一種球形水果質地預測模型的建模方法
2023-06-08 21:45:31
一種球形水果質地預測模型的建模方法
【專利摘要】本發明公開了一種球形水果質地預測模型的建模方法。包括如下步驟：建模樣品集的採集；試驗樣本的準備；質量的測定；果形係數的測定；振動信號的採集；振動特徵參數的提取；質地指標的測定；周期試驗；初始質地預測模型的建立；修正質地預測模型的建立和驗證。本發明通過對振動特徵參數的提取與篩選，可得到與質地最緊密相關的多個振動參數，從而使振動頻譜的有益信息得到充分表達；同時，用果形係數對模型進行修正，提高了模型的預測精度和適應性。
【專利說明】一種球形水果質地預測模型的建模方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種水果質地預測模型的建模方法，尤其涉及基於雷射都卜勒測振技術和多特徵參數提取的一種球形水果質地預測模型的建模方法。
【背景技術】
[0002]水果在採後貯存過程中不斷軟化。在微觀上表現為細胞間粘合力下降，這與細胞膜和細胞壁物質的降解密切相關；在宏觀上，則表現為質地的變化，通常為由硬變軟，由脆變綿。隨著科技進步和人民生活水平不斷提高，人們對於水果的品質要求越來越高，因此，質地作為一項關鍵品質指標被廣泛運用於水果生產與加工過程中，包括確定最佳收穫期、採後保存以及評估可食用期等。
[0003]水果質地的評價可分為主觀和客觀評價兩種方式。主觀評價又叫感觀評定，但這種方法受人為主觀因素和環境因素影響較大，且過程繁瑣。客觀評價包括了有損檢測和無損檢測，Magness-Taylor戳穿試驗法是目前最常用的一種客觀評價方法，通過探頭壓入果肉得到「力-位移」曲線，並從中得到質地指標，如壓入過程的最大力(M-T硬度)、破裂點後力的平均值(果肉硬度)和破裂點前「力-位移」曲線的斜率(果肉彈性率)等。不同品種水果以及不同貯存方式下的最佳質地參數不盡相同，常以感觀評定作為依據。由於有損檢測方法只能抽樣檢測，因此檢測率低，無法重複並造成浪費。
[0004]水果的振動特性與其質地密切相關，因此聲學振動法是最常用的質地無損檢測手段之一。振動信息採集方式包括了接觸式測量和非接觸式測量。雷射都卜勒測振技術作為一種非接觸式的測量手段於近十年才逐漸應用於農產品無損檢測，其具有不幹擾物體振動、不受環境噪聲影響、測量精度高等優點，已被證明在水果振動測試中比接觸式測量方法(如加速度傳感器)具有更高的檢測精度。
[0005]基于振動特性的傳統建模方式通常是通過樣本的共振頻率和質量計算彈性指數，再與質地指標進行相關性分析，建立的通常是一元回歸模型，包含信息少，預測精度有限。但實際上振動特性還包含著除了共振頻率以外的其它豐富的信息，如幅頻特性和相頻特性，且果形對振動特性也有一定影響。因此，本發明首先從幅頻特性和相頻特性提取多個特徵參數，通過化學計量學方法篩選出與質地指標密切相關的特徵參數並建立質地指標的預測模型，然後利用水果果形係數對預測模型進行修正，提高模型的預測精度和適應性，從而達到精確預測水果質地的目的。
【發明內容】
[0006]為了解決基于振動特性水果質地檢測過程中，由於提取的振動指標單一而造成的檢測精度低等問題，本發明的目的在於提供一種球形水果質地預測模型的建模方法。該方法首先建立多振動指標的球形水果質地預測模型，然後利用果形係數進行修正，提高模型的預測精度和適應性，達到質地的無損檢測。
[0007]本發明採用的技術方案，包括以下步驟:[0008]步驟I)建模樣品集的採集:挑選同一批次，無蟲蛀，無畸形的球形水果作為待測樣本，存放過程中剔除腐爛、表面變質等樣本；
[0009]步驟2)試驗樣本的準備:隨機從已採集的待測樣本中選擇不少於3個試驗樣本，提前24小時放入待測環境中；
[0010]步驟3)質量的測定:用電子天平逐一稱重試驗樣本；
[0011]步驟4)果形係數的測定:分別沿「果梗-果萼」方向和水果赤道測量水果的高h和直徑d各3次，每次間隔120°，分別取平均值作為該試驗樣本的高h和直徑d，再用高和直徑平均值的比值作為果形係數SI:
[0012]Sl = IiUl
