基于超声波的牛油果品质无损检测系统研究

赵晓彪，唐国安

（1. 上海果氪信息科技有限公司，上海 201108；2. 东华大学 机械工程学院，上海 201620）

0 引言

牛油果又名鳄梨，属樟科，油梨属。牛油果果肉中富含维A、维C、维E、维生素B 族，钾、钙、铁、钠、锌、硒等多种矿物质，且糖分很低。牛油果可降低胆固醇和血脂，具有良好的养生功效，高度契合消费者的消费倾向。牛油果树种可以作为果树树种种植，同时牛油果树是常绿树种，树态优美，花色鲜艳，叶片浓郁，是城市绿化中深受人们喜爱的生态景观树种之一，种植面积持续扩大[1]。

国内的牛油果市场巨大，但本土牛油果产量有限，主要依赖进口。通常牛油果从海外原产地采摘之后，会经历一段漫长的冷链运输环节到达国内的各大供应商，运输中要求果实处于0～5 ℃的低温冷藏箱之中。为防止果实滞销而影响果实的品质，牛油果零售商可以根据顾客的消费情况理性选择进货量，但是为了提高市场的供应能力，供应商大量囤积牛油果。牛油果从采摘到运输、储存、再到销售，果实可能会在运输过程中遭遇各种机械碰撞或者其他不利的运输状况，导致本来品质良好的果实外表破损，从而影响到其内部果肉的品质，同时已经完全成熟的果实在运输中被挤压破损甚至会影响到其他果实。在整个贮藏过程中若温度控制不好也会导致果实冻伤或成熟太快，从而影响整批果实的品质。

牛油果在发往各零售商之前还需要进行果实的分选操作，将腐败变质和外表破损的果实筛选出来，防止其流向市场影响消费者的消费体验。目前，牛油果的分选工作需要人工完成，果实开裂、外表破损及表面品质问题可以通过人工筛选达到不错的筛选效果，腐烂、变质等内部品质问题就不太适合通过人工筛选将其分离出来。传统的检测水果内部品质的方法是将水果切开，直接观察内部果肉的状态，破坏性检测方式对于批量检测实在无法实现，抽样检查对牛油果的损耗也很大，且具有随机性。因此，设计出一种牛油果无损检测系统尤为重要，不仅能够有效防止坏果流向市场，而且还能够显著提高牛油果果品检测的工作效率[2]。

1 超声波无损检测原理

1.1 超声波的衰减

超声波在介质中传播时，随着超声波信号的传播，其能量逐渐减弱的现象即为超声波的衰减。在使用超声波对牛油果进行无损检测时，由于不同品质的牛油果对于超声波能量传播过程中造成的衰减程度不同，因此可使用超声波检测信号的衰减特性来研究被测牛油果的内部品质，引起超声波产生衰减的因素主要有波束扩散、晶粒散射和介质吸收[3]。

在研究超声波衰减时，需要综合考虑以上3 种衰减。总的衰减系数为这3 种衰减的总和。可用公式（1） 计算[4]：

式中：

α——衰减系数；

x——传播距离；

P0——起始声压；

P——传播x 距离之后的声压。

在对被测牛油果进行检测时，超声波从发送端探头发出到接收端探头接收过程中会产生扩散衰减，检测时保持2 个探头之间的相对距离不变，即每次检测的扩散衰减程度相同，因此在检测牛油果时可以忽略扩散衰减[5]。

在研究牛油果的超声波衰减时，超声波的声压振幅与检测中超声波信号的幅值呈一定的比例关系，同时，在超声波换能器利用压电效应实现电信号与声信号的转换时也需要满足一定的转换比例关系，即机电转换系数。采集到的超声波信号会通过超声波探头转换为电信号，通过分析电信号的衰减程度即可表示超声波的衰减特性。可用公式（2） 计算衰减系数：

式中：

A——发送端超声波幅值；

A0——接收端超声波幅值；

l——两探头之间的距离。

1.2 超声波的信号处理

在对牛油果进行超声波检测时，接收端的超声波换能器采集到的信号会呈现出准周期性的特征，但波形较为复杂，很难将其表示为函数式，目前对超声波信号的处理和分析的方法中最常用的是频谱分析方法[6]。

