專利名稱：一種基于比較法的超聲無損檢測水果成熟度的方法與系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及超聲無損檢測領域，具體涉及水果探熟的方法和系統。
背景技術：
日常生活中人們在購買西瓜、蘋果等含水分多的水果，往往需要判斷其生長成熟 與否，而一般采用的都是通過看、聽、摸、稱等方法靠經驗進行判斷，不僅費時費力，而且效 果不佳。在農業生產的過程中，對還未摘取的水果進行成熟程度的判斷，也是一個極為重要 的環節，通過判斷則可推斷出何時為最合適的摘取時間，以便合理地安排上市后的分級儲 運、銷售等各環節。由于水果尚未摘下來，我們不可能通過品嘗這樣的方法來測試成熟與 否，如果通過觀察，則需要多年的經驗累積，極大地阻礙了我國水果生產事業的發展。如果 能提供一種能夠準確、快速、便于攜帶并且容易操作的水果探熟器，不僅為人們的日常生活 提供了便利，更重要的是對水果生產環節中的培育良種，采摘時間，加工時間，收獲儲存，出 口運輸等有著重大意義，能有效地促進我國水果生產事業的發展。市場上現有的水果探熟產品有很多，但大部分都是參照以下兩種發明專利的結構 和模式中國實用新型專利申請“瓜果探熟器”(公開號CN 2844912Y，
公開日期2006年 12月6日)，提出了一種用于探測水果成熟度的電子裝置。該裝置利用水果在生長不同時 期導電性不同的原理，把探針插入目標水果內部對水果進行成熟度的檢測，該裝置制作比 較簡單，體積也較小。中國發明專利申請“西瓜成熟度計”(公開號CN 101046407A，
公開日期2007年 10月03日)提出了一種檢測西瓜成熟度的電子裝置，對西瓜由于外界敲擊而產生的回聲信 號進行采集并放大分析，最后判斷西瓜成熟與否。不難看出，上述兩種主流的水果探熟器存在著以下的缺點1.在探熟的過程中可能會對水果造成物理損害，破壞了水果的表皮，不利于檢測 后的運輸存放；2.裝置操作不方便，而且不是全自動檢測，需要人工進行判斷；3.只針對單一水果進行探熟，適用性不夠強；4.不能把便攜性和易用性集于一身。超聲波是指振動頻率大于20KHZ以上的聲波，它和可聽波一樣，是一種機械振動， 是一種能量的傳播形式，其特點是頻率高、波長短，可在一定距離內沿直線傳播，具有良好 的束射性和方向性。我們可以通過運用超聲波的傳播特性對物體內部進行無損檢測。超聲 波在傳輸過程中會產生一定的衰減，根據衰減發生的原理可以分為三種衰減擴散衰減、散 射衰減和吸收衰減。工程應用中綜合考慮這三種衰減特性，用超聲波在物體內傳輸的衰減 率來描述衰減程度，其主要和透射波和回波的幅度值大小、以及超聲波傳輸的距離有關，下 面的(公式1)即為工程運用中的超聲波衰減率公式a = 201og Qi2-Ii1) /X (dB/mm)(公式 1)
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式中的a為衰減率，h2和Ill分別表示透射波和回波的幅度值；201(^0 -!^)表示 穿透波與回波幅度值之差的分貝值(dB) ；X為聲程，即探測方向上超聲波傳輸的距離。水果在生長發育的不同階段，其果實有著不同的物理特點，當水果處于未成熟階 段時，其果肉組織結構比較緊密，同時水份被鎖住在果肉細胞內，糖份含量也不高。隨著時 間的推移，果實逐漸成熟，果肉的組織結構將隨著水分從果肉細胞內析出成為自由水而變 得松弛，果肉細胞間的間隙變大，同時糖份含量也會增高，導致粘滯性變強。根據超聲波在 粘滯性強的介質中傳輸時，其吸收衰減比較大的特性，我們可以對超聲波在經過水果后的 衰減率進行分析處理，從而得出水果的成熟度信息。超聲波在不同介質密度的情況下傳輸 速度會有所區別，所以超聲波在水果內部的傳輸速度也能作為判斷水果成熟程度的一個參 數。綜上所述，現有的水果探熟方法或多或少對水果造成物理損害，而超聲卻可以利 用其特性克服此缺點，所以可以考慮用超聲波對水果進行無損檢測其成熟度。
