一种禽蛋蛋壳裂纹检测方法与装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种禽蛋蛋壳裂纹检测方法与装置，特指一种基于声脉冲-振动二维 传感响应信号分析的禽蛋蛋壳不同质量(完好蛋、裂纹蛋）快速无损检测方法及装置，属于 禽蛋蛋壳质量的检测领域。
【背景技术】
[0002] 中国的禽蛋年产量均在2700万吨以上，据统计，蛋壳结构有缺陷(如钢壳蛋、沙壳 蛋、裂纹蛋）的禽蛋占中国生产总量的6%以上。当禽蛋蛋壳质量出现问题时，会给禽蛋的 储藏、运输及加工带来很多问题。如当禽蛋出现裂纹后，微生物等有害物质易从裂纹处侵入 蛋的内部基质，导致其保质期下降；此外，裂纹蛋和沙壳蛋结构刚度差，在运输过程中容易 破损；另外裂纹蛋，钢壳蛋和沙壳蛋均不能加工成蛋制品，不仅给生产者造成经济损失，给 消费者的饮食健康也埋下了隐患。因此，带有质量问题蛋壳的检测在禽蛋的运输、加工和销 售过程中十分必要。目前，国内外产业生产中禽蛋裂纹主要依靠人工检测，此方法劳动强度 大，效率低，人为破损率高，而且检测精度易受人的主观因素和外界环境条件影响，不易于 禽蛋产业化生产。
[0003] 当禽蛋的蛋壳强度发生变化时，其结构刚度和阻尼系数将随之变化，必然会反映 到其模态固有频率和阻尼系数比上。经验数据表明（林颢，基于敲击振动、机器视觉和近红 外光谱的禽蛋品质无损检测研宄[D]，博士学位论文，江苏大学)，由于结构刚度和阻尼系数 不同，完好禽蛋受敲击(激励）发出的声音清脆；当蛋壳出现裂纹或者沙壳时，则会发出沉闷 沙哑的声音，利用这种敲击振动响应信号特性的差异，可区分出不同质量的禽蛋。近些年 来，声脉冲响应信号分析方法陆续应用于禽蛋裂纹的检测。但机械敲击也有相应的问题， 即机械敲击的位置通常设计在禽蛋裂纹区域的附近，才能得到较完整且清晰的裂纹信息特 征，由于声脉冲信号在空气中传播，当机械敲击的位置与裂纹区域的距离超过一定的界限 后，声脉冲信号强度迅速衰减，裂纹信息特征模糊，加上外界噪音的干扰，裂纹禽蛋的识别 率也就无法保证了（Li Sun, Xiakun Bi, Hao Lin, Jiewen Zhao, Jianrong Cai，On-line detection of eggshell crack based on acoustic resonance analysis, Journal of Food Engineering. 2013,116:240-245)。因此，通常对禽蛋蛋壳表面进行多点全面敲击， 以保证裂纹附近的区域能被敲击到。
[0004] 本发明提出了声脉冲-振动二维响应信号检测裂纹禽蛋，通过采集禽蛋受机械激 励后产生的声脉冲-振动多维响应信号，分析其在禽蛋蛋壳表面分布、扩散及衰减情况，最 后，综合声脉冲和振动响应信号，以期实现一到二次敲击即可判别裂纹禽蛋。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种基于声脉冲-振动二维传感 器响应信号分析的禽蛋蛋壳裂纹快速无损检测方法及装置，该装置可通过一到二次机械激 励即可采集并分析禽蛋蛋壳质量信息，该方法可应用于禽蛋蛋壳生产加工和流通过程中的 自动化检测。
[0006] 本发明提供一种声脉冲-振动二维传感器检测装置，该装置包括：支撑基座、传感 器固定支架、可调式运动轨道、振动加速度传感器一、振动加速度传感器二、振动加速度传 感器三、声脉冲传感器、电荷放大器一、电荷放大器二、电荷放大器三、敲击棒、电磁铁、A/D 采集卡、声卡、计算机、支架。