超声波换能器采集到的离散信号可采用离散傅里叶变换（DFT） 实现时域到频域的转换，DFT 算法定义为：

式中：

X(k)——离散频谱的第k 个数据；

x(n)——时域采样的第n 个数据。

使用DFT 算法对超声波采样信号进行谱分析，对采集到的n 个数据点需要进行n2次运算，会导致计算量过于庞大，使得数据处理时间太长。1956 年，Cooley 和Tukey 提出一种快速的规范化算法，即为快速傅里叶变换（FFT）[7]。使用FFT 算法可将原本DFT 算法计算所需的n2次计算减少到（n/2） log2n次，相比DFT 算法运算速度提升极大，且在运算中对计算结果没有做出任何近似值替代，能够达到与DFT 算法相同的计算精度。

检测系统分别采集了发送端和接收端各10 000 个超声波信号数据点。在进行快速傅里叶变换时，为防止谱泄露，会在10 000 个数据点后自动补0 达到16 384 个数据点，即214 个数据点，经过14 次分解运算后即可将采集到的时域信号转化为频域信号。

2 检测方案的制定

2.1 检测方法

由于超声波在不同的传声介质中传播特性会有所不同，因此超声波在不同被测物体中传播时会体现出不同的声学特性，研究这些声学特性可以预测出被测物体内部的性能和结构的变化。在对牛油果进行超声波无损检测时，将超声波发射到被测牛油果中，入射超声波在被测牛油果的表面会反射出一部分，又会有一波分超声波能量在牛油果内部被转化为热量，剩下的部分穿透被测牛油果后可被接收采集，研究接收到的信号特征即可推测出被测牛油果的部分特性。

目前，已有的超声波检测方法按检测原理可分为反射法和透射法2 种[8]。声反射法是基于声波的反射特性而产生的检测方法，利用该方法向被检测对象发出超声波，然后分析反射回波的特性就可以判断被测对象的质量情况。声反射法在检测被测物体的表面质量上具有极大的优势。声透射法是基于声波的透射特性而产生的检测方法，利用该方法检测时通常需要使用到2 个超声波换能器，一个作为超声波的发送端，一个作为超声波的接收端，该方法可以通过接收端超声波的强弱程度来评价被测对象内部的缺陷及缺陷程度。采用声透射法进行牛油果品质检测。

2.2 试验器材的选取

系统采用声透射法对牛油果内部品质进行检测，为了达到最佳的检测效果，图1 中的每个功能模块都需要选取合适的检测设备并合理配置其参数。

检测平台的信号流向图见图1。

图1 检测平台的信号流向图

（1） 脉冲信号发生。检测方案中脉冲发生器选择优利德公司的UTG932 型函数信号发生器，可以产生1 uHz～60 MHz 频率范围内的激励信号。

（2） 超声波换能器。对牛油果进行超声透射法检测试验中选择使用2 个直探头进行检测，其中一个直探头作为发射探头，另一个作为接收探头。分别选取了20，40，58 kHz 的标准超声波直探头进行对比试验，选取最佳的声波频率。

（3） 信号调理电路。选择由康威科技设计的OPA128 静电计级电荷运算放大器，需要供±5 ～±18 V 电源（试验中提供±12 V 电源），开环增益为128 dB，带宽为1 MHz，低偏置低失调。

（4） 信号采集部分。检测方案中信号采集部分选用泰克公司的DPO2000B 系列的信号示波器，最多4 个模拟通道且采样频率最高可以达到1GS/s。将示波器采集的数据存储到U 盘后在计算机中进行离线频谱分析，得到相关的试验结果。

图2 智利牛油果和墨西哥牛油果在不同检测频率下的衰减系数折线图

2.3 检测信频率的选取

为了探索合适的超声波检测频率，选取智利和墨西哥2 个品种的牛油果进行检测试验，试验前的准备如下：

（1） 智利牛油果。选取了成熟的牛油果和腐败的牛油果各5 个，腐败的智利牛油果从外表看起来表皮发黑且带有皱褶；随后，将牛油果进行编号，其中品质良好的牛油果编号1～5，腐败的牛油果编号6～10。

（2） 墨西哥牛油果。选取成熟的牛油果（5 个）和腐败的牛油果（4 个） 共9 个，腐败的墨西哥牛油果从外表看起来表皮发黑且果肉偏软，表皮无皱褶；随后，将牛油果进行编号，其中品质良好的牛油果编号1～5，腐败的牛油果编号6～9。

