据，接着又将采集到的数据传入上位机中进行数据分析，继而得到好皮蛋与坏皮蛋数据区间，最后根据坏皮蛋的数据进行程序编程设计出分选的系统。具体分选流程如图1所示。

2  分选系统机械结构

皮蛋分选机械结构的作用就是将被检皮蛋传送到数据采集系统，因此在实验之前必须对实验的结构进行设计。在整个皮蛋分选机构中要设计的非标零件有：传输通道、传输通道支承（两种高度）、盛蛋器、箱体、弹簧固定件、箱体支架、检测用弹簧上的平板等。

为了使实验方法简便易行，在传输过程中采用倾斜的输送通道，结合皮蛋本身椭圆形状，利用高度差让皮蛋一个接着一个地滚落，将皮蛋势能转化为动能，由于皮蛋滚落速度带来很大的动能，这时系统就可以省去动力装置。其次实验每一次只能对一个皮蛋进行测试，为了保证每一次只检测到一个皮蛋，要求箱体上的盛蛋器能左右移动，如果采用电机带动的话，整个皮蛋分选机有三个不同的动作，则需要三个电机，再加上电机输出的动作是旋转运动，而我们所要的动作是左右移动，为了把旋转运动转化为直线运动则需要滚珠丝杆螺母作为转换件，这种方案性价比低，故不宜采用电机驱动方式。而液压传动的优势主要在于能够输出较大的压力，气压传动的主要优势在于价格较低。综合考虑到三个动作所要施加的力均小于10N，这时可以用气缸来带动，通过PLC控制气压系统中的气缸移动，带动盛蛋器的移动。

图2为皮蛋分选机总体结构，皮蛋可以通过传输通道1自行滚落到2中。2是盛蛋器，它是有两个空格的空心壳体，每个空格只能容纳1个皮蛋进入。3是使2左右动作控制杆，从而将皮蛋分隔开，让皮蛋掉入箱体4中，当皮蛋掉落到箱体底部传感器5上即可获得振动的数据。弹簧6保证传感器与板能自由振动，从而采集到真实数据，最后将采集到的数据经过采集卡7传输到上位机8中。

3  分选系统测试软件

分选测试软件系统由Labview程序、INY9824加速度传感器、NI-USB-6251采集卡组成。系统首先收集松花蛋与硬化皮蛋掉落时的频率数据，通过对收集到的频率数据进行分析，得出坏皮蛋的数据区间。

3.1  信号采集程序设计

加速度传感器是利于压电敏感元件的压电效应得到与振动或者压力成正比的电荷量或者电压量，而vi采集的数据种类多样，因此实验开始前要把labview程序中的vi设置为电压类型。通过实验发现无物体落下时的电压幅值不超过2 V，而有物体落下时电压值会超过2 V。根据这个结论对实时电压幅值进行测量，当电压值大于2时说明有物体掉落，此时显示波形并给予保存。通过多次实验，对保存的波形图峰值和相位比较，发现好皮蛋和坏皮蛋的电压波形图并无明显区别。这时把波形图通过傅立叶变换转化为频谱图，同时对频谱图进行滤波，最后可以得到清晰的频谱图。但是在频谱图上难以看出具体的数值、位置，考虑到系统要能以80%以上的正确率甄选出坏皮蛋，此时需要再加点vi，对数据进行输出并写入Excel，从而使得每个表格中都有一组好的皮蛋的数据和一组坏的皮蛋的数据。具体信号采集程序如图3所示。

3.2  数据获取方式与分析

为了采集好、坏皮蛋掉落数据，本系统分别采用在高8 cm时海绵替代弹簧、高8 cm时泡沫替代弹簧和高9 cm时泡沫替代弹簧三种形式分别进行10次实验，然后把采集到数據输入到Excel中做出折线图，其中图4是高度8 cm时海绵替代弹簧随机三次所得数据折线图;图5是高度8 cm时泡沫替代弹簧随机三次所得数据折线图;图6是高度9 cm时泡沫替代弹簧随机三次所得数据折线图。

