禽蛋裂紋檢測敲擊裝置力學分析與結構優化

張世慶 戴其俊 孫 力 蔡健榮 周青倩 周小力

(1.江蘇大學機械工程學院， 鎮江 212013； 2.江蘇大學食品與生物工程學院， 鎮江 212013)

禽蛋裂紋檢測敲擊裝置力學分析與結構優化

張世慶1戴其俊1孫 力2蔡健榮2周青倩2周小力2

(1.江蘇大學機械工程學院， 鎮江 212013； 2.江蘇大學食品與生物工程學院， 鎮江 212013)

為了增強敲擊響應信號對禽蛋蛋殼裂紋信息的感知能力，提高禽蛋裂紋檢測的準確性，分析了敲擊裝置的力學模型，并以此為依據優化設計激勵棒的結構參數和檢測條件。力學分析發現，禽蛋的激振力脈沖形態與激勵棒質量、棒頭剛度和敲擊速度有關；優化后的激勵棒質量應小于5.6 g，棒頭采用尼龍材質；建立了沖擊力能量與激勵棒質量和敲擊速度之間的相互關系，并建立了瞬態沖擊過程的數學模型。試驗結果表明，優化后激勵棒對完好蛋激振力脈沖的穩定性較好，與所建立數學模型的相關系數均達到0.92以上；產生的力信號頻帶能覆蓋禽蛋固有頻率且具有足夠的激振能量，有利于提高完好蛋與裂紋蛋的可區分性和響應信號的信噪比。

蛋殼裂紋； 瞬態沖擊； 力學分析； 結構優化； 函數化描述

引言

禽蛋蛋殼裂紋容易導致內容物因細菌侵入而腐敗變質，引發食品安全問題，因此禽蛋裂紋智能檢測至關重要。

目前國內外學者對蛋殼裂紋檢測進行了大量研究，其中以敲擊振動響應分析方法為主。文獻[1-4]利用數字信號處理方法對響應信號的濾波及特征提取進行了研究，對裂紋禽蛋的識別率達到 90%以上，但同時也發現不同研究對于信號處理方法和所提取特征存在個體性差異，其主要原因是缺少對振動響應信號產生機理的研究，不同激勵方式和噪聲背景均會對信號處理過程產生影響，難以保證不同敲擊裝置產生響應信號的一致性和穩定性； 文獻[5-11]以模式識別定性分析方法研究為主，根據所提取特征參數對比不同判別模型的優劣性，在一定程度上降低了信號差異性對結果的影響，且所建立的判別模型均具有較好的識別效果，但其復雜的算法對以微處理器為主的實時在線檢測系統提出了較高的要求；文獻[12-17]采用智能控制技術設計自動敲擊裝置，研究以敲擊裝置的軟、硬件設計為主，但較少涉及對禽蛋的敲擊作用力及其對產生聲學和振動信號影響的研究。

本文通過自行設計的禽蛋裂紋檢測裝置分析沖擊過程中禽蛋反作用力的變化情況，并以此為依據研究沖擊過程作用機理，通過對反作用力的時頻分析優化設計敲擊裝置結構參數和檢測條件，使激勵所產生頻帶覆蓋禽蛋固有頻率以提高響應信號對蛋殼品質的敏感性，并為后續響應信號分析提供基礎；利用動力學分析方法對激振力信號進行函數化描述，為后續沖擊形式的選擇和敲擊響應信號的有限元仿真提供理論依據，為實現禽蛋蛋殼裂紋在線檢測提供理論指導。

