基于虛擬儀器皮蛋無(wú)損分選系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林惠玲 洪儒哲

摘 ?要：皮蛋彈性是皮蛋品質(zhì)的重要指標(biāo)，研究壞皮蛋與好皮蛋由于彈性差異導(dǎo)致頻率變化具有重要意義。本檢測(cè)裝置首先對(duì)皮蛋分揀結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后利用labview程序、INY9824加速度傳感器、NI-USB-6251采集卡組成系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。應(yīng)用本檢測(cè)裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到皮蛋輸出的第16個(gè)數(shù)據(jù)在-91至-94之間可判斷為壞皮蛋，根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，完成皮蛋無(wú)損分選系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器;皮蛋;彈性;labview;無(wú)損分選

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）13-0001-04

Design of Nondestructive Sorting System for Preserved Eggs Based on

Virtual Instrument

LIN Huiling1， HONG Ruzhe2

（1. Xiamen Nanyang University， Xiamen ?361101， China; 2. Fujian University of Technology， Fuzhou ?350118， China）

Abstract： Preserved egg elasticity is an important index of preserved egg quality. It is of great significance to study the frequency change caused by the difference of elasticity between bad preserved egg and good preserved egg. Firstly， the detection device designs structure of preserved egg sorting， then a system composed by LabVIEW program， INY9824 acceleration sensor and NI-USB-6251 acquisition card is used for data acquisition. Using the detection device， the 16th data of preserved egg output obtained through experimental data analysis， which can be judged as bad preserved egg between –91 and –94. According to the experimental analysis results， the program is designed to complete the design of preserved egg nondestructive sorting system.

Keywords： virtual instrument; preserved egg; elasticity; labview; nondestructive sorting

0 ?引 ?言

皮蛋主要是利用其在堿性溶液中，蛋白質(zhì)凝膠變成富有彈性固體的原理制成。皮蛋的傳統(tǒng)加工工藝以及各種配方大同小異，大多采用純堿、食鹽、生石灰、茶葉、氧化鉛等按照一定的比例混合均勻后，再將鴨蛋按照不同的加工方法進(jìn)行處理，一定溫度下一定時(shí)間后蛋白在堿液中逐漸變稠，凝固成富有彈性的固體后即為皮蛋[1]。

皮蛋在我國(guó)具有悠久的加工歷史，但長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)一直采用傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式和加工工藝，設(shè)備簡(jiǎn)陋，生產(chǎn)工藝無(wú)法控制，效率不高，質(zhì)量不穩(wěn)定[2]。近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究者采用多種形式對(duì)皮蛋好壞進(jìn)行檢測(cè)，如陳遠(yuǎn)哲等采用近紅外光譜檢測(cè)凝膠情況甄別皮蛋好壞[3]，葛一凡等利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法測(cè)定蛋殼的含鉛值甄別皮蛋好壞[4]，黃郁杰等采用絡(luò)合滴定法與原子吸收光譜法測(cè)定皮蛋中的鉛含量判斷皮蛋好壞[5]，但是利用皮蛋的彈性特點(diǎn)進(jìn)行甄選的方式研究比較少。本文結(jié)合皮蛋的形狀特征設(shè)計(jì)分選整體結(jié)構(gòu)，利用labview程序、INY9824加速度傳感器、NI-USB-6251采集卡組成皮蛋無(wú)損分選系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有助于實(shí)現(xiàn)皮蛋自動(dòng)化生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

1 ?分選系統(tǒng)總體方案

好的皮蛋內(nèi)部是具有彈性的，壞的皮蛋內(nèi)部則是液化成水的[6]，因此掉落時(shí)的振動(dòng)信號(hào)的差異必然會(huì)不一樣[7]，我們可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定其頻率差異，并根據(jù)好壞皮蛋各自的頻率范圍做出分選。本測(cè)試系統(tǒng)首先根據(jù)皮蛋的形狀設(shè)計(jì)傳輸裝置，為了保證每一次只檢測(cè)到一個(gè)皮蛋，在傳輸過(guò)程中對(duì)皮蛋進(jìn)行隔開(kāi)，然后利用自重的原理讓被檢測(cè)的皮蛋進(jìn)入檢測(cè)裝置，通過(guò)檢測(cè)裝置中的傳感器獲得振動(dòng)的數(shù)據(jù)，接著又將采集到的數(shù)據(jù)傳入上位機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，繼而得到好皮蛋與壞皮蛋數(shù)據(jù)區(qū)間，最后根據(jù)壞皮蛋的數(shù)據(jù)進(jìn)行程序編程設(shè)計(jì)出分選的系統(tǒng)。具體分選流程如圖1所示。