对于数据的分析，由于超声波在穿透牛油果之后声波信号会产生一定程度的损耗，可以表现在幅值的减小、衰减系数的变化上，因此对于采集到的数据进行快速傅里叶变换并获取信号基频幅值，再由公式（2） 计算信号基频幅值衰减系数α。

使用前述的几种探头进行检测试验，试验中调整果实的位置使得两探头的中心正对被测牛油果的最大腰径处，使示波器上显示出清晰、明显的信号波形，按果实的编号将其波形数据保存为示波器采样数据0～18，经过快速傅里叶变换得出发送端信号和接收端信号在激励信号频率上的幅值，并计算其衰减系数。

智利牛油果和墨西哥牛油果在不同检测频率下的衰减系数折线图见2。

在使用OPA128 静电计级电荷运算放大器电路进行检测试验时，虽然在40 kHz 试验下并没有表现出良好的试验效果，但在20 kHz 和58 kHz 频率下对于不同品质的牛油果的区分效果比较明显且规律一致，具有一定的参考价值。在检测中，选用较高的检测频率可以获得更为明显的波形和较大的参数值，同时较大的检测频率会对应有较强的声波能量，因此58 kHz 的检测频率更适合作为牛油果检测试验频率参数。最终确定了在58 kHz 的检测频率下使用OPA128 静电计级电荷运算放大器电路作为检测系统的检测配置。

在58 kHz 的检测频率下使用OPA128 静电计级电荷运算放大器电路进行超声波检测时，研究试验结果中不同品质牛油果的衰减系数值可以发现以下规律：对于智利牛油果，品质完好果实的衰减系数值比腐败果实的衰减系数值高；对于墨西哥牛油果，品质完好果实的衰减系数值比腐败果实的衰减系数值高，与智利牛油果的检测结论一致。

3 牛油果品质无损检测系统平台

3.1 硬件平台的搭建

在上个章节中已经对该检测系统的部分硬件做出选择，现对检测平台的元器件及其参数做出以下选择和配置。

（1） 脉冲信号发生器。配置频率为58 kHz，占空比50%，相位0°，幅值为10 V 的直流方波信号。

（2） 超声波换能器（发送和接收）。选择由易声电子有限公司生产的驱动频率为58 kHz 的分体开放式超声波探头。

（3） 信号调理电路。选择由康威科技设计的OPA128 静电计级电荷运算放大器。

（4） 数据采集卡。为了使检测平台更轻量化且能够与上位机进行实时数据交换，采用嵌入式信号采集板卡替换示波器来完成信号采集工作。检测系统中选用北京思迈科华技术有限公司设计的USB-3213 系列数据采集卡，该数据采集板卡通过高速USB2.0 接口与上位机连接给模块供电并实现与上位机的通讯。数据采集卡的信号采集模式有连续采集和有限次采集2 种，系统每次采集的数据个数为10 000 个，因为检测时会出现一些干扰情况产生无效检测，所以信号采集模式选择连续采集模式；数据采集卡是异步采集卡，最大采样频率为1 MS/s，试验中设置为1MS/s 的采样频率，由于系统使用2 个AI 通道采集超声波信号，每个通道的采样频率为500 kS/s；采集卡选择AI 定时器作为采样时钟，触发方式选择AiSoftTrig 软件触发。

牛油果检测平台实物图见图3。

图3 牛油果检测平台实物图

3.2 软件功能设计

检测系统的软件部分以3 个阶段来满足上述功能需求。第一个阶段是检测系统的参数配置阶段，这个阶段实现检测系统软件的初始化、相关参数的配置功能；第二个阶段是上位机的数据处理阶段，在此阶段实现了采样数据的FFT 变换、获取数据的频域信息及绘制频域图形的功能；第三阶段是牛油果的品质判别阶段，这个阶段针对墨西哥和智利2 种不同品种的牛油果分别设计了与之相对应的品质判别算法。

