注水肉超聲波無(wú)損檢測(cè)裝置及特征閾值的提取

劉朝鑫 - 李 明 甘富航 - 張維華 - 王潤(rùn)濤 -

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣工程與信息學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

注水肉超聲波無(wú)損檢測(cè)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(rùn)濤WANGRun-tao

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣工程與信息學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

針對(duì)注水肉問(wèn)題與缺少民用注水肉檢測(cè)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(wú)損檢測(cè)裝置，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)頻率分級(jí)特征、特征半波、δ0幅值等特征量值進(jìn)行分析，以確認(rèn)注水肉檢測(cè)的特征閾值。研究結(jié)果表明：注水肉檢測(cè)特征半波δ0的幅值4.010 V為閾值；驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該裝置對(duì)宰后注水肉的分級(jí)精度達(dá)到98.8%。

注水肉；無(wú)損檢測(cè)；超聲波；特征半波

傳統(tǒng)的注水肉檢測(cè)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(huì)因個(gè)體感官差異直接影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，或因個(gè)體經(jīng)驗(yàn)的差異而具有主觀性；pH值法的指標(biāo)pH值因只與肉體表面水含量相關(guān)性強(qiáng)，無(wú)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?yè)p失法通過(guò)蒸煮加熱的方式測(cè)出肉品去水后的失重率來(lái)檢測(cè)注水程度，所得結(jié)果可信，但破壞性過(guò)強(qiáng)，無(wú)法對(duì)市場(chǎng)肉品進(jìn)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(tài)都將直接影響檢測(cè)結(jié)果[3]。

發(fā)達(dá)國(guó)家將無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于肉質(zhì)檢測(cè)起步較早，Simal等[4]通過(guò)超聲波波譜發(fā)現(xiàn)肉質(zhì)結(jié)構(gòu)與肉品含水率相關(guān)，研究得知肉品注水后肉質(zhì)中脂肪和蛋白質(zhì)的分布發(fā)生改變而導(dǎo)致肉質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變。Hazlrwood等[5-7]通過(guò)核磁共振技術(shù)檢測(cè)出了肉質(zhì)中自由水、組織水和流動(dòng)水的含量及水在肉中的弛豫時(shí)間，并建立了相關(guān)的數(shù)學(xué)模型來(lái)確定肉的含水量。但這些先進(jìn)技術(shù)僅在國(guó)外專業(yè)研究中得以應(yīng)用。張海云等[8-9]研制了用于肉品品質(zhì)檢測(cè)的紅外光譜成像儀，該裝置可以完成肉品營(yíng)養(yǎng)成分分析、嫩度新鮮度評(píng)價(jià)以及微生物污染程度評(píng)定，但由于成本與使用者技術(shù)素養(yǎng)要求過(guò)高，普通市場(chǎng)的監(jiān)管組織難以推廣應(yīng)用。

本研究擬以注水肉檢測(cè)為研究對(duì)象，依據(jù)超聲波穿過(guò)含水率不同的肉質(zhì)時(shí)能量衰減具有差異性的原理，以及超聲波信號(hào)可轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的壓電效應(yīng)[10]，建立特征半波幅值與肉質(zhì)含水率一一對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表格，獲得區(qū)分注水肉與正常肉的技術(shù)方法。同時(shí)利用低強(qiáng)度超聲波模塊價(jià)格低、穿透能力強(qiáng)、應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，以MSP430F248為核心數(shù)據(jù)處理芯片，結(jié)合超聲波檢測(cè)終端搭建無(wú)損檢測(cè)硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)成本低、精度高的檢測(cè)裝置的研制。

