基于聲振響應(yīng)法的香梨硬度無損檢測(cè)組員：摘要關(guān)鍵詞引言材料與方法目錄結(jié)果與分析結(jié)論為了探索香梨硬度無損檢測(cè)的方法，該研究搭建了由壓電梁式傳感器進(jìn)行信號(hào)激勵(lì)和感測(cè)的檢測(cè)裝置，分析了裝置信號(hào)檢測(cè)的穩(wěn)定性，提取了香梨共振頻率和聲速并進(jìn)行香梨硬度評(píng)估，然后將這兩響應(yīng)參數(shù)的評(píng)估硬度與香梨硬度的M-T穿刺法（Magness-Taylor）測(cè)量結(jié)果進(jìn)行線性回歸分析，以構(gòu)建香梨硬度的檢測(cè)模型。結(jié)果表明，檢測(cè)裝置的共振頻率和聲速信號(hào)檢測(cè)穩(wěn)定可靠，并且在香梨赤道部不同位置激勵(lì)感測(cè)均無顯著差異（P>0.05）；基于共振頻率法和聲速法的硬度評(píng)估指標(biāo)可以構(gòu)建3種香梨硬度檢測(cè)模型，相關(guān)系數(shù)分別為0.841、0.877和0.938，其中由共振頻率檢測(cè)硬度和聲速檢測(cè)硬度聯(lián)合構(gòu)建的檢測(cè)模型硬度檢測(cè)敏感度為67.30%，最接近M-T穿刺法檢測(cè)敏感度，該模型對(duì)香梨正常果和粗皮果的檢測(cè)準(zhǔn)確率較高，達(dá)到86.7%。研究結(jié)果可為聲振法無損檢測(cè)香梨硬度提供參考。摘要關(guān)鍵詞無損檢測(cè)果實(shí)振動(dòng)分析香梨硬度共振頻率聲速01引言本文針對(duì)香梨硬度這一重要的內(nèi)部品質(zhì)差異問題，采用壓電梁式傳感器開展了香梨的聲振響應(yīng)特性測(cè)試分析，確定了香梨共振頻率和聲速2種響應(yīng)參數(shù)同步穩(wěn)定可靠獲取的條件，并基于這2種響應(yīng)參數(shù)進(jìn)行香梨硬度評(píng)估和檢測(cè)模型的構(gòu)建，為今后香梨硬度聲振法無損檢測(cè)的應(yīng)用研究提供參考。1材料與方法1.1香梨試樣處于青熟期的香梨試樣于2014年9月在新疆庫(kù)爾勒同一果園采摘，剔除畸形、損傷及病蟲害的試樣，立即貯藏于?2～0℃、相對(duì)濕度85%～95%的冷庫(kù)中以備試驗(yàn)，試驗(yàn)前在（23±1）℃的室溫條件下回溫24h。香梨試樣的基本物性參數(shù)如表1所示。1.2聲振響應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)方法1.2.1檢測(cè)系統(tǒng)的組成檢測(cè)系統(tǒng)主要由放置試樣的試驗(yàn)臺(tái)架、Q220-A4-303YB型壓電梁式傳感器（美國(guó)PIEZOSYSTEMS公司）、HA-405型電壓放大器（臺(tái)灣品致公司）、VibPilot振動(dòng)控制與動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析儀（德國(guó)m+p國(guó)際公司）、計(jì)算機(jī)等組成。1.2.2信號(hào)的采集和處理依據(jù)聲振試驗(yàn)通常采用力錘對(duì)水果試樣進(jìn)行激勵(lì)，為了獲取原始激勵(lì)信號(hào)VE，本研究參照徐虎博等在文獻(xiàn)[2]中所采用的試驗(yàn)方法，在試驗(yàn)前先隨機(jī)挑選一個(gè)試樣，用LC1305型橡膠錘頭力錘（朗斯有限責(zé)任公司）以不造成香梨發(fā)生損傷的15N的力激勵(lì)香梨赤道部，然后采用VibPilot振動(dòng)控制與動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析儀及振動(dòng)噪聲測(cè)試分析與報(bào)告軟件系統(tǒng)SOAnalyzer4.1（德國(guó)m+p國(guó)際公司）錄制這一力錘激勵(lì)信號(hào)VE，該信號(hào)為峰值電壓為2.5V的半正弦脈沖信號(hào)，信號(hào)時(shí)間歷程為0.16s。獲得VE信號(hào)后，便可將其作為原始激勵(lì)信號(hào)，開始香梨聲振檢測(cè)試驗(yàn)。為降低信號(hào)干擾同時(shí)獲取較強(qiáng)的激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)，使用電壓放大器對(duì)VE信號(hào)進(jìn)行線性放大?？紤]到傳感器連續(xù)工作所能承受的額定電壓為90V，將VE信號(hào)線性放大為脈沖峰值電壓為80V的激勵(lì)信號(hào)VA[15]，然后通過激勵(lì)端的壓電梁式傳感器使試樣產(chǎn)生振動(dòng)。由于傳感器的懸臂梁與香梨接觸，懸臂梁隨香梨振動(dòng)而發(fā)生變形，試樣振動(dòng)產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)VR被感測(cè)端的壓電梁式傳感器接收，隨后激勵(lì)信號(hào)與響應(yīng)信號(hào)都被振動(dòng)控制與動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析儀采集，經(jīng)抗混濾波、截?cái)唷⒉蓸?