A1 艾 群 教 授 提 供
投 影 片 1 A1 Aquarius, 2008/3/27
波 與 振 動 所 謂 振 動, 就 是 隨 著 時 間 而 進 行 的 擺 動 隨 著 時 間 進 行 且 穿 越 空 間 的 擺 動 就 叫 做 波 (wave) 波 不 會 固 定 在 一 個 地 點 上, 而 必 定 是 經 一 個 地 點 前 進 到 另 一 個 地 點
單 擺 的 振 動 伽 利 略 (1564-1642) 發 現, 如 果 單 擺 以 小 角 度 來 擺 動, 來 回 一 次 所 需 要 的 時 間 叫 做 週 期 長 度 相 同 的 兩 個 單 擺, 它 們 的 週 期 相 同, 與 它 們 下 端 墜 物 的 質 量 無 關 單 擺 的 週 期 : T L 為 單 擺 的 長 度, g 為 重 力 加 速 度 = 2π L g
波 是 什 麼? 最 高 點 叫 波 峰, 最 低 點 叫 波 谷 振 幅 是 指 波 峰 ( 或 波 谷 ) 至 中 間 點 的 距 離 波 長 是 指 一 個 波 峰 ( 波 谷 ) 至 下 一 個 波 峰 ( 波 谷 ) 之 間 的 距 離 頻 率 是 描 述 振 動 快 慢, 亦 即 為 週 期 的 倒 數 頻 率 的 單 位 叫 赫 茲 (Hz)
昆 蟲 學 中 的 物 理 振 動 頻 率 大 黃 蜂 鼓 動 翅 膀 的 頻 率 是 130Hz( 每 秒 130 次 ) 蜜 蜂 鼓 動 翅 膀 的 頻 率 是 225Hz( 每 秒 225 次 ) 蚊 子 鼓 動 翅 膀 的 頻 率 是 600Hz( 每 秒 600 次 )
無 線 電 波 頻 率 無 線 電 台 的 發 射 天 線 上 由 電 子 振 動 而 產 生 無 線 電 波 在 調 幅 收 音 機 的 儀 表 上 標 示 為 960 千 赫 茲 (KHz) 電 台, 天 線 上 的 電 子 每 秒 鐘 振 動 960,000 次, 以 產 生 960 KHz 的 無 線 電 波
波 動 聲 音 是 經 由 一 種 波 傳 送 到 吾 人 耳 朵 的 能 量 能 量 是 從 振 動 的 源 頭 經 由 波 的 傳 送 而 抵 達 接 受 器 的, 其 間 的 過 程 並 不 需 要 任 何 物 質 的 轉 移 波 速 ( v ) = 波 長 ( λ ) x 頻 率 ( f )
橫 波 凡 是 介 質 ( 繩 子 ) 運 動 的 方 向 與 波 的 行 進 方 向 互 相 垂 直 的 波, 叫 做 橫 波 例 : 琴 弦 振 動 時 造 成 的 波, 水 面 上 的 波 無 線 電 波 光 波 等
縱 波 波 動 時 的 質 點 運 動 的 方 向 與 波 的 前 進 方 向 互 相 平 行 時, 這 種 波 叫 縱 波 例 : 聲 波 橫 波 縱 波
干 涉 當 一 組 波 的 波 峰, 與 另 一 組 波 的 波 峰 疊 合 時, 振 幅 會 相 加 而 變 的 更 大, 這 種 效 應 叫 做 相 長 干 涉 當 一 組 波 的 波 峰, 與 另 一 組 波 的 波 谷 疊 合 時, 凸 出 的 部 分 正 好 填 入 凹 下 的 部 分, 波 峰 與 波 谷 互 相 抵 消, 這 種 效 應 叫 做 相 消 干 涉 相 長 干 涉 相 消 干 涉
駐 波 ( 一 ) 入 射 波 與 反 射 波 回 來 的 波 會 配 合 造 成 駐 波, 駐 波 的 某 些 部 分 永 遠 靜 止 不 動, 叫 做 波 節
駐 波 ( 二 ) 例 : 琴 弦 演 奏 管 風 琴, 使 管 中 的 空 氣 產 生 駐 波 口 吹 汽 水 瓶 而 發 出 聲 音 ( 上 ) 搖 動 繩 子, 製 造 出 只 有 一 個 節 段 的 駐 波 ( 繩 長 等 於 0.5 個 波 長 ) ( 中 ) 將 搖 動 繩 子 的 頻 率 加 倍, 駐 波 就 有 兩 個 節 段 ( 繩 長 等 於 波 長 ) ( 下 ) 搖 動 繩 子 的 頻 率 變 為 原 先 的 三 倍, 此 時 駐 波 就 有 三 個 節 段 ( 繩 長 等 於 1.5 個 波 長 )
都 卜 勒 效 應 ( 一 ) A B 中 間 的 小 蟲 在 固 定 位 置 上 踏 水, 產 生 一 圈 圈 的 圓 形 水 波, 頻 率 不 變, 則 波 紋 間 距 離 ( 即 波 長 ) 就 不 變 A B 中 間 小 蟲 子 在 平 靜 水 面 上 前 進, 產 生 的 水 波 圖 樣 前 進 速 度 比 牠 產 生 的 波 速 要 慢, 最 外 圈 的 波 紋 是 最 先 在 納 圓 圈 中 心 時 產 生 的 波, 划 水 頻 率 不 變, 則 B 點 接 受 到 的 波 有 較 高 的 頻 率,A 點 則 感 受 到 較 低 的 波 動 頻 率 因 為 波 源 ( 或 接 受 器 ) 的 運 動 導 致 頻 率 的 改 變, 叫 做 都 卜 勒 效 應 (1803-1853), 波 源 愈 快, 效 應 愈 大
都 卜 勒 效 應 ( 二 ) A B 小 蟲 子 的 划 行 速 率 跟 水 波 速 率 一 樣 快 時, 所 產 生 的 波 形 聲 波 的 波 源 衝 向 你 的 時 候, 音 調 較 高, 而 當 波 源 離 你 而 去 時, 音 調 較 低 利 用 雷 達 波 的 都 卜 勒 效 應, 可 以 測 量 車 速
船 頭 波 小 蟲 子 的 划 行 速 率 比 水 波 的 波 速 快 時, 所 產 生 的 波 形 波 峰 的 一 圈 圈 波 峰 在 邊 緣 相 交, 若 將 這 些 交 會 的 點 連 接 起 來, 會 成 為 一 個 V 字 形, 這 個 形 狀 的 波 就 叫 船 頭 波 在 波 源 的 速 率 超 過 波 速 之 後, 速 率 愈 快, 形 成 的 V 字 形 愈 窄
聲 音 在 很 多 乒 乓 球 中 揮 動 球 拍, 乒 乓 球 就 會 把 有 韻 律 的 波 動 傳 開 振 動 的 波 動, 經 由 空 氣 分 子 傳 播, 就 會 造 成 聲 音
聲 音 的 特 點 沒 有 振 動 就 沒 有 聲 音 無 論 何 時 何 地, 只 要 有 聲 音 就 有 物 質 在 振 動 例 : 爆 米 花 撥 琴 弦 吹 笛 子
聲 音 的 起 源 每 一 種 發 生 的 方 式 都 是 先 有 聲 源 的 振 動, 再 引 發 較 大 或 較 重 的 物 體 振 動, 如 弦 樂 器 的 共 鳴 板 簧 片 或 管 樂 器 的 空 氣 柱 音 調 高 則 振 動 頻 率 高, 音 調 低 則 振 動 頻 率 低 人 耳 接 收 到 的 聲 音 頻 率 為 20 至 20000Hz 低 於 20Hz 稱 為 次 聲 波, 高 於 20000Hz 叫 超 音 波
空 氣 中 的 聲 波 ( 一 ) 當 你 拍 一 拍 手, 就 會 產 生 脈 波 向 四 周 傳 播, 脈 波 使 空 氣 振 動 的 情 形, 有 如 空 氣 中 的 每 個 粒 子, 都 會 沿 著 波 動 的 擴 張 方 向 來 回 運 動
空 氣 中 的 聲 波 ( 二 ) 所 有 的 波 動 都 是 在 傳 送 脈 波, 而 不 是 傳 播 介 質, 若 是 以 一 週 期 來 開 門 與 關 門, 就 可 以 製 造 出 週 期 性 的 稠 密 部 與 稀 疏 部 當 音 叉 的 尖 端 振 動 向 管 口 時, 一 個 稠 密 部 進 入 管 中, 而 當 它 往 回 振 動 時, 就 產 生 一 個 稀 疏 部, 跟 在 稠 密 部 後 方 進 到 管 中