1 試驗裝置及信號分析

本研究所采用試驗裝置如圖1所示，主要包括激勵棒、動態力傳感器(YDL-1X型)、電荷放大器(DHF-7型)、同步帶線性模組、步進電動機及其驅動器、DSP開發板(TMS320F2812型)、數據采集卡(USB-1208FS型)及上位機等。其中DSP與上位機通過串口連接，根據上位機所發送的運動參數控制步進電動機驅動同步帶運動，以產生檢測過程中的沖擊激勵；激勵棒在同步帶的帶動下實現對禽蛋的沖擊動作；動態力傳感器用來獲取激勵棒對禽蛋沖擊后的反作用力；數據采集卡用于獲取力傳感器輸出的實時電壓，并傳送至上位機顯示和保存；上位機控制程序利用LabVIEW軟件編寫，依據雞蛋的固有頻率，將采樣頻率設置為20 000 Hz。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experiment device1.同步帶線性模組 2.激勵棒 3.不銹鋼薄簧片 4.動態力傳感器 5.禽蛋 6.輥子 7.開關電源 8.步進電動機 9.電荷放大器 10.數據采集卡 11.步進電動機驅動器 12.DSP開發板 13.上位機 14.RS232轉USB串口線

采用該試驗裝置沖擊完好禽蛋的激振力信號如圖2所示，沖擊產生的信號主要由3部分組成：第1部分為瞬態沖擊過程信號，即激勵棒與蛋殼接觸瞬間所產生的沖擊力信號，產生時間段為0.9～2.2 ms，具有較高的幅值；第2部分為反向負信號，主要由電荷放大器內部RC微分電路充放電過程產生；第3部分為18～21 ms處的反彈沖擊過程，該部分信號由不銹鋼薄簧片的回彈力作用產生，該脈沖的峰值相對于瞬態沖擊過程的力脈沖峰值較小，但其振型與瞬態沖擊過程信號相似。因此，后續信號分析將以瞬態沖擊過程激勵信號為研究對象。

圖2 激振力信號原始波形曲線Fig.2 Original waveform curve of impact pulse signal

2 沖擊過程動力學分析

2.1 敲擊裝置力學模型

激勵棒的結構設計如圖3所示，其中動態力傳感器緊固于沖擊頭與棒體之間；為了減小沖擊過程中阻力的影響，棒體和套筒均采用特氟龍材料，并通過改變棒體空心度來改變激勵棒的整體質量；在棒體后端為一不銹鋼薄簧片，起到卸力緩沖的作用，防止敲擊力過大對禽蛋造成損傷，也可保證不同大小禽蛋沖擊的一致性。

圖3 激勵棒示意圖Fig.3 Schematic diagram of excitation stick1.壓電力傳感器 2.特氟龍棒 3.特氟龍套筒 4.不銹鋼薄簧片 5.力柄 6.信號電纜 7.沖擊頭

由圖2信號變化曲線可知，沖擊過程為一瞬態過程，沖擊頭與禽蛋接觸瞬間，彈性主要集中在沖擊頭上，所研究的激勵過程不包括不銹鋼薄簧片形變過程，因此力學分析過程中不銹鋼薄簧片變形量在力學模型中可忽略。

本研究將激勵棒體視為一個質量為m的質量塊，棒頭視為一個無質量的彈簧，其剛度為k。基于上述假設，將激勵棒視為一個單自由度的質量-彈簧系統，其力學等效模型如圖4所示。

圖4 激勵棒力學等效模型Fig.4 Mechanics model of excitation stick

(1)

(2)

式中t——時間

于是激勵棒所產生的激振力脈沖為

(3)

則有

(4)

其中

式中A——激振力脈沖峰值，Nτ——激振力脈沖寬度，ms

根據上述理論分析過程可知，激振力脈沖可采用半正弦波近似，且其形態與激勵棒的自身質量m(g)、敲擊速度v(m/s)和棒頭剛度k有關。激勵棒頭剛度k、激勵棒質量m和敲擊速度v越大，激振力脈沖峰值A(N)越大；激勵棒質量m越小，棒頭剛度k越大，激振力脈沖的脈寬τ(ms)越小。

2.2 激振力脈沖的力譜分析

為了進一步分析激振力脈沖的頻譜特性，利用傅里葉變換對激振力脈沖f(t)進行頻率域求解，得出力譜

(5)

