基于超聲波的牛油果品質無損檢測系統研究

趙曉彪，唐國安

（1. 上海果氪信息科技有限公司，上海 201108；2. 東華大學 機械工程學院，上海 201620）

0 引言

牛油果又名鱷梨，屬樟科，油梨屬。牛油果果肉中富含維A、維C、維E、維生素B 族，鉀、鈣、鐵、鈉、鋅、硒等多種礦物質，且糖分很低。牛油果可降低膽固醇和血脂，具有良好的養生功效，高度契合消費者的消費傾向。牛油果樹種可以作為果樹樹種種植，同時牛油果樹是常綠樹種，樹態優美，花色鮮艷，葉片濃郁，是城市綠化中深受人們喜愛的生態景觀樹種之一，種植面積持續擴大[1]。

國內的牛油果市場巨大，但本土牛油果產量有限，主要依賴進口。通常牛油果從海外原產地采摘之后，會經歷一段漫長的冷鏈運輸環節到達國內的各大供應商，運輸中要求果實處于0～5 ℃的低溫冷藏箱之中。為防止果實滯銷而影響果實的品質，牛油果零售商可以根據顧客的消費情況理性選擇進貨量，但是為了提高市場的供應能力，供應商大量囤積牛油果。牛油果從采摘到運輸、儲存、再到銷售，果實可能會在運輸過程中遭遇各種機械碰撞或者其他不利的運輸狀況，導致本來品質良好的果實外表破損，從而影響到其內部果肉的品質，同時已經完全成熟的果實在運輸中被擠壓破損甚至會影響到其他果實。在整個貯藏過程中若溫度控制不好也會導致果實凍傷或成熟太快，從而影響整批果實的品質。

牛油果在發往各零售商之前還需要進行果實的分選操作，將腐敗變質和外表破損的果實篩選出來，防止其流向市場影響消費者的消費體驗。目前，牛油果的分選工作需要人工完成，果實開裂、外表破損及表面品質問題可以通過人工篩選達到不錯的篩選效果，腐爛、變質等內部品質問題就不太適合通過人工篩選將其分離出來。傳統的檢測水果內部品質的方法是將水果切開，直接觀察內部果肉的狀態，破壞性檢測方式對于批量檢測實在無法實現，抽樣檢查對牛油果的損耗也很大，且具有隨機性。因此，設計出一種牛油果無損檢測系統尤為重要，不僅能夠有效防止壞果流向市場，而且還能夠顯著提高牛油果果品檢測的工作效率[2]。

1 超聲波無損檢測原理

1.1 超聲波的衰減

超聲波在介質中傳播時，隨著超聲波信號的傳播，其能量逐漸減弱的現象即為超聲波的衰減。在使用超聲波對牛油果進行無損檢測時，由于不同品質的牛油果對于超聲波能量傳播過程中造成的衰減程度不同，因此可使用超聲波檢測信號的衰減特性來研究被測牛油果的內部品質，引起超聲波產生衰減的因素主要有波束擴散、晶粒散射和介質吸收[3]。

在研究超聲波衰減時，需要綜合考慮以上3 種衰減。總的衰減系數為這3 種衰減的總和。可用公式（1） 計算[4]：

式中：

α——衰減系數；

x——傳播距離；

P0——起始聲壓；

P——傳播x 距離之后的聲壓。

在對被測牛油果進行檢測時，超聲波從發送端探頭發出到接收端探頭接收過程中會產生擴散衰減，檢測時保持2 個探頭之間的相對距離不變，即每次檢測的擴散衰減程度相同，因此在檢測牛油果時可以忽略擴散衰減[5]。

在研究牛油果的超聲波衰減時，超聲波的聲壓振幅與檢測中超聲波信號的幅值呈一定的比例關系，同時，在超聲波換能器利用壓電效應實現電信號與聲信號的轉換時也需要滿足一定的轉換比例關系，即機電轉換系數。采集到的超聲波信號會通過超聲波探頭轉換為電信號，通過分析電信號的衰減程度即可表示超聲波的衰減特性。可用公式（2） 計算衰減系數：

式中：

A——發送端超聲波幅值；

A0——接收端超聲波幅值；

l——兩探頭之間的距離。

1.2 超聲波的信號處理

在對牛油果進行超聲波檢測時，接收端的超聲波換能器采集到的信號會呈現出準周期性的特征，但波形較為復雜，很難將其表示為函數式，目前對超聲波信號的處理和分析的方法中最常用的是頻譜分析方法[6]。

