榨菜自動(dòng)包裝真空度在線檢測(cè)方法研究

李 冬

(無(wú)錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 宜興 214206)

塑料袋真空包裝是食品行業(yè)中廣泛存在的一種包裝方式，其中榨菜包裝內(nèi)真空度與食品的保質(zhì)期之間關(guān)系緊密[1]。在塑料袋真空包裝過(guò)程中各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)均存在使包裝袋出現(xiàn)破損，導(dǎo)致包裝內(nèi)無(wú)法形成真空，或使包裝袋內(nèi)真空度下降的情況[2]。榨菜包裝內(nèi)真空度與包裝內(nèi)壓有關(guān)，對(duì)于真空度的檢測(cè)可通過(guò)內(nèi)壓測(cè)定的方法來(lái)判定，常見(jiàn)的內(nèi)壓測(cè)定法主要有基于內(nèi)外表面壓力測(cè)定的壓差法、以電渦流傳感技術(shù)為基礎(chǔ)的電渦流測(cè)壓法以及聲學(xué)測(cè)壓法[3,4]。壓差法是通過(guò)利用真空表來(lái)直接進(jìn)行榨菜包裝內(nèi)真空度檢測(cè)的方法，屬于一種破壞性檢測(cè)方法。

榨菜塑料包裝是一種非金屬材料，無(wú)法采用電渦流的方法進(jìn)行檢測(cè)，因此對(duì)于塑料袋真空包裝的檢測(cè)需采用聲學(xué)的方法進(jìn)行。榨菜包裝的自然振動(dòng)頻率與榨菜包裝內(nèi)的壓力大小相關(guān)，可通過(guò)聲學(xué)技術(shù)的方法來(lái)檢測(cè)榨菜包裝的真空度[5]。

采用聲學(xué)方法進(jìn)行真空度檢測(cè)時(shí)，對(duì)榨菜包裝外表面施加外力，使外表面發(fā)生振動(dòng)，產(chǎn)生聲音，通過(guò)對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生的聲音信號(hào)進(jìn)行聲音頻譜峰值分析處理，根據(jù)聲音頻譜峰值的振動(dòng)頻率來(lái)判斷榨菜包裝內(nèi)的真空度。

本文通過(guò)采用一種聲學(xué)陣列檢測(cè)的方法，來(lái)進(jìn)行榨菜包裝真空度檢測(cè)，通過(guò)采用陣列布置的麥克風(fēng)采集混合聲音信號(hào)，進(jìn)行稀疏矩陣分解，剝離出不含噪音的振動(dòng)聲音信號(hào)，采用聲音頻譜峰值來(lái)進(jìn)行真空度檢測(cè)[6]。

1 榨菜包裝方式

榨菜生產(chǎn)完成后，為了延長(zhǎng)榨菜的質(zhì)保，保證榨菜的新鮮程度，榨菜包裝需采用一種無(wú)菌包裝的方式，即在無(wú)菌環(huán)境下進(jìn)行榨菜殺菌處理，并進(jìn)行密封包裝。在包裝過(guò)程中，大氣中的氧氣促進(jìn)細(xì)菌及微生物的繁殖，因此需對(duì)榨菜包裝中的氧氣進(jìn)行控制，或使榨菜包裝袋內(nèi)達(dá)到真空狀態(tài)。

常見(jiàn)的榨菜包裝方式主要有罐裝抽真空包裝、袋裝抽真空包裝、罐裝充氣體包裝、袋裝充氣體包裝。充氣體包裝是在包裝時(shí)對(duì)包裝罐或袋內(nèi)充入惰性氣體；抽真空包裝是在包裝時(shí)對(duì)包裝罐或袋內(nèi)的氣體物質(zhì)進(jìn)行抽取，降低包裝腔體內(nèi)的氧氣含量，兩種包裝方式的目的均是為了抑制包裝腔體內(nèi)的細(xì)菌繁殖生長(zhǎng)。其中以抽真空袋裝的方式最為普遍，幾種榨菜常見(jiàn)包裝方式對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 榨菜包裝方式對(duì)比Table 1 Comparison of packaging methods of mustard tuber