式中 |F(f)|——激振力脈沖能量

激振力脈沖傅里葉變換模與頻率關系曲線如圖5所示。從曲線圖中可以看出，激振力脈沖的能量主要分布在頻譜曲線的主瓣內，占據頻譜曲線與坐標軸所圍成的面積的大部分。頻帶寬度只與激振力脈沖寬度τ有關，頻域主瓣帶寬的上限頻率為

(6)

圖5 激振力脈沖傅里葉變換模與頻率關系曲線Fig.5 Relationship curve between Fourier transforming model and frequency of impact pulse

因此，通過控制激振力的脈沖寬度τ和脈沖峰值A，即減小脈沖寬度和增加脈沖峰值，使得沖擊力譜的主瓣頻帶覆蓋禽蛋自身的固有頻率且具有足夠的沖擊能量，則可以提高敲擊響應信號對禽蛋裂紋信息的感知能力。

3 敲擊裝置參數的優化選擇

激振力脈沖信號在時域中的力脈沖寬度、脈沖峰值和頻域中的主瓣帶寬是評價力脈沖形態的主要參數，其中時域脈寬決定頻域主瓣帶寬。根據理論分析可知，激振力譜主瓣上限頻率由激勵棒質量和棒頭剛度決定；脈沖峰值由激勵棒質量、敲擊速度和棒頭剛度決定。因此，在敲擊裝置參數優化過程中，以增加主瓣上限頻率為原則，優化設計激勵棒質量和棒頭材質，以增加頻域帶寬使其達到完好禽蛋固有頻率，增強敲擊響應信號對裂紋信息敏感程度，進而提高完好蛋與裂紋蛋響應信號的可區分性；在不破壞禽蛋的前提下，建立激振力脈沖峰值與敲擊速度的關系式，以指導不同檢測對象和環境下敲擊速度的選擇。

3.1 激勵棒參數優化

激勵棒參數優化主要考慮沖擊產生激振力譜主瓣頻帶范圍可涵蓋禽蛋固有頻率。本文對尼龍、硬鋁和不銹鋼3種材質棒頭以及不同質量棒體進行分析，建立不同材質、不同質量激勵棒與激振力脈沖寬度之間的關系，并以此為依據優化激勵棒的結構參數。

本研究中試驗樣本選自江蘇省鎮江市東郊農場，為產后1～2 d的褐色殼雞蛋。隨機選取45枚雞蛋，平均分成3組，分別作為尼龍、硬鋁和不銹鋼3種材質棒頭的試驗樣本。根據式(4)可知，脈沖寬度與敲擊速度無關，所以選擇0.3 m/s敲擊速度進行試驗。由于相同載荷作用下，雞蛋中部承受載荷能力均低于兩端[18-19]，所以敲擊點選擇在雞蛋的赤道部位。

由于雞蛋個體差異會對激振力信號產生一定影響，對同一種材質棒頭、同一質量的激勵棒敲擊產生的15組脈沖寬度取平均值；依據式(4)的結果，采用曲線擬合方法建立激振力脈沖寬度與質量的關系，其擬合結果如圖6所示。試驗用的激勵棒由圖3所示的壓電力傳感器、特氟龍棒和沖擊頭組成，其最小質量為32 g，因此試驗的激勵棒質量以32 g為起始質量，分為7個梯度，其擬合結果如圖6所示，其他質量的激勵棒也應服從該分布。

圖6 力脈沖寬度與質量擬合曲線Fig.6 Fitting curves of pulse width and weight of excitation stick

由圖6可知，激振力脈沖寬度與激勵棒質量呈正相關，而與棒頭剛度呈負相關；在不同材質棒頭情況下，脈沖寬度與質量具有較好的相關性，其決定系數均達到0.91以上；不同材質的擬合結果中系數比較接近，分別為0.206 7、0.210 5和0.207 8。

通過分析可知，為了減小脈沖寬度，即提高沖擊所產生激振力譜的上限頻率，可通過提高剛度或減小激勵棒質量實現。從圖6中可發現，不同材質所具有的擬合系數相對比較接近，而尼龍與另外2種材質的密度存在較大差異，在同等體積的條件下，尼龍的質量相對較輕。為了減小激勵棒質量，可選取尼龍作為激勵棒頭材料。