超聲波換能器采集到的離散信號可采用離散傅里葉變換（DFT） 實現時域到頻域的轉換，DFT 算法定義為：

式中：

X(k)——離散頻譜的第k 個數據；

x(n)——時域采樣的第n 個數據。

使用DFT 算法對超聲波采樣信號進行譜分析，對采集到的n 個數據點需要進行n2次運算，會導致計算量過于龐大，使得數據處理時間太長。1956 年，Cooley 和Tukey 提出一種快速的規范化算法，即為快速傅里葉變換（FFT）[7]。使用FFT 算法可將原本DFT 算法計算所需的n2次計算減少到（n/2） log2n次，相比DFT 算法運算速度提升極大，且在運算中對計算結果沒有做出任何近似值替代，能夠達到與DFT 算法相同的計算精度。

檢測系統分別采集了發送端和接收端各10 000 個超聲波信號數據點。在進行快速傅里葉變換時，為防止譜泄露，會在10 000 個數據點后自動補0 達到16 384 個數據點，即214 個數據點，經過14 次分解運算后即可將采集到的時域信號轉化為頻域信號。

2 檢測方案的制定

2.1 檢測方法

由于超聲波在不同的傳聲介質中傳播特性會有所不同，因此超聲波在不同被測物體中傳播時會體現出不同的聲學特性，研究這些聲學特性可以預測出被測物體內部的性能和結構的變化。在對牛油果進行超聲波無損檢測時，將超聲波發射到被測牛油果中，入射超聲波在被測牛油果的表面會反射出一部分，又會有一波分超聲波能量在牛油果內部被轉化為熱量，剩下的部分穿透被測牛油果后可被接收采集，研究接收到的信號特征即可推測出被測牛油果的部分特性。

目前，已有的超聲波檢測方法按檢測原理可分為反射法和透射法2 種[8]。聲反射法是基于聲波的反射特性而產生的檢測方法，利用該方法向被檢測對象發出超聲波，然后分析反射回波的特性就可以判斷被測對象的質量情況。聲反射法在檢測被測物體的表面質量上具有極大的優勢。聲透射法是基于聲波的透射特性而產生的檢測方法，利用該方法檢測時通常需要使用到2 個超聲波換能器，一個作為超聲波的發送端，一個作為超聲波的接收端，該方法可以通過接收端超聲波的強弱程度來評價被測對象內部的缺陷及缺陷程度。采用聲透射法進行牛油果品質檢測。

2.2 試驗器材的選取

系統采用聲透射法對牛油果內部品質進行檢測，為了達到最佳的檢測效果，圖1 中的每個功能模塊都需要選取合適的檢測設備并合理配置其參數。

檢測平臺的信號流向圖見圖1。

圖1 檢測平臺的信號流向圖

（1） 脈沖信號發生。檢測方案中脈沖發生器選擇優利德公司的UTG932 型函數信號發生器，可以產生1 uHz～60 MHz 頻率范圍內的激勵信號。

（2） 超聲波換能器。對牛油果進行超聲透射法檢測試驗中選擇使用2 個直探頭進行檢測，其中一個直探頭作為發射探頭，另一個作為接收探頭。分別選取了20，40，58 kHz 的標準超聲波直探頭進行對比試驗，選取最佳的聲波頻率。

（3） 信號調理電路。選擇由康威科技設計的OPA128 靜電計級電荷運算放大器，需要供±5 ～±18 V 電源（試驗中提供±12 V 電源），開環增益為128 dB，帶寬為1 MHz，低偏置低失調。

（4） 信號采集部分。檢測方案中信號采集部分選用泰克公司的DPO2000B 系列的信號示波器，最多4 個模擬通道且采樣頻率最高可以達到1GS/s。將示波器采集的數據存儲到U 盤后在計算機中進行離線頻譜分析，得到相關的試驗結果。

圖2 智利牛油果和墨西哥牛油果在不同檢測頻率下的衰減系數折線圖

2.3 檢測信頻率的選取

為了探索合適的超聲波檢測頻率，選取智利和墨西哥2 個品種的牛油果進行檢測試驗，試驗前的準備如下：

（1） 智利牛油果。選取了成熟的牛油果和腐敗的牛油果各5 個，腐敗的智利牛油果從外表看起來表皮發黑且帶有皺褶；隨后，將牛油果進行編號，其中品質良好的牛油果編號1～5，腐敗的牛油果編號6～10。

（2） 墨西哥牛油果。選取成熟的牛油果（5 個）和腐敗的牛油果（4 個） 共9 個，腐敗的墨西哥牛油果從外表看起來表皮發黑且果肉偏軟，表皮無皺褶；隨后，將牛油果進行編號，其中品質良好的牛油果編號1～5，腐敗的牛油果編號6～9。

