赫姆霍兹共振测量体积及其用于西瓜内部空心检测的系统研究

摘要

我国是西瓜生产与消费大国，西瓜品质的检测与分级具有广阔的市场前景。在水果品质检测中，由于获取西瓜体积方法费时、费力，鲜有以体积及密度预测西瓜品质的报道。
　　本文以西瓜为研究对象，结合赫姆霍兹共振技术和化学计量学相关知识，对检测西瓜体积及内部空心的装置与方法展开了研究。
　　主要研究内容、结果和结论如下:
　　(1)搭建了赫姆霍兹共振试验台用于西瓜体积检测。通过原理分析和预实验搭建了用于西瓜体积检测的赫姆霍兹共振系统。此检测系统包括声波发生器、共振腔、INV9206传感器、扬声器、放大器、NIUSB-4431型数据采集卡、计算机及相关软件。
　　(2)探索了赫姆霍兹共振试验系统检测西瓜体积的较优参数和西瓜体积预测的可行性。通过单因素试验和正交试验发现在以下试验参数条件下:扬声器距离颈口高度为120mm，麦克风进入颈口深度为220mm，采样时间未10s时试验系统效果较优。对65个西瓜体积预测结果表明:建模集（47个）检测值和真实值决定系数达到0.9655;预测集（18个）预测值与真实值的决定系数达到了0.9568，且72.2％的西瓜体积预测相对误差达到7％以下。
　　(3)通过对176个西瓜的试验探索，进一步建立了共振频率与体积的多种回归模型（线性、二次方、负二次方），结果显示负二次方体积预测模型结果最好，体积预测的相对误差为5.232％。通过西瓜实际密度与空心的分布图可见，当西瓜密度小于0.925g/cm3时，开始出现空心，且密度小于0.877g/cm3后，西瓜密度越小，空心越大。分别使用二元Logistic、支持向量机两种判别方法对西瓜是否空心进行判别，结果表明:二元Logistic判别分析方法在负二次体积建模下的空心判别正确率最高，可达82.5％。
　　(4)设计了一套可用于西瓜密度在线检测的装置，包括检测系统、传输系统和控制系统。检测系统包括重力检测单元和体积检测单元;输送系统通过倍速链、阻挡器、接近开关等实现西瓜的传送;控制系统通过控制接近开关、阻挡器、气动控制阀、电机等来实现在线传输与检测。

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第一章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．1．1 西瓜生产与消费现状

1．1．2 西瓜品质指标与分级

1．2 西瓜品质的无损检测技术

1．2．1 声学特性和振动特性分析法

1．2．2 其他分析法

1．2．3 西瓜内部品质在线检测现状

1．3 赫姆霍兹共振技术理论及应用

1．3．1 赫姆霍兹共振技术原理

1．3．2 赫姆霍兹共振技术应用现状

1．4 研究内容和技术路线

1．4．1 课题来源

1．4．2 研究内容

1．4．3 技术路线

1．5 本章小结

第二章 赫姆霍兹共振试验台搭建

2．1 可行性探索-预试验

2．1．1 试验系统组成

2．1．2 试验步骤

2．1．3 试验结果分析

2．2 西瓜体积检测系统搭建

2．2．1 声波发生器

2．2．2 共振腔

2．2．3 传声器

2．2．4 数据采集卡

2．2．5 数据处理软件

2．2．6 整体结构

2．3 本章小结

第三章 材料与方法

3．1 西瓜样品制备

3．2 西瓜理化指标检测方法

3．2．1 西瓜体积检测

3．2．2 西瓜内部空心测定

3．3 数据统计与分析软件介绍

3．3．1 SPSS数据统计分析软件

3．3．2 Matlab软件介绍

3．4 数据处理与分析方法

3．4．1 数理统计方法

3．4．2 支持向量机判别分析方法

3．4．3 二元Logistic回归分析法

3．5 本章小结

第四章 西瓜体积检测可行性探索

4．1 赫姆霍兹共振试验系统参数优化

4．1．1 材料与方法

4．1．2 扬声器距离颈口高度(H)

4．1．3 麦克风进入颈口深度(h)

4．1．4 采样时间(t)

4．1．5 优组合

4．2 共振信号分析

4．2．1 不同采集位置信号分析

4．2．2 不同体积大小西瓜信号比较

4．3 体积预测

4．4 本章小结

第五章 西瓜内部空心判别分析

5．1 材料与方法

5．2 西瓜内部空心与密度分布关系

5．3 空心与正常瓜频率信号分析

5．4 不同体积建模方法比较

5．5 不同判别分析方法比较

5．5．1 二元Logistic回归判别分析

5．5．2 支持向量机判别分析

5．6 本章小结

第六章 西瓜密度在线检测系统研究

6．1 检测系统

6．2 输送系统

6．3 控制系统

6．4 整体系统

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要研究结论

7．2 论文的主要创新点

7．3 研究展望

参考文献

作者简介