傳 播 聲 音 的 介 質 介 質 空 氣 水 玻 璃 鋁 聲 速 (m/sec) 340 (20 o C) 1450 5000-6000 5100 鐵 5000 聲 音 在 真 空 中 不 能 傳 送 在 一 般 物 體 內 的 聲 速, 不 是 由 物 體 的 密 度 來 決 定, 而 是 由 它 的 彈 性 模 數 來 決 定, 因 為 原 子 排 列 較 密 集 也 較 彈 性, 易 於 傳 送 能 量 之 故
聲 音 訊 號 聲 音 的 強 度 與 聲 波 振 幅 的 平 方 成 正 比 左 方 的 擴 音 喇 叭 上, 紙 筒 隨 著 電 流 訊 號 的 節 奏 振 動, 而 喇 叭 發 出 的 聲 音, 使 位 於 中 央 的 麥 克 風 感 受 到 振 動, 這 種 振 動 便 顯 示 在 右 方 的 示 波 器 螢 幕 上 ; 螢 幕 上 的 波 形 代 表 聲 音 訊 號
響 度 響 度 是 人 腦 感 覺 到 的 生 理 刺 激, 乃 是 因 人 而 異 聲 音 響 度 的 單 位 是 分 貝 (decibel, db) 也 電 話 發 明 人 貝 爾 (Alexander Graham Bell, 1847-1922) 來 命 名, 亦 可 代 表 聲 音 的 強 度 聲 源 響 度 (db) 聲 源 響 度 (db) 30 公 尺 處 的 噴 射 引 擎 140 正 常 的 演 說 60 耳 膜 開 始 感 到 刺 痛 120 圖 書 館 內 40 大 聲 的 搖 滾 樂 115 低 聲 細 語 20 老 舊 的 地 下 鐵 列 車 100 正 常 呼 吸 10 一 般 的 工 廠 90 可 聽 到 的 最 弱 聲 音 0 交 通 繁 忙 的 街 道 70
自 然 頻 率 ( 固 有 頻 率 ) 一 把 老 虎 鉗 掉 到 地 上 所 發 出 的 聲 響, 和 一 支 球 棒 落 到 地 上 的 響 聲 完 全 不 同 任 何 一 種 具 有 彈 性 的 材 料 做 成 的 物 體, 被 碰 撞 時 都 會 以 本 身 特 有 的 頻 率 來 振 動, 造 成 獨 特 的 聲 音, 吾 人 稱 之 為 自 然 頻 率 ( 固 有 頻 率 ), 這 種 頻 率 會 因 物 體 的 彈 性 形 狀 等 因 素 而 異 小 鈴 鐺 的 自 然 頻 率 比 大 鈴 鐺 高 ( f = m ) 所 發 出 的 鈴 聲 音 調 也 比 較 高 k
共 振 當 一 個 物 體 的 強 迫 振 動 頻 率 符 合 它 的 自 然 頻 率 時, 振 幅 就 會 大 量 增 加, 這 種 現 象 便 叫 做 共 振 共 振 的 過 程 如 下 : (a) 第 一 個 稠 密 部 碰 到 音 叉, 使 音 叉 受 到 微 小 的 瞬 間 推 力 音 叉 稍 被 推 彎 (b), 然 後 在 稀 疏 部 抵 達 時 彈 回 原 位 (c), 之 後 會 繼 續 往 反 方 向 運 動,(d) 超 過 原 來 的 位 置 最 後, 在 音 叉 端 恰 好 回 到 原 位 置 的 時 候 (e), 第 二 個 稠 密 部 就 過 來 了, 碰 到 音 叉, 而 重 複 整 個 過 程 由 於 音 叉 正 往 同 方 向 運 動, 所 以 第 二 次 的 推 力 會 使 音 叉 彎 得 更 厲 害
音 波 應 用 於 蔬 果 品 質 的 檢 測 西 瓜 內 部 空 洞 的 檢 測 脈 衝 激 振 響 應 在 鳳 梨 品 質 分 級 之 研 究 利 用 TMS C5402 DSK 微 處 理 器 發 展 攜 帶 式 蔬 果 內 部 品 質 測 定 儀 之 研 究
高 品 質 果 可 以 獲 得 好 價 錢 蔬 果 品 質
蔬 果 品 質
水 果 品 質 - 外 觀 色 澤 - 呈 現 紅 橙 黃 綠 等 多 種 顏 色, 此 為 色 素 顯 現 結 果 大 小 或 重 量 芳 香 - 由 酯 醇 酸 醛 酮 和 烴 之 揮 發 性 成 分 構 成 影 像 處 理 荷 重 計 (Load cell) 芳 香 感 測 器 非 破 壞 檢 測 技 術
水 果 品 質 - 內 部 味 道 - 甜 ( 澱 粉 ) 酸 ( 頻 果 酸 檸 檬 酸 酒 石 酸 ) 澀 ( 單 寧 物 質 ) 苦 ( 糖 甘 生 物 鹼 ) 等 質 地 - 脆 硬 軟 棉 Q 等, 與 細 胞 結 構 果 膠 物 質 水 分 有 關 成 熟 度 - 酉 每 之 作 用 音 波 檢 測 超 音 波 檢 測 近 紅 外 線 核 磁 共 振 非 破 壞 檢 測 技 術
傳 統 蔬 果 音 波 檢 測 傳 統 音 波 檢 測 西 瓜 - 以 具 有 沙 質 口 感, 切 開 有 清 脆 碰 裂 聲 為 佳 故 拍 打 聲 以 稍 有 空 心 的 較 好 鳳 梨 - 質 地 要 細 緻, 拍 打 聲 以 沉 悶 實 心 者 較 甜 白 蘿 蔔 - 缺 硼 常 會 空 心, 故 拍 打 聲 宜 沉 悶 實 心 者 較 佳
文 獻 探 討 ( 一 ) Abbott (1968) - 蘋 果 的 堅 實 度 是 音 波 共 振 頻 率 與 質 量 的 組 合 (f 2 m) Takeda (1970) - 利 用 音 波 的 自 然 頻 率 檢 測 蘋 果 成 熟 度 Cooke (1972) - 利 用 彈 性 球 模 式 決 定 球 型 水 果 之 彈 性 模 數 Clark (1975) - 利 用 音 波 的 衰 減 時 間 測 西 瓜 之 成 熟 度 Yamamoto (1980) - 利 用 f 2 m 2/3 ρ 1/3 之 組 合 來 預 估 水 果 堅 實 度
文 獻 探 討 ( 二 ) Sasae(1985)- 利 用 一 塑 膠 做 成 的 衝 擊 槌 敲 打 西 瓜, 找 出 自 然 頻 率 與 成 熟 度 之 關 係 Armstrong (1990) - 指 出 新 鮮 的 堅 實 度 (firmness) 是 水 果 質 地 的 指 標 Chen(1990)- 找 出 影 響 蘋 果 音 波 特 性 之 因 子, 利 用 衝 擊 槌 敲 打 蘋 果
文 獻 探 討 ( 三 ) J.Sugiyama et al.(1995), 利 用 衝 擊 試 驗, 找 出 洋 香 瓜 音 波 傳 遞 速 度 與 質 地 之 相 關 性
文 獻 探 討 ( 四 ) 陳 (1998) 利 用 衝 擊 激 振 音 波 檢 測 技 術, 應 用 彈 性 球 理 論 與 FFT 轉 換, 檢 測 成 熟 與 即 將 成 熟 之 網 紋 洋 香 瓜 的 共 振 頻 率 Nele De Belie(1999) 等 利 用 音 波 脈 衝 響 應 技 術 去 計 算 蕃 茄 之 成 熟 度 這 技 術 可 提 供 一 個 應 變 參 數 S,S= f 2 m 2/3 來 表 示 在 完 整 水 果 上 之 第 一 共 振 頻 率 和 其 質 量 C.Jarén(2002) 等 利 用 自 行 研 製 之 軟 體 和 敲 擊 設 備, 利 用 加 速 規 作 為 擷 取 訊 號 之 儀 器, 將 兩 種 不 同 種 類 之 蘋 果 和 梨 子 依 敲 擊 之 反 應 做 分 類
