發(fā)布時間：2018-05-22 14:27

  本文選題：激光多普勒 + 梨��； 參考：《浙江大學》2016年博士論文

【摘要】：梨果產(chǎn)業(yè)是我國的第三大果品產(chǎn)業(yè),隨著科技進步和人民生活水平不斷提高,人們對于水果的品質(zhì)要求越來越高。水果質(zhì)地,反應了水果流變學和結構學上的屬性,是評價水果品質(zhì)一項關鍵指標。梨是一種呼吸躍變型水果,在成熟過程中不斷軟化。準確地檢測梨的質(zhì)地,對于確定適宜的收獲期、采后保存、評估最佳食用期、產(chǎn)品分級以及相關果品加工機械設計等都具有重要意義。水果質(zhì)地的感官評價存在主觀性過強、人與人之間差異大、檢測有損、人力成本較高等缺點。傳統(tǒng)的儀器檢測方法也存在檢測有損、檢驗率低、費時費力并造成大量浪費等缺點。因此,有必要找到一種無損的檢測方法實現(xiàn)梨的質(zhì)地檢測�，F(xiàn)有的水果質(zhì)地無損檢測研究中,聲學振動檢測法是最為常用的檢測方法。傳統(tǒng)的振動測量方法需要把加速度傳感器附著于待測物體表面,這種接觸式的安裝方式會破壞原有的振動狀態(tài),甚至在許多場合無法應用,因此限制了它的應用范圍。而激光多普勒測振技術作為一種非接觸式測量方法,具有精度高、動態(tài)響應快、測量范圍大、不受環(huán)境噪聲影響等優(yōu)點,對檢測振幅微小的振動也很有效,其特點滿足了水果振動測量的需要。本研究綜合利用機械振動學、傳感技術、信號分析處理技術和化學計量學等多領域技術手段,以梨為研究對象,研究激光多普勒測振技術用于梨的質(zhì)地無損檢測方法。首先,本研究搭建了一套基于激光多普勒測振技術的水果振動特性檢測平臺。其次,進行梨的動力學分析,采用有限元諧響應分析模擬梨在振動臺上的振動情況,為激光多普勒測振檢測法測試水果的振動特性提供理論依據(jù)。然后,基于該檢測平臺,分別研究在掃頻振動方式和沖擊振動方式下梨質(zhì)地的無損檢測方法,并比較了不同建模方式下預測模型的結果。本研究的目的在于證明利用激光多普勒測振技術用于梨質(zhì)地無損檢測的可行性,建立基于激光多普勒測振技術的梨質(zhì)地無損檢測方法體系,為研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的梨質(zhì)地無損檢測儀器和檢測線提供方法依據(jù)。主要研究結果和結論為：(1)搭建了基于激光多普勒測振技術的水果振動特性檢測平臺,并對掃頻振動方式下的檢測參數(shù)進行優(yōu)化。該檢測平臺包括振動控制系統(tǒng)、振動信號采集系統(tǒng)和信號分析軟件3部分組成。結果表明：1)不同掃頻方式、掃頻速率和定振加速度幅值下頻率響應曲線的可重復性較好,但是在不同擺放姿態(tài)和激光多普勒測振儀檢測點下頻率響應曲線的可重復性較差；2)無論何種檢測條件,第二共振頻率五具有良好的可重復性,800、1200和1600 Hz處相移P800、P1200和P1600具有較好的可重復性；3)通過帶交互作用的三因素三水平正交試驗,最終確定較優(yōu)的檢測條件組合是：線性掃頻方式,掃頻速率1400 Hz/min,定振加速度幅值1g和擺放姿態(tài)正放。(2)采用基于圖像處理的方式建立的梨的三維幾何模型,并采用有限元諧響應分析,進行了梨的動力學分析。結果表明：1)基于模態(tài)頻率的有限元模型修正方法得到的共振頻率與用激光多普勒測振檢測法得到的實測結果基本一致,說明有限元諧響應分析用于模擬梨在振動臺上的受迫振動是可行的；2)梨在第二到第五階共振頻率正巧對應4個振型均沒有發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形,發(fā)生的變形均是在水平和豎直方向上的拉壓變形,并且最大形變出現(xiàn)在果梗端和花萼端,因此利用激光多普勒測振檢測法檢測這4個模態(tài)時,果梗端和花萼端是檢測的較優(yōu)位置；3)梨的共振頻率的影響因素中,彈性模量與共振頻率呈正相關關系,密度、泊松比、質(zhì)量和高徑比與共振頻率呈負相關關系,其中密度和泊松比對共振頻率的影響較小。(3)研究了梨在貯藏過程中掃頻振動方式下的振動特性和質(zhì)地特性的變化情況。結果表明：1)振動特征參數(shù)中,彈性系數(shù)EI隨貯藏時間逐漸減小,相移隨貯藏時間逐漸增大,而共振頻率處幅值無明顯變化規(guī)律；2)質(zhì)地指標中,MT硬度、果肉硬度和果肉彈性率在貯藏過程中總體上均隨時間逐漸降低,但果肉彈性率變化更為平穩(wěn)且靈敏性更優(yōu)。研究了不同品種梨的振動特征參數(shù)與質(zhì)地指標的相關性。結果表明：1)去皮和帶皮兩種測試情況下得到的質(zhì)地指標與振動特征參數(shù)的相關系數(shù)并沒有明顯的差別和規(guī)律；2)質(zhì)地指標中,果肉彈性率與振動特征參數(shù)的相關性最好,而MT硬度與振動特征參數(shù)的相關性受到梨品種的影響；3)振動特征參數(shù)中,彈性系數(shù)EI與果肉彈性率相關性最好,相移次之,而共振頻率處幅值與質(zhì)地指標基本不存在相關性。比較了激光多普勒測振檢測法與傳統(tǒng)的M-T戳穿試驗法。結果表明：激光多普勒測振檢測法不僅能反映梨的質(zhì)地特性,而且比傳統(tǒng)方法的可重復性和靈敏性更好。(4)對果肉彈性率進行了定量分析。在剔除振動信息異常樣本和濃度異常樣本的基礎上,采用一元線性回歸和逐步多元線性回歸建立了梨的質(zhì)地預測模型,并提出一種基于果形修正的建模方法,結果表明：1)逐步多元線性回歸模型優(yōu)于一元線性回歸模型；2)引入描述果形的指標—高徑比,可以提高模型的精度和預測能力,逐步多元線性回歸模型引入高徑比修正后,校正集相關系數(shù)(rc)從0.850提升至0.862,校正均方根誤差(Root mean square error of calibration, RMSEC)從0.811 N/mm降低至0.781 N/mm,而驗證集相關系數(shù)(rp)從0.760提升至0.780,預測均方根誤差(Root mean square error of prediction, RMSEP)從0.954 N/mm降低至0.914 N/mm。