一种禽蛋蛋壳裂纹在线检测装置和方法

1.本发明涉及物性参数检测领域，具体涉及一种基于声学响应的禽蛋蛋壳裂纹在线检测装置和方法。


背景技术：

2.据相关研究报道显示，约有10％的鲜食禽蛋中被检出有害活菌，约有5％-8％的禽蛋存在二次损伤，造成该现象的原因主要是禽蛋商品化处理过程中的机械碰撞及交叉感染，存在大量的原料、资源浪费以及食品安全隐患。蛋壳裂纹食品安全相关的重要指标检测，可为禽蛋自动化处理的机械化、禽蛋孵化及深加工前处理提供基础性指导数据。
3.国内外学者对禽蛋蛋壳裂纹检测已有较多报道，从研究结果看，采用音频检测技术，其性价比和实用性远高于利用机器视觉检测技术。目前，国外已经商业化应用的禽蛋蛋壳裂纹检测技术及装置均采用音频检测技术。其主要流程为：对禽蛋进行敲击激振，利用音频传感器对其激振所产生的音频信号进行数据采集，再通过音频信号分析，提取其特征参数，利用建立的判别模型进行识别，最终判定禽蛋品质。但在具体实施过程中，只有激振装置敲击到裂纹区域时，激振波才会表现出裂纹蛋应有的信号特征，而非裂纹区域的音频信号与正常蛋的激振信号相似。为实现禽蛋全表面检测，通常采用多点激振，多音频传感器采集的方式，以满足生产线的在线要求。
4.禽蛋蛋壳裂纹无损检测主要存在以下几个问题：(1)传统单点检测方法的测量精度及抗干扰能力无法满足信息全面性需求；(2)传统的特征提取及模式识别分析方法对音频传感器的个体、被检禽蛋品种敏感度较高，难以实现高适应性的检测。