1. 依 聲 音 轉 換 成 電 能 方 法 分 為 麥 克 風 原 理 動 圈 式 麥 克 風 2. 依 其 指 向 性 分 為 電 容 式 麥 克 風 無 指 向 性 麥 克 風 指 向 性 麥 克 風
西 瓜 內 部 品 質 研 究 目 的 發 展 一 套 非 破 壞 性 檢 測 技 術 評 估 水 果 內 部 品 質 建 立 音 波 特 性 與 西 瓜 內 部 品 質 - 成 熟 度 空 洞 存 在 與 方 位 之 關 係
成 熟 度 指 標 :q 利 用 彈 性 球 模 式 求 出 (Armstrong 1990) 假 設 小 玉 西 瓜 為 圓 球 且 均 質 材 料 q = ρf 2 a 2 ρ : 西 瓜 密 度 (kg/m 3 ) f : 音 波 共 振 頻 率 (Hz) a : 西 瓜 直 徑 (m)
音 波 共 振 頻 率 F 利 用 音 波 在 時 域 上 的 信 號 轉 到 頻 率 域 - 速 轉 換 ) FFT( 傅 立 葉 快 2 2 2 ( ) iωt ( ω) = f ( t) e dt + f ( t)cosωtdt + f ( t)sinωtdt 共 振 頻 率 即 為 頻 率 域 上 最 大 振 幅 時 之 頻 率 1.5 1 0.5 0-0.5-1 -1.5-2 time (sec) 80 60 40 20 0 frequency (Hz)
西 瓜 材 料 小 玉 西 瓜 取 自 雲 林 縣 元 長 鄉 同 一 田 區 由 一 有 十 數 年 判 斷 經 驗 之 農 民 挑 選 30 個 西 瓜, 分 成 三 組 : 成 熟 不 成 熟 有 空 洞 每 組 各 選 十 個
實 驗 系 統 圖 衝 擊 槌 西 瓜 吸 音 墊 板 指 向 性 麥 克 風 磁 片 信 號 分 析 儀
測 量 參 數 音 波 之 主 峰 頻 率 - 共 振 頻 率 西 瓜 之 質 量 體 積 與 密 度 西 瓜 甜 度 與 含 水 率 果 皮 厚 度 每 種 參 數 取 三 個 測 量 值
衝 擊 振 動 利 用 一 槌 子 敲 擊 西 瓜 產 生 振 動 振 動 音 響 信 號 由 指 向 性 麥 克 風 (B&K 4011) 擷 取 麥 克 風 連 接 至 信 號 分 析 儀 (B&K 2148) 時 間 域 與 頻 率 域 (FFT) 之 音 波 信 號 會 顯 示 在 信 號 分 析 儀 上
西 瓜 赤 道 線 赤 道 線 標 記 蒂 頭 沿 著 赤 道 線 每 隔 12 度 畫 一 標 記
空 洞 之 存 在 與 方 位 測 量 沿 著 西 瓜 赤 道 線 之 圓 周, 每 隔 12 度 做 一 標 記, 共 分 30 個 標 記 用 槌 子 輪 流 敲 擊 西 瓜 之 標 記 處 由 麥 克 風 擷 取 敲 擊 振 動 音 波 信 號
在 時 間 域 上 之 音 壓 1.5 1 0.5 0-0.5-1 -1.5-2 time (sec)
共 振 頻 率 一 致 性 兩 種 方 式 嚐 試 : 西 瓜 為 自 由 懸 吊 - 由 手 持 西 瓜 蒂 頭 再 敲 擊 將 西 瓜 置 於 一 吸 振 襯 墊 上
音 波 信 號 擷 取 B & K 音 波 信 號 擷 取 分 析 儀 1. 由 指 向 性 麥 克 風 擷 取 音 波 信 號 2. 經 由 信 號 分 析 儀 將 時 間 域 的 信 號 經 由 FFT( 快 速 傅 立 葉 轉 換 ) 轉 成 頻 率 域
同 一 西 瓜 之 振 動 頻 率 響 應 主 峰 頻 率 80 60 40 20 0 750Hz 80 60 40 20 0 750Hz 0 50 100 150 200 250 300 frequency (Hz) 自 由 懸 吊 frequency (Hz) 置 於 吸 振 櫬 墊 上
西 瓜 體 積 求 法 2π d 1 2 π 2 * * 2 V = rdrdϕdh = r dϕdh = h hh + h dh 2 b ( 2 ) 2 ϕ= 0 h= h 1 r 2π ϕ= 0 h= h π 1 3 3 2 2 = d h d h h + d h h 2 b ( 1 ) ( 1 ) ( 1) 3 R 2 d 1 d h= h * * 2 1 水 d 1 d d2 水 桶 R 1 西 瓜
破 壞 性 測 量 在 主 峰 頻 率 測 量 後 沿 赤 道 線 切 成 兩 半, 然 後 觀 察 空 洞 與 測 量 利 用 甜 度 計 測 甜 度 利 用 螺 旋 測 微 器 量 果 皮 厚 度 ( 精 度 0.01mm) 利 用 烘 箱 (Advantec FC-610) 在 濕 基 下 量 含 水 率
剖 開 狀 況
用 音 波 檢 測 空 洞 之 存 在 在 成 熟 西 瓜 組 中 之 第 9 與 10 號 樣 本, 在 切 開 西 瓜 後, 確 有 空 洞 存 在 ; 若 將 此 兩 樣 本 從 成 熟 組 中 取 出, 則 無 空 洞 且 成 熟 西 瓜 之 主 峰 頻 率 為 172.67Hz, 而 無 空 洞 但 不 成 熟 西 瓜 之 主 峰 頻 率 為 174.2Hz 有 空 洞 西 瓜 之 主 峰 頻 率 為 137.77 Hz 利 用 音 波 特 性 - 主 峰 頻 率 來 檢 測 西 瓜 之 空 洞, 比 傳 統 有 經 驗 的 農 民 判 斷 還 要 精 確
西 瓜 空 洞 方 位 之 檢 測 在 某 一 標 記 處 敲 擊 時, 西 瓜 之 主 峰 頻 率 會 分 成 兩 或 三 個 不 同 波 峰 則 沿 著 西 瓜 周 徑 的 主 峰 頻 率 為 : 無 空 洞 時 - 在 圖 中 ( 角 度 vs. 頻 率 圖 ) 為 維 持 一 條 線 有 空 洞 時 - 在 圖 中 會 有 一 些 封 閉 區 域 出 現
140 130 120 110 100 90 空 洞 方 位 判 斷 空 洞 方 位 判 斷 36 o 216 o 190 170 150 130 110 90 角 度 空 洞 樣 本 6 號 空 洞 樣 本 8 號 主 峰 頻 率 (Hz) 12 72 132 192 252 312 12 72 132 192 252 312 96 o 276 o 主 峰 頻 率 (Hz) 角 度
脈 衝 激 振 響 應 在 鳳 梨 品 質 分 級 之 研 究 傳 統 用 聽 音 法
傳 統 判 別 鳳 梨 內 部 品 質 之 方 法 1. 敲 音 法 : 用 食 指 或 中 指 在 果 實 外 皮 打 彈, 而 驗 其 聲 者, 俗 稱 肉 聲 果, 果 實 黃 色 或 深 黃 色 透 明, 多 汁, 味 甜, 品 質 優 良 聲 音 像 打 擊 木 柱 的 聲 音 者, 俗 稱 柱 仔 聲 果, 品 質 較 差, 為 中 等 聲 音 像 打 鼓 聲 音 者, 俗 稱 鼓 聲 果, 果 肉 白 色, 味 酸, 品 質 最 差