發明內容
針對現有的水果探熟方法的不足，本發明的目的是提供一種基于比較法的超聲無 損檢測水果成熟度的方法和系統。利用超聲在水果中的衰減特性，測量超聲波在水果中的 衰減率和傳輸速度，并以這兩個參數映射成二維空間上的點，通過觀察這些點在二維空間 中的分布對水果的成熟程度進行分級，構建成熟度模型。對任意水果先進行訓練學習得到 其成熟度模型，然后再與同類型的目標水果進行比對得到實測水果的成熟程度。本發明實 現無損檢測，無需人工判斷，且具有實現簡單、容易操作、適用范圍廣的優點。本發明通過以 下技術方案得以實現。基于比較法的超聲無損檢測水果成熟度的方法，包括以下步驟步驟1、對水果進行訓練學習，通過訓練學習的結果對水果的成熟度進行等級劃 分，并以此建立起水果的成熟度模型和目標水果的最佳測量頻率；步驟2、對目標水果進行實測，采集其衰減率和傳輸速度兩個特征值；步驟3、把目標水果與訓練學習所得到的水果模型進行比較，得出成熟程度。上述的方法中，步驟1具體包括選取一批成熟度為已知的水果作為樣品對其進 行訓練學習，把這批水果按照成熟度由大到小，分成5個組別，進行分組學習，根據成熟程 度來安排學習順序的先后，先進行學習的組被認為是成熟度最高的組；當完成一組樣品的 特征值錄入后，對這些樣本點進行數據處理，計算后得出這一組樣品點的重心作為初始聚 類模塊，所述特征值包括超聲波在水果中的衰減率和傳輸速度；然后再進行下一組數據的 錄入，直至所有樣本點都已經錄入系統，共得到5個初始凝聚點，分別對應了成熟度的5個 級別。通過計算每個樣本點與5個初始凝聚點之間的距離大小重新進行聚類，重新組合后 再計算新的重心作為凝聚點，不斷重復上述的調整步驟，直至前后兩次凝聚點的位置基本 上重合為止，說明得到的5類已經是一種相對穩定的結果；通過聚類分析后得出的5個凝聚模塊如果距離太近的話，會導致區分度不高，容 易發生誤判的情況，故需對形成的這5個等級進行檢驗；計算凝聚模塊i與對應的成熟度級 別內最遠之間的距離Mi, i = 1、2、3、4、5，如果相鄰的兩個凝聚模塊i和j之間的距離總是 大于^+Mj, j = 1、2、3、4、5，j Φ i，則認為形成這5個凝聚模塊的測量頻率為此類水果的最佳測量頻率，把測量數據存儲至數據庫當中，如果兩兩凝聚模塊之間的距離有兩個或以上 小于MJMj,則把測量頻率提高ΙΟΚΗζ，重新進行上述的聚類步驟，直至獲到最佳測量頻率為止。上述的方法中，步驟1針對一種類型水果的訓練學習只需進行一次，獲得所測水 果模型后，數據將儲存在數據庫中。上述的方法中，步驟1采用200 400KHZ這個頻率段的超聲波對水果進行探熟， 并根據訓練學習的結果自動從200-400KHZ的頻率范圍內選擇最合適當前水果類型的測量頻率。