、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字低通濾波、加窗處理后[13]，由SOAnalyzer4.1軟件進(jìn)行分析處理。具體信號(hào)產(chǎn)生、錄制、輸出、采集過程如圖1所示。對(duì)激勵(lì)和響應(yīng)信號(hào)輸出采集時(shí)，采樣頻率為51200Hz，有效帶寬為20000Hz，頻率分辨率為6.25Hz，激勵(lì)次數(shù)為1次，采樣時(shí)間為0.16s，試驗(yàn)觸發(fā)條件設(shè)置為激勵(lì)信號(hào)VA上升沿觸發(fā)，觸發(fā)電平為0.05V。為保證信號(hào)采集完整，預(yù)先采集量設(shè)置為5%。使用貝塞爾低通濾波器濾波[14]，截止頻率為1600Hz。圖2為香梨典型的激勵(lì)信號(hào)VA和響應(yīng)信號(hào)VR1.3響應(yīng)參數(shù)的提取方法采用指數(shù)窗函數(shù)對(duì)采集的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，獲取香梨信號(hào)頻譜1.4響應(yīng)信號(hào)的穩(wěn)定性測(cè)試對(duì)香梨同一測(cè)點(diǎn)重復(fù)進(jìn)行5次激勵(lì)感測(cè)，以觀察響應(yīng)信號(hào)的穩(wěn)定性。1.5不同測(cè)點(diǎn)對(duì)聲振試驗(yàn)的影響測(cè)試1.6基于不同響應(yīng)參數(shù)評(píng)估香梨硬度的方法1.7M-T穿刺法測(cè)量香梨硬度采用TA.XTPlus質(zhì)構(gòu)儀（英國(guó)StableMicroSystem公司）在香梨赤道部隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行帶皮穿刺測(cè)試。采用直徑5mm的圓柱體探頭，穿刺速度設(shè)定為1mm/s，穿刺深度為8mm。M-T穿刺法檢測(cè)硬度根據(jù)香梨穿刺破裂前力-變形曲線的斜率計(jì)算得出，取5次測(cè)量結(jié)果的平均值作為香梨的硬度SM-T，N/mm。1.8數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析試驗(yàn)隨機(jī)選取180個(gè)香梨試樣等分為9組，每次選用一組試樣進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，前后共9次。如圖6所示，香梨在（23±1）°的室溫條件下硬度變化前期快后期慢，因此前7次每3天一測(cè)，后2次試驗(yàn)每5天一測(cè)，每次試驗(yàn)先進(jìn)行聲振無損檢測(cè)，隨后進(jìn)行破壞性穿刺試驗(yàn)。在28d的試驗(yàn)測(cè)試中部分香梨出現(xiàn)腐爛變質(zhì)，除去這部分試樣，對(duì)剩余的150個(gè)有效試樣進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。1.9香梨硬度檢測(cè)模型的敏感度計(jì)算2、結(jié)果與分析2.1香梨聲振檢測(cè)信號(hào)的穩(wěn)定性由圖7可以看出，采用壓電梁式傳感器進(jìn)行信號(hào)激勵(lì)和感測(cè)，其頻譜分析的時(shí)域信號(hào)和頻域信號(hào)都具有非常好的一致性，這說明本試驗(yàn)裝置能夠穩(wěn)定地獲取香梨的頻譜響應(yīng)和聲響應(yīng)參數(shù)。2.2不同測(cè)點(diǎn)對(duì)聲振參數(shù)的影響結(jié)果表明，香梨赤道區(qū)不同點(diǎn)激勵(lì)和感測(cè)所測(cè)得的共振頻率和聲速都無顯著差異（P>0.05），因此對(duì)香梨赤道部進(jìn)行信號(hào)激勵(lì)感測(cè)時(shí)，對(duì)測(cè)點(diǎn)無需特殊的定位要求。2.3基于聲振響應(yīng)參數(shù)香梨硬度不同檢測(cè)模型的比較2.3.1不同響應(yīng)參數(shù)評(píng)估香梨硬度與M-T穿刺法測(cè)量硬度的相關(guān)性分析

2.3.2香梨硬度不同檢測(cè)模型的敏感度分析

2.3.3香梨硬度不同檢測(cè)模型的檢測(cè)精度3、結(jié)論本研究設(shè)計(jì)了一種由壓電梁式傳感器替代力錘實(shí)現(xiàn)信號(hào)激勵(lì)和感測(cè)的新型香梨硬度無損檢測(cè)裝置，分析了香梨聲振響應(yīng)，提取了香梨共振頻率和聲速兩參數(shù)，并基于這兩響應(yīng)參數(shù)進(jìn)行香梨硬度無損檢測(cè)方法的研究，結(jié)論如下：1）本檢測(cè)裝置可同時(shí)獲取共振頻率和聲速2個(gè)響應(yīng)參數(shù)，在同一測(cè)點(diǎn)多次激勵(lì)感測(cè)，響應(yīng)信號(hào)穩(wěn)定可靠；在香梨赤道部不同位置進(jìn)行信號(hào)激勵(lì)感測(cè)時(shí)，2個(gè)響應(yīng)參數(shù)均無顯著差異（P>0.05）。2）香梨的共振頻率法評(píng)估硬度和聲速法評(píng)估硬度分別與M-T穿刺法測(cè)量的硬度線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.841、0.877，所建立的模型都可作為香梨硬度無損檢測(cè)的模