1 裝置的結(jié)構(gòu)與工作流程

1.1 裝置的組成部分及其功能

注水肉無(wú)損檢測(cè)裝置系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

這些部分相互協(xié)調(diào)、配合，以實(shí)現(xiàn)裝置的功能，并形成便攜的特性。其中，基礎(chǔ)核心部分為超聲波振子對(duì)，是發(fā)射與接收超聲波的基礎(chǔ)器件；控制與數(shù)據(jù)處理部分由芯片MSP430F428系統(tǒng)板和液晶顯示屏組成；能量供給部分由一系列開(kāi)關(guān)電源模塊組成，以將220 V交流電轉(zhuǎn)換為支持控制處理系統(tǒng)工作的直流電與驅(qū)動(dòng)振子工作的高頻交流電；機(jī)械支撐部分由低重心支架與步進(jìn)電機(jī)組成，將發(fā)射振子置于底部以靠近支架重心，以減緩發(fā)射陣子工作時(shí)產(chǎn)生的低于超聲波頻率的雜波所造成的輕微振動(dòng)。另外，步進(jìn)電機(jī)可以調(diào)節(jié)接收振子的高度以改變聲場(chǎng)的寬度，適應(yīng)不同厚度的被檢肉品，進(jìn)而提高裝置的自動(dòng)化程度。

1. 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 2. 超聲波接收振子 3. MSP430F248最小系統(tǒng) 4. 軟殼 5. 支架 6. 工頻電插頭 7. 超聲波發(fā)射振子 8. 開(kāi)關(guān)電源與振子驅(qū)動(dòng)器模快

圖1 注水肉無(wú)損檢測(cè)裝置

Figure 1 Nondestructive detecting device for water

injected meat

系統(tǒng)工作流程圖見(jiàn)圖2。把待檢肉放置在軟殼容器內(nèi)，啟動(dòng)電源，MSP430F248單片機(jī)系統(tǒng)初始化，通過(guò)系統(tǒng)中的步進(jìn)電機(jī)調(diào)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(kāi)始檢測(cè)按鈕。嵌于軟殼容器的超聲波發(fā)射振子通過(guò)壓電效應(yīng)發(fā)出超聲波，超聲波透過(guò)肉質(zhì)，傳播到超聲波接收振子，接收振子通過(guò)逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生電壓信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、變換后作為可處理信號(hào)，由單片機(jī)的算法計(jì)算，得出可輸出結(jié)果，根據(jù)結(jié)果，做出下一步?jīng)Q策：若肉的含水量正常，控制系統(tǒng)結(jié)果返回命令，使顯示器維持顯示狀態(tài)，顯示正常，停止所有驅(qū)動(dòng)；否則，系統(tǒng)返回再次檢測(cè)命令，依次循環(huán)直到進(jìn)行到第4次時(shí)，停止所有驅(qū)動(dòng)，顯示‘注水’警告。

1.2 硬件選擇

1.2.1 芯片 用MSP430F248作為數(shù)據(jù)處理核心和控制外設(shè)的控制中心。該芯片具有10/12位硬件A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換精度較高。另外，MSP430系列單片機(jī)中斷為矢量中斷，可支持10個(gè)以上的中斷源。響應(yīng)中斷請(qǐng)求時(shí)，激勵(lì)CPU僅需要6 μs，因此可以對(duì)復(fù)雜情況做出快速響應(yīng)。

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

1.2.2 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)，是一種將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移或線位移的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，停止的位置取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)。令編碼器線數(shù)為P，在一定測(cè)速時(shí)間T中脈沖個(gè)數(shù)為M個(gè)，檢測(cè)時(shí)鐘脈沖頻率為f，個(gè)數(shù)為m個(gè)，則可得到電機(jī)轉(zhuǎn)速的誤差：

(1)

步進(jìn)電機(jī)這一特性使得調(diào)高模塊機(jī)械動(dòng)作所需的空間最小化。步進(jìn)電機(jī)調(diào)高模塊的簡(jiǎn)化圖見(jiàn)圖3。

圖3 步進(jìn)電機(jī)調(diào)高模塊結(jié)構(gòu)圖Figure 3 Structure of height stepper motor drive

1.2.3 發(fā)射振子驅(qū)動(dòng)電路 在以TL494芯片為核心的變頻電路的基礎(chǔ)上，改進(jìn)設(shè)計(jì)了超聲波發(fā)射振子驅(qū)動(dòng)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(chǎng)效應(yīng)管IRF840。這個(gè)模塊為發(fā)射振子提供足夠大的驅(qū)動(dòng)能量，開(kāi)關(guān)管IRF840可以提高驅(qū)動(dòng)電路的可靠性。

1.2.4 其他硬件 使用MSP430F248自帶的A/D轉(zhuǎn)換模塊采集接受振子產(chǎn)生的信號(hào)；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(duì)。