上述的方法中，步驟2具體包括調整超聲波發射接收一體基陣、接收基陣和耦合器件，使超聲波發射接收一體基 陣、接收基陣緊貼目標水果表面，使超聲入射波能夠大部分射入水果內部；發射接收一體基陣向水果發射超聲波脈沖，接收基陣在探測到幅度變化超過閾值 值后即被激活，并開始接收波形，接收到穿透波和回波后，通過采樣獲得波形的幅度值；超 聲波在水果內部的傳輸時間、和在空氣中的傳輸時間、通過以下方法得到設計一個計時 單元，在發射基陣發出超聲脈沖后開始計時，當檢測接收到穿透波時則停止，得到的時間即 為超聲波在水果內部的傳輸時間、，而超聲波在空氣中的傳輸時間t2也是根據相同的工作 原理獲得；采用測量發射基陣與接收基陣之間的距離的方法來得到超聲波在水果內部的聲 程1 ；發射基陣與接收基陣之間的距離通過另外一套超聲測距儀根據超聲波在空氣中的傳 輸速度V2和傳輸時間t2兩者相乘后即可得到超聲波在水果內部的聲程1 ；再由超聲波衰減 特性公式，計算出目標水果的衰減率a ；聲程與傳輸時間相除后可得超聲波在水果內部的 傳輸速度V1，得到的傳輸速度V1為超聲波在水果內部傳輸時的平均速度。上述的方法中，步驟3包括建立一個坐標系，χ軸為衰減率，y軸為傳輸速度；再把步驟2中得到目標水果的衰 減率和傳輸速度這兩個特征值映射成二維空間中的一個點，稱其為特征點；根據步驟2得 到的有關成熟程度的5個凝聚點，分別計算特征點與5個凝聚點的距離，比較特征點與哪個 凝聚點的距離最小，把目標水果歸入與凝聚點距離最小的那一個組別，完成水果的成熟度 判斷。一種基于比較法的超聲無損檢測水果成熟度的系統，包括水果探測模塊、聲程測 量模塊、信息處理模塊、控制與顯示模塊；控制與顯示模塊與信息處理模塊、聲程測量模塊 相連接，信息處理模塊與水果探測模塊相連接，同時水果探測模塊與聲程測量模塊相連接。上述基于比較法的超聲無損檢測水果成熟度的系統中，所述水果探測模塊包括頻 率調節器、控制和計時器、頻率可調的發射接收一體基陣、接收基陣、耦合器件、接收信息處 理單元；頻率調節器與率可調的發射接收一體基陣連接，控制和計時器、頻率可調的發射接 收一體基陣、接收基陣分別與接收信息處理單元連接，發射接收一體基陣、接收基陣均通過 耦合器件貼緊目標水果的表面；控制和計時器還分別與發射接收一體基陣和接收基陣連 接。所述的耦合器件主要用于保證超聲波不被水果表皮反彈，大部分地入射到目標水果內 部。上述基于比較法的超聲無損檢測水果成熟度的系統中，所述聲程測量模塊用于測 量超聲波在目標水果中的聲程，包括頻率可調的發射器、溫度識別單元、控制和計時單元、接收器、聲程信息處理單元；聲程信息處理單元與所述接收信息處理單元連接，溫度識別單 元、控制和計時單元分別與聲程信息處理單元連接，控制和計時單元還分別與發射器和接 收器連接；上述基于比較法的超聲無損檢測水果成熟度的系統中，所述信息處理模塊包括相 互連接在一起的信息處理單元、成熟度判斷單元；所述控制與顯示模塊包括一個水果選擇 器、裝置開關和顯示屏，其中水果選擇器和裝置開關與信息處理模塊、水果探測模塊、聲程 測量模塊相連接；所述水果選擇器根據不同的水果選擇不同的超聲波頻率和不同的數據 庫；所述的裝置開關有三個檔位，分別是訓練學習模式、正常模式、關閉。上述基于比較法的超聲無損檢測水果成熟度的系統，還包括用于調整發射接收一 體基陣與接收基陣能在一條直線上的基架，所述的基架是一個長方形，四個邊為帶伸縮桿 的鐵桿，可以調節其長寬以適應目標水果的尺寸，其主要作用是保證發射接收一體基陣與 接收基陣能在一條直線上。由上述的技術方案和作用原理可知，相比于現存的水果探熟方法，本發明具有以 下優點1.