[0013]步驟5)振動信號的採集:試驗樣品置于振動臺中心位置，振動臺在激勵信號的控制下進行振動，用加速度傳感器和雷射都卜勒測振儀分別測量振動臺和水果上表面頂點的振動，加速度傳感器和雷射都卜勒測振儀採集到的兩路振動信號通過數據採集卡送至計算機並保存，採樣頻率是掃頻終止頻率的2.56倍；
[0014]步驟6)振動特徵參數的提取:對採集到的兩路振動信號通過信號處理軟體進行濾波、積分、快速傅立葉變換處理，再求幅頻響應和相頻響應，並提取振動特徵參數；
[0015]步驟7)質地指標的測定:採用Magness-Taylor戳穿實驗法,在水果赤道處每隔360/a度選取一個點，a=2~4，共選取a個點，將a個點的質地指標值取平均作為每個試驗樣本的質地指標；
[0016]步驟8)周期試驗:按m天為一個實驗周期，共進行k個實驗周期，每個周期重複步驟2)~7)；
[0017]步驟9)初始質地預測模型的建立:將待測樣本劃分為校正組和驗證組，基於校正組採用逐步多元線性回歸方法，從步驟6)提取的振動特徵參數中篩選出與質地指標關係最為密切的特徵參數，並建立多元線性回歸模型:
[0018]Y = ^(X1, X2, *.., Xn)
[0019]式中，Y為質地指標的預測值，X1, X2,…，Xn為篩選出的振動特徵參數；
[0020]步驟10)修正質地預測模型的建立和驗證:將步驟4)得到的果形係數SI作為修正因子加入步驟9)得到的初始質地預測模型，進行線性回歸，得到修正質地預測模型:[0021 ] Y，= Cof1 (X1, X2,…，xn) +C1 (SI) +C2
[0022]式中，Y』為修正後的質地指標預測值，SI為果形係數，C0-C2為回歸係數；
[0023]基於驗證組對建立的修正質地預測模型進行驗證。
[0024]所述的球形水果為蘋果、梨、獼猴桃或李。
[0025]上述步驟5)中，所述的激勵信號指由計算機發出後通過振動控制器輸出並經功率放大器放大後控制振動發生機工作的信號，該信號是正弦掃頻振動信號，掃頻方式是線性掃頻，掃頻速率400~6000Hz/min，起始頻率5~200Hz，終止頻率1000~2000Hz，5-31.5Hz區間振幅恆定為0.5mm, 31.5~2000Hz區間加速度幅值恆定為lg。
[0026]上述步驟5)中，所述的用加速度傳感器和雷射都卜勒測振儀分別測量振動臺和水果上表面頂點的振動的具體方式為，雷射頭豎直向下固定於三腳架上，調節雷射頭，使雷射束聚焦於水果上表面頂點，反射回的雷射由雷射頭接收，經雷射都卜勒測振控制器處理後獲得水果上表面振動信息；加速度傳感器通過安裝螺釘固定在振動臺上測量振動臺面的振動信息。
[0027]上述步驟6)中，所述的振動特徵參數包含各階共振頻率、共振頻率處幅值和相移。
[0028]上述步驟6)中，所述的對採集到的信號通過信號處理軟體進行濾波、積分、快速傅立葉變換處理，再求幅頻響應和相頻響應的具體步驟為，首先將採集到的信號通過低通濾波濾去高頻幹擾信號，截止頻率為掃頻終止頻率；然後將加速度傳感器測得的振動臺信號進行一次積分作為輸入信號，雷射都卜勒測振模塊測得的水果上表面振動信號作為輸出信號，分別對兩路信號進行快速傅立葉變換；最後求得幅頻響應和相頻響應。
[0029]上述步驟7)中，所述的質地指標，包括M-T硬度、果肉硬度和果肉彈性率。
[0030]上述步驟8)中，所述的m和k應根據具體某種球形水果的貯藏特性合理選擇，但應滿足m≥1，k≥1。
[0031]上述步驟9)中，所述的待測樣本中校正組和驗證組的比例為3:1。
[0032]與【背景技術】相比，本發明具有的有益效果是:
[0033]本發明通過對振動特徵參數的提取與篩選，可得到與質地最緊密相關的多個振動參數，從而使振動頻譜的有益信息得到充分表達；同時，用果形係數對模型進行修正，提高了模型的預測精度和適應性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]圖1是本發明的建模方法流程圖。
[0035]圖2是本發明實施例中皇冠梨的一個典型幅頻響應圖。
[0036]圖3是本發明實施例中皇冠梨的一個典型相頻響應圖。
[0037]圖4是本發明實施例中校正組中修正後皇冠梨果肉彈性率預測值與實際值的相關關係圖。
