一種聲音信號判斷雞蛋裂縫系統(tǒng)設(shè)計*

馬衛(wèi)東，于亞萍※，張櫻飄，李留安，趙 喆

（1.天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，天津 300384；2.天津農(nóng)學(xué)院動物醫(yī)學(xué)與動物科學(xué)學(xué)院，天津 300384；3.金洼農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司，天津 300273）

0 引言

雞蛋是受大眾歡迎的食品之一，其具有人體需要的豐富營養(yǎng)物質(zhì)。對雞蛋等級的評價一般有大小、新鮮度、完整和清潔度。雞蛋蛋殼具有保護蛋白、蛋黃的作用，但蛋殼容易在遭受碰撞后產(chǎn)生破損。蛋殼即使破損微小的裂縫，蛋殼上或周圍的微生物也會迅速污染蛋殼內(nèi)，加速雞蛋內(nèi)部的腐壞，會嚴(yán)重影響消費者的個人健康。雞蛋是否有裂縫，是判斷雞蛋的重要品質(zhì)指標(biāo)之一，因此，在雞蛋售賣前，進行無損檢測，剔除有裂縫的雞蛋是非常重要的一步[1-2]。

國內(nèi)外對雞蛋破損檢測研究主要集中在3種方法。

（1）機器視覺技術(shù)。通過圖像采集蛋殼數(shù)據(jù)，對圖像進行處理，然后通過建立數(shù)學(xué)模型進行分析判斷[3]。但是，圖像檢測易受禽蛋蛋殼顏色影響，且不易快速、動態(tài)進行檢測。

（2）動力學(xué)特性技術(shù)。利用動力學(xué)特性來檢測雞蛋是否破損是根據(jù)敲擊雞蛋表面使其振動，通過采集雞蛋的振動信號來判別雞蛋是否破損[4-5]。

（3）聲學(xué)特性技術(shù)。蛋殼破損后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)便隨之遭到破壞。破損后蛋殼的聲學(xué)特性與破損前相比有十分明顯的差別[6-9]。敲擊完好的雞蛋，發(fā)出的聲音比較清脆；敲擊有裂紋的雞蛋，發(fā)出的聲音比較沉悶。

本設(shè)計主要是應(yīng)用聲學(xué)特性規(guī)律，設(shè)計了一套判斷雞蛋是否有裂縫的測試系統(tǒng)，通過敲擊雞蛋，將發(fā)出的聲音進行采集，通過Matlab 對采集的數(shù)據(jù)進行分析，實現(xiàn)對裂縫蛋和完好蛋的判別。

1 系統(tǒng)組成

整個系統(tǒng)主要由敲擊裝置、聲音采集裝置、數(shù)據(jù)采集卡、LabVIEW 人機接口界面和Matlab 軟件分析，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

敲擊裝置主要完成對每個雞蛋的敲擊，敲擊頭和敲擊棒是一體的，設(shè)計后通過3D打印機采用PLA（聚乳酸）材料將敲擊棒打印出來，該材料重量輕，敲擊發(fā)聲清晰，且不會對雞蛋造成損害，敲擊的角度固定30°。敲擊的位置在蛋小頭位置，蛋托上放置雞蛋，固定敲擊棒與雞蛋的距離。蛋托的另一端固定微音器及放大電路，將敲擊的聲音放大，然后通過數(shù)據(jù)采集傳送到上位機，上位機的LabVIEW軟件編寫人機交互界面，采集數(shù)據(jù)和波形[10]，將采集到的數(shù)據(jù)通過Excel 存儲，截取有用數(shù)據(jù)后，利用Matlab軟件進行多變量數(shù)據(jù)分析。

圖2 測試系統(tǒng)實物圖

2 數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)分析

2.1 數(shù)據(jù)采集程序

數(shù)據(jù)采集卡選用NI USB-6211，12 位精度，輸入電壓范圍為-10～10V，結(jié)合NI-DAQmx 設(shè)備驅(qū)動程序完成數(shù)據(jù)測量。首先創(chuàng)建一個模擬電壓輸入的虛擬通道，采用DAQmx Create Virtual Channel 模塊，接線端的配置設(shè)定為“單端接地”。通過定時模塊DAQmx Timing.vi對信號的采樣率、采樣數(shù)和采樣模式進行設(shè)定。系統(tǒng)采樣率為2000 S/s，采樣模式為“有限采樣”；每個通道采樣數(shù)設(shè)定為1024。DAQmx Start Task.vi 來啟動模擬輸入任務(wù)。然后從指定的虛擬通道和任務(wù)中讀取采樣值通過DAQmx Read.vi 來實現(xiàn)，測量完成后，通過DAQmx Stop Task.vi 模塊來停止測試，并由DAQmx Clear Task.vi 來消除任務(wù)，釋放任務(wù)占有的資源[11]。LabVIEW 上位機將測試圖形數(shù)據(jù)存儲到EXCEL文件中，為后續(xù)Matlab進行多變量數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集程序如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集程序框圖

2.2 數(shù)據(jù)測試

對60個雞蛋進行測試，其中完好雞蛋30個，破損雞蛋30個。每一個樣品采集1024個數(shù)據(jù)。形成60 （樣品數(shù)）×1024（數(shù)據(jù)點）的矩陣。為了保證數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，根據(jù)測試圖形的結(jié)果，去除部分無用數(shù)據(jù)。因為裝置敲擊雞蛋時聲音幅度變化大，因此通過先求出聲音幅值的最大值，然后截取最大值的前50 個數(shù)據(jù)和后面的150 個數(shù)據(jù)，共得出60（樣品數(shù)）×201（數(shù)據(jù)點）進行分析。

圖4 數(shù)據(jù)測試平臺

2.3 數(shù)據(jù)分析

圖5 主成分大小

對截取后的有用數(shù)據(jù)矩陣進行分析，其主成分大小如圖5所示，前3個主成分分別占22.1%、20.8%和9.2%。因此，根據(jù)主成分1、主成分2、主成分3 畫出完好雞蛋與裂縫蛋的得分圖如圖6所示。圖中，五角星為裂縫蛋，星花“”為完好雞蛋，還可以看出，完好雞蛋主要集中在PC1＞-1 部分，而裂縫雞蛋集中在PC1＜-1 部分；在PC2 上，完好雞蛋主要集中在[-2，-4]之間；在PC3上，區(qū)分度不大。有3個裂縫雞蛋和5個完好雞蛋在得分圖上混合在一起，無法區(qū)分。

圖6 完好雞蛋和裂縫雞蛋得分圖

3 結(jié)束語

雖然有裂縫的雞蛋和完好雞蛋在雞蛋敲擊產(chǎn)生聲音上有所區(qū)別，根據(jù)縫隙的大小和縫隙所在位置的不同等因素，敲擊獲取聲音的結(jié)果不同。根據(jù)圖6所示的得分圖，裂縫蛋和完好雞蛋之間通過聲音敲擊有一定的識別度，通過單次敲擊獲取的信息識別度偏低。采用一個聲音信號進行數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)辨識度低，接下來準(zhǔn)備對蛋中、雞蛋大頭、雞蛋小頭進行敲擊檢測，采用信息融合技術(shù)進行識別，提高其識別度。