可以用來測量蘋果、梨、西瓜等多種水果的成熟程度，通過調節發射波的頻率來 適應不同種類的水果，對于數據庫中沒有的水果，只需在探熟之前進行訓練學習后即可以 其進行探熟。2.通過聚類的方法進行訓練學習，獲得有關水果的先驗知識，對相關水果的成熟 度等級進行劃分，建立水果的成熟度模型。通過對模型與目標水果的特征點之間的距離進 行比較，得到水果成熟程度的判斷結果，與現有的方法相比，能大幅提高探熟的準確度。3.探熟過程中不會對水果造成物理損傷。進行探熟時只需把發射基陣和接收基陣 通過耦合器緊密附在水果的表面，保證其垂直于水果表面，不需要用指針深入到水果內部， 更不需要切開水果表皮。4.裝置構成簡單。可以通過調節伸縮桿以適應不同尺寸的水果，體積小、重量輕、 便于攜帶。5.操作簡單。只需選定水果類型，把目標水果置于超聲發射基陣和接收基陣之間， 保證接收基陣與發射基陣處于一條直線上后即可以開始檢測，系統自動給出檢測結果，不 用人工干預輸入。6.適用面廣。適用于果樹科研部門，果樹農場，果品公司，大專院校等單位使用。
圖1是實施方式中基于比較法的無損檢測水果成熟度的裝置的整體結構示意圖；圖2是實施方式中水果探測模塊和聲程測量模塊的內部結構圖；圖3是實施方式中基于比較法的超聲無損檢測水果成熟度系統的工作流程圖；圖4是實施方式中聲程測量模塊與水果探測模塊的工作流程圖；圖5是實施方式中訓練學習的工作流程圖；圖6是實施方式中信息處理模塊的工作流程圖。
具體實施例方式下面結合實施實例對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施和保護范圍不 局限于此。如圖1所示，本實施方式的系統主要由水果探測模塊1、聲程測量模塊2、信息處理 模塊3、控制與顯示模塊4和基架5組成。圖2為水果探測模塊和聲程測量模塊的內部結構模塊圖，水果探測模塊包括頻 率調節器11、控制和計時器12、頻率可調的發射接收一體基陣13、接收基陣14、接收信息 處理單元15、耦合器件。聲程測量模塊包括溫度識別單元21、控制和計時單元22、發射器 23、接收器M、聲程信息單元25、聯動開關26。水果探測模塊中的頻率調節器與發射接收一體基陣相連，控制超聲波束的發射頻 率，控制和計時器同時還與聲程測量模塊中的聯動開關相連接。接收基陣與控制計時器相 連接，接收基陣帶幅度檢測功能，當檢測到幅度由0變為設定的閾值的時候就被激活，然后 開始接收回波和穿透波，接收完畢后自動關閉以節省電量，把接收到的波形送至接收信息 處理單元進行分析處理。控制與計時器向接收信息處理單元輸出超聲波在目標水果內部的 傳輸時間。接收信息處理單元最后得出目標水果的衰減率和傳輸時間。聲程探測模塊主要作用是用于測量超聲波在目標水果中的聲程。因為超聲波的方 向性較好，且果肉為均勻介質，超聲波在水果內部沿直線傳播。當發射波垂直于水果表面入射 時，可認為發射接收一體基陣與接收基陣之間的距離，即為超聲波在水果內部的聲程。因超聲 波在空氣中的傳輸速度已知，只需通過測定超聲波在空氣中的傳輸時間，即可得到發射接收 一體基陣與接收基陣之間的距離。同時用溫度傳感器監視外界溫度的變化，根據超聲波在空 氣中傳播的聲速曲線，及時修正由于溫度而帶來的傳輸速度上的誤差，提高測距精度。聲程探測模塊中的控制與計時器與發射器、接收器相連接，溫度識別單元和控制 和計時器向與接收信息處理單元相連接并向接收信息處理單元提供環境氣溫信息、當前溫 度下超聲波在空氣中的傳輸速度和超聲波在空氣中的傳輸時間。信息處理模塊包括信息處理單元31和成熟度判斷單元32。