傳 統 判 別 鳳 梨 內 部 品 質 之 方 法 2. 觀 察 法 : 果 實 中 等 大 小 約 1.5~2 公 斤 果 目 略 凸 起, 中 心 有 桔 黃 色 者, 成 熟 色 澤 正 常, 多 為 突 目 系, 果 皮 很 薄, 纖 維 細, 而 果 汁 多, 甜 味 高 果 實 太 大, 果 目 粗 大, 成 熟 色 澤 不 正 常, 較 有 可 能 施 用 植 物 荷 爾 蒙, 果 實 雖 肉 聲, 但 纖 維 粗, 風 味 淡, 或 皮 面 破 裂, 色 澤 褐 色 之 過 熟 果 也 不 良 3. 水 檢 法 : 果 實 放 於 水 中, 下 沉 者 其 品 質 優, 浮 者 其 品 質 劣 ( 與 密 度 比 重 有 關 )
傳 統 判 別 鳳 梨 內 部 品 質 之 方 法 看 外 形 色 澤, 手 測 果 實 硬 度, 鼻 聞 香 氣 濃 淡 色 澤 新 鮮 並 轉 黃, 硬 度 強, 香 味 淡 則 成 熟 適 中 色 澤 青 綠, 質 地 堅 挺, 無 香 氣 則 成 熟 不 夠 ; 色 澤 黃 而 變 褐, 果 身 變 軟, 濃 香 外 溢 則 為 過 熟 或 貯 存 過 久 果 實 褐 變, 果 身 癱 軟 並 有 汁 溢 出, 果 實 變 味 則 已 變 質
實 驗 設 計 設 計 一 敲 擊 機 構 取 代 人 手 敲 擊 選 擇 線 上 檢 測 之 訊 號 接 受 器 ( 麥 克 風 或 加 速 規 ) 建 立 鳳 梨 病 果 音 波 檢 測 模 式
加 速 規 原 理 2 d M ( x + y ) = kx cx& 加 速 2 dt 規 簡 圖 被 測 振 動 體 之 加 速 度 與 質 塊 相 對 於 框 架 的 位 移 成 正 比, 因 此 只 要 測 出 質 塊 相 對 於 框 架 的 位 移, 亦 即 反 映 振 動 體 的 加 速 度 硬 彈 簧 質 塊 壓 電 晶 體 片 外 殼 底 座 輸 出 端 壓 電 式 加 速 規 構 造 圖 振 動 量 測 所 使 用 之 加 速 規, 目 前 最 常 用 的 是 壓 電 式 加 速 規 (Piezoelectric Accelerometer), 主 要 原 因 在 於 壓 電 式 加 速 規 各 方 面 的 振 動 性 能 皆 優 於 其 他 形 式 的 振 動 換 能 器
實 驗 方 法
影 片 敲 擊 實 驗 ( 敲 擊 機 構 設 計 )
訊 號 擷 取 ( 加 速 規 訊 號 ) 加 速 規 訊 號 擷 取 軟 體
訊 號 擷 取 ( 麥 克 風 訊 號 ) 麥 克 風 訊 號 擷 取 軟 體
頻 域 訊 號 分 析 頻 域 之 分 析 是 將 時 域 之 訊 號 作 FFT 轉 換, 並 於 轉 換 過 程 加 入 濾 波 器, 轉 換 後 之 圖 形, 再 取 得 其 頻 域 峰 值, 整 個 動 作 亦 以 Matlab 程 式 撰 寫 出 來, 程 式 執 行 結 果 如 圖 所 示, 同 時 也 發 現 病 果 之 頻 域 訊 號 會 產 生 兩 個 或 兩 個 以 上 之 峰 值, 如 圖 所 示, 故 亦 須 另 外 求 出 其 他 峰 值 以 作 為 分 析 討 論 用 頻 域 訊 號 及 主 峰 頻 率
實 驗 材 料 本 研 究 以 鳳 梨 作 為 試 驗 材 料, 鳳 梨 樣 本 來 源 取 自 於 南 投 縣 名 間 鄉 量 測 前 請 名 間 鄉 具 有 十 年 以 上 判 斷 經 驗 的 農 民 先 做 品 質 分 級 動 作, 將 鳳 梨 分 成 硬 果 鬆 果 及 病 果 ( 花 樟 病 ) 三 級, 每 級 數 量 分 別 為 30 30 25 顆, 為 確 保 農 民 分 級 之 誤 差, 另 請 嘉 義 縣 民 雄 鄉 三 興 產 銷 班 陳 班 長 作 第 二 次 的 確 認 兩 次 的 判 斷 具 有 些 許 的 差 異, 由 此 可 知 具 有 再 豐 富 判 斷 經 驗 的 農 民, 還 是 會 有 誤 判 的 情 形 最 後 取 兩 次 判 斷 皆 相 同 之 鳳 梨 個 25 25 20 顆 作 為 試 驗 樣 品 硬 果 鬆 果 花 樟 病 果
實 驗 設 備 ( 加 速 規 ) ( 優 力 棒 ) ( 加 速 規 訊 號 擷 取 儀 器 ) ( 指 向 性 麥 克 風 ) ( 電 子 磅 稱 ) ( 物 性 分 析 儀 ) ( 麥 克 風 訊 號 擷 取 儀 器 ) ( 大 型 量 杯 5000ml)
鳳 梨 密 度 - 重 量 與 體 積 量 測
鳳 梨 彈 性 模 數 - 壓 縮 試 驗 a. 硬 體 :TA.XT2i 雙 軸 物 性 分 析 儀 (100kg) b. 軟 體 :Texture Expert 在 降 伏 強 度 以 下 取 較 接 近 直 線 部 分 求 其 斜 率
加 速 規 與 麥 克 風 之 比 較 ( 一 ) 1. 加 速 規 之 雜 訊 傳 遞 由 接 觸 所 產 生 之 振 動, 其 防 止 方 法 是 隔 離 振 動 源, 即 可 使 用 吸 振 材 料 直 接 隔 離 開, 而 麥 克 風 之 雜 訊 則 為 非 接 觸 之 傳 遞, 即 藉 由 空 氣 即 可 傳 遞, 其 防 止 方 法 須 另 於 麥 克 風 加 裝 消 音 設 備, 雖 然 所 使 用 之 麥 克 風 為 指 向 性 麥 克 風, 然 當 聲 音 很 大 時, 其 振 幅 很 大, 亦 可 能 傳 遞 至 指 向 性 麥 克 風 所 能 接 收 之 範 圍 內, 造 成 其 他 訊 號 的 產 生 2. 由 時 間 訊 號 可 看 出, 加 速 規 時 域 訊 號 較 無 漂 浮 之 現 象, 而 麥 克 風 則 有, 此 現 像 雖 然 對 主 峰 頻 率 無 較 大 的 影 響, 但 對 於 使 用 小 波 轉 換 時, 由 於 是 計 算 其 能 量 之 累 積, 數 值 包 含 正 負 值, 無 法 於 固 定 基 準 作 計 算, 必 會 影 響 其 準 確 度 3. 由 於 加 速 規 須 接 觸 到 鳳 梨 方 可 接 受 訊 號, 而 麥 克 風 則 是 非 接 觸 式, 如 此 在 爾 後 真 正 要 用 於 自 動 分 級 系 統 系 統 上 時, 由 於 鳳 梨 是 處 於 動 態 中, 所 以 加 速 規 之 使 用 上, 其 機 構 設 計 必 較 困 難 於 使 用 麥 克 風
加 速 規 與 麥 克 風 之 比 較 ( 二 ) 麥 克 風 訊 號 加 速 規 訊 號
訊 號 波 形 與 鳳 梨 品 質 之 關 係 硬 鬆 果 ( 帕 果 ) 時 域 訊 號 硬 鬆 果 ( 帕 果 ) 頻 域 訊 號 病 果 時 域 訊 號 病 果 頻 域 訊 號
病 果 音 波 檢 測 - 小 波 歷 史 小 波 轉 換 為 1910 年 由 Alfred Haar 提 出, 而 Wavelet 名 詞 最 早 出 現 於 1984 年, 是 為 Grossmann 與 Jean Morlet 提 出 一 個 運 用 小 波 函 數 所 做 的 轉 換, 來 作 為 時 域 訊 號 之 頻 率 分 析, 此 法 即 為 小 波 轉 換 為 使 小 波 轉 換 有 數 學 的 描 述, S.Mallat 與 Y.Meyer 於 1986~1990 年 提 出 離 散 小 波 轉 換 (Discrete Wavelet Transform), 或 稱 為 多 層 尺 度 分 析 (Multiresolution Ansys), 至 此 小 波 理 論 才 臻 完 成, 小 波 理 論 成 為 國 際 性 之 研 究 主 題 各 類 的 母 函 數 如 :Harr Meyer Daubechies Symlets Biorthogonal Coiflets Morlet Mexican Hat 陸 續 的 被 研 究 使 用, 而 其 最 大 的 功 用 即 為 區 域 性 訊 號 之 局 部 分 析