2 ?分選系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

皮蛋分選機(jī)械結(jié)構(gòu)的作用就是將被檢皮蛋傳送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因此在實(shí)驗(yàn)之前必須對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在整個(gè)皮蛋分選機(jī)構(gòu)中要設(shè)計(jì)的非標(biāo)零件有：傳輸通道、傳輸通道支承（兩種高度）、盛蛋器、箱體、彈簧固定件、箱體支架、檢測(cè)用彈簧上的平板等。

為了使實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)便易行，在傳輸過(guò)程中采用傾斜的輸送通道，結(jié)合皮蛋本身橢圓形狀，利用高度差讓皮蛋一個(gè)接著一個(gè)地滾落，將皮蛋勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，由于皮蛋滾落速度帶來(lái)很大的動(dòng)能，這時(shí)系統(tǒng)就可以省去動(dòng)力裝置。其次實(shí)驗(yàn)每一次只能對(duì)一個(gè)皮蛋進(jìn)行測(cè)試，為了保證每一次只檢測(cè)到一個(gè)皮蛋，要求箱體上的盛蛋器能左右移動(dòng)，如果采用電機(jī)帶動(dòng)的話(huà)，整個(gè)皮蛋分選機(jī)有三個(gè)不同的動(dòng)作，則需要三個(gè)電機(jī)，再加上電機(jī)輸出的動(dòng)作是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而我們所要的動(dòng)作是左右移動(dòng)，為了把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)則需要滾珠絲桿螺母作為轉(zhuǎn)換件，這種方案性?xún)r(jià)比低，故不宜采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。而液壓傳動(dòng)的優(yōu)勢(shì)主要在于能夠輸出較大的壓力，氣壓傳動(dòng)的主要優(yōu)勢(shì)在于價(jià)格較低。綜合考慮到三個(gè)動(dòng)作所要施加的力均小于10N，這時(shí)可以用氣缸來(lái)帶動(dòng)，通過(guò)PLC控制氣壓系統(tǒng)中的氣缸移動(dòng)，帶動(dòng)盛蛋器的移動(dòng)。

圖2為皮蛋分選機(jī)總體結(jié)構(gòu)，皮蛋可以通過(guò)傳輸通道1自行滾落到2中。2是盛蛋器，它是有兩個(gè)空格的空心殼體，每個(gè)空格只能容納1個(gè)皮蛋進(jìn)入。3是使2左右動(dòng)作控制桿，從而將皮蛋分隔開(kāi)，讓皮蛋掉入箱體4中，當(dāng)皮蛋掉落到箱體底部傳感器5上即可獲得振動(dòng)的數(shù)據(jù)。彈簧6保證傳感器與板能自由振動(dòng)，從而采集到真實(shí)數(shù)據(jù)，最后將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)采集卡7傳輸?shù)缴衔粰C(jī)8中。

3 ?分選系統(tǒng)測(cè)試軟件

分選測(cè)試軟件系統(tǒng)由Labview程序、INY9824加速度傳感器、NI-USB-6251采集卡組成。系統(tǒng)首先收集松花蛋與硬化皮蛋掉落時(shí)的頻率數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)收集到的頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出壞皮蛋的數(shù)據(jù)區(qū)間。

3.1 ?信號(hào)采集程序設(shè)計(jì)

加速度傳感器是利于壓電敏感元件的壓電效應(yīng)得到與振動(dòng)或者壓力成正比的電荷量或者電壓量，而vi采集的數(shù)據(jù)種類(lèi)多樣，因此實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前要把labview程序中的vi設(shè)置為電壓類(lèi)型。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)無(wú)物體落下時(shí)的電壓幅值不超過(guò)2 V，而有物體落下時(shí)電壓值會(huì)超過(guò)2 V。根據(jù)這個(gè)結(jié)論對(duì)實(shí)時(shí)電壓幅值進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)電壓值大于2時(shí)說(shuō)明有物體掉落，此時(shí)顯示波形并給予保存。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，對(duì)保存的波形圖峰值和相位比較，發(fā)現(xiàn)好皮蛋和壞皮蛋的電壓波形圖并無(wú)明顯區(qū)別。這時(shí)把波形圖通過(guò)傅立葉變換轉(zhuǎn)化為頻譜圖，同時(shí)對(duì)頻譜圖進(jìn)行濾波，最后可以得到清晰的頻譜圖。但是在頻譜圖上難以看出具體的數(shù)值、位置，考慮到系統(tǒng)要能以80%以上的正確率甄選出壞皮蛋，此時(shí)需要再加點(diǎn)vi，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出并寫(xiě)入Excel，從而使得每個(gè)表格中都有一組好的皮蛋的數(shù)據(jù)和一組壞的皮蛋的數(shù)據(jù)。具體信號(hào)采集程序如圖3所示。