結果表明,在掃頻振動方式下激光多普勒測振技術可用于梨的質(zhì)地無損檢測。此外,初步分析了激光多普勒測振檢測法用于玉冠、黃金和豐水3品種梨和用于2013-2015年份的豐水梨,結果表明,激光多普勒測振檢測法對于不同品種和不同年份的梨都具有較好的普適性。(5)初步研究了沖擊振動方式下激光多普勒測振技術用于梨的質(zhì)地和新鮮度檢測。結果表明：1)采用半正弦脈沖信號對梨進行激勵,當沖擊加速度幅值在4g以內(nèi)時都不會對梨造成損傷；2)從梨的沖擊振動響應信號提取的15個時域特征參數(shù)和8個頻域特征參數(shù)具有良好的可重復性；3)在剔除振動信息異常樣本和濃度異常樣本的基礎上,采用逐步多元線性回歸、前饋反向傳播(Back-propagation, BP)神經(jīng)網(wǎng)絡和主成分—BP神經(jīng)網(wǎng)絡3種方式對質(zhì)地指標進行定量分析,結果表明：主成分—BP神經(jīng)網(wǎng)絡的建模結果較優(yōu),MT硬度、果肉硬度和果肉彈性率預測模型的rp分別為0.625,0.840和0.577,RMSEP分別為1.892 N,0.959 N和0.838 N/mmm,說明沖擊振動方式下激光多普勒測振技術用于梨的質(zhì)地檢測是可行性的；4)在剔除振動信息異常樣本和濃度異常樣本的基礎上,采用Fisher判別、BP神經(jīng)網(wǎng)絡和主成分—BP神經(jīng)網(wǎng)絡3種方式對梨的不同新鮮度進行判別分析,結果表明：主成分—BP神經(jīng)網(wǎng)絡的判別正確率最高,校正集的判別正確率為89.0%,驗證集的判別正確率為83.3%,說明沖擊振動方式下激光多普勒測振技術用于梨的新鮮度判別是可行的。
[Abstract]:In this paper , it is necessary to find a nondestructive testing method to test the texture of pear . The repeatability of the frequency response curve is good at the sweep rate and the constant vibration acceleration amplitude , but the repeatability of the frequency response curve is poor under different placement attitude and the detection point of the laser Doppler vibrometer ;
2 ) No matter what detection conditions , the second resonant frequency 5 has good repeatability , and the phase shift P800 , P1200 and P1600 at 800 , 1200 and 1600 Hz have good repeatability ;
3 ) Through three - factor three - level orthogonal test with interaction , it is determined that the better combination of detection conditions is : linear sweep mode , frequency sweep rate 1400 Hz / min , constant vibration acceleration amplitude 1g and placing posture are positive . ( 2 ) The dynamic analysis of pear is carried out by using finite element harmonic response analysis .
2 ) When the resonance frequency of the second to fifth terrace happens to correspond to four modes , the torsion deformation is not generated , and the deformation occurs in the horizontal and vertical direction , and the maximum deformation occurs at the end of the fruit stalk and the end of the flower . Therefore , when the four modes are detected by using the laser Doppler vibration measurement method , the fruit stalk end and the end of the flower are the better position to be detected ;
3 ) The relation between the elastic modulus and the resonance frequency is positively correlated with the resonance frequency , and the density , Poisson ' s ratio , mass and high - diameter ratio are inversely related to the resonance frequency .