2 榨菜包裝真空度檢測(cè)

2.1 真空度檢測(cè)原理

2.2 真空度檢測(cè)方案

在進(jìn)行榨菜包裝袋真空度檢測(cè)時(shí)，由于包裝袋振動(dòng)原因，在其表面可采集到聲音信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得出聲音信號(hào)的振動(dòng)頻譜，根據(jù)聲音信號(hào)振動(dòng)頻譜峰值振動(dòng)頻率來(lái)判斷包裝袋內(nèi)的真空度[7,8]。榨菜包裝袋在靜音環(huán)境內(nèi)進(jìn)行聲學(xué)真空度檢測(cè)時(shí)的聲音信號(hào)和傅里葉變換后的頻譜圖見(jiàn)圖1。

(a)聲音信號(hào)

由圖1可知，通過(guò)聲音信號(hào)和聲音頻譜的峰值可明顯進(jìn)行包裝袋真空度辨識(shí)。但是由于生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，噪音隨處存在，部分噪音的振動(dòng)頻段與包裝袋自身的振動(dòng)頻段非常接近。導(dǎo)致采用聲音頻譜峰值進(jìn)行真空度檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)誤判現(xiàn)象，混有噪音的聲音信號(hào)及傅里葉變換頻譜圖見(jiàn)圖2。

(a)聲音信號(hào)

3 榨菜包裝真空度檢測(cè)方案優(yōu)化

由于無(wú)法避免噪音，因此直接進(jìn)行聲音分析來(lái)辨識(shí)真空度時(shí)，存在誤判現(xiàn)象。一種采用麥克風(fēng)陣列來(lái)進(jìn)行榨菜包裝袋真空度在線檢測(cè)系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 真空度在線檢測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.3 The schematic diagram of on-line detection system of vacuum degree

光電傳感器檢測(cè)傳輸帶上有待檢測(cè)榨菜包裝袋時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出電磁信號(hào)指令，電磁探頭向包裝袋施加電磁外力，使榨菜包裝袋產(chǎn)生振動(dòng)，發(fā)出聲音。麥克風(fēng)矩陣采集聲音信號(hào)，并將聲音信號(hào)傳輸至控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分析模塊對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行剝離，獲取不含噪音的聲音信號(hào)，進(jìn)行傅里葉變換，根據(jù)聲音頻譜峰值來(lái)進(jìn)行榨菜包裝袋真空度辨識(shí)[9]。

4 檢測(cè)數(shù)據(jù)算法分析

利用聲學(xué)法進(jìn)行真空度在線檢測(cè)時(shí)，采用一種稀疏型半非負(fù)矩陣分解的方法進(jìn)行聲音剝離。對(duì)于真空度在線檢測(cè)系統(tǒng)中的聲音混合模型可以表示為：

X=FG=[f1,f2，…，fx][x1(t),x2(t),…,xm(t)]。

式中：xm(t)表示第m路聲音信號(hào)，t=1,2,…,N表示聲音信號(hào)長(zhǎng)度，fk表示第k個(gè)聲音信號(hào)源。在榨菜真空度在線檢測(cè)系統(tǒng)當(dāng)中m=4且k≤m。G為聲音混合矩陣，且G≥0，聲音信號(hào)為時(shí)變信號(hào)，因此聲音混合模型X為半非負(fù)矩陣分解數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行聲音信號(hào)剝離時(shí)，可采用半非負(fù)矩陣求解的方法來(lái)獲取不含噪音的聲音信號(hào)。

榨菜包裝袋振動(dòng)聲音是一種頻率較集中的聲音信號(hào)，可進(jìn)行稀疏處理。為改善聲音信號(hào)剝離的效果，可通過(guò)對(duì)半非負(fù)矩陣分解施加稀疏約束的方法。因此可得：