信息處理單元在完 成衰減率和傳輸速度的分析計算后將送至成熟度判斷單元進行水果的成熟度判斷。控制與顯示模塊包括水果選擇器、裝置開關43、顯示屏。水果選擇器與水果探測模塊中的頻率選擇器和信息處理模塊的成熟度判斷單元 相連接。因水果種類的區別導致其內部結構的不同，為保證超聲波在目標水果內能有良好 的穿透性能，應針對不同的水果選取不同的頻率，同時根據所選的水果選擇對應的數據庫。溫度識別單元由溫度傳感器構成。不同外界溫度下超聲波在空氣中的傳輸速度 不同，水果的尺寸較小，因傳輸速度不同而造成的距離誤差不能忽略，固需要根據外界氣溫 對聲速在空氣中的數值大小進行實時調整。信息處理單元對衰減率及超聲波在水果內的傳輸速度兩個數據進行處理，為下 一步的判斷比較做好準備。成熟度判斷單元根據目標水果與水果模型之間比較的結果，進行成熟度判斷。所述的基架是一個長方形，帶伸縮桿的鐵桿，可以調節其長寬以適應目標水果的 尺寸，其主要作用是保證發射接收一體基陣與接收基陣能在一條直線上。圖3是基于比較法的超聲無損檢測水果成熟度系統的工作流程，包括以下步驟
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步驟1.調節裝置上的基架，使目標水果處于發射接收一體基陣與接收基陣之間， 同時發射接收一體基陣和接收基陣通過耦合器件貼緊目標水果的表面，保證超聲波束大部 分入射到目標水果內部。選取一組成熟度為已知的水果作為樣品，打開開關并把裝置調至訓練學習模式， 將水果粗略地按照成熟程度由高到低分成5個組，按照成熟程度依次安排訓練學習，分組 進行衰減率和傳輸速度的測量與錄入，錄入數據后計算這組樣品點的重心，得到初始凝聚 點，再進行下一組的測量，最后得到5個初始凝聚點，分別對應了 5個成熟度級別。檢查5 個等級的區分度，計算凝聚模塊與該組別中最遠點之間的距離Mi (i = 1，2，3，4，5)，如果凝 聚點之間的距離小于MJMj (j = 1,2,3,4, 5，j興i)，則把頻率提高IOKMHz重新進行上述的 過程，直至得到此類水果的最佳測量頻率。然后根據每個樣品點與凝聚點之間的距離遠近， 進行組間調整，每調整一次則重新計算凝聚點，重復上面的調整步驟，直至前后兩次的凝聚 點位置基本重合，我們則認為這時分成的5個有關成熟程度的組是一個相對穩定的結果， 把得到的水果模型存儲在數據庫中，為下一步的比較做好準備(如果數據庫中已經存放了 有相關水果的成熟模型信息，則此步驟可以忽略)。進行新鮮水果和蔬菜檢測時，超聲波的頻率對穿透性能有著極其重要的影響，本 發明采用200 400KHZ這個頻率段的超聲波對水果進行探熟，并根據訓練學習的結果自動 從200-400KHZ的頻率范圍內選擇最合適當前水果類型的測量頻率。如圖5，選取一批成熟度為已知的水果作為樣品對其進行訓練學習，把這批水果按 照成熟度由大到小(無需精準分類，只需粗略地分辨)，分成5個組別，進行分組學習，根據 成熟程度來安排學習順序的先后，先進行學習的組被認為是成熟度最高的組。當完成一組 樣品的特征值(超聲波在水果中的衰減率和傳輸速度)錄入后，對這些樣本點進行數據處 理，計算后得出這一組樣品點的重心作為初始聚類模塊，然后再進行下一組數據的錄入，直 至所有樣本點都已經錄入系統，共得到5個初始凝聚點，分別對應了成熟度的5個級別。