對于數據的分析，由于超聲波在穿透牛油果之后聲波信號會產生一定程度的損耗，可以表現在幅值的減小、衰減系數的變化上，因此對于采集到的數據進行快速傅里葉變換并獲取信號基頻幅值，再由公式（2） 計算信號基頻幅值衰減系數α。

使用前述的幾種探頭進行檢測試驗，試驗中調整果實的位置使得兩探頭的中心正對被測牛油果的最大腰徑處，使示波器上顯示出清晰、明顯的信號波形，按果實的編號將其波形數據保存為示波器采樣數據0～18，經過快速傅里葉變換得出發送端信號和接收端信號在激勵信號頻率上的幅值，并計算其衰減系數。

智利牛油果和墨西哥牛油果在不同檢測頻率下的衰減系數折線圖見2。

在使用OPA128 靜電計級電荷運算放大器電路進行檢測試驗時，雖然在40 kHz 試驗下并沒有表現出良好的試驗效果，但在20 kHz 和58 kHz 頻率下對于不同品質的牛油果的區分效果比較明顯且規律一致，具有一定的參考價值。在檢測中，選用較高的檢測頻率可以獲得更為明顯的波形和較大的參數值，同時較大的檢測頻率會對應有較強的聲波能量，因此58 kHz 的檢測頻率更適合作為牛油果檢測試驗頻率參數。最終確定了在58 kHz 的檢測頻率下使用OPA128 靜電計級電荷運算放大器電路作為檢測系統的檢測配置。

在58 kHz 的檢測頻率下使用OPA128 靜電計級電荷運算放大器電路進行超聲波檢測時，研究試驗結果中不同品質牛油果的衰減系數值可以發現以下規律：對于智利牛油果，品質完好果實的衰減系數值比腐敗果實的衰減系數值高；對于墨西哥牛油果，品質完好果實的衰減系數值比腐敗果實的衰減系數值高，與智利牛油果的檢測結論一致。

3 牛油果品質無損檢測系統平臺

3.1 硬件平臺的搭建

在上個章節中已經對該檢測系統的部分硬件做出選擇，現對檢測平臺的元器件及其參數做出以下選擇和配置。

（1） 脈沖信號發生器。配置頻率為58 kHz，占空比50%，相位0°，幅值為10 V 的直流方波信號。

（2） 超聲波換能器（發送和接收）。選擇由易聲電子有限公司生產的驅動頻率為58 kHz 的分體開放式超聲波探頭。

（3） 信號調理電路。選擇由康威科技設計的OPA128 靜電計級電荷運算放大器。

（4） 數據采集卡。為了使檢測平臺更輕量化且能夠與上位機進行實時數據交換，采用嵌入式信號采集板卡替換示波器來完成信號采集工作。檢測系統中選用北京思邁科華技術有限公司設計的USB-3213 系列數據采集卡，該數據采集板卡通過高速USB2.0 接口與上位機連接給模塊供電并實現與上位機的通訊。數據采集卡的信號采集模式有連續采集和有限次采集2 種，系統每次采集的數據個數為10 000 個，因為檢測時會出現一些干擾情況產生無效檢測，所以信號采集模式選擇連續采集模式；數據采集卡是異步采集卡，最大采樣頻率為1 MS/s，試驗中設置為1MS/s 的采樣頻率，由于系統使用2 個AI 通道采集超聲波信號，每個通道的采樣頻率為500 kS/s；采集卡選擇AI 定時器作為采樣時鐘，觸發方式選擇AiSoftTrig 軟件觸發。

牛油果檢測平臺實物圖見圖3。

圖3 牛油果檢測平臺實物圖

3.2 軟件功能設計

檢測系統的軟件部分以3 個階段來滿足上述功能需求。第一個階段是檢測系統的參數配置階段，這個階段實現檢測系統軟件的初始化、相關參數的配置功能；第二個階段是上位機的數據處理階段，在此階段實現了采樣數據的FFT 變換、獲取數據的頻域信息及繪制頻域圖形的功能；第三階段是牛油果的品質判別階段，這個階段針對墨西哥和智利2 種不同品種的牛油果分別設計了與之相對應的品質判別算法。

