注水肉超声波无损检测装置及特征阈值的提取

刘朝鑫 - 李 明 甘富航 - 张维华 - 王润涛 -

(东北农业大学电气工程与信息学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

注水肉超声波无损检测装置及特征阈值的提取

刘朝鑫LIUZhao-xin李 明LIMing甘富航GANFu-hang张维华ZHANGWei-hua王润涛WANGRun-tao

(东北农业大学电气工程与信息学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

针对注水肉问题与缺少民用注水肉检测装置的情况，研制了基于超声波能量分析的便携式注水肉无损检测装置，并通过试验对频率分级特征、特征半波、δ0幅值等特征量值进行分析，以确认注水肉检测的特征阈值。研究结果表明：注水肉检测特征半波δ0的幅值4.010 V为阈值；验证实验结果证明该装置对宰后注水肉的分级精度达到98.8%。

注水肉；无损检测；超声波；特征半波

传统的注水肉检测方法有感官鉴别法、pH值法[1]、生物电阻抗法[2]。其中，感官鉴别法会因个体感官差异直接影响检测结果的准确性，或因个体经验的差异而具有主观性；pH值法的指标pH值因只与肉体表面水含量相关性强，无法辨别出活禽灌水或宰后血管注水的肉品而缺乏可靠性；物理损失法通过蒸煮加热的方式测出肉品去水后的失重率来检测注水程度，所得结果可信，但破坏性过强，无法对市场肉品进行普查；生物电阻抗法易受外界干扰，如肉品的形状、肉品表皮状态都将直接影响检测结果[3]。

发达国家将无损检测技术应用于肉质检测起步较早，Simal等[4]通过超声波波谱发现肉质结构与肉品含水率相关，研究得知肉品注水后肉质中脂肪和蛋白质的分布发生改变而导致肉质结构的改变。Hazlrwood等[5-7]通过核磁共振技术检测出了肉质中自由水、组织水和流动水的含量及水在肉中的弛豫时间，并建立了相关的数学模型来确定肉的含水量。但这些先进技术仅在国外专业研究中得以应用。张海云等[8-9]研制了用于肉品品质检测的红外光谱成像仪，该装置可以完成肉品营养成分分析、嫩度新鲜度评价以及微生物污染程度评定，但由于成本与使用者技术素养要求过高，普通市场的监管组织难以推广应用。

本研究拟以注水肉检测为研究对象，依据超声波穿过含水率不同的肉质时能量衰减具有差异性的原理，以及超声波信号可转换成电压信号的压电效应[10]，建立特征半波幅值与肉质含水率一一对应的数据表格，获得区分注水肉与正常肉的技术方法。同时利用低强度超声波模块价格低、穿透能力强、应用性强的特点，以MSP430F248为核心数据处理芯片，结合超声波检测终端搭建无损检测硬件平台，实现成本低、精度高的检测装置的研制。

1 装置的结构与工作流程

1.1 装置的组成部分及其功能

注水肉无损检测装置系统整体结构见图1。

这些部分相互协调、配合，以实现装置的功能，并形成便携的特性。其中，基础核心部分为超声波振子对，是发射与接收超声波的基础器件；控制与数据处理部分由芯片MSP430F428系统板和液晶显示屏组成；能量供给部分由一系列开关电源模块组成，以将220 V交流电转换为支持控制处理系统工作的直流电与驱动振子工作的高频交流电；机械支撑部分由低重心支架与步进电机组成，将发射振子置于底部以靠近支架重心，以减缓发射阵子工作时产生的低于超声波频率的杂波所造成的轻微振动。另外，步进电机可以调节接收振子的高度以改变声场的宽度，适应不同厚度的被检肉品，进而提高装置的自动化程度。

1. 步进电机及驱动 2. 超声波接收振子 3. MSP430F248最小系统 4. 软壳 5. 支架 6. 工频电插头 7. 超声波发射振子 8. 开关电源与振子驱动器模快

图1 注水肉无损检测装置

Figure 1 Nondestructive detecting device for water

injected meat

系统工作流程图见图2。把待检肉放置在软壳容器内，启动电源，MSP430F248单片机系统初始化，通过系统中的步进电机调整超声波接收振子的高度直到振子表面贴到被检肉的上表面并轻压该表面，按下开始检测按钮。嵌于软壳容器的超声波发射振子通过压电效应发出超声波，超声波透过肉质，传播到超声波接收振子，接收振子通过逆压电效应产生电压信号。信号经过滤波、变换后作为可处理信号，由单片机的算法计算，得出可输出结果，根据结果，做出下一步决策：若肉的含水量正常，控制系统结果返回命令，使显示器维持显示状态，显示正常，停止所有驱动；否则，系统返回再次检测命令，依次循环直到进行到第4次时，停止所有驱动，显示‘注水’警告。