1.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)的處理，在此基礎(chǔ)上是整體算法盡量簡(jiǎn)潔。關(guān)鍵部分為：在控制核心MSP430F248寫入與裝置預(yù)處理數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的算法，尤其是特征聲波的閾值和頻率ω0，應(yīng)以實(shí)際預(yù)處理為準(zhǔn)；程序初始化后，等待數(shù)據(jù)處理的中斷命令；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行卡曼濾波，裝入數(shù)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(guān)數(shù)據(jù)，存到另一個(gè)數(shù)組；大小比較，取出最大值作為特征聲波的幅值；閾值比較，進(jìn)入循環(huán)顯示或再次檢測(cè)算法。軟件設(shè)計(jì)主要部分的工作流程圖見(jiàn)圖5。

2 特征閾值提取試驗(yàn)與結(jié)果分析

超聲波注水肉無(wú)損檢測(cè)裝置通過(guò)超聲波接收振子、數(shù)據(jù)變換模塊、MSP430F248片內(nèi)12位ADC獲得透過(guò)肉質(zhì)的超聲波相關(guān)參數(shù)，控制核心利用這些數(shù)據(jù)組成聲波波譜，從而得到反映肉質(zhì)含水情況的特征量值。ADC采樣頻率設(shè)為60MHz，采樣點(diǎn)1 200個(gè)，采樣時(shí)間為20μs。

2.1 對(duì)照組與試驗(yàn)組的數(shù)據(jù)預(yù)處理

準(zhǔn)備對(duì)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(zhǔn)備試驗(yàn)組，采用宰后直接注水法(一種市面常見(jiàn)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(yīng)該保持一定的距離且相隔2 min，使注入的蒸餾水在肉質(zhì)中盡量分布均勻，以減小試驗(yàn)樣品差異而造成的誤差。本研究首先要獲得透過(guò)對(duì)照組和試驗(yàn)組肉質(zhì)的超聲波數(shù)據(jù)，生成聲波譜。為獲得有效數(shù)據(jù)，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(yù)處理中，裝置與上位機(jī)實(shí)時(shí)通訊，上位機(jī)用Matlab進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

圖4 超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)器電路圖Figure 4 Circuit of ultrasonic emission driver

圖5 軟件設(shè)計(jì)主要部分的工作流程圖Figure 5 Working flow chart of key software

類比數(shù)學(xué)積分法，還原超聲波波形。在采樣算法中，將采集的1個(gè)半波數(shù)據(jù)作為1次采樣，對(duì)每塊肉進(jìn)行100次的采樣，得到100個(gè)半波。對(duì)比圖6(c)、(b)波形，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)組和對(duì)照組的透過(guò)波形非常相近。

2.2 頻率分級(jí)特征提取

頻率分級(jí)即指通過(guò)對(duì)比透過(guò)正常肉和注水肉后的聲波頻率篩出注水肉。因?qū)φ战M中牛羊豬肉的透過(guò)波形相近，本試驗(yàn)在頻率分級(jí)分析中，僅以豬肉為研究對(duì)象，結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖7。由圖7可知，對(duì)照組和試驗(yàn)組的半波頻率特性沒(méi)有太大差異，無(wú)法提取頻率分級(jí)特征。

2.3 特征半波的提取

聲波能量可由接收端電信號(hào)的波形面積間接反映，公式[11-13]為

圖6 部分波形結(jié)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(shù)；

f(t)——各時(shí)刻接收的電信號(hào)的電壓幅值，V；

t——采樣時(shí)刻，ms。

則接收振子對(duì)每塊肉每次檢測(cè)感應(yīng)到的能量計(jì)算式為

(3)

式中：

Tn——第n個(gè)半波的周期(n范圍為1～100)，ms；

V(t)——實(shí)時(shí)采樣的幅值數(shù)據(jù)，V；

E——100個(gè)半波的面積和。

對(duì)預(yù)處理中對(duì)照組、試驗(yàn)組透過(guò)各類肉的波形進(jìn)行電信號(hào)面積計(jì)算求均值，結(jié)果見(jiàn)圖8。

s1、s2分別為透過(guò)試驗(yàn)組和對(duì)照組羊肉后的電信號(hào)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(xì)胞間的流動(dòng)水增多，發(fā)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(jí)特征測(cè)出注水肉。