軟件功能流程圖見圖4。

圖4 軟件功能流程圖

3.2.1 信號采集控制模塊程序設計

對數據采集設備初始化開啟檢測所需通道并配置采樣量程信息，檢測系統中要采集發送端和接收端的兩路信號，開啟了Ai0 和Ai1 2 個模擬轉換通道，由于檢測系統中的超聲波激勵信號的幅值為10 V，此處的量程則設置為±10.24 V。信號采集模式選擇了連續采樣模式，采樣率為1 MHz，由于采樣啟用了2 個AI 通道，則每個采樣通道的采樣率分別都是500 kHz，采樣事件觸發方式設定為軟件觸發，使用SetUSB3AiSoftTrig 啟動一次軟件觸發事件將模擬電壓信號經A/D 轉換后存入采集卡的FIFO 緩存區內，上位機通過USB 總線可將該數字信號存入上位機的緩存區以供后續的分析計算，每采集一次數據后都由軟件清除觸發狀態、清空采集卡的FIFO 緩存區并關閉設備。

3.2.2 超聲波數據的信號處理程序

超聲波的FFT 算法處理使用MATLAB 自帶的數學函數來實現，在設計模塊的程序時，首先使用MATLAB 與VC 混合編程。在Microsoft Visual 2013的工程環境下先使用engOpen 函數調用MATLAB 引擎，然后使用engEvalString 函數向MATLAB 發送命令字符串，最后使用engGetVariable 獲取MATLAB引擎空間中的數據處理結果。

繪圖部分使用TeeChart 繪圖控件來實現。在使用TeeChart 繪圖控件繪制頻域圖時，完成TeeChart圖形空間的配置，給TeeChart 控件中傳入所需繪制的圖形的相關數據即可完成圖形的繪制工作。創建TeeChart 控件時首先在MFC 創建的工程界面中選擇“插入Axtivex”選項并在工程界面中選擇合適的位置插入繪圖控件，添加繪制圖形所需的MFC 類成員變量，分別給超聲波發送和接收端數據頻域圖的控件賦予變量名，設置選擇繪圖類型、編輯坐標軸標題。

3.2.3 牛油果品質判別程序設計

檢測系統采用衰減系數判別法對被測牛油果的內部品質進行評測，設計了墨西哥和智利2 種品種的牛油果的品質判別程序，在得到的超聲波發送端和接收端信號頻域上主頻頻率和幅值基礎上，根據式（2） 計算出超聲波在測試過程中所產生的衰減，將得到的衰減系數值與判別基準值比較即可判斷被測牛油果的品質。

3.2.4 檢測系統的人機界面設計

為了方便檢測人員使用檢測系統，同時為了有更直觀的結果顯示，系統設計了人機交互界面。

牛油果無損檢測系統人機界面圖見圖5。

圖5 牛油果無損檢測系統人機界面圖

該界面包含了測試參數區、檢測結果顯示區、測試曲線顯示區、測試信息記錄區、檢測操作功能區和檢測數據文件操作區。

4 檢測系統的試驗分析

在室溫20 ℃，相對濕度為30%的檢測環境下分別選取了一批形狀規格相近的墨西哥品種和智利品種的牛油果樣品。在檢測試驗之前需實施標定試驗確定判別基準值，分別取樣品中部分果實進行檢測并記錄基頻幅值，然后切開被測果實觀察其內部品質，最后從被測的牛油果樣品中選取10 個品質良好的果實和10 個腐爛變質的果實，比較衰減系數值。最終取墨西哥牛油果衰減系數評判基準值為5.020 0，智利牛油果衰減系數評判基準值為4.720 0。

隨后，對剩余的果實樣品進行檢測試驗，保持試驗條件與之前的標定試驗條件一致，分別檢測了66 個墨西哥牛油果和44 個智利牛油果。

墨西哥油果檢測結果統計見表1，智利油果檢測結果統計見表2。

表1 墨西哥油果檢測結果統計

由表1 可知，被測的66 個墨西哥牛油果中實際存在有36 個品質良好的果實和30 個腐敗果實。在試驗中檢測系統對品質良好的牛油果的評測準確率為83.3%，對腐敗果實的評測準確率為76.7%，綜合評測準確率為80.3%。

由表2 可知，被檢測的44 個智利牛油果中實際存在有20 個品質良好的果實和24 個腐敗果實。在試驗中檢測系統對品質良好的牛油果的評測準確率85%，對腐敗果實的評測準確率為75%，綜合評測準確率為79.5%。

表2 智利油果檢測結果統計

5 結語

設計了一套基于超聲波的牛油果品質無損檢測系統，可以對放置在檢測平臺上的牛油果進行品質檢測。系統界面簡潔、操作方便、結果顯示直觀，對比傳統的人工分揀牛油果方式，該檢測系統可以有效地降低檢測人員的工作強度，具有極高的應用價值。