油茶果—果柄分離力測量裝置設計與驗證

謝承健 曹成茂 吳佳勝 伍德林

(安徽農業(yè)大學工學院，安徽 合肥 230036)

油茶是一種木本油料樹種，主要分布于中國南方丘陵地區(qū)，與油棕、油橄欖、椰子被譽為世界四大木本油料作物[1-3]。茶油具有極高的保健和營養(yǎng)價值，受到越來越多的消費者青睞[4-5]。隨著中國對油茶產業(yè)的重視和相關政策的扶持，油茶種植面積逐年擴大，截至2016年末，中國實有油茶林面積已達到4.01×106hm2。目前油茶采摘主要是以傳統(tǒng)的手工采摘為主，采摘困難、勞動強度大，市場還未見成熟的采摘機具[6]。油茶果的采摘問題已經成為中國油茶產業(yè)發(fā)展的瓶頸。因此，實現油茶果的機械化收獲已經成為解決此類問題的有效途徑。

油茶果—果柄分離力是油茶果與果柄分離所需要的拉力[7]，其大小反映了油茶果與果柄分離的難易程度，也是油茶果收獲機械研制的重要參考因素。國外學者在林果果柄分離力上做了大量的研究[8-9]，Elfving等[10]分析了乙烯利對甜櫻桃果實分離力的影響；Coppock等[11]分析比較了不同成熟度橙子的分離力以確定甜橙的機械化收獲方式；Sessiz等[12]為了確定橄欖振動采收效果，分析了橄欖分離力與果實重量、成熟度以及化學脫落劑對分離力的影響。

中國學者對番茄[13]、杏[14]、藍莓[15]等的分離力也進行了研究，但針對油茶果—果柄分離力的研究很少。其中，馮國坤等[16]設計了一款可用于野外測量的齒梳式油茶果測量裝置，但是在野外作業(yè)時可能會受到外界環(huán)境的影響，從而影響其測量精度。本研究基于LabVIEW虛擬儀器技術設計一款測量裝置用以測試油茶果—果柄分離力[17-18]，并通過正交試驗對其影響因素進行研究。旨在為后期油茶果收獲機的設計提供力學理論依據。

1 分離力測量裝置結構及原理

1.1 測量裝置結構

根據油茶果實際采摘時拉斷的力學原理[19]，設計了該測量裝置。該測量裝置主要由機械和測試系統(tǒng)兩部分組成，其結構見圖1。數據采集主要由測試系統(tǒng)來完成，測試系統(tǒng)主要包括硬件和軟件兩部分，硬件主要由拉壓傳感器、變送器、NI采集卡和筆記本電腦組成，軟件部分主要由LabVIEW實現。

1. 螺旋升降臺 2. 拉壓傳感器 3. 專用夾具 4. 變送器 5. NI采集卡 6. 上位機

圖1 測量裝置結構示意圖

Figure 1 Schematic diagram of measuring device structure

1.2 測量裝置工作原理

該裝置采用手動控制，利用細繩牽引拉斷果柄進行測試[20]。為保證測量精度，細繩采用細軟鋼絲繩，其剛性大，在受力后形變很小，對試驗結果幾乎沒有影響。試驗時將帶枝的油茶果樣品用專用夾具進行固定，測試時將細繩一端系于傳感器上，另一端掛在油茶果上，使細繩運動方向與果實垂直。然后勻速轉動手輪帶動絲杠轉動，絲杠帶動行程板和傳感器上升，達到一定高度時果柄被拉斷，傳感器測出分離力。該測量裝置能夠實時反映從開始到果實分離任意時刻拉力的變化情況。

2 測量裝置的設計

2.1 機械結構的設計

為了避免拉斷速度和角度誤差，選取螺旋升降臺作為機架。由于在油茶果牽引拉斷時果枝會產生一定的形變，該形變可能會對測試結果產生一定的影響。所以，為了保證測量精度，絲杠螺紋采用細牙螺紋，使得在轉動手輪時傳感器能夠勻速緩慢提升。同時，采用專用夾具用以固定油茶果樣品。其機械結構見圖2。

1. 支架 2. 角鋁 3. 專用夾具 4. 底座 5. 絲杠 6. 行程板 7. 限位板 8. 手輪

圖2 機械結構示意圖

Figure 2 Schematic diagram of mechanical structure

2.2 測試系統(tǒng)的設計

2.2.1 測試硬件系統(tǒng)組成 該測試系統(tǒng)由拉壓傳感器、變送器、采集卡、上位機等組成，見圖3。測試過程中，在油茶果與果柄從開始受拉到分離過程中，拉壓傳感器檢測到拉力信號，傳輸至變送器，轉換成0～10 V的模擬電壓信號，采集卡對模擬電壓信號進行模數轉換后，通過USB傳輸至上位機進行運算處理和顯示。