技术实现要素：

5.为达到上述目的，本发明的一种禽蛋蛋壳裂纹在线检测装置，包括有运动控制模块1、音频信号采集模块2、音频信号的交叉分析模块；
6.所述运动控制模块1主要用于禽蛋传输装置的控制及对禽蛋蛋壳表面的瞬态冲击控制，包括减速电机1-1、检测线编码器1-2、检测线接近开关1-3、伺服控制器1-4、伺服电机1-5、敲击棒编码器1-6、敲击棒接近开关1-7、plc1-8及上位机1-9。所述减速电机1-1为检测线提供动力，使得禽蛋可平稳的传输；所述检测线编码器1-2用于反馈检测线滚轮的运动参数，并将a相和b相脉冲信号输出至伺服控制器1-4，以保证敲击装置与输送线运行的同步性；所述检测线接近开关1-3安装于输送线，禽蛋每运动一个工位即产生一个高电平信号，信号通过i/o口输出至plc1-8，作为基准位标志信号；所述伺服控制器1-4用于驱动伺服电机1-5，通过调节伺服控制器1-4的电子齿轮比，实现敲击装置与输送线运动的匹配；所述伺服电机1-5用于给敲击装置提供动力；所述敲击棒编码器1-6用于反馈敲击棒电机的运行状态，其a相输出脉冲通过i/o口连接至plc1-8；所述敲击棒接近开关1-7安装于敲击装置，每工作一个周期接近开关即产生一个高电平信号，信号通过i/o口输出至plc1-8，plc1-8根据检测线接近开关1-3和敲击棒接近开关1-7，控制实现敲击装置与输送线基准位置校准，保
证所有禽蛋敲击位置位于禽蛋上顶端；所述plc1-8及上位机1-9用于接收运动控制模块1的传感器信号，并根据传感器信号与控制策略同步敲击棒、传输线及麦克风信号的采集时机，并与上位机1-9之间通过串口通讯方式实现信息互通；所述上位机1-9用于接收plc1-8发出的运动控制信息、并向plc1-8发送运动控制参数。
7.所述音频信号采集模块2主要用于采集多路音频传感器所产生的音频响应信号，包括多路音频传感器2-1、信号调理电路2-2、采集卡2-3、plc2-4和上位机2-5；所述多路音频传感器2-1配合敲击装置，采集敲击棒敲击禽蛋表面的声学响应信号；信号调理电路2-2用于将微弱的音频电压输出调理至伏级别的信号，并设置有硬件滤波模块，滤除背景噪声及相关性较弱的信号；采集卡2-3用于将信号调理电路2-2调理后的模拟信号转换至数字信号，并通过数据接口传送至上位机；所述plc2-4通过i/o口向采集卡2-3发送信号采集命令；所述上位机2-5用于采集与存储音频响应信号，便于后续的离线分析与模型建立。
8.音频信号的交叉分析模块包括离线分析和在线分析两部分；所述离线分析主要是在离线条件下，针对所采集的多路音频响应信号，进行采样频率、采样点数、采样有效性分析及判别模型的建立，所述采样频率是通过分析所采集信号的主频及具有高响应性的频段，根据奈奎斯特定理设置合理的信号采样频率；所述采样点数是指通过相关性分析，选择具有对完好禽蛋和裂纹禽蛋具有高区分度的信号区间；所述采样有效性分析是指通过观察与统计分析，提取瞬态冲击作用下的第一次冲击所产生的音频响应信号，并设置音频信号的起始点规则，保证所保留的信号为有效信号；所述交叉比对是指提取同一枚禽蛋同侧的多次敲击信号，并以第一个信号为基准，分别求取信号的互相关性，并以多次信号互相关性的均值、方差、极差作为特征参数，用于后续模型的建立；所述判别模型建立是指通过分析多路音频响应信号特征提取以及禽蛋蛋壳是否存在裂纹的先验知识，采用模式识别方法建立蛋壳裂纹判别模型；所述在线分析是指根据离线分析结果，实时在线规整同一枚禽蛋的多次敲击信号，并结合判别模型，综合判别禽蛋是否存在裂纹。
9.本发明的有益效果：
10.(1)采用多传感方式实现了传输装置与敲击装置的同步性，使得敲击装置对传输线速度具有自适应匹配功能，提高了检测装置对敲击位置的一致性；
11.(2)采集单枚禽蛋表面多点激励响应信号，获取全面的禽蛋表面声学信息，提高禽蛋裂纹检测的正确率；
12.(3)采用敲击装置转动角度的实时反馈，结合转动信息发出信号采集信号，以硬件形式限制采样窗口，有效的提高了信号的信噪比和有效性；
13.(4)采用单枚禽蛋多次敲击响应信号的交叉分析，有效的提高了检测模型对禽蛋个体的适应性，减少了禽蛋判别模型的计算量，有利于在线检测应用。
附图说明
14.图1为本发明所述运动控制模块电气连接图。
15.图2为本发明所述音频信号采集模块电气连接图。
16.图3为本发明实施例中采集禽蛋激励响应信号原始图。
17.图4为本发明实施例中敲击棒第一次敲击禽蛋信号的时域图。