文獻[20-22]顯示，雞蛋的共振頻率在3 000 Hz左右，但隨著蛋殼品質的不同會有所差異。為了使激振力譜主瓣覆蓋3 000 Hz的共振頻率，由式(6)計算得到激振力脈沖的寬度小于0.5 ms；根據圖6中尼龍材料的擬合公式可知，只有當激勵棒質量小于5.6 g時，產生的激振力才能覆蓋3 000 Hz。可以得到激勵棒的質量應小于5.6 g。

3.2 敲擊速度優化

激勵棒對禽蛋的敲擊速度越大，激振力脈沖峰值越大，但速度過大會對禽蛋造成損傷，所以需要選擇合適的敲擊速度，以確保不損傷禽蛋且力脈沖具有足夠的激振能量。蛋雞品種、生理機能、飼養方式和所處環境的不同將會導致其所產禽蛋蛋殼品質存在差異，因此對于不同品種禽蛋及不同背景噪聲環境下難以采用固定的敲擊速度。通過試驗建立激振力脈沖峰值與敲擊速度的關系式，以期對不同品種禽蛋檢測時的敲擊速度選擇提供指導。

在試驗中需要將力傳感器安裝于激勵棒前端以獲取對禽蛋的沖擊力，無法直接建立激勵棒質量小于5.6 g時的脈沖峰值與敲擊速度回歸模型，需要間接地建立激勵棒質量與回歸模型系數的關系式來確定，因此選取質量分別為32、47、56、64、81 g進行試驗。試驗中隨機選取75枚雞蛋，平均分成5組，分別作為5種質量的試驗樣本；對于不同質量、不同敲擊速度下敲擊同一組15枚雞蛋，對15個力脈沖峰值取平均以消除雞蛋個體差異的影響。不同質量激勵棒產生力脈沖峰值A(N)關于敲擊速度v(m/s)的回歸模型如表1所示，力脈沖峰值關于敲擊速度的回歸模型具有較好的相關性，決定系數均在0.90以上。

表1 力脈沖峰值與敲擊速度的回歸模型 Tab.1 Regression models relating pulse peak to tapping speed

根據表1中結果，采用曲線擬合方法求得質量與力脈沖峰值關于敲擊速度回歸模型系數的關系，擬合曲線如圖7所示。

圖7 質量與力脈沖峰值回歸模型系數擬合曲線Fig.7 Fitting curve of excitation stick weight and regression models coefficient relating pulse peak

3.3 激振力脈沖的函數化描述

激勵棒選用尼龍材質作為激勵棒頭、質量m需要小于5.6 g，敲擊速度v根據檢測的禽蛋品種選擇確定，則激振力脈沖可以采用半正弦波函數描述為

(7)

在激勵棒沖擊禽蛋蛋殼瞬間，對禽蛋的作用力逐漸增大，但隨著激勵棒的沖擊頭發生彈性形變又逐漸減小，形成一個半正弦波脈沖。在激勵裝置確定的基礎上，對激振力脈沖進行函數描述可以為后續基礎分析和敲擊振動響應信號的有限元仿真提供理論依據。

4 敲擊效果試驗驗證

為了驗證優化后敲擊裝置產生激振力脈沖的穩定性和一致性效果，對完好蛋和裂紋蛋進行敲擊試驗，在激勵棒結構參數和敲擊速度相同的情況下，分別比較完好蛋與裂紋蛋各自受到激振力信號的穩定性以及完好蛋和裂紋蛋之間激振力信號的差異性。

試驗選擇江蘇省鎮江市東郊農場的褐色殼完好雞蛋40枚作為樣本，其中20枚在蛋的赤道附近人為制造微裂紋并標記位置，試驗時將敲擊點設在裂紋附近5 mm范圍內。由于需要采集雞蛋受到的激振力信號，將力傳感器固定于激勵棒前端，激勵棒質量為32 g；通過預試驗發現，采用0.55 m/s的敲擊速度對該批樣本進行敲擊，激振力脈沖峰值隨著蛋殼品質的不同會有所差異，但均能達到8.5 N以上，該力所激發的能量能夠滿足試驗要求。