小 波 轉 換 與 傅 立 葉 轉 換 之 差 別 傅 立 葉 轉 換 主 要 乃 將 時 間 基 底 之 訊 號 轉 換 為 頻 率 基 底 之 訊 號, 但 轉 換 的 過 程 喪 失 了 時 間 的 要 素, 而 大 部 分 之 訊 號 為 非 穩 態 之 訊 號, 所 以 傅 立 葉 轉 換 無 法 使 訊 號 在 時 - 頻 域 平 面 同 時 擁 有 時 間 與 頻 率 的 良 好 解 析 度, 只 能 略 知 道 時 間 與 頻 率 的 範 圍 而 小 波 轉 換 (Wavelets Trasform) 可 對 於 此 缺 點 加 以 改 善, 其 是 選 用 一 種 可 隨 訊 號 中 高 頻 或 低 頻 改 變 的 視 窗 (Window, 或 稱 為 小 波 函 數 ), 使 得 訊 號 在 高 頻 部 分 有 良 好 的 時 間 解 析 度 外, 同 時 在 低 頻 部 分 亦 有 良 好 的 頻 率 解 析 度
小 波 轉 換 函 數 之 決 定 經 過 嘗 試 以 Daubechies(dbN) 各 階 2 層 小 波 轉 換 所 得 之 能 量 指 標, 結 果 發 現 db4 之 2 層 小 波 轉 換 能 量 指 標 可 明 顯 將 分 出 病 果, 如 圖 所 示, 故 以 此 法 作 為 小 波 轉 換 判 斷 鳳 梨 品 質 之 參 數 設 定 小 波 能 量 指 標 12 10 8 6 4 硬 果 小 波 能 量 與 鳳 梨 品 質 之 關 係 鬆 果 病 果 2 0 0 25 50 75 鳳 梨 編 號
密 度 與 鳳 梨 品 質 之 關 係 密 度 與 鳳 梨 品 質 之 關 係 1.04 1.02 密 度 (g/cm 3 ) 1 0.98 0.96 0.94 0.92 硬 果 鬆 果 病 果 0 25 50 75 鳳 梨 編 號
彈 性 模 數 與 鳳 梨 品 質 之 關 係 彈 性 模 數 與 鳳 梨 品 質 之 關 係 9 8 彈 性 模 數 (kg/mm) 7 6 5 4 3 2 1 0 硬 果 鬆 果 病 果 0 25 50 75 鳳 梨 編 號
主 峰 頻 率 與 鳳 梨 品 質 之 關 係 主 峰 頻 率 與 鳳 梨 品 質 之 關 係 450 400 主 峰 頻 率 (Hz) 350 300 250 200 150 100 硬 果 鬆 果 病 果 315Hz 50 0 0 25 50 75 鳳 梨 編 號
小 波 能 量 與 鳳 梨 品 質 之 關 係 小 波 能 量 與 鳳 梨 品 質 之 關 係 12 10 硬 果 鬆 果 病 果 小 波 能 量 指 標 8 6 4 3.8 2 0 0 25 50 75 鳳 梨 編 號
密 度 與 主 峰 頻 率 之 關 係 主 峰 頻 率 與 密 度 之 關 係 密 度 (g/cm 3 ) 1.04 1.03 1.02 1.01 1 0.99 0.98 0.97 0.96 0.95 R 2 = 0.5491 硬 果 鬆 果 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 主 峰 頻 率 (Hz)
彈 性 模 數 與 主 峰 頻 率 之 關 係 主 峰 頻 率 與 彈 性 模 數 之 關 係 彈 性 模 數 (kg/mm) 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 硬 果 及 病 果 鬆 果 R 2 = 0.577 0 100 200 300 400 500 主 峰 頻 率 (Hz)
鳳 梨 音 波 檢 測 - 結 論 ( 一 ) 由 鳳 梨 密 度 實 驗 結 果, 可 知 硬 果 密 度 在 1.1g/cm 3 以 上, 鬆 果 及 病 果 密 度 在 1 g/cm 3 以 下 由 鳳 梨 彈 性 模 數 實 驗 結 果, 可 知 硬 果 及 病 果 彈 性 模 數 在 3.5kg/mm 以 上, 鬆 果 彈 性 模 數 在 3.5kg/mm 以 下 由 鳳 梨 時 域 及 頻 域 訊 號 之 波 形 可 明 顯 發 現, 病 果 時 域 波 形, 會 有 較 不 平 滑 之 衰 減 曲 線, 頻 域 波 形 則 會 有 第 二 峰 值 或 第 三 峰 值 出 現 由 鳳 梨 主 峰 頻 率, 可 知 硬 果 及 病 果 主 峰 頻 率 在 315Hz 以 上, 鬆 果 則 在 315Hz 以 下
鳳 梨 音 波 檢 測 - 結 論 ( 二 ) 由 小 波 能 量 指 標 可 知, 使 用 2 層 Daubechies(db4) 函 數 可 明 顯 分 出 鳳 梨 病 果, 硬 果 及 鬆 果 小 波 能 量 指 標 在 3.8 以 上, 病 果 則 在 3.8 以 下 主 峰 頻 率 與 硬 果 及 病 果 之 密 度 具 相 關 性,R 2 值 為 0.5491, 主 峰 頻 率 與 硬 果 及 病 之 果 彈 性 模 數 具 相 關 性, R 2 值 為 0.577, 故 此 兩 性 質 亦 可 做 為 實 驗 判 斷 標 準 之 指 標 綜 合 以 上 各 項 實 驗 結 果 可 訂 出 鳳 梨 品 質 判 斷 之 標 準, 硬 果 及 鬆 果 以 主 峰 頻 315Hz 為 判 定 標 準, 315Hz 以 上 為 硬 果, 以 下 則 為 鬆 果 病 果 則 以 小 波 能 量 指 標 3.8 做 為 判 定 標 準, 3.8 以 上 判 定 為 病 果
鳳 梨 音 波 檢 測 - 結 論 ( 三 ) 由 鳳 梨 剖 開 之 相 片 密 度 彈 性 模 數 主 峰 頻 率 與 小 波 能 量 之 數 據 發 現 農 民 判 斷 並 非 完 全 正 確, 硬 果 與 鬆 果 之 分 級 尤 其 是 較 靠 近 硬 果 與 鬆 果 分 界 部 分 最 容 易 發 生 誤 判, 而 使 用 主 峰 頻 率 可 正 確 的 判 斷 出 硬 果 及 鬆 果, 以 315H 為 界 限, 以 上 為 硬 果 以 下 則 為 鬆 果 ; 病 果 部 分, 由 於 鳳 梨 之 花 樟 病 有 時 並 不 是 涵 蓋 全 部, 當 僅 有 較 小 部 分 有 花 樟 病 時, 農 民 就 比 較 不 容 易 發 現, 而 使 用 小 波 能 量 能 正 確 地 找 出 此 一 較 小 部 份 之 病 果, 以 3.8 為 界,3.8 以 上 即 為 病 果 以 此 判 斷 標 準 則 農 民 在 70 顆 樣 品 中 有 5 顆 不 正 確, 其 判 斷 誤 差 為 7.14%
鳳 梨 內 部 品 質 線 上 檢 測 系 統 研 發 - 機 台 雛 形 機 1/6 敲 擊 棒 加 速 規 控 制 箱 控 制 介 面
鳳 梨 內 部 品 質 線 上 檢 測 系 統 研 發 - 敲 擊 機 構 2/6 轉 動 方 向 彈 簧 優 力 膠 棒 敲 擊 方 向 加 速 規 鳳 梨