1.2 硬件选择

1.2.1 芯片 用MSP430F248作为数据处理核心和控制外设的控制中心。该芯片具有10/12位硬件A/D转换器，转换精度较高。另外，MSP430系列单片机中断为矢量中断，可支持10个以上的中断源。响应中断请求时，激励CPU仅需要6 μs，因此可以对复杂情况做出快速响应。

图2 基于超声波的注水肉检测装置工作流程Figure 2 Working flow of the device

1.2.2 步进电机 步进电机又称脉冲电动机，是一种将脉冲信号转变成角位移或线位移的电动机，电动机的转速，停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数。令编码器线数为P，在一定测速时间T中脉冲个数为M个，检测时钟脉冲频率为f，个数为m个，则可得到电机转速的误差：

(1)

步进电机这一特性使得调高模块机械动作所需的空间最小化。步进电机调高模块的简化图见图3。

图3 步进电机调高模块结构图Figure 3 Structure of height stepper motor drive

1.2.3 发射振子驱动电路 在以TL494芯片为核心的变频电路的基础上，改进设计了超声波发射振子驱动器，图4为逆变电路原理图，采用全桥逆变电路，使用的是耐高压的场效应管IRF840。这个模块为发射振子提供足够大的驱动能量，开关管IRF840可以提高驱动电路的可靠性。

1.2.4 其他硬件 使用MSP430F248自带的A/D转换模块采集接受振子产生的信号；显示部分使用的是12 864液晶屏，以减少装置的成本；额定频率为40kHz的振子对。

1.3 软件系统设计

系统软件设计的关键是数据的处理，在此基础上是整体算法尽量简洁。关键部分为：在控制核心MSP430F248写入与装置预处理数据对应的算法，尤其是特征声波的阈值和频率ω0，应以实际预处理为准；程序初始化后，等待数据处理的中断命令；对数据进行卡曼滤波，装入数组；积分算法还原采样声波；取出频率为ω0的特征声波的相关数据，存到另一个数组；大小比较，取出最大值作为特征声波的幅值；阈值比较，进入循环显示或再次检测算法。软件设计主要部分的工作流程图见图5。

2 特征阈值提取试验与结果分析

超声波注水肉无损检测装置通过超声波接收振子、数据变换模块、MSP430F248片内12位ADC获得透过肉质的超声波相关参数，控制核心利用这些数据组成声波波谱，从而得到反映肉质含水情况的特征量值。ADC采样频率设为60MHz，采样点1 200个，采样时间为20μs。

2.1 对照组与试验组的数据预处理

准备对照组，即正常肉，200g的牛羊猪肋骨附近肌肉丰厚的肉各5块，并且切成15mm厚；准备试验组，采用宰后直接注水法(一种市面常见的注水法)，利用针筒分3次注入总量为50mL的蒸馏水，3次注射的地方应该保持一定的距离且相隔2 min，使注入的蒸馏水在肉质中尽量分布均匀，以减小试验样品差异而造成的误差。本研究首先要获得透过对照组和试验组肉质的超声波数据，生成声波谱。为获得有效数据，控制核心写入卡尔曼滤波算法，否则波形将如图6(a)所示，很难分析。在预处理中，装置与上位机实时通讯，上位机用Matlab进行统计计算。

图4 超声波发射驱动器电路图Figure 4 Circuit of ultrasonic emission driver

图5 软件设计主要部分的工作流程图Figure 5 Working flow chart of key software

类比数学积分法，还原超声波波形。在采样算法中，将采集的1个半波数据作为1次采样，对每块肉进行100次的采样，得到100个半波。对比图6(c)、(b)波形，发现试验组和对照组的透过波形非常相近。

2.2 频率分级特征提取

频率分级即指通过对比透过正常肉和注水肉后的声波频率筛出注水肉。因对照组中牛羊猪肉的透过波形相近，本试验在频率分级分析中，仅以猪肉为研究对象，结果统计见图7。由图7可知，对照组和试验组的半波频率特性没有太大差异，无法提取频率分级特征。

2.3 特征半波的提取

声波能量可由接收端电信号的波形面积间接反映，公式[11-13]为

图6 部分波形结果Figure 6 Several waveform results

(2)

图7 半波频率特性直方图Figure 7 Characteristic half wave frequency’s histogram

式中：

S——波形面积数；

f(t)——各时刻接收的电信号的电压幅值，V；

t——采样时刻，ms。

则接收振子对每块肉每次检测感应到的能量计算式为

(3)

式中：

Tn——第n个半波的周期(n范围为1～100)，ms；

V(t)——实时采样的幅值数据，V；

E——100个半波的面积和。

对预处理中对照组、试验组透过各类肉的波形进行电信号面积计算求均值，结果见图8。

s1、s2分别为透过试验组和对照组羊肉后的电信号波形面积平均值图8 各组肉类波形面积平均值Figure 8 Average value of various types of meat’s waveform area