完好蛋和裂紋蛋的激振力脈沖(瞬態沖擊過程信號)如圖8a所示，兩者的信號有明顯差異，主要表現在：裂紋蛋激振力脈沖寬度大于完好蛋、峰值小于完好蛋、曲線平滑度劣于完好蛋。這種瞬態沖擊對完好禽蛋與裂紋禽蛋激振力響應特性的差異，為在線檢測過程中準確識別裂紋蛋提供了有效的信息。

完好蛋和裂紋蛋的激振力脈沖與所建立數學模型的相關系數如圖8b所示，由圖可知，完好蛋的激振力脈沖與建立模型高度相關，相關系數均在0.92以上；裂紋蛋的激振力脈沖與所建模型的相關系數分布較為分散，隨著裂紋形態的不同會有所差異，但相關系數均小于0.8(敲擊點與裂紋距離小于5 mm時)。因此，所建立瞬態沖擊響應模型對于不同個體的完好蛋具有較強的適用性，與裂紋蛋的裂紋處及周圍局部區域有明顯的差異性。

圖8 激振力脈沖的差異性與穩定性Fig.8 Difference and stability of impact pulse

5 結論

(1)設計了一套瞬態沖擊反作用力實時采集裝置，通過對敲擊裝置進行力學分析，結果表明：激勵棒所能產生的激振力脈沖寬度與激勵棒質量呈正相關、與棒頭剛度呈負相關；激振力脈沖峰值與棒頭剛度系數、激勵棒質量和敲擊速度均呈正相關。

(2)通過試驗建立了沖擊所產生激振力脈沖寬度與激勵棒質量、棒頭材質之間的關系，優化選擇了能夠有效提高頻帶的尼龍作為棒頭材料，激勵棒質量需要小于5.6 g；并建立了沖擊產生的激振力脈沖峰值與沖擊速度之間的關系式，可為后期在不同檢測對象和環境下的敲擊速度選擇提供指導。

(3)通過對沖擊過程的機理研究，建立了激勵棒對禽蛋瞬態沖擊過程中的激振力脈沖函數表達式，為后續禽蛋裂紋檢測過程中的有限元分析和響應信號分析提供了理論基礎。

(4)試驗結果表明，完好蛋和裂紋蛋的激振力脈沖存在明顯差異；優化后敲擊裝置對完好蛋的激振力脈沖具有較好的一致性和穩定性，與所建數學模型的相關系數均在0.92以上。

1 潘磊慶, 屠康, 劉明,等. 基于聲學響應和BP神經網絡檢測雞蛋裂紋[J]. 南京農業大學學報, 2010, 33(6):115-118. PAN Leiqing,TU Kang, LIU Ming, et al. Eggshell crack detection based on acoustic response and BP neural network[J]. Journal of Nanjing Agricultural University, 2010,33(6):115-118.(in Chinese)

2 王巧華, 鄧小炎, 文友先. 雞蛋敲擊響應的奇異性特征與蛋殼裂紋多層檢測[J]. 農業機械學報, 2008, 39(12):127-131. WANG Qiaohua,DENG Xiaoyan,WEN Youxian. Egg-shell crack multi-level detection based on the singularity feature of dynamic resonance[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2008, 39(12):127-131.(in Chinese)

3 姜瑞涉,王俊, 陸秋君,等. 雞蛋敲擊響應特性與蛋殼裂紋檢測[J]. 農業機械學報, 2005, 36(3):75-78. JIANG Ruishe, WANG Jun, LU Qiujun,et al. Eggshell crack detection by frequency analysis of dynamic resonance[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2005, 36(3):75-78.(in Chinese)

4 劉儉英, 陳家焱, 丁幼春,等. 蛋殼破損自動檢測模型研究[J]. 農業工程學報, 2005, 21(9):114-118. LIU Jianying, CHEN Jiayan, DING Youchun, et al. Model for automatic detection of eggshell crack[J]. Transactions of the CSAE, 2005, 21(9):114-118.(in Chinese)

5 CHO H K, CHOI W K, PAEK J H. Detection of surface cracks in shell eggs by acoustic impulse method [J]. Transactions of the ASAE, 2000, 43(6):1921-1926.