18.图5为本发明实施例中交叉比对互相关系数特征参数图。
19.图6为本发明实施例中裂纹蛋和完好蛋的线性判别模型图。
20.图中：1.运动控制模块；1-1.减速电机；1-2.检测线编码器；1-3.检测线接近开关；1-4.伺服控制器；1-5.伺服电机；1-6.敲击棒编码器；1-7.敲击棒接近开关；1-8.plc；1-9.上位机；2音频信号采集模块；2-1.音频传感器；2-2.信号调理电路；2-3.采集卡；2-4.plc；2-5.上位机。
具体实施方式
21.下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，其说明仅用于解释本发明，不应被理解为对本发明的限定。
22.一种禽蛋蛋壳裂纹在线检测装置，包括如下运动控制模块1、音频信号采集模块2。
23.所述运动控制模块1主要用于禽蛋传输装置的控制及对禽蛋蛋壳表面的瞬态冲击控制，包括减速电机1-1、检测线编码器1-2、检测线接近开关1-3、伺服控制器1-4、伺服电机1-5、敲击棒编码器1-6、敲击棒接近开关1-7、plc1-8及上位机1-9。所述减速电机1-1为检测线提供动力，使得禽蛋可平稳的传输；所述检测线编码器1-2用于反馈检测线滚轮的运动参数，并将a相和b相脉冲信号输出至伺服控制器1-4，以保证敲击装置与输送线运行的同步性；所述检测线接近开关1-3安装于输送线，禽蛋每运动一个工位即产生一个高电平信号，信号通过i/o口输出至plc1-8，作为基准位标志信号；所述伺服控制器1-4用于驱动伺服电机1-5，通过调节伺服控制器1-4的电子齿轮比，实现敲击装置与输送线运动的匹配；所述伺服电机用于给敲击装置提供动力；所述敲击棒编码器1-6用于反馈敲击棒电机的运行状态，其a相输出脉冲通过i/o口连接至plc1-8；所述敲击棒接近开关1-7安装于敲击装置，每工作一个周期接近开关即产生一个高电平信号，信号通过i/o口输出至plc1-8，plc1-8根据检测线接近开关1-3和敲击棒接近开关1-7，控制实现敲击装置与输送线基准位置校准，保证所有禽蛋敲击位置位于禽蛋上顶端；所述plc1-8用于接收运动控制模块1的传感器信号，并根据传感器信号与控制策略同步敲击棒、传输线及麦克风信号的采集时机，并与上位机1-9之间通过串口通讯方式实现信息互通；所述上位机1-9用于接收plc1-8发出的运动控制信息、并向plc1-8发送运动控制参数。
24.所述音频信号采集模块2主要用于采集多路音频传感器所产生的音频响应信号，包括多路音频传感器2-1、信号调理电路2-2、采集卡2-3、plc2-4和上位机2-5；所述多路音频传感器2-1配合敲击装置，采集敲击棒敲击禽蛋表面的声学响应信号；信号调理电路2-2用于将微弱的音频电压输出调理至伏级别的信号，并设置有硬件滤波模块，滤除背景噪声及相关性较弱的信号；采集卡2-3用于将信号调理电路2-2调理后的模拟信号转换至数字信号，并通过数据接口传送至上位机2-5；所述plc2-4通过i/o口向采集卡2-3发送信号采集命令；所述上位机2-5用于采集与存储音频响应信号，便于后续的离线分析与模型建立。
25.一种禽蛋蛋壳裂纹在线检测方法，包括音频信号的交叉分析模块3。
26.音频信号的交叉分析模块包括离线分析和在线分析两部分；所述离线分析主要是在离线条件下，针对所采集的多路音频响应信号，典型信号如图3所示，进行采样频率、采样点数、采样有效性分析、交叉比对及判别模型的建立，所述采样频率是通过分析所采集信号的主频及具有高响应性的频段，根据奈奎斯特定理设置合理的信号采样频率设置为48khz；所述采样点数是指通过相关性分析，选择具有对完好禽蛋和裂纹禽蛋具有高区分度的信号
区间；所述采样有效性分析是指通过观察与统计分析，提取瞬态冲击作用下的第一次冲击所产生的音频响应信号，并以单点阈值和短时能量阈值为起始点条件，保证所保留的信号为有效信号，所采集的有效信号如图4所示；所述交叉比对是指提取同一枚禽蛋同侧的多次敲击信号，并以第一个信号为基准，分别求取信号的互相关性，并以多次信号互相关性的均值、方差、极差作为特征参数，其特征参数值如图5所示；所述判别模型建立是指通过分析多路音频响应信号特征提取以及禽蛋蛋壳是否存在裂纹的先验知识，采用模式识别方法建立蛋壳裂纹判别模型，如图6所示；所述在线分析是指根据离线分析结果，实时在线规整同一枚禽蛋的多次敲击信号，并结合判别模型，综合判别禽蛋是否存在裂纹。