鳳 梨 內 部 品 質 線 上 檢 測 系 統 研 發 - 支 撐 機 構 3/6 鳳 梨 檢 測 底 座 加 速 規 氣 壓 缸 氣 壓 缸 作 動 方 向
鳳 梨 內 部 品 質 線 上 檢 測 系 統 研 發 - 訊 號 放 大 器 與 介 面 傳 輸 卡 4/6
鳳 梨 內 部 品 質 線 上 檢 測 系 統 研 發 - 電 控 箱 5/6
鳳 梨 內 部 品 質 線 上 檢 測 系 統 研 發 - 人 機 介 面 6/6
影 片 鳳 梨 品 質 線 上 檢 測 雛 形 機 影 片
鳳 梨 內 部 品 質 檢 測 與 重 量 分 級 系 統 設 計 圖 分 級 槽 分 級 機 電 子 秤 連 接 輸 送 帶 電 控 箱 加 速 規 電 腦 輸 送 帶
整 體 系 統 實 體 圖 檢 測 機 台 連 結 機 台 分 級 機 台 人 機 介 面
重 量 秤 重 與 敲 擊 檢 測 機
加 速 規 與 荷 重 計 加 速 規 荷 重 計
分 級 機 構 1/2
動 態 重 量 秤 重
出 料 機 構
整 體 系 統 運 作 流 程 1/2 內 部 品 質 與 重 量 檢 測 部 分 影 片
整 體 系 統 運 作 流 程 2/2 重 量 檢 測 部 分 影 片
機 器 辨 別 誤 差 2006/4/4 2006/5/28 誤 差 率 總 平 均 取 樣 數 :60 取 樣 數 :60 (%) fm 23.33 25 24.165 f 2 m 26.67 38.33 32.5 fm 2 26.67 36.67 31.67 f: 取 樣 頻 率,m: 質 量
驗 證 試 驗 樣 本 數 :200 顆 機 器 判 斷 誤 差 為 19.5% 900 800 700 Hz*kg 600 500 400 300 200 肉 聲 果 鼓 聲 果 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 樣 本 編 號
線 上 檢 測 機 械 系 統 結 論 輸 送 帶 運 轉 的 速 度 可 以 透 過 變 頻 器 進 行 調 整, 使 用 頻 率 為 60Hz 輸 送 帶 馬 達 可 達 最 大 轉 速 1680 rpm 鳳 梨 線 上 檢 測 機 械 系 統 檢 測 速 度 為 每 分 鐘 6 顆 鳳 梨 線 上 檢 測 重 量 的 檢 測 速 度 每 分 鐘 70 顆 可 調 式 支 撐 架 的 設 計 需 要 將 周 遭 機 械 零 件 的 振 動 頻 率 考 量 進 去 設 計 支 撐 架 時, 需 將 敲 擊 鳳 梨 跳 動 或 不 穩 定 的 因 素 考 慮 進 去
結 論 機 械 測 試 結 果 由 鳳 梨 主 峰 頻 率 (f) 質 量 (m) 之 fm f2m fm2 分 析 方 法, 找 出 fm 組 合 為 最 佳 的 有 效 判 別 鳳 梨 品 質 模 式, 判 斷 成 功 率 為 75.83% 鳳 梨 fm( 主 峰 頻 率 重 量 ) 值 390(Hz-kg) 作 為 系 統 判 斷 肉 聲 果 與 鼓 聲 果 之 標 準, 以 上 為 肉 聲 果, 以 下 為 鼓 聲 果 鳳 梨 線 上 檢 測 重 量 的 檢 測 機 台 成 功 率 為 93%
利 用 TMS C5402 DSK 微 處 理 器 發 展 攜 帶 式 蔬 果 內 部 品 質 測 定 儀 之 研 究
研 究 目 的 敲 擊 槍 之 設 計 與 製 造 訊 號 擷 取 系 統 設 計 與 製 作 建 立 品 質 檢 測 模 式
敲 擊 儀 器 之 設 計 文 獻 ( 一 ) 鐘 擺 式 量 測 方 法 將 洋 香 瓜 之 赤 道 線 分 割 成 24 個 相 同 的 部 分 一 次 量 測 21 個 點 ( 不 包 含 敲 擊 點 及 前 後 兩 點 ) 麥 克 風 距 離 洋 香 瓜 2mm 為 使 樣 本 損 害 最 小, 每 點 最 多 敲 擊 5 下 敲 擊 槌 直 徑 24.5mm, 長 度 30mm 之 塑 膠 桿, 總 重 12g
敲 擊 儀 器 之 設 計 文 獻 ( 二 ) 整 體 衝 擊 產 生 器 放 大 器 AD/DA 轉 換 卡 NOTEBOOK 量 測 的 時 間 不 到 1 秒 重 量 衝 擊 產 生 器 -250g 放 大 器 160g PC-1400g
敲 擊 儀 器 之 設 計 文 獻 ( 三 ) 衝 擊 產 生 器 敲 擊 桿 兩 隻 麥 克 風 - 距 離 為 16mm 穩 定 桿 - 長 度 為 5mm 穩 定 桿 之 用 途 除 了 穩 定 敲 擊 外, 由 於 距 離 固 定, 其 聲 速 便 可 輕 易 量 測
敲 擊 儀 器 之 設 計 文 獻 ( 四 ) 衝 擊 機 構 的 作 動 方 式
敲 擊 儀 器 之 設 計 原 則 降 低 NOISE 之 方 式 衝 擊 桿 的 長 度 衝 擊 桿 及 穩 定 桿 的 長 度 夠 長 可 以 避 免 射 出 時 彈 簧 的 聲 音 衝 擊 機 構 的 材 料 合 成 樹 脂 可 以 有 效 的 避 免 摩 差 時 所 產 生 的 Noise 麥 克 風 之 位 置 衝 擊 桿 旁 邊 敲 擊 後 便 可 立 刻 收 到 訊 號, 可 降 低 雜 訊 比 有 效 的 縮 小 整 體 體 積 以 量 測 聲 速 為 主
儀 器 簡 介 DSP 晶 片 試 驗 方 法 與 材 料 TMS320 C5402 功 能 特 性 連 線 方 式 加 速 規 VAB 之 簡 介 實 驗 方 法 預 備 試 驗 硬 體 方 面 之 設 計 軟 體 設 計 完 整 試 驗
實 驗 設 備 簡 介 ( 一 ) PC 儀 器 名 稱 黏 彈 性 物 質 物 性 分 析 儀 數 位 訊 號 處 理 器 單 軸 向 加 速 規 訊 號 放 大 器 Visual Application Builder B&K 2409A 針 對 B&K 2409A 所 開 發 Hyperception P4 1.8G 製 造 廠 商 及 型 號 TEXTURE ANALYSER TA-TX2 TMS320 C5402 DSK 物 性 分 析 訊 號 處 理 量 測 訊 號 將 訊 號 放 大 以 便 於 處 理 VAB- 針 對 TI 之 圖 解 式 DSP 軟 體 處 理 訊 號 使 用 目 的
實 驗 設 備 簡 介 ( 二 ) 儀 器 名 稱 敲 擊 槍 信 號 分 析 儀 指 向 性 麥 克 風 電 子 秤 台 送 風 定 溫 乾 燥 器 電 子 秤 台 製 造 廠 商 及 型 號 永 峰 機 械 B&K 3560C Pokia EM-171 Precisa Junior 5000D Advantec FC-610 AND EK-120 A 使 用 目 的 產 生 敲 擊 訊 號 分 析 訊 號 量 測 訊 號 量 測 重 量 ( 精 度 :0.1g) 乾 燥 樣 本 量 測 重 量 ( 精 度 :0.01g)