3.2 ?數(shù)據(jù)獲取方式與分析

為了采集好、壞皮蛋掉落數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)分別采用在高8 cm時(shí)海綿替代彈簧、高8 cm時(shí)泡沫替代彈簧和高9 cm時(shí)泡沫替代彈簧三種形式分別進(jìn)行10次實(shí)驗(yàn)，然后把采集到數(shù)據(jù)輸入到Excel中做出折線(xiàn)圖，其中圖4是高度8 cm時(shí)海綿替代彈簧隨機(jī)三次所得數(shù)據(jù)折線(xiàn)圖;圖5是高度8 cm時(shí)泡沫替代彈簧隨機(jī)三次所得數(shù)據(jù)折線(xiàn)圖;圖6是高度9 cm時(shí)泡沫替代彈簧隨機(jī)三次所得數(shù)據(jù)折線(xiàn)圖。

通過(guò)折線(xiàn)圖發(fā)現(xiàn)，海綿替代彈簧所得好壞皮蛋數(shù)據(jù)區(qū)別不明顯，而泡沫替代彈簧所獲得的數(shù)據(jù)中，無(wú)論是高度8 cm的數(shù)據(jù)還是高度9 cm的數(shù)據(jù)都能發(fā)現(xiàn)自第13個(gè)至19個(gè)數(shù)據(jù)，好皮蛋的值都會(huì)高于壞皮蛋。查看原始數(shù)據(jù)，分別取高度8 cm和9 cm的第16個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。具體數(shù)值如表1、表2所示。

經(jīng)過(guò)“濾波”“快速傅立葉變換”“頻譜測(cè)量”等vi后，輸出的數(shù)據(jù)是一個(gè)簇。經(jīng)過(guò)解除捆綁后，可以得到幅值組成的數(shù)組，實(shí)驗(yàn)用以判斷的數(shù)據(jù)是幅值數(shù)組中的第16位數(shù)，由于每次測(cè)量的f0與df是相同的，因而測(cè)量得到的第16位數(shù)據(jù)所在的頻率大小是相同的，故而這個(gè)設(shè)置是可行的。

為避免偶然因素導(dǎo)致的數(shù)據(jù)偏差，將得到的每一組數(shù)據(jù)的最大、最小值去除，即將表格中的加粗?jǐn)?shù)值去除。查看剩下的數(shù)值，能發(fā)現(xiàn)8 cm高度的系列1數(shù)據(jù)普遍比系列2的數(shù)據(jù)小3個(gè)單位以上，而9 cm高度的系列1數(shù)據(jù)普遍比系列2的數(shù)據(jù)小1個(gè)單位以上。

據(jù)此，此次皮蛋分選機(jī)的設(shè)計(jì)中，所選用的彈簧可用k值與泡沫相同的彈簧，即k=5 500 N/m，高度為8 cm。判斷依據(jù)為所得到的頻譜圖的第16個(gè)數(shù)據(jù)的值。

3.3 ?分選程序設(shè)計(jì)

皮蛋分選程序設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)把內(nèi)部已經(jīng)液化的皮蛋挑選出來(lái)，實(shí)驗(yàn)采用k=5 500 N/m，高度8 cm的數(shù)據(jù)，輸出數(shù)值可與-91～-94之間的數(shù)值做比較。當(dāng)輸出數(shù)據(jù)小于該值時(shí)，就可判斷該皮蛋是好的皮蛋，此時(shí)輸出數(shù)字1到PLC中。如果輸出數(shù)值大于該值，則判斷該皮蛋為硬化了的皮蛋，輸出數(shù)字0到PLC中。由于我們輸出的數(shù)據(jù)是在電腦端，為了把數(shù)據(jù)傳送到PLC中，這時(shí)需要借助“VISA”軟件結(jié)構(gòu)，它是計(jì)算機(jī)與儀器的標(biāo)準(zhǔn)軟件通信接口，計(jì)算機(jī)可以通過(guò)它來(lái)控制儀器[7]。

頻譜圖的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)“解除捆綁”和“索引數(shù)組”后，得到第16位的數(shù)值。將該數(shù)值與-93比較，后接“條件結(jié)構(gòu)”，比較結(jié)果正確時(shí)，輸出數(shù)值1;比較結(jié)果錯(cuò)誤，則輸出數(shù)值0。具體的程序如圖7所示。

4 ?結(jié) ?論

本系統(tǒng)采用了labview軟件和借助于“VISA”軟件結(jié)構(gòu)，以更有效、更簡(jiǎn)單的方式獲得好、壞皮蛋的數(shù)據(jù)，并根據(jù)好、壞皮蛋數(shù)據(jù)的差異進(jìn)行分選結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效解決了傳統(tǒng)檢測(cè)帶來(lái)的局限性，對(duì)皮蛋自動(dòng)化生產(chǎn)有著現(xiàn)實(shí)意義。

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作者簡(jiǎn)介：林惠玲（1987—），女，漢族，福建漳州人，講師，本科，研究方向：機(jī)電。