由于水的注入，游离在细胞间的流动水增多，发生空化作用的水分增多，使得能量损耗增大，因此能量可以作为分级特征测出注水肉。

声波的能量由介质的振动传递，可通过介质的振动算得，计算式为

W=ρμω2A2，

(4)

式中：

ρ——介质密度，g/cm3；

μ——波速，m/s；

ω——声波频率，kHz；

A——幅值，以测试指标确定单位，本研究以电压信号为测试指标，V。

则采集的1个半波能量计算式为

(5)

式中：

Wn——第n个半波的能量；

ωm——Fourier分析后的第m次正弦波频率，kHz；

Am——Fourier分析后的第m次正弦波幅值，V；

j——波的次数，为无穷量(一般取到7次)。

肉质物理化学特性保持不变，即ρ、μ保持不变，ωn不受肉质的含水率影响。透过注水肉与正常肉的超声波信号的能量差可由电压信号的面积差ΔWn确定，ΔWn为无纲量，抽象为函数式

(6)

ΔWn=W(An)-W(An+ΔAn)，

(7)

式中：

An——第n个半波的幅值，为对应Am的几何平均值。

则整体的能量损失可表示为

(8)

由式(6)～(8)可知，半波的幅值能反映其能量变化的大小，可作为分级特征。使用振子1的情况下得表1数据，分析发现频率为ω0(f3)的半波δ0幅值变化最为显著，则取δ0为特征半波。另外，发现δ0的频率是与接收发射振子的制作工艺是相关的(见图9)，振子的工艺不同，δ0的频率在ω0附近波动，因此ω0不能确定为常数，应以实际装置预处理得到的数据为准。

表1 幅值变化幅度与频率之间的关系Table 1 The relationship between amplitude and frequency

图9 振子工艺对特征半波频率的影响Figure 9 The influence of the vibrator’s craft on characteristic half wave’s frequency

2.4δ0幅值的特征阈值提取

增加3个试验组，注水量为5，10，20 mL，根据市场情况，添加的试验组有足够代表性，用预处理的方法获取声波相关数据，求各组肉类的δ0声波的幅值，结果见表2，幅值最小值见图10。

经过数据分析发现牛羊猪注水肉的δ0的幅值不大于4.010 V。这三者的自然含水量为75%左右[14-16]，所以各方面数据相近。本文最终取δ0的幅值4.010 V为阈值，大于该值的为合格肉。同时，振子的制造工艺存在差异，阈值应以装置实际预处理中的数据为准。

表2 特征半波δ0幅值的最小值与平均值Table 2 The minimum value and average value of special half wave amplitude

图10 特征半波幅值的最小值Figure 10 The minimum amplitude of special acoustic wave

3 验证实验

为验证装置可靠性，取100，200，300，400，500 g的牛羊猪肉各两块，所取部位为肋骨附近肌肉丰富的肉，共30块，切成15 mm厚，从各类肉中随机取出两块，采用宰后直接注水法注入其质量2%～10%的蒸馏水，并做好标记，打乱顺序后进行测试。重复3次。设定合格肉的特征半波δ0的幅值4.010 V为阈值，δ0幅值小于该值的肉即为注水肉。

测试结果表明(表3)，装置正确率平均值为98.8%。由于噪音无法完全避免，所以存在漏判或误判，以3次检测的结果作为根据，判断正确率达100%。

表3 分级测试结果Table 3 Statistics of grading test result

4 结论

本研究依据超声波穿过含水率不同的肉质时能量具有差异性的原理，设计了以MSP430为控制器，具有便携、快捷等优点的注水肉无损检测装置。以牛、羊、猪肉为试验对象系生活中常见的肉类食品，具有较强的实用性，探究表征超声波能量吸收差异的特征量。发现特征半波的频率和肉质含水率的相关性微弱，而特征半波的幅值与含水率有很强的相关性，肉质含水率越高，对应的幅值越低，并确定特征半波的幅值阈值为4.010 V。试验表明，在常温下，装置一次性检测的正确率达98.8%。

由于本研究是针对市面上用宰后直接注水法制成的注水肉，所以该装置不一定能检测出用活禽灌水法和宰后血管注水法所制成的注水肉。后2种手段制成的注水肉的特点是注入的水多数存在于肉质的毛细血管中而不易向四周渗透，这与本研究注水肉内的水分分布特点有较大差异，所以后续试验中样品必须增加通过活禽灌水法和宰后血管注水法获得的注水肉，提高装置的识别能力和准确性。

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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

阳晶，女，中南林业科技大学在读硕士研究生。

李忠海(1960-)，男，中南林业科技大学教授，博士。 E-mail:lizh11@163.com

2017-03-06