通 過計算每個樣本點與5個初始凝聚點之間的距離大小重新進行聚類，重新組合后再計算新 的重心作為凝聚點，不斷重復上述的調整步驟，直至前后兩次凝聚點的位置基本上重合為 止，說明得到的5類已經是一種相對穩定的結果。通過聚類分析后得出的5個凝聚模塊如果距離太近的話，會導致區分度不高，容 易發生誤判的情況，故需對形成的這5個等級進行檢驗。計算凝聚模塊i與對應的成熟度 級別內最遠之間的距離Mi (i = 1，2，3，4，5)，如果相鄰的兩個凝聚模塊i和j之間的距離總 是大于Mi+M^j = 1,2,3,4,5, j Φ i)，則認為形成這5個凝聚模塊的測量頻率為此類水果 的最佳測量頻率，把測量數據存儲至數據庫當中，如果兩兩凝聚模塊之間的距離有兩個或 以上小于MJMj，則把測量頻率提高ΙΟΚΗζ，重新進行上述的聚類步驟，直至獲到最佳測量頻 率為止。至此水果的訓練學習過程結束(針對一種類型水果的訓練學習只需進行一次，獲 得所測水果模型后，數據將儲存在數據庫中)。步驟2.對目標水果進行實測，采集其衰減率和傳輸速度兩個特征值(如圖4所 示)°步驟2.實測階段對目標水果的衰減率和傳輸速度兩個特征值進行實測，為下一 步的比較做準備。
把裝置調到正常模式，聯動開關向水果探測模塊和聲程測量模塊發出工作指示， 并在發射接收一體基陣和發射器發出波束后，控制與計時器開始計時。發射接收一體基陣 在發出超聲波束后接收來自目標水果內部的回波，接收基陣檢測到波形的幅度變化超過閥 值時，即由休眠狀態激活為工作狀態，開始接收來自目標水果內部的穿透波，同時向控制與 計時器發出了停止計時的信號，得到超聲波在水果內部的傳輸時間、。在接收基陣接收到 穿透波和回波后，發射接收一體基陣和接收基陣把這兩個波形送至水果探測模塊中的接收 信息處理單元，分別對這兩個波形進行分析處理，通過對波形進行采樣分析后得到波形的 幅度信息h和t!2。控制與計時器向接收信息處理單元輸出、。聲程測量模塊與水果測量模塊同時開始工作，溫度識別器對外界溫度進行拾取并 輸出溫度到聲程信息單元，控制與計時器指示發射器發射超聲波束并開始計時，等待來自 接收器的停止計時信號，獲得時間信息、后輸出至聲程信息單元，聲程信息單元根據溫度 識別器所得到的溫度值得到的當前溫度下的傳輸速度v2，V2與t2相乘，得到了超聲波在水 果中的聲程信息1，向接收信息處理單元輸出。接收信息處理單元收通過計算得到目標水果的衰減率a和超聲波在目標水果中 的傳輸速度K。向信息處理模塊提交a、V1的值。步驟3.比較判斷階段把實測到的目標水果與水果模型進行比較分析得出目標 水果的成熟度。信息處理單元接到a、V1的值時，對它們進行處理后送至成熟度判斷單元，與數據 庫中已存的水果的成熟度模型進行比較，分別計算目標水果的特征點與數據庫中存儲的水 果模型的5個凝聚點的距離，根據與凝聚點之間距離的遠近，判斷該水果的成熟度級別。建 立一個坐標系，χ軸為衰減率，y軸為傳輸速度。再把步驟3中得到目標水果的衰減率和傳 輸速度這兩個特征值映射成二維空間中的一個點，稱其為特征點。根據步驟2得到的有關 成熟程度的5個凝聚點，分別計算特征點與5個凝聚點的距離，比較特征點與哪個凝聚點的 距離最小，把目標水果歸入與凝聚點距離最小的那一個組別，完成水果的成熟度判斷。步驟4.結果輸出階段把信息處理模塊中的處理結果輸出到顯示屏上并等待下 一個水果的探測。上述實例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限 制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均 應為等效的置換方式，都包含在被發明的保護范圍之內。