圖3 測試系統(tǒng)結構圖

2.2.2 軟件系統(tǒng)的設計 軟件系統(tǒng)設計中采用DAQ模塊對數據采集硬件進行參數配置，DAQmx創(chuàng)建通道VI用于創(chuàng)建數據采集的物理通道，模擬量輸入通道選用AI0，在DAQmx定時VI中設定采樣率為10 k，采樣模式為連續(xù)采樣，采用單端接地的RSE 模式。DAQmx讀取VI用于虛擬通道中數據的讀取，數值函數將采集到的電壓信號進行轉換，得到油茶果柄分離過程中的實際拉力(見圖4)，采集到的數據以TDM Streaming文件的形式存儲。寫操作完畢后可調用TDMS File Viewer VI函數打開TDMS文件內容瀏覽器，以存儲的時間為文件名，方便后期的歷史查詢，避免數據丟失。

圖4 用戶界面

3 分離力測試試驗

3.1 試驗對象

2017年10月在安徽省舒城縣德昌苗木有限公司對油茶果-果柄分離力進行了測試試驗。試驗對象分別為皖舒1號、長林1號、大別山1號3種油茶果品種。為了方便測量，將油茶果剪枝帶回，長度為15～25 mm。為了避免果枝水分流失等原因對試驗造成影響，將果枝帶回后立即進行試驗。油茶果相關物理性質見表1。

從表1數據可以看出，大別山1號和長林1號的果實重量都較大，分別為10.8，14.9 g，皖舒1號最輕；從幾何平均直徑上來看，大別山1號和長林1號的外形尺寸都比皖舒1號大；大別山1號和皖舒1號果柄直徑相差不大，長林1號果柄直徑較大。

表1 油茶果物理性質

3.2 試驗方法

為減少試驗次數，本試驗選取果柄直徑、油茶果幾何平均直徑以及成熟度為試驗因素，每個因素取3個水平，以果柄分離力為試驗指標設計正交試驗。每組試驗取10次數據的平均值，試驗結果采用SPSS軟件處理分析。

由于油茶果的成熟度一般是根據其開裂程度判斷的，很難做出定量描述。目前常用果實顏色來衡量其成熟度[21]，通過對比也發(fā)現不同成熟度的油茶籽表面顏色區(qū)別較大，故本試驗利用RGB分析技術來標定油茶籽成熟度。

將上述4組不同成熟度的油茶籽進行拍照取樣(見圖5)，然后利用RGB分析技術對其彩色圖像進行像素提取。通過對比4組油茶籽圖像R(red)、G(green)、B(blue)3個分量值的均值，發(fā)現4組不同成熟度的油茶籽圖像中的R分量值的均值區(qū)別明顯(見圖6)，所以本研究中采用R分量的均值來標定油茶果的成熟度。選取處于適采期不同成熟度的油茶籽進行拍照取樣，在所測樣品中R分量均值的值域為30.76～120.16，R均值越小，表示其顏色越深成熟度越高，反之越低。

油茶果柄分離力正交試驗因素與水平見表2。

3.3 試驗結果與分析

試驗結果及極差分析見表3。由表3可知：成熟度對指標的影響最大，其次是果柄直徑，油茶果幾何平均直徑對果柄分離力影響最小。

對試驗結果進行方差分析見表4。在顯著性水平α=0.05 下，果柄直徑和油茶果幾何平均直徑對油茶果-果柄分離力的P值均大于0.05，說明果柄直徑和油茶果幾何平均直徑對果柄分離力沒有顯著性影響。3種油茶成熟度P值均小于0.05，說明成熟度對油茶果柄分離力具有顯著性影響。

圖5 不同成熟度的油茶果

表2 試驗因素水平

表3 正交試驗結果及極差分析

圖6 RGB分析分量值

4 結論

(1) 本研究基于虛擬儀器技術設計了一款油茶果—果柄分離力測量裝置，該測量裝置主要由螺旋升降臺、拉壓傳感器以及NI采集卡組成，依托LabVIEW軟件編寫了數據采集程序。

(2) 處于適采期的不同油茶果品種的果柄分離力約為7～17 N，各品種間的果柄分離力有明顯差異，其中，皖舒1號果柄分離力最大，長林1號次之，大別山1號果柄分離力最小。

(3) 通過正交試驗結果分析，果柄直徑、油茶果幾何平均直徑和成熟度對油茶果-果柄分離的影響程度不同。成熟度是影響果柄分離力的主要因素，而油茶果幾何平均直徑和果柄直徑對分離力影響較小。

(4) 不同成熟度的油茶果—果柄分離力差別較大，成熟度越高其果柄分離力越小，所需的采摘力越小。成熟度越低分離力越大，所需的采摘力越大。

表4 方差分析?

? 均值差的顯著性水平為 0.05。