[0007] 所述支撑基座两侧和中间位置分别固定有传感器固定支架，两侧传感器固定支架 上分别设置有可调式运动轨道，两侧可调式运动轨道上均装有振动加速度传感器二、振动 加速度传感器三，支撑基座中间位置固定的传感器固定支架上端设置有振动加速度传感器 ， 所述振动加速度传感器一与电荷放大器一相连接，振动加速度传感器二与电荷放大器 二相连接，振动加速度传感器三与电荷放大器三相连接； 所述电荷放大器一、电荷放大器二、电荷放大器三均通过A/D采集卡连通计算机； 电磁铁固定于支架上，敲击棒一端与电磁铁连接，敲击棒另一端连接有声脉冲传感器， 声脉冲传感器通过声卡与计算机连接。
[0008] 振动加速度传感器一、振动加速度传感器二、振动加速度传感器三和声脉冲 传感器传感器围绕着禽蛋赤道位置以90度距离依次分布，其中，声脉冲传感器位于禽 蛋赤道的顶部，振动加速度传感器二位于禽蛋赤道的左侧、振动加速度传感器三位于禽蛋 赤道的右侧、振动加速度传感器一位于禽蛋赤道的底部，四个传感器用于从四个不同区域 检测禽蛋的蛋壳质量。
[0009] 底部的传感器与禽蛋蛋壳硬接触，也起到支撑禽蛋的作用。
[0010] 位于两侧的传感器则装在传感器固定支架上，可左右移动，根据每个禽蛋的大小， 传感器固定支架则带动左右侧的振动加速度传感器，在可调式运动轨道上左右移动，保证 振动加速度传感器与禽蛋紧密结合。
[0011] 声脉冲传感器则安装在禽蛋顶端，接收禽蛋受机械激励的声音信号。
[0012] 本发明还提供一种禽蛋蛋壳裂纹快速无损检测方法，按照以下步骤进行： (1) 声脉冲-振动二维信号的同步采集：在建立的多传感器平台硬件上实现同步采集、 输送和存储禽蛋蛋壳受机械激励的声脉冲信号和振动加速度传感器信号； (2) 响应信号特征的提取：在二维传感器中提取禽蛋蛋壳质量的关联特征响应信号，识 别不同质量的蛋壳； (3) 响应信号特征的筛选及融合：采用遗传算法对步骤（2)所获取的响应信号特征信 息进行筛选，并在特征层面上进行融合； (4) 裂纹禽蛋的识别：将所提取禽蛋样本的声脉冲-振动响应信号的特征变量作为判 别模型的输入向量，根据所建立的模型判别区分完好和裂纹禽蛋。
[0013] 其中步骤（1)中所述的禽蛋声脉冲-振动二维信号的同步采集、输送和存储，是指 在一次禽蛋蛋壳强度的响应信号机械激励中，三个振动加速度传感器和声脉冲传感器分别 在蛋壳表面赤道的四个不同区域同步采集禽蛋蛋壳信息，四个传感器之间以90度的距离 间隔分布，四个传感器同步传输至采集卡中进行A/D转换，由电脑软件中实现同步信号存 储和处理。
[0014] 其中步骤（2)中所述的响应信号特征的提取，是指各个传感器各自在时间域和频 率域首先提取其独立的特征信息，再提取相邻或相对传感器(如左右两侧传感器，底部和两 侧传感器）之间的关联响应信息也作为特征信息，对所提取的特征信息归一化至同一量纲， 并进行融合。
[0015] 其中步骤（3)中所述的对步骤（2)所提取的独立传感器和传感器关联的特征信息 进行筛选，共筛选出顶部声传感器频率域过零点数和；底部传感器的幅值峰值；左右两侧 振动传感器时间域图谱的振动幅值的极差对比值及相关性；底部和左侧振动传感器时间域 图谱的一阶导数对比值及相关性。