[0038]圖5是本發明實施例中驗證組中修正後皇冠梨果肉彈性率預測值與實際值的相關關係圖。
【具體實施方式】
[0039]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0040]本發明提供的水果質地預測模型的建模方法對於球形水果具有通用性，以皇冠梨為例，介紹本發明用於皇冠梨質地預測模型建立的實施過程，其它球形水果可參照該實施例，建立相應的質地預測模型，即可實現不同種類的球形水果的質地預測。
[0041]1、皇冠梨樣品的採集:
[0042]在市場採集同一批次，重量接近，無蟲蛀，無畸形的皇冠梨作為待測樣本，試驗期間待測樣本放置在20°C，相對溼度50%的恆溫恆溼培養箱中保存，存放過程中剔除腐爛、表面變質等樣本，最終總共用於實驗的樣本為135個。
[0043]2、試驗樣本的準備
[0044]隨機從已採集的待測樣本中選擇7~12個樣本，提前24小時放入待測環境中；
[0045]3、質量的測定
[0046]用精度為0.01g的電子天平逐一稱重待測樣本；
[0047]4、果形係數的測定[0048]用遊標卡尺分別沿皇冠梨的「果梗-果萼」方向和赤道測量水果的高h和直徑d各3次，每次間隔120°，分別取平均值作為該樣本的高^和直徑3，再用高和直徑平均值的比值作為果形係數SI:
[0049]SI = hl d
[0050]5、振動信號的採集
[0051]計算機發出激勵信號並通過振動控制模塊輸出，激勵信號經功率放大器放大後控制振動發生機工作。激勵信號是正弦掃頻振動信號，掃頻方式是線性掃頻，掃頻速率600Hz/min，起始頻率100取，終止頻率2000泡，5~31.5Hz區間振幅恆定為0.5mm, 31.5~2000Hz區間加速度幅值恆定為lg。皇冠梨置于振動臺中心位置，振動臺在激勵信號的控制下進行振動。雷射頭豎直向下固定於三腳架上，調節雷射頭，使雷射束聚焦於皇冠梨上表面頂點，反射回的雷射由雷射頭接收，經雷射都卜勒測振控制器處理後獲得水果上表面振動信息。加速度傳感器通過安裝螺釘固定在振動臺上測量振動臺面的振動信息。加速度傳感器和雷射都卜勒測振儀採集到的兩路振動信號均通過數據採集卡採集並送至計算機保存。採樣頻率為 5120Hz。
[0052]6、振動特 徵參數的提取
[0053]首先將採集到的信號通過低通濾波濾去高頻幹擾信號，截止頻率為2000Hz ;然後將加速度傳感器測得的振動臺信號進行一次積分作為輸入信號,雷射都卜勒測振模塊測得
的皇冠梨上表面振動信號作為輸出信號，分別對兩路信號進行快速傅立葉變換；最後求得幅頻響應和相頻響應。圖2和圖3分別是本實施例中皇冠梨的一個典型幅頻響應圖和一個典型相頻響應圖。從幅頻響應曲線中提取第二共振頻率和第二共振頻率處幅值，從相頻響應圖中提取400，800，1200和1600Hz處相移。此外，計算彈性係數EI作為另一振動特徵參數，計算公式如下:
[0054]EI = f22m2/3
[0055]式中，EI為彈性係數，Hz2kg2/3 ；f2為第二共振頻率，Hz ；m為樣本質量，kg。
[0056]7、質地指標的測定
[0057]採用Magness-Taylor戳穿實驗法,在水果赤道處每隔90度選取一個點,共選取4個點，將4個點的質地指標值取平均作為每個樣本的質地指標。在所選點處，用直徑為5mm的圓柱形探頭以lmm/s的速度壓入果肉10mm，得到該點的「力-位移」曲線。質地指標選擇為破裂點前「力-位移」曲線的斜率，即果肉彈性率。果肉彈性率e計算公式如下:
【權利要求】
1.一種球形水果質地預測模型的建模方法，其特徵在於，包括以下步驟: 步驟I)建模樣品集的採集:挑選同一批次，無蟲蛀，無畸形的球形水果作為待測樣本，存放過程中剔除腐爛、表面變質等樣本； 步驟2)試驗樣本的準備:隨機從已採集的待測樣本中選擇不少於3個試驗樣本，提前24小時放入待測環境中； 步驟3)質量的測定:用電子天平逐一稱重試驗樣本； 步驟4)果形係數的測定:分別沿「果梗-果萼」方向和水果赤道測量水果的高h和直徑d各3次，每次間隔120°，分別取平均值作為該試驗樣本的高h和直徑d，再用高和直徑平均值的比值作為果形係數SI: SI = h/d 