X=FSG=[f1,f2，…，fk]S[x1(t),x2(t),…,xm(t)]。

采用迭代優(yōu)化的方法對(duì)稀疏半非負(fù)矩陣進(jìn)行求解，可得：

對(duì)矩陣F，G進(jìn)行迭代更新，當(dāng)θ=0.5，迭代次數(shù)為100次或者Г(F,G)<10-4時(shí)，迭代停止。

5 包裝真空度檢測(cè)試驗(yàn)

在進(jìn)行榨菜包裝真空度檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)，對(duì)于真空度辨識(shí)的方式見(jiàn)表2。

表2 真空度辨識(shí)方式Table 2 The identification method of vacuum degree

5.1 無(wú)噪音環(huán)境下檢測(cè)試驗(yàn)

隨機(jī)抽取榨菜包裝袋，在隔音環(huán)境下進(jìn)行檢測(cè)，采用4路麥克風(fēng)陣列進(jìn)行聲音信號(hào)采集，并對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到聲音信號(hào)頻譜圖。合格品檢測(cè)時(shí)，4路麥克風(fēng)陣列聲音信號(hào)及頻譜圖見(jiàn)圖4。通過(guò)無(wú)噪音試驗(yàn)檢測(cè)，可判定榨菜包裝真空度合格時(shí)，對(duì)應(yīng)的聲音頻譜峰值頻率為 1450～1700 Hz。

(a)1#聲音信號(hào)

5.2 噪音環(huán)境下檢測(cè)試驗(yàn)

采用循環(huán)播放音樂(lè)的方式模擬噪音環(huán)境，進(jìn)行噪音環(huán)境下的榨菜包裝袋真空度檢測(cè)。隨機(jī)抽取榨菜包裝袋進(jìn)行真空度檢測(cè)，對(duì)麥克風(fēng)采集到的聲音信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到聲音信號(hào)頻譜圖。噪音環(huán)境下檢測(cè)時(shí)，4路麥克風(fēng)陣列聲音信號(hào)及頻譜圖見(jiàn)圖5。

(a)1#聲音信號(hào)

由圖5可知，噪音干擾后，聲音頻譜峰值的頻率均不在合格品對(duì)應(yīng)的聲音頻譜峰值頻率范圍內(nèi)，由此可以判定在噪音環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)時(shí)，直接對(duì)含有噪音的聲音信號(hào)進(jìn)行頻譜峰值分析，會(huì)造成真空度檢測(cè)誤判。因此，在噪音環(huán)境中進(jìn)行真空度檢測(cè)時(shí)，首先需對(duì)含有噪音的聲音信號(hào)進(jìn)行剝離，然后通過(guò)聲音頻譜峰值分析。對(duì)含有噪音的聲音信號(hào)進(jìn)行稀疏型半非負(fù)矩陣分解處理，剝離噪音，得到的不含噪音聲音信號(hào)及頻譜圖見(jiàn)圖6。

(a)1#去噪聲音信號(hào)

由圖6可知，4#麥克風(fēng)所采集到的聲音信號(hào)經(jīng)過(guò)去噪音處理后，進(jìn)行聲音頻譜峰值分析，其頻率范圍在真空度合格范圍內(nèi)。根據(jù)表2規(guī)定的真空度合格辨識(shí)方式，當(dāng)麥克風(fēng)陣列中，有1路檢測(cè)合格時(shí)，判定榨菜包裝真空度檢測(cè)合格。

6 結(jié)論

采用聲學(xué)方法進(jìn)行真空度檢測(cè)時(shí)，當(dāng)榨菜包裝袋振動(dòng)頻率與噪音頻段接近并發(fā)生干擾時(shí)，采用聲音頻譜峰值進(jìn)行真空度識(shí)別時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤判現(xiàn)象，此時(shí)采用稀疏型半非負(fù)矩陣分解的方法進(jìn)行聲音剝離，去除聲音信號(hào)中的噪音，并進(jìn)行聲音頻譜峰值分析，可對(duì)真空度的辨識(shí)做出準(zhǔn)確判斷。