權利要求
1.基于比較法的超聲無損檢測水果成熟度的方法，其特征在于包括以下步驟步驟1、對水果進行訓練學習，通過訓練學習的結果對水果的成熟度進行等級劃分，并 以此建立起水果的成熟度模型和目標水果的最佳測量頻率；步驟2、對目標水果進行實測，采集其衰減率和傳輸速度兩個特征值；步驟3、把目標水果與訓練學習所得到的水果模型進行比較，得出成熟程度。
2.根據權利要求1所述的基于比較法的超聲無損檢測水果成熟度的方法，其特征在 于步驟1具體包括選取一批成熟度為已知的水果作為樣品對其進行訓練學習，把這批水 果按照成熟度由大到小，分成5個組別，進行分組學習，根據成熟程度來安排學習順序的先 后，先進行學習的組被認為是成熟度最高的組；當完成一組樣品的特征值錄入后，對這些樣 本點進行數據處理，計算后得出這一組樣品點的重心作為初始聚類模塊，所述特征值包括 超聲波在水果中的衰減率和傳輸速度；然后再進行下一組數據的錄入，直至所有樣本點都 已經錄入系統，共得到5個初始凝聚點，分別對應了成熟度的5個級別。通過計算每個樣本 點與5個初始凝聚點之間的距離大小重新進行聚類，重新組合后再計算新的重心作為凝聚 點，不斷重復上述的調整步驟，直至前后兩次凝聚點的位置基本上重合為止，說明得到的5 類已經是一種相對穩定的結果；通過聚類分析后得出的5個凝聚模塊如果距離太近的話，會導致區分度不高，容易發 生誤判的情況，故需對形成的這5個等級進行檢驗；計算凝聚模塊i與對應的成熟度級別內 最遠之間的距離Mi, i = 1、2、3、4、5，如果相鄰的兩個凝聚模塊i和j之間的距離總是大于 M^Mj, j = 1、2、3、4、5，j Φ i，則認為形成這5個凝聚模塊的測量頻率為此類水果的最佳測 量頻率，把測量數據存儲至數據庫當中，如果兩兩凝聚模塊之間的距離有兩個或以上小于 MJMj，則把測量頻率提高ΙΟΚΗζ，重新進行上述的聚類步驟，直至獲到最佳測量頻率為止。
3.根據權利要求1所述的基于比較法的超聲無損檢測水果成熟度的方法，其特征在于 步驟1針對一種類型水果的訓練學習只需進行一次，獲得所測水果模型后，數據將儲存在 數據庫中。
4.根據權利要求1所述的基于比較法的超聲無損檢測水果成熟度的方法，其特征在于 步驟1采用200 400KHZ這個頻率段的超聲波對水果進行探熟，并根據訓練學習的結果自 動從200-400KHZ的頻率范圍內選擇最合適當前水果類型的測量頻率。
5.根據權利要求1所述的基于比較法的超聲無損檢測水果成熟度的方法，其特征在于 步驟2具體包括調整超聲波發射接收一體基陣、接收基陣和耦合器件，使超聲波發射接收一體基陣、接 收基陣緊貼目標水果表面，使超聲入射波能夠大部分射入水果內部；發射接收一體基陣向水果發射超聲波脈沖，接收基陣在探測到幅度變化超過閾值值后 即被激活，并開始接收波形，接收到穿透波和回波后，通過采樣獲得波形的幅度值；超聲波 在水果內部的傳輸時間、和在空氣中的傳輸時間t2通過以下方法得到設計一個計時單 元，在發射基陣發出超聲脈沖后開始計時，當檢測接收到穿透波時則停止，得到的時間即為 超聲波在水果內部的傳輸時間、，而超聲波在空氣中的傳輸時間t2也是根據相同的工作原 理獲得；采用測量發射基陣與接收基陣之間的距離的方法來得到超聲波在水果內部的聲程 1 ；發射基陣與接收基陣之間的距離通過另外一套超聲測距儀根據超聲波在空氣中的傳輸 速度V2和傳輸時間t2兩者相乘后即可得到超聲波在水果內部的聲程1 ；再由超聲波衰減特性公式，計算出目標水果的衰減率a ；聲程與傳輸時間相除后可得超聲波在水果內部的傳 輸速度V1，得到的傳輸速度V1為超聲波在水果內部傳輸時的平均速度。
