注水肉超聲波無損檢測裝置及特征閾值的提取

劉朝鑫 - 李 明 甘富航 - 張維華 - 王潤濤 -

(東北農業大學電氣工程與信息學院，黑龍江 哈爾濱 150030)

注水肉超聲波無損檢測裝置及特征閾值的提取

劉朝鑫LIUZhao-xin李 明LIMing甘富航GANFu-hang張維華ZHANGWei-hua王潤濤WANGRun-tao

(東北農業大學電氣工程與信息學院，黑龍江 哈爾濱 150030)

針對注水肉問題與缺少民用注水肉檢測裝置的情況，研制了基于超聲波能量分析的便攜式注水肉無損檢測裝置，并通過試驗對頻率分級特征、特征半波、δ0幅值等特征量值進行分析，以確認注水肉檢測的特征閾值。研究結果表明：注水肉檢測特征半波δ0的幅值4.010 V為閾值；驗證實驗結果證明該裝置對宰后注水肉的分級精度達到98.8%。

注水肉；無損檢測；超聲波；特征半波

傳統的注水肉檢測方法有感官鑒別法、pH值法[1]、生物電阻抗法[2]。其中，感官鑒別法會因個體感官差異直接影響檢測結果的準確性，或因個體經驗的差異而具有主觀性；pH值法的指標pH值因只與肉體表面水含量相關性強，無法辨別出活禽灌水或宰后血管注水的肉品而缺乏可靠性；物理損失法通過蒸煮加熱的方式測出肉品去水后的失重率來檢測注水程度，所得結果可信，但破壞性過強，無法對市場肉品進行普查；生物電阻抗法易受外界干擾，如肉品的形狀、肉品表皮狀態都將直接影響檢測結果[3]。

發達國家將無損檢測技術應用于肉質檢測起步較早，Simal等[4]通過超聲波波譜發現肉質結構與肉品含水率相關，研究得知肉品注水后肉質中脂肪和蛋白質的分布發生改變而導致肉質結構的改變。Hazlrwood等[5-7]通過核磁共振技術檢測出了肉質中自由水、組織水和流動水的含量及水在肉中的弛豫時間，并建立了相關的數學模型來確定肉的含水量。但這些先進技術僅在國外專業研究中得以應用。張海云等[8-9]研制了用于肉品品質檢測的紅外光譜成像儀，該裝置可以完成肉品營養成分分析、嫩度新鮮度評價以及微生物污染程度評定，但由于成本與使用者技術素養要求過高，普通市場的監管組織難以推廣應用。

本研究擬以注水肉檢測為研究對象，依據超聲波穿過含水率不同的肉質時能量衰減具有差異性的原理，以及超聲波信號可轉換成電壓信號的壓電效應[10]，建立特征半波幅值與肉質含水率一一對應的數據表格，獲得區分注水肉與正常肉的技術方法。同時利用低強度超聲波模塊價格低、穿透能力強、應用性強的特點，以MSP430F248為核心數據處理芯片，結合超聲波檢測終端搭建無損檢測硬件平臺，實現成本低、精度高的檢測裝置的研制。

1 裝置的結構與工作流程

1.1 裝置的組成部分及其功能

注水肉無損檢測裝置系統整體結構見圖1。

這些部分相互協調、配合，以實現裝置的功能，并形成便攜的特性。其中，基礎核心部分為超聲波振子對，是發射與接收超聲波的基礎器件；控制與數據處理部分由芯片MSP430F428系統板和液晶顯示屏組成；能量供給部分由一系列開關電源模塊組成，以將220 V交流電轉換為支持控制處理系統工作的直流電與驅動振子工作的高頻交流電；機械支撐部分由低重心支架與步進電機組成，將發射振子置于底部以靠近支架重心，以減緩發射陣子工作時產生的低于超聲波頻率的雜波所造成的輕微振動。另外，步進電機可以調節接收振子的高度以改變聲場的寬度，適應不同厚度的被檢肉品，進而提高裝置的自動化程度。