DSP 晶 片 運 用 領 域 TMS320 DSP 3 ISA Platforms Optimize, don t Compromise Software compatibility within each ISA Platform DSPFest 99 C2000 ( C20x, C24x) C1x C2x Control Efficient Digital Motor Control Storage Digital cameras C5000 ( C54x) C5x Power Efficient Performance Wireless Telephones/IADs Modems / Telephony VoIP mmmmmmmmmmmm C6000 ( C62x, C67x) C3x C4x C8x High Performance Multi-Channel / Function Comm Infrastructure xdsl Imaging, Video Fixed & Float TI Proprietary - Internal Data 3
DSP 晶 片 簡 介 ( 一 ) 自 從 1982 年 德 州 儀 器 (TEXAS INSTRUMENTS) 推 出 了 第 一 顆 定 點 式 (Fixed point) 數 位 訊 號 處 理 器 TMS32010 (16/32 位 元 ) 起,TMS320 系 列 產 品 就 一 直 是 DSP 產 業 之 主 流 由 於 TMS320 之 高 性 能 可 靠 性 可 程 式 性 低 價 位, 使 其 廣 為 市 場 所 採 用 TI 每 一 種 TMS320 系 列 均 擁 有 類 似 的 CPU 架 構, 但 分 別 有 不 同 大 小 的 內 建 記 憶 體 和 週 邊 (Peripherals) 經 由 記 憶 體 和 週 邊 整 合 在 一 個 單 一 的 晶 片 內,TMS320 DSP 可 降 低 整 個 系 統 成 本 和 可 節 省 電 路 的 空 間
DSP 晶 片 簡 介 ( 二 ) 快 速 傅 立 業 轉 換 (FFT) 將 訊 號 由 時 域 轉 到 頻 域, 如 此 我 們 就 可 以 看 到 此 訊 號 的 頻 譜, 由 頻 譜 就 知 道 此 訊 號 含 某 頻 率 的 成 份 有 多 少, 進 而 分 析 此 信 號 的 頻 譜 特 性 數 位 濾 波 器 IIR FIR
TMS320 C5402 DSK
連 線 方 式 DSP VS PC LPT 1 ( 印 表 機 連 接 port) 與 PC 連 接 方 便 傳 輸 速 度 較 慢 JTAG ( 邊 界 掃 描 測 試 ) 適 合 專 業 人 士 傳 輸 速 度 快 (Real Time) 擷 取 訊 號 之 儀 器 加 速 規 (B&K 2409A) 訊 號 放 大 器 轉 接 頭
擷 取 訊 號 之 儀 器 ( 一 ) 加 速 規 (B&K 2409A)
擷 取 訊 號 之 儀 器 ( 二 ) 訊 號 放 大 器 AC 110V 轉 DC 5V Gain: 0 ~20~40 db Output:BNC 接 頭
轉 接 頭 擷 取 訊 號 之 儀 器 ( 三 )
VAB 之 簡 介 ( 一 ) Visual Application Builder 針 對 TI 的 DSP 晶 片 系 列 Graphical DSP Compilier (VAB) 可 快 速 建 立 DSP 的 演 算 法, 並 且 能 夠 產 生 需 要 的 Object Code 一 般 DSP 語 法 之 流 程 文 書 編 輯 器. asm. obj 組 譯 器 連 接 器. out 連 接 器
VAB 之 簡 介 ( 二 ) Visual Application Builder (VAB) 缺 點 穩 定 度 AD/DA 只 能 利 用 原 始 的 設 定 ( 故 利 用 轉 接 頭 )
VAB 之 簡 介 ( 三 )
實 驗 方 法 實 驗 方 法 預 備 試 驗 硬 體 方 面 之 設 計 敲 擊 槍 之 設 計 與 改 善 量 測 儀 器 之 選 擇 待 測 物 擺 設 方 法 軟 體 設 計 軟 體 設 計 的 概 念 校 正 完 整 試 驗 基 本 物 性 量 測 共 振 頻 率 穿 刺 試 驗
敲 擊 機 構 設 計 ( 一 )
修 改 後 敲 擊 機 構 設 計 ( 二 )
敲 擊 機 構 設 計 ( 三 ) 衝 擊 頭 優 力 棒 材 質 之 衝 擊 頭 彈 簧 彈 性 係 數 未 修 改 前 :0.014 kgf/mm 修 改 後 : 前 :0.397 kgf/mm 後 :0.102 kgf/mm 扳 機 原 始 彈 簧 太 硬 以 致 於 不 易 扣 扳 機
量 測 儀 器 之 選 擇 (By VAB)( 一 ) 指 向 性 麥 克 風 (Pokia EM-171) Response: 50-18000 Hz Sensitivity: -67dB ± 3dB Power Supply: DC 1.5V
量 測 儀 器 之 選 擇 (By VAB)( 二 ) 量 測 儀 器 之 選 擇 (By VAB)( 二 ) 加 速 規
麥 克 風 VS 加 速 規 優 點 麥 克 風 裝 置 容 易 價 格 便 宜 加 速 規 訊 號 穩 定 缺 點 訊 號 不 穩 定 裝 置 困 難 價 格 高
樣 本 放 置 方 法 ( 一 ) 目 的 : 測 試 何 種 放 置 法 之 訊 號 較 穩 定 待 測 物 : 樣 品 水 果 方 法 手 敲 擊 手 持 垂 吊 槍 擊 手 持 垂 吊 量 測 儀 器 :B&K 3560 C 頻 譜 分 析 儀
樣 本 放 置 方 法 ( 二 ) 手 持 - 手 敲 擊 垂 吊 - 槍 擊
初 步 結 果 手 敲 擊 與 槍 擊 之 比 較 雖 然 波 形 不 相 同, 但 共 振 頻 率 差 不 多 手 持 與 垂 吊 相 比 由 於 樣 品 水 果 重 量 輕, 故 手 持 時 會 故 意 抵 擋 其 震 動, 而 垂 吊 時 較 無 此 困 擾, 訊 號 亦 較 穩 定 未 來 採 用 槍 擊, 垂 吊
整 體 硬 體 架 構 示 意 圖 5402 DSK L P T 1 訊 號 放 大 器 Input Gain Output PC 加 速 規 待 測 物
整 體 架 構 圖 ( 一 )
整 體 架 構 圖 ( 二 ) 加 速 規 利 用 雙 面 膠 黏 貼 至 水 果 上 輸 入 介 面
軟 體 設 計 的 概 念 在 VAB 中, 是 以 各 元 件 組 合 的 方 式 來 寫 程 式, 類 似 LABVIEW 和 MATLAB 中 的 SIMLINK, 但 和 這 兩 種 最 大 的 差 別, 便 是 VAB 具 有 可 以 利 用 LPT1 直 接 寫 入 TI 5402 DSK 的 RAM 中, 並 可 即 時 執 行 (Real-time) 而 本 軟 體 設 計 最 主 要 的 概 念 便 是 可 以 直 接 利 用 加 速 規 量 測 農 產 品 之 共 振 頻 率, 並 可 直 接 在 電 腦 上 顯 示 出 其 頻 譜 之 波 形, 故 在 設 計 軟 體 時 皆 以 此 原 則 來 進 行 設 計
軟 體 設 計 方 法 ( 一 ) 確 定 訊 號 之 輸 入 可 以 正 確 的 傳 至 電 腦 Sin 波
軟 體 設 計 方 法 ( 二 ) 利 用 加 速 規 作 為 量 測 工 具
設 定 觸 發 值 TRIGGER 軟 體 設 計 方 法 ( 三 )