步驟5)振動信號的採集:試驗樣品置于振動臺中心位置，振動臺在激勵信號的控制下進行振動，用加速度傳感器和雷射都卜勒測振儀分別測量振動臺和水果上表面頂點的振動，加速度傳感器和雷射都卜勒測振儀採集到的兩路振動信號通過數據採集卡送至計算機並保存，採樣頻率是掃頻終止頻率的2.56倍； 步驟6)振動特徵參數的提取:對採集到的兩路振動信號通過信號處理軟體進行濾波、積分、快速傅立葉變換處理，再求幅頻響應和相頻響應，並提取振動特徵參數； 步驟7)質地指標的測定:採用Magness-Taylor戳穿實驗法,在水果赤道處每隔360/a度選取一個點，a=2~4，共選取a個點，將a個點的質地指標值取平均作為每個試驗樣本的質地指標; 步驟8)周期試驗:按m天為一個實驗周期，共進行k個實驗周期，每個周期重複步驟2)~7); 步驟9)初始質地預測模型的建立:將待測樣本劃分為校正組和驗證組，基於校正組採用逐步多元線性回歸方法，從步驟6)提取的振動特徵參數中篩選出與質地指標關係最為密切的特徵參數，並建立多元線性回歸模型:
Y— f j (X1, x2，…，xn) 式中，Y為質地指標的預測值，X1, X2, -,χη為篩選出的振動特徵參數； 步驟10)修正質地預測模型的建立和驗證:將步驟4)得到的果形係數SI作為修正因子加入步驟9)得到的初始質地預測模型，進行線性回歸，得到修正質地預測模型:
Y，= Cof1 (X1, X2,..., Xn) +C1 (SI) +C2 式中，Y』為修正後的質地指標預測值，SI為果形係數，C0-C2為回歸係數； 基於驗證組對建立的修正質地預測模型進行驗證。
2.根據權利要求1所述一種球形水果質地預測模型的建模方法，其特徵在於:所述的球形水果為蘋果、梨、獼猴桃或李。
3.根據權利要求1所述一種球形水果質地預測模型的建模方法，其特徵在於:上述步驟5)中，所述的激勵信號指由計算機發出後通過振動控制器輸出並經功率放大器放大後控制振動發生機工作的信號，該信號是正弦掃頻振動信號，掃頻方式是線性掃頻，掃頻速率400~6000Hz/min，起始頻率5~200Hz，終止頻率1000~2000Hz，5~31.5Hz區間振幅恆定為0.5mm, 31.5~2000Hz區間加速度幅值恆定為lg。
4.根據權利要求1所述一種球形水果質地預測模型的建模方法，其特徵在於:上述步驟5)中，所述的用加速度傳感器和雷射都卜勒測振儀分別測量振動臺和水果上表面頂點的振動的具體方式為，雷射頭豎直向下固定於三腳架上，調節雷射頭，使雷射束聚焦於水果上表面頂點，反射回的雷射由雷射頭接收，經雷射都卜勒測振控制器處理後獲得水果上表面振動信息；加速度傳感器通過安裝螺釘固定在振動臺上測量振動臺面的振動信息。
5.根據權利要求1所述一種球形水果質地預測模型的建模方法，其特徵在於:上述步驟6)中，所述的振動特徵參數包含各階共振頻率、共振頻率處幅值和相移。
6.根據權利要求1所述一種球形水果質地預測模型的建模方法，其特徵在於:上述步驟6)中，所述的對採集到的信號通過信號處理軟體進行濾波、積分、快速傅立葉變換處理，再求幅頻響應和相頻響應的具體步驟為，首先將採集到的信號通過低通濾波濾去高頻幹擾信號，截止頻率為掃頻終止頻率；然後將加速度傳感器測得的振動臺信號進行一次積分作為輸入信號，雷射都卜勒測振模塊測得的水果上表面振動信號作為輸出信號，分別對兩路信號進行快速傅立葉變換；最後求得幅頻響應和相頻響應。
7.根據權利要求1所述一種球形水果質地預測模型的建模方法，其特徵在於:上述步驟7)中，所述的質地指標，包括泰勒硬度、果肉硬度和果肉彈性率。
8.根據權利要求1所述一種球形水果質地預測模型的建模方法，其特徵在於:上述步驟8)中，所述的m和k應根據具體某種球形水果的貯藏特性合理選擇，但應滿足m3 1，k > I。
9.根據權利要求1所述一種球形水果質地預測模型的建模方法，其特徵在於:上述步驟9)中，所述的待測樣本中校正組`和驗證組的比例為3:1。
【文檔編號】G01N29/12GK103713051SQ201310695966
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月17日 優先權日:2013年12月17日
【發明者】崔笛, 張文, 應義斌 申請人:浙江大學