1. 步進電機及驅動 2. 超聲波接收振子 3. MSP430F248最小系統 4. 軟殼 5. 支架 6. 工頻電插頭 7. 超聲波發射振子 8. 開關電源與振子驅動器模快

圖1 注水肉無損檢測裝置

Figure 1 Nondestructive detecting device for water

injected meat

系統工作流程圖見圖2。把待檢肉放置在軟殼容器內，啟動電源，MSP430F248單片機系統初始化，通過系統中的步進電機調整超聲波接收振子的高度直到振子表面貼到被檢肉的上表面并輕壓該表面，按下開始檢測按鈕。嵌于軟殼容器的超聲波發射振子通過壓電效應發出超聲波，超聲波透過肉質，傳播到超聲波接收振子，接收振子通過逆壓電效應產生電壓信號。信號經過濾波、變換后作為可處理信號，由單片機的算法計算，得出可輸出結果，根據結果，做出下一步決策：若肉的含水量正常，控制系統結果返回命令，使顯示器維持顯示狀態，顯示正常，停止所有驅動；否則，系統返回再次檢測命令，依次循環直到進行到第4次時，停止所有驅動，顯示‘注水’警告。

1.2 硬件選擇

1.2.1 芯片 用MSP430F248作為數據處理核心和控制外設的控制中心。該芯片具有10/12位硬件A/D轉換器，轉換精度較高。另外，MSP430系列單片機中斷為矢量中斷，可支持10個以上的中斷源。響應中斷請求時，激勵CPU僅需要6 μs，因此可以對復雜情況做出快速響應。

圖2 基于超聲波的注水肉檢測裝置工作流程Figure 2 Working flow of the device

1.2.2 步進電機 步進電機又稱脈沖電動機，是一種將脈沖信號轉變成角位移或線位移的電動機，電動機的轉速，停止的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數。令編碼器線數為P，在一定測速時間T中脈沖個數為M個，檢測時鐘脈沖頻率為f，個數為m個，則可得到電機轉速的誤差：

(1)

步進電機這一特性使得調高模塊機械動作所需的空間最小化。步進電機調高模塊的簡化圖見圖3。

圖3 步進電機調高模塊結構圖Figure 3 Structure of height stepper motor drive

1.2.3 發射振子驅動電路 在以TL494芯片為核心的變頻電路的基礎上，改進設計了超聲波發射振子驅動器，圖4為逆變電路原理圖，采用全橋逆變電路，使用的是耐高壓的場效應管IRF840。這個模塊為發射振子提供足夠大的驅動能量，開關管IRF840可以提高驅動電路的可靠性。

1.2.4 其他硬件 使用MSP430F248自帶的A/D轉換模塊采集接受振子產生的信號；顯示部分使用的是12 864液晶屏，以減少裝置的成本；額定頻率為40kHz的振子對。

1.3 軟件系統設計

系統軟件設計的關鍵是數據的處理，在此基礎上是整體算法盡量簡潔。關鍵部分為：在控制核心MSP430F248寫入與裝置預處理數據對應的算法，尤其是特征聲波的閾值和頻率ω0，應以實際預處理為準；程序初始化后，等待數據處理的中斷命令；對數據進行卡曼濾波，裝入數組；積分算法還原采樣聲波；取出頻率為ω0的特征聲波的相關數據，存到另一個數組；大小比較，取出最大值作為特征聲波的幅值；閾值比較，進入循環顯示或再次檢測算法。軟件設計主要部分的工作流程圖見圖5。

2 特征閾值提取試驗與結果分析

超聲波注水肉無損檢測裝置通過超聲波接收振子、數據變換模塊、MSP430F248片內12位ADC獲得透過肉質的超聲波相關參數，控制核心利用這些數據組成聲波波譜，從而得到反映肉質含水情況的特征量值。ADC采樣頻率設為60MHz，采樣點1 200個，采樣時間為20μs。