软件功能流程图见图4。

图4 软件功能流程图

3.2.1 信号采集控制模块程序设计

对数据采集设备初始化开启检测所需通道并配置采样量程信息，检测系统中要采集发送端和接收端的两路信号，开启了Ai0 和Ai1 2 个模拟转换通道，由于检测系统中的超声波激励信号的幅值为10 V，此处的量程则设置为±10.24 V。信号采集模式选择了连续采样模式，采样率为1 MHz，由于采样启用了2 个AI 通道，则每个采样通道的采样率分别都是500 kHz，采样事件触发方式设定为软件触发，使用SetUSB3AiSoftTrig 启动一次软件触发事件将模拟电压信号经A/D 转换后存入采集卡的FIFO 缓存区内，上位机通过USB 总线可将该数字信号存入上位机的缓存区以供后续的分析计算，每采集一次数据后都由软件清除触发状态、清空采集卡的FIFO 缓存区并关闭设备。

3.2.2 超声波数据的信号处理程序

超声波的FFT 算法处理使用MATLAB 自带的数学函数来实现，在设计模块的程序时，首先使用MATLAB 与VC 混合编程。在Microsoft Visual 2013的工程环境下先使用engOpen 函数调用MATLAB 引擎，然后使用engEvalString 函数向MATLAB 发送命令字符串，最后使用engGetVariable 获取MATLAB引擎空间中的数据处理结果。

绘图部分使用TeeChart 绘图控件来实现。在使用TeeChart 绘图控件绘制频域图时，完成TeeChart图形空间的配置，给TeeChart 控件中传入所需绘制的图形的相关数据即可完成图形的绘制工作。创建TeeChart 控件时首先在MFC 创建的工程界面中选择“插入Axtivex”选项并在工程界面中选择合适的位置插入绘图控件，添加绘制图形所需的MFC 类成员变量，分别给超声波发送和接收端数据频域图的控件赋予变量名，设置选择绘图类型、编辑坐标轴标题。

3.2.3 牛油果品质判别程序设计

检测系统采用衰减系数判别法对被测牛油果的内部品质进行评测，设计了墨西哥和智利2 种品种的牛油果的品质判别程序，在得到的超声波发送端和接收端信号频域上主频频率和幅值基础上，根据式（2） 计算出超声波在测试过程中所产生的衰减，将得到的衰减系数值与判别基准值比较即可判断被测牛油果的品质。

3.2.4 检测系统的人机界面设计

为了方便检测人员使用检测系统，同时为了有更直观的结果显示，系统设计了人机交互界面。

牛油果无损检测系统人机界面图见图5。

图5 牛油果无损检测系统人机界面图

该界面包含了测试参数区、检测结果显示区、测试曲线显示区、测试信息记录区、检测操作功能区和检测数据文件操作区。

4 检测系统的试验分析

在室温20 ℃，相对湿度为30%的检测环境下分别选取了一批形状规格相近的墨西哥品种和智利品种的牛油果样品。在检测试验之前需实施标定试验确定判别基准值，分别取样品中部分果实进行检测并记录基频幅值，然后切开被测果实观察其内部品质，最后从被测的牛油果样品中选取10 个品质良好的果实和10 个腐烂变质的果实，比较衰减系数值。最终取墨西哥牛油果衰减系数评判基准值为5.020 0，智利牛油果衰减系数评判基准值为4.720 0。

随后，对剩余的果实样品进行检测试验，保持试验条件与之前的标定试验条件一致，分别检测了66 个墨西哥牛油果和44 个智利牛油果。

墨西哥油果检测结果统计见表1，智利油果检测结果统计见表2。

表1 墨西哥油果检测结果统计

由表1 可知，被测的66 个墨西哥牛油果中实际存在有36 个品质良好的果实和30 个腐败果实。在试验中检测系统对品质良好的牛油果的评测准确率为83.3%，对腐败果实的评测准确率为76.7%，综合评测准确率为80.3%。

由表2 可知，被检测的44 个智利牛油果中实际存在有20 个品质良好的果实和24 个腐败果实。在试验中检测系统对品质良好的牛油果的评测准确率85%，对腐败果实的评测准确率为75%，综合评测准确率为79.5%。

表2 智利油果检测结果统计

5 结语

设计了一套基于超声波的牛油果品质无损检测系统，可以对放置在检测平台上的牛油果进行品质检测。系统界面简洁、操作方便、结果显示直观，对比传统的人工分拣牛油果方式，该检测系统可以有效地降低检测人员的工作强度，具有极高的应用价值。