通过折线图发现，海绵替代弹簧所得好坏皮蛋数据区别不明显，而泡沫替代弹簧所获得的数据中，无论是高度8 cm的数据还是高度9 cm的数据都能发现自第13个至19个数据，好皮蛋的值都会高于坏皮蛋。查看原始数据，分别取高度8 cm和9 cm的第16个点的数据进行比较。具体数值如表1、表2所示。

经过“滤波”“快速傅立叶变换”“频谱测量”等vi后，输出的数据是一个簇。经过解除捆绑后，可以得到幅值组成的数组，实验用以判断的数据是幅值数组中的第16位数，由于每次测量的f0与df是相同的，因而测量得到的第16位数据所在的频率大小是相同的，故而这个设置是可行的。

为避免偶然因素导致的数据偏差，将得到的每一组数据的最大、最小值去除，即将表格中的加粗数值去除。查看剩下的数值，能发现8 cm高度的系列1数据普遍比系列2的数据小3个单位以上，而9 cm高度的系列1数据普遍比系列2的数据小1个单位以上。

据此，此次皮蛋分选机的设计中，所选用的弹簧可用k值与泡沫相同的弹簧，即k=5 500 N/m，高度为8 cm。判断依据为所得到的频谱图的第16个数据的值。

3.3  分选程序设计

皮蛋分选程序设计的目的是实现把内部已经液化的皮蛋挑选出来，实验采用k=5 500 N/m，高度8 cm的数据，输出数值可与-91～-94之间的数值做比较。当输出数据小于该值时，就可判断该皮蛋是好的皮蛋，此时输出数字1到PLC中。如果输出数值大于该值，则判断该皮蛋为硬化了的皮蛋，输出数字0到PLC中。由于我们输出的数据是在电脑端，为了把数据传送到PLC中，这时需要借助“VISA”软件结构，它是计算机与仪器的标准软件通信接口，计算机可以通过它来控制仪器[7]。

频谱图的输出信号经过“解除捆绑”和“索引数组”后，得到第16位的数值。将该数值与-93比较，后接“条件结构”，比较结果正确时，输出数值1;比较结果错误，则输出数值0。具体的程序如图7所示。

4  结  论

本系统采用了labview软件和借助于“VISA”软件结构，以更有效、更简单的方式获得好、坏皮蛋的数据，并根据好、坏皮蛋数据的差异进行分选结构设计，有效解决了传统检测带来的局限性，对皮蛋自动化生产有着现实意义。

参考文献：

[1] 周赞.皮蛋加工工艺研究分析 [J].农产品加工，2012（4）：74-75+77.

[2] 王芳.基于光技术的皮蛋蛋壳破损检测方法研究 [D].武汉：华中农业大学，2013.

[3] 陈远哲，王巧华，高升，等.皮蛋凝胶品质含水率和弹性的高光谱预测及其可视化 [J/OL].食品科学：1-13[2021-04-03].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2206.TS.20210316.1526.015.html.

[4] 葛一凡，陆旭，刘玉柱.基于激光诱导击穿光谱和神经网络的蛋壳研究 [J/OL].激光技术：1-14[2021-04-03].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/51.1125.TN.20210727.1306.002.html.

[5] 黄郁杰，黄锡浅，韦炳富，等.采用络合滴定法与原子吸收光谱法测定皮蛋中的铅含量 [J].大众科技，2016，18（4）：49-51.

[6] 王巧华，梅璐，马美湖，等.利用机器视觉与近红外光谱技术的皮蛋无损检测与分级 [J].农业工程学报，2019，35（24）：314-321.

[7] 杨心宇，章国宝，柴继涛，等.基于VISA库的电源测试系统的设计与实现 [J].工业控制计算机，2014，27（5）：55-56.

作者简介：林惠玲（1987—），女，汉族，福建漳州人，讲师，本科，研究方向：机电。