6 平建峰, 吳堅, 應義斌. 基于短時傅立葉變換的雞蛋破損檢測技術的研究[J]. 傳感技術學報, 2009, 22(7):1055-1060. PING Jianfeng,WU Jian,YING Yibin.Detection of egg cracks by short-time Fourier transform[J]. Chinese Journal of Sensors & Actuators, 2009,22(7):1055-1060.(in Chinese)

7 YANG J, PAN H, PENG Z W, et al. Based on vibration and improved GRNN identify eggshell crack[J]. Applied Mechanics & Materials, 2014, 472:404-408.

8 陸秋君, 王俊, 于慧春,等. 蛋殼裂紋的神經網絡判別[J]. 江蘇大學學報:自然科學版, 2009, 30(5):454-458. LU Qiujun, WANG Jun, YU Huichun, et al. Identification of eggshell crack using BPNN and GA-BPNN in dynamic frequency analysis[J]. Journal of Jiangsu University: Natural Science Edition, 2009, 30(5):454-458.(in Chinese)

9 孫力, 蔡健榮, 林顥,等. 基于聲學特性的禽蛋裂紋實時在線檢測系統[J]. 農業機械學報, 2011, 42(5):183-186. SUN Li,CAI Jianrong,LIN Hao,et al. On-line detection of cracked shell eggs based on acoustic resonance analysis[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(5):183-186.(in Chinese)

10 LIN H, ZHAO J W, CHEN Q S, et al. Eggshell crack detection based on acoustic impulse response and supervised pattern recognition[J]. Czech Journal of Food Sciences, 2009, 27(6):393-402.

11 LI S, BI X K, HAO L, et al. On-line detection of eggshell crack based on acoustic resonance analysis[J]. Journal of Food Engineering, 2013, 116(1):240-245.

12 KETELAERE B D, COUCKE P, BAERDEMAEKER J D. Eggshell crack detection based on acoustic resonance frequency analysis[J]. Journal of Agricultural Engineering Research, 2000, 76(2):157-163.

13 蔡健榮, 趙杰文, 鄒小波,等. 基于聲學特性的禽蛋裂紋快速在線無損檢測裝置及方法:CN101413928B[P]. 2011-11-16. CAI Jianrong,ZHAO Jiewen,ZOU Xiaobo,et al. Rapid online non-destructive detection apparatus and method of cracked shell eggs based on acoustic resonance analysis: CN101413928B[P].2011-11-16.(in Chinese)

14 王劍平, 王海軍, 應義斌,等. 禽蛋在線裂紋檢測敲擊方法及裝置:CN103018343B[P]. 2014-09-17. WANG Jianping,WANG Haijun, YING Yibin, et al. The method and apparatus of eggs online crack detection: CN103018343B[P].2014-09-17.(in Chinese)

15 梅勁華, 王石泉, 王樹才. 禽蛋破損在線檢測自動敲擊發聲裝置設計與試驗[J]. 農業工程學報, 2011, 27(9):334-338. MEI Jinhua,WANG Shiquan, WANG Shucai. Design and experiment of automatic knocking device for eggshell crack detection[J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(9):334-338.(in Chinese)

16 SUN L, ZHANG S Q, CAI J R, et al. The application of DSP in eggshell quality online detection system[J]. Applied Mechanics & Materials, 2010, 43:68-71.