[0016] 以上装置工作流程如下：试验前，将禽蛋固定在支撑基座上，调节传感器固定支架 中的移动轨道，使得禽蛋蛋壳表面与压力传感器之间的压力为所设置的范围，计算机控制 电磁铁驱动敲击棒激励禽蛋蛋壳，3个振动加速度传感器和声脉冲传感器同步采集禽蛋蛋 壳响应信号，通过对应电荷放大器进行信号放大，并进入采集卡和声卡中，计算机软件则对 采集的响应信号进行存储和分析。
[0017] 本发明的有益效果是： 1.本发明所涉及的禽蛋蛋壳裂纹检测装置，通过一到二次激励即可全面判别禽蛋蛋 壳质量，将极大的简化禽蛋蛋壳检测流程，加快禽蛋生产加工和流通过程中的自动化检测 进程。通常在禽蛋裂纹检测需要20次以上敲击，才能保障裂纹蛋被检测出，本发明仅需一 到二次敲击，即可检测出裂纹蛋，对传统的检测方法是一个创造性的发明和提升。
[0018] 2.本发明提供了柔性技术，不仅可以检测禽蛋的蛋壳裂纹，也可以检测禽蛋蛋壳 强度。此外，还可以根据受检物料，更换支撑平台，检测水果的损伤、强度、成熟度等物理结 构特征。
【附图说明】
[0019] 图1是基于声脉冲-振动多传感器禽蛋蛋壳裂纹检测装置的结构框架图； 图中：1 :支撑基座，2 :传感器固定支架，3 :可调式运动轨道，4 :振动传感器一，5 :振 动传感器二，6 :振动传感器三，7 :声脉冲传感器，8 :电磁铁，9 :敲击棒，10 :电荷放大器一， 11 :电荷放大器二，12 :电荷放大器三，13 :A/D采集卡，14 :声卡，15 :计算机，16 :支架。
[0020] 图2禽蛋蛋壳裂纹响应信号检测系统流程图。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0022] 本发明对禽蛋的蛋壳裂纹快速无损检测具有通用性，在此以鸡蛋为例，介绍本发 明对鸡蛋蛋壳裂纹检测的实施过程。
[0023] 实施例1:基于声脉冲-振动二维传感器禽蛋蛋壳裂纹检测装置 如图1所示，基于声脉冲-振动二维传感器禽蛋蛋壳裂纹检测装置，该装置包括支撑基 座1、传感器固定支架2、可调式运动轨道3、振动加速度传感器一 4、振动加速度传感器二5、 振动加速度传感器三6、声脉冲传感器7、电磁铁8、敲击棒9、电荷放大器一 10、电荷放大器 二11、电荷放大器三12、A/D采集卡13、声卡14、计算机15、支架16。
[0024] 其中支撑基座1两侧和中间位置分别固定有传感器固定支架2,两侧传感器固定 支架2上分别设置有可调式运动轨道3,两侧可调式运动轨道3上分别装有振动加速度传感 器二5、振动加速度传感器三6,支撑基座1中间位置固定的传感器固定支架2上端设置有 振动加速度传感器一 4 ; 振动加速度传感器一（4)与电荷放大器一（10)相连接，振动加速度传感器二（5)与电 荷放大器二（11)相连接，振动加速度传感器三（6)与电荷放大器三（12)相连接； 电荷放大器一（10)、电荷放大器二（11 )、电荷放大器三（12)均通过A/D采集卡（13)连 通计算机（15); 4个传感器围绕着禽蛋赤道位置以90度距离依次分布，其中，声脉冲传感器位于禽蛋 赤道的顶部，3个振动加速度传感器分别位于禽蛋赤道的左右侧和底部。
[0025] 其中，支撑基座1起固定禽蛋和传感器固定支架2的作用，传感器固定支架2则用 于固定每个振动加速度传感器，传感器固定支架2上装有可调式移动轨道3,由于每个禽蛋 大小不同，可调式运动轨道3可带动禽蛋自由移动，来保证振动加速度传感器与禽蛋紧密 结合，振动加速度传感器二5用于确定振动加速度传感器一 4与禽蛋蛋壳表面结合的紧密 性，每次试验时，电磁铁8连接并驱动敲击棒9激励禽蛋蛋壳表面，振动加速度传感器一 4、 振动加速度传