2.1 對照組與試驗組的數據預處理

準備對照組，即正常肉，200g的牛羊豬肋骨附近肌肉豐厚的肉各5塊，并且切成15mm厚；準備試驗組，采用宰后直接注水法(一種市面常見的注水法)，利用針筒分3次注入總量為50mL的蒸餾水，3次注射的地方應該保持一定的距離且相隔2 min，使注入的蒸餾水在肉質中盡量分布均勻，以減小試驗樣品差異而造成的誤差。本研究首先要獲得透過對照組和試驗組肉質的超聲波數據，生成聲波譜。為獲得有效數據，控制核心寫入卡爾曼濾波算法，否則波形將如圖6(a)所示，很難分析。在預處理中，裝置與上位機實時通訊，上位機用Matlab進行統計計算。

圖4 超聲波發射驅動器電路圖Figure 4 Circuit of ultrasonic emission driver

圖5 軟件設計主要部分的工作流程圖Figure 5 Working flow chart of key software

類比數學積分法，還原超聲波波形。在采樣算法中，將采集的1個半波數據作為1次采樣，對每塊肉進行100次的采樣，得到100個半波。對比圖6(c)、(b)波形，發現試驗組和對照組的透過波形非常相近。

2.2 頻率分級特征提取

頻率分級即指通過對比透過正常肉和注水肉后的聲波頻率篩出注水肉。因對照組中牛羊豬肉的透過波形相近，本試驗在頻率分級分析中，僅以豬肉為研究對象，結果統計見圖7。由圖7可知，對照組和試驗組的半波頻率特性沒有太大差異，無法提取頻率分級特征。

2.3 特征半波的提取

聲波能量可由接收端電信號的波形面積間接反映，公式[11-13]為

圖6 部分波形結果Figure 6 Several waveform results

(2)

圖7 半波頻率特性直方圖Figure 7 Characteristic half wave frequency’s histogram

式中：

S——波形面積數；

f(t)——各時刻接收的電信號的電壓幅值，V；

t——采樣時刻，ms。

則接收振子對每塊肉每次檢測感應到的能量計算式為

(3)

式中：

Tn——第n個半波的周期(n范圍為1～100)，ms；

V(t)——實時采樣的幅值數據，V；

E——100個半波的面積和。

對預處理中對照組、試驗組透過各類肉的波形進行電信號面積計算求均值，結果見圖8。

s1、s2分別為透過試驗組和對照組羊肉后的電信號波形面積平均值圖8 各組肉類波形面積平均值Figure 8 Average value of various types of meat’s waveform area

由于水的注入，游離在細胞間的流動水增多，發生空化作用的水分增多，使得能量損耗增大，因此能量可以作為分級特征測出注水肉。

聲波的能量由介質的振動傳遞，可通過介質的振動算得，計算式為

W=ρμω2A2，

(4)

式中：

ρ——介質密度，g/cm3；

μ——波速，m/s；

ω——聲波頻率，kHz；

A——幅值，以測試指標確定單位，本研究以電壓信號為測試指標，V。

則采集的1個半波能量計算式為

(5)

式中：

Wn——第n個半波的能量；

ωm——Fourier分析后的第m次正弦波頻率，kHz；

Am——Fourier分析后的第m次正弦波幅值，V；

j——波的次數，為無窮量(一般取到7次)。

肉質物理化學特性保持不變，即ρ、μ保持不變，ωn不受肉質的含水率影響。透過注水肉與正常肉的超聲波信號的能量差可由電壓信號的面積差ΔWn確定，ΔWn為無綱量，抽象為函數式

(6)

ΔWn=W(An)-W(An+ΔAn)，

(7)

式中：

An——第n個半波的幅值，為對應Am的幾何平均值。

則整體的能量損失可表示為

(8)

由式(6)～(8)可知，半波的幅值能反映其能量變化的大小，可作為分級特征。使用振子1的情況下得表1數據，分析發現頻率為ω0(f3)的半波δ0幅值變化最為顯著，則取δ0為特征半波。另外，發現δ0的頻率是與接收發射振子的制作工藝是相關的(見圖9)，振子的工藝不同，δ0的頻率在ω0附近波動，因此ω0不能確定為常數，應以實際裝置預處理得到的數據為準。