17 劉儉英, 田茂勝, 王巧華,等. 基于DSP的雞蛋破損檢測分級裝置設計[J]. 農業機械學報, 2007, 38(12):125-128. LIU Jianying, TIAN Maosheng, WANG Qiaohua, et al.Design on testing and grading device of cracked egg based on DSP[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2007, 38(12):125-128.(in Chinese)

18 王育橋. 雞蛋外殼靜力學特性有限元分析及試驗研究[J]. 中國農機化學報, 2013, 34(6):107-111. WANG Yuqiao.Research and finite element analysis of static characteristic of eggshell [J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2013, 34(6): 107-111.(in Chinese)

19 宋慧芝, 王俊, 葉均安. 雞蛋蛋殼受載特性的有限元研究[J]. 浙江大學學報：農業與生命科學版, 2006, 32(3):350-354. SONG Huizhi,WANG Jun, YE Jun’an. Analysis of the loading properties of fowl eggshell with finite element method[J]. Journal of Zhejiang University: Agriculture & Life Sciences, 2006, 32(3):350-354.(in Chinese)

20 KEMPS B, KETELAERE B D, BAMELIS F, et al. Development of a methodology for the calculation of Young’s modulus of eggshell using vibration measurements[J]. Biosystems Engineering, 2004, 89(2):215-221.

21 PERIANU C, KETELAERE B D, PLUYMERS B, et al. Finite element approach for simulating the dynamic mechanical behaviour of a chicken egg[J]. Biosystems Engineering, 2010, 106(1):79-85.

22 崔志平. 雞蛋靜載特性分析及有限元研究[D]. 鎮江：江蘇大學, 2009. CUI Zhiping. Static properties and finite element analysis of chicken eggs[D].Zhenjiang: Jiangsu University,2009.(in Chinese)

Mechanical Analysis and Structural Optimization of Knocking Device for Eggshell Crack Detection

ZHANG Shiqing1DAI Qijun1SUN Li2CAI Jianrong2ZHOU Qingqian2ZHOU Xiaoli2
(1.SchoolofMechanicalEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China2.SchoolofFoodandBiologicalEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

In order to enhance the ability of response signal to reflect eggshell crack information and improve the accuracy of eggshell crack detection, structural parameters and detection conditions of the excitation stick were optimally designed by dynamic experiments based on mechanical model of the knocking device. The shape of pulse produced by excitation stick was related to the weight of stick, stiffness coefficient and percussion speed according to mechanics analysis results. The spectrum of excitation pulse was analyzed. The results showed that the sensitivity of response signals for eggshell creak information can be improved by reducing the pulse width and increasing the pulse peak. The excitation pulse signal was collected by a quartz force sensor, which was analyzed to optimize the excitation stick by using force spectrum method. In order to ensure that the main lobe band of the excitation force pulse covered the natural frequency of eggs, the weight of the optimized excitation stick with nylon striking end was less than 5.6 g. The relationship model between the pulse peak and the stick percussion speed was established, which would offer a reference to select the appropriate percussion speed for different varieties of eggs. The mathematical model of the transient impulse process was established to provide the basis for the later finite element simulation. The experiment results showed that the excitation pulse produced by the optimized excitation stick had the advantage of good stability, and the correlation coefficients between the pulse of intact eggs and mathematical model were more than 0.92. Frequency band of the pulse could cover the natural frequency of eggs and the pulse had sufficient excitation energy, which were of great help to distinguish between intact eggs and crack eggs and increase the signal to noise ratio (SNR) of response signal.

eggshell crack; transient impulse; mechanical analysis; structural optimization; function description

2016-08-31

2016-09-26

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2015BAD19B05)、中國博士后科學基金項目(2015M580401)、江蘇省博士后科學基金項目(1501108C)和江蘇大學高級人才科研啟動基金項目(15JDG056)

張世慶(1962—)，男，副教授，主要從事測控技術在農產品無損檢測中的應用研究，E-mail: zsq@ujs.edu.cn

孫力(1986—)，男，副教授，博士，主要從事農產品無損檢測技術研究，E-mail: raulsunli@126.com

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.05.046

TS253.3

A

1000-1298(2017)05-0363-06