2 ) In texture index , the hardness of MT , the hardness of pulp and the elastic rate of pulp decreased gradually over time during storage , but the change of fruit flesh elasticity was more stable and more sensitive . The correlation between vibration characteristic parameters and texture index of different varieties of pear was studied .
2 ) In texture index , the correlation between the elastic rate of pulp and the parameters of vibration characteristic is the best , and the correlation between MT hardness and vibration characteristic parameter is affected by pear variety ;
3 ) In the vibration characteristic parameters , the correlation between the elastic modulus EI and the flesh elastic rate is the best , the phase shift is the second , and the amplitude and the texture index of the resonant frequency are not correlated with the texture index . The results show that the laser Doppler vibration measurement method not only can reflect the texture characteristic of the pear , but also has better repeatability and sensitivity than the traditional method .
The results show that the laser Doppler vibration measurement method can be used to detect the texture and freshness of the pear . The results show that the laser Doppler vibration measurement method can be used to detect the texture and freshness of the pear from 0.760 to 0.78N / mm .
2 ) 15 time domain characteristic parameters and 8 frequency domain characteristic parameters extracted from the impact vibration response signal of the pear have good repeatability ;
3 ) Quantitative analysis of texture indexes by stepwise multiple linear regression , forward - propagation ( BP ) neural network and main component - BP neural network was adopted on the basis of rejecting abnormal samples and concentration abnormal samples of vibration information . The results show that the model results of the main component - BP neural network are 0 . 625 , 0 . 840 and 0.577 respectively , and the RMSEP is 1.892 N , 0.959 N and 0.838 N / mm , respectively .
4 ) On the basis of rejecting abnormal sample and concentration abnormal sample of vibration information , discriminant analysis of different freshness degree of pear was carried out by means of Fisher ' s judgment , BP neural network and main component - BP neural network . The results show that the correct rate of the main component - BP neural network is the highest , the correct rate of the correction set is 89.0 % , the correct rate of the verification set is 83.3 % , and it is feasible to judge the freshness of the pear by the laser Doppler vibration measurement technique in the mode of impact vibration .
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：S661.2

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本文編號：1922458