表1 幅值變化幅度與頻率之間的關系Table 1 The relationship between amplitude and frequency

圖9 振子工藝對特征半波頻率的影響Figure 9 The influence of the vibrator’s craft on characteristic half wave’s frequency

2.4δ0幅值的特征閾值提取

增加3個試驗組，注水量為5，10，20 mL，根據市場情況，添加的試驗組有足夠代表性，用預處理的方法獲取聲波相關數據，求各組肉類的δ0聲波的幅值，結果見表2，幅值最小值見圖10。

經過數據分析發現牛羊豬注水肉的δ0的幅值不大于4.010 V。這三者的自然含水量為75%左右[14-16]，所以各方面數據相近。本文最終取δ0的幅值4.010 V為閾值，大于該值的為合格肉。同時，振子的制造工藝存在差異，閾值應以裝置實際預處理中的數據為準。

表2 特征半波δ0幅值的最小值與平均值Table 2 The minimum value and average value of special half wave amplitude

圖10 特征半波幅值的最小值Figure 10 The minimum amplitude of special acoustic wave

3 驗證實驗

為驗證裝置可靠性，取100，200，300，400，500 g的牛羊豬肉各兩塊，所取部位為肋骨附近肌肉豐富的肉，共30塊，切成15 mm厚，從各類肉中隨機取出兩塊，采用宰后直接注水法注入其質量2%～10%的蒸餾水，并做好標記，打亂順序后進行測試。重復3次。設定合格肉的特征半波δ0的幅值4.010 V為閾值，δ0幅值小于該值的肉即為注水肉。

測試結果表明(表3)，裝置正確率平均值為98.8%。由于噪音無法完全避免，所以存在漏判或誤判，以3次檢測的結果作為根據，判斷正確率達100%。

表3 分級測試結果Table 3 Statistics of grading test result

4 結論

本研究依據超聲波穿過含水率不同的肉質時能量具有差異性的原理，設計了以MSP430為控制器，具有便攜、快捷等優點的注水肉無損檢測裝置。以牛、羊、豬肉為試驗對象系生活中常見的肉類食品，具有較強的實用性，探究表征超聲波能量吸收差異的特征量。發現特征半波的頻率和肉質含水率的相關性微弱，而特征半波的幅值與含水率有很強的相關性，肉質含水率越高，對應的幅值越低，并確定特征半波的幅值閾值為4.010 V。試驗表明，在常溫下，裝置一次性檢測的正確率達98.8%。

由于本研究是針對市面上用宰后直接注水法制成的注水肉，所以該裝置不一定能檢測出用活禽灌水法和宰后血管注水法所制成的注水肉。后2種手段制成的注水肉的特點是注入的水多數存在于肉質的毛細血管中而不易向四周滲透，這與本研究注水肉內的水分分布特點有較大差異，所以后續試驗中樣品必須增加通過活禽灌水法和宰后血管注水法獲得的注水肉，提高裝置的識別能力和準確性。

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Ultrasonic nondestructive testing device for water-injected meat and extraction of feature threshold

(DepartmentofElectricalEngineeringandAutomationofNortheastAgriculturalUniversity,Harbin,Heilongjiang150030,China)

Targeting the water-injected meat issue and lack of the household inspective devices, developed a portable non-destructive ultrasonic inspective device on water-injected meat. Basing on the ultrasonic energy analysis, the final characteristic threshold is confirmed by analyzing characteristic values, like the characteristics of frequency, characteristic half-wave, andδ0amplitude, through related experiments. As the results imply, 4.010 V, the obtainedδ0amplitude of characteristic half-wave, is the final threshold. The nondestructive ultrasonic inspective device on water-injected meat reaches a high grading accuracy of 98.8%.

water-injected meat; nondestructive testing; ultrasonic; characteristic half-wave

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.04.014

陽晶，女，中南林業科技大學在讀碩士研究生。

李忠海(1960-)，男，中南林業科技大學教授，博士。 E-mail:lizh11@163.com

2017-03-06