6.根據權利要求1所述的基于比較法的超聲無損檢測水果成熟度的方法，其特征在于 步驟3包括建立一個坐標系，χ軸為衰減率，y軸為傳輸速度；再把步驟2中得到目標水果的衰減率 和傳輸速度這兩個特征值映射成二維空間中的一個點，稱其為特征點；根據步驟2得到的 有關成熟程度的5個凝聚點，分別計算特征點與5個凝聚點的距離，比較特征點與哪個凝聚 點的距離最小，把目標水果歸入與凝聚點距離最小的那一個組別，完成水果的成熟度判斷。
7.一種基于比較法的超聲無損檢測水果成熟度的系統，其特征在于包括水果探測模 塊、聲程測量模塊、信息處理模塊、控制與顯示模塊；控制與顯示模塊與信息處理模塊、聲程 測量模塊相連接，信息處理模塊與水果探測模塊相連接，同時水果探測模塊與聲程測量模 塊相連接。
8.根據權利要求7所述的基于比較法的超聲無損檢測水果成熟度的系統，其特征在于 所述水果探測模塊包括頻率調節器、控制和計時器、頻率可調的發射接收一體基陣、接收基 陣、耦合器件、接收信息處理單元；頻率調節器與率可調的發射接收一體基陣連接，控制和 計時器、頻率可調的發射接收一體基陣、接收基陣分別與接收信息處理單元連接，發射接收 一體基陣、接收基陣均通過耦合器件貼緊目標水果的表面；控制和計時器還分別與發射接 收一體基陣和接收基陣連接。
9.根據權利要求7所述的基于比較法的超聲無損檢測水果成熟度的系統，其特征在于 所述聲程測量模塊用于測量超聲波在目標水果中的聲程，包括頻率可調的發射器、溫度識 別單元、控制和計時單元、接收器、聲程信息處理單元；聲程信息處理單元與所述接收信息 處理單元連接，溫度識別單元、控制和計時單元分別與聲程信息處理單元連接，控制和計時 單元還分別與發射器和接收器連接；
10.根據權利要求7所述的基于比較法的超聲無損檢測水果成熟度的系統，其特征在 于所述信息處理模塊包括相互連接在一起的信息處理單元、成熟度判斷單元；所述控制與 顯示模塊包括一個水果選擇器、裝置開關和顯示屏，其中水果選擇器和裝置開關與信息處 理模塊、水果探測模塊、聲程測量模塊相連接；所述水果選擇器根據不同的水果選擇不同的 超聲波頻率和不同的數據庫；所述的裝置開關有三個檔位，分別是訓練學習模式、正常模 式、關閉。
全文摘要
本發明提供一種基于比較法的超聲無損檢測水果成熟度的方法與系統，所述方法包括以下步驟對水果進行訓練學習，通過訓練學習的結果對水果的成熟度進行等級劃分，并以此建立起水果的成熟度模型和目標水果的最佳測量頻率；對目標水果進行實測，采集其衰減率和傳輸速度兩個特征值；把目標水果與訓練學習所得到的水果模型進行比較，得出成熟程度。所述系統包括水果探測模塊、聲程測量模塊、信息處理模塊、控制與顯示模塊；控制與顯示模塊與信息處理模塊、聲程測量模塊相連接，信息處理模塊與水果探測模塊相連接，同時水果探測模塊與聲程測量模塊相連接。本發明能實現無損檢測，無需人工判斷，且具有實現簡單、容易操作、適用范圍廣的優點。
文檔編號G01N29/032GK102095797SQ20101052862
公開日2011年6月15日 申請日期2010年10月29日 優先權日2010年10月29日
發明者劉逸豪, 曹燕, 陳柔伊, 韋崗 申請人:華南理工大學