加 入 IIR 濾 波 器 校 正 訊 號 ( 一 ) 若 直 接 由 加 速 規 未 經 濾 波 器 之 訊 號, 其 高 頻 雜 訊 很 多 VAB 軟 體 中 內 建 的 IIR Elliptic Low Pass Filter, 根 據 其 使 用 手 冊 說 明, 此 濾 波 器 之 主 要 功 用 可 以 濾 波 高 頻 的 雜 訊, 其 轉 移 函 數 是 1 1 2 0.05634(1 + z )(1 1.0166z + z ) H ( z) = 1 1 2 (1 0.6830z )(1 1.4461z + 0.7957z )
未 加 入 濾 波 器 之 頻 域 訊 號 校 正 訊 號 ( 二 )
校 正 訊 號 ( 三 ) 與 B&K 3560 C 頻 譜 分 析 儀 比 較 - 樣 品 水 果 [db/20.0u Pa] 100 96 Autospectrum(Vibration) - Input1 Working : Input : Input : FFT Analyzer 92 88 84 80 76 72 68 64 60 56 52 0 400 800 1.2k 1.6k 2k 2.4k 2.8k 3.2k [Hz]
試 驗 材 料 分 組 編 號 敲 擊 點 選 擇 密 度 量 測 體 積 量 測 重 量 量 測 量 測 主 峰 頻 率 彈 性 模 數 之 穿 刺 試 驗 含 水 率 實 物 試 驗 方 法
試 驗 材 料 軟 硬 各 20 個 敲 擊 三 點 取 平 均 軟 13 個 硬 20 個 敲 擊 三 點 取 平 均
量 測 主 峰 頻 率 敲 擊 訊 號 ->FFT 轉 換 -> 頻 域
彈 性 模 數 之 穿 刺 試 驗
濕 基 含 水 率 Wb = w w + d w 為 水 份 重,d 為 乾 物 重
番 石 榴 之 實 驗 結 果 與 分 析 ( 一 ) 密 度 密 度 比 較 圖 密 度 (g/cm^3) 1 0.95 0.9 0.85 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0 5 10 15 20 25 編 號 硬 番 石 榴 軟 番 石 榴
番 石 榴 之 實 驗 結 果 與 分 析 ( 二 ) 彈 性 模 數 比 較 彈 性 模 數 比 較 圖 70 60 彈 性 模 數 (g/mm) 50 40 30 20 10 硬 番 石 榴 軟 番 石 榴 0 0 5 10 15 20 25 編 號
番 石 榴 之 實 驗 結 果 與 分 析 ( 三 ) 第 一 共 振 頻 率 第 一 共 振 頻 率 比 較 圖 600 500 第 一 共 振 頻 率 (Hz) 400 300 200 100 硬 番 石 榴 軟 番 石 榴 0 0 5 10 15 20 25 編 號
番 石 榴 之 實 驗 結 果 與 分 析 ( 四 ) 第 一 共 振 頻 率 與 彈 性 模 數 之 關 係 第 一 共 振 頻 率 與 彈 性 模 數 之 關 係 彈 性 模 數 (g/mm) 70 60 50 40 30 20 y = 0.1514x - 16.38 R 2 = 0.8282 共 振 頻 率 與 彈 性 模 數 之 關 係 線 性 ( 共 振 頻 率 與 彈 性 模 數 之 關 係 ) 10 0 0 200 400 600 共 振 頻 率 (Hz)
番 石 榴 之 實 驗 結 果 與 分 析 ( 五 ) 空 心 芭 樂 在 番 石 榴 之 內 部, 有 5 個 有 空 心 的 現 象, 其 主 峰 頻 率 (123.6Hz~ 206.3Hz) 與 彈 性 模 數 (7.02~19.415) 較 低
密 度 蘿 蔔 之 實 驗 結 果 與 分 析 ( 一 ) 蘿 蔔 之 密 度 比 較 圖 密 度 (g/cm^3) 1.1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0 5 10 15 20 25 編 號 硬 蘿 蔔 軟 蘿 蔔
蘿 蔔 之 實 驗 結 果 與 分 析 ( 二 ) 共 振 頻 率 蘿 蔔 品 質 - 第 一 共 振 頻 率 比 較 圖 800 共 振 頻 率 (Hz) 700 600 500 400 有 缺 陷 之 蘿 蔔 良 好 之 蘿 蔔 300 0 10 20 30 編 號
蘿 蔔 之 實 驗 結 果 與 分 析 ( 三 ) 彈 性 模 數 蘿 蔔 之 彈 性 模 數 比 較 圖 彈 性 模 數 (g/mm) 85 80 75 70 65 60 55 50 0 5 10 15 20 25 編 號 硬 蘿 蔔 軟 蘿 蔔
蘿 蔔 之 實 驗 結 果 與 分 析 ( 四 ) 濕 基 含 水 率 含 水 率 之 比 較 圖 濕 基 含 水 率 (%) 97 96.5 96 95.5 95 94.5 94 93.5 0 5 10 15 20 25 編 號 有 缺 陷 之 蘿 蔔 良 好 之 蘿 蔔
蘿 蔔 之 實 驗 結 果 與 分 析 ( 五 ) 主 峰 頻 率 : 空 心 -466~491 Hz 棉 心 545~578.4 Hz 實 心 585 Hz 以 上
結 論 ( 一 ) 本 論 文 所 研 究 之 攜 帶 式 蔬 果 內 部 品 質 測 定 儀 主 要 以 加 速 規 為 量 測 儀 器, 利 用 敲 擊 槍 敲 擊 蔬 果 後, 其 訊 號 經 過 TMS 5402 DSK 微 處 理 器 之 輸 入 介 面, 輸 入 至 5402 DSP 晶 片, 再 經 由 LPT 1 傳 輸 至 電 腦 可 直 接 擷 取 加 速 規 之 敲 擊 之 時 域 訊 號, 再 經 由 FFT 轉 換 至 頻 域 求 得 其 共 振 頻 率 本 論 文 所 設 計 之 敲 擊 機 構, 經 過 實 驗, 發 覺 除 了 重 量 太 重 外 ( 雛 形 機 ), 其 敲 擊 訊 號 穩 定, 也 因 為 可 以 調 整 力 道 大 小 與 敲 擊 頭 材 料, 故 亦 可 避 免 造 成 農 產 品 之 損 傷 本 論 文 設 計 之 系 統, 可 以 量 測 出 農 產 品 之 共 振 頻 率, 並 依 實 驗 統 計 所 得 數 據, 可 以 分 辨 出 蔬 果 之 內 部 品 質 是 否 有 缺 陷
結 論 ( 二 ) 軟 番 石 榴 在 325 Hz 以 下 (123.6 Hz~325 Hz), 而 硬 番 石 榴 在 327 Hz 以 上 (327 Hz~507.6 Hz), 且 硬 番 石 榴 皆 會 產 生 第 二 共 振 頻 率, 但 軟 番 石 榴 就 不 一 定 有 第 二 共 振 頻 率 番 石 榴 之 第 一 共 振 頻 率 與 彈 性 模 數 其 相 關 係 數 為 0.8282, 故 番 石 榴 之 品 質 和 其 彈 性 模 數 有 一 定 的 相 關 性 空 心 番 石 榴 其 主 峰 頻 率 (123.6Hz~206.3Hz) 與 彈 性 模 數 (7.02~19.415) 較 低
結 論 ( 三 ) 空 心 蘿 蔔 其 第 一 共 振 頻 率 為 500Hz 以 下 其 棉 心 蘿 蔔 的 第 一 共 振 頻 率 為 500-575Hz 之 間, 而 品 質 良 好 的 蘿 蔔 其 共 振 頻 率 約 為 585Hz 以 上 蘿 蔔 之 外 部 是 否 有 裂 痕, 並 不 影 響 其 內 部 品 質 是 否 會 產 生 棉 心 或 空 心