聲波的能量由介質(zhì)的振動(dòng)傳遞，可通過(guò)介質(zhì)的振動(dòng)算得，計(jì)算式為

W=ρμω2A2，

(4)

式中：

ρ——介質(zhì)密度，g/cm3；

μ——波速，m/s；

ω——聲波頻率，kHz；

A——幅值，以測(cè)試指標(biāo)確定單位，本研究以電壓信號(hào)為測(cè)試指標(biāo)，V。

則采集的1個(gè)半波能量計(jì)算式為

(5)

式中：

Wn——第n個(gè)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(shù)，為無(wú)窮量(一般取到7次)。

肉質(zhì)物理化學(xué)特性保持不變，即ρ、μ保持不變，ωn不受肉質(zhì)的含水率影響。透過(guò)注水肉與正常肉的超聲波信號(hào)的能量差可由電壓信號(hào)的面積差ΔWn確定，ΔWn為無(wú)綱量，抽象為函數(shù)式

(6)

ΔWn=W(An)-W(An+ΔAn)，

(7)

式中：

An——第n個(gè)半波的幅值，為對(duì)應(yīng)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(jí)特征。使用振子1的情況下得表1數(shù)據(jù)，分析發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)δ0的頻率是與接收發(fā)射振子的制作工藝是相關(guān)的(見(jiàn)圖9)，振子的工藝不同，δ0的頻率在ω0附近波動(dòng)，因此ω0不能確定為常數(shù)，應(yīng)以實(shí)際裝置預(yù)處理得到的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

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

圖9 振子工藝對(duì)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(gè)試驗(yàn)組，注水量為5，10，20 mL，根據(jù)市場(chǎng)情況，添加的試驗(yàn)組有足夠代表性，用預(yù)處理的方法獲取聲波相關(guān)數(shù)據(jù)，求各組肉類的δ0聲波的幅值，結(jié)果見(jiàn)表2，幅值最小值見(jiàn)圖10。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)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(shí)，振子的制造工藝存在差異，閾值應(yīng)以裝置實(shí)際預(yù)處理中的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

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(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)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(jī)取出兩塊，采用宰后直接注水法注入其質(zhì)量2%～10%的蒸餾水，并做好標(biāo)記，打亂順序后進(jìn)行測(cè)試。重復(fù)3次。設(shè)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(cè)試結(jié)果表明(表3)，裝置正確率平均值為98.8%。由于噪音無(wú)法完全避免，所以存在漏判或誤判，以3次檢測(cè)的結(jié)果作為根據(jù)，判斷正確率達(dá)100%。

表3 分級(jí)測(cè)試結(jié)果Table 3 Statistics of grading test result

4 結(jié)論

本研究依據(jù)超聲波穿過(guò)含水率不同的肉質(zhì)時(shí)能量具有差異性的原理，設(shè)計(jì)了以MSP430為控制器，具有便攜、快捷等優(yōu)點(diǎn)的注水肉無(wú)損檢測(cè)裝置。以牛、羊、豬肉為試驗(yàn)對(duì)象系生活中常見(jiàn)的肉類食品，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，探究表征超聲波能量吸收差異的特征量。發(fā)現(xiàn)特征半波的頻率和肉質(zhì)含水率的相關(guān)性微弱，而特征半波的幅值與含水率有很強(qiáng)的相關(guān)性，肉質(zhì)含水率越高，對(duì)應(yīng)的幅值越低，并確定特征半波的幅值閾值為4.010 V。試驗(yàn)表明，在常溫下，裝置一次性檢測(cè)的正確率達(dá)98.8%。

由于本研究是針對(duì)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(cè)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(diǎn)是注入的水多數(shù)存在于肉質(zhì)的毛細(xì)血管中而不易向四周滲透，這與本研究注水肉內(nèi)的水分分布特點(diǎn)有較大差異，所以后續(xù)試驗(yàn)中樣品必須增加通過(guò)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(shí)別能力和準(zhǔn)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(yáng)晶，女，中南林業(yè)科技大學(xué)在讀碩士研究生。

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

2017-03-06