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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
馬鈴薯超音波反應特性應用於選別機械之開發
Application of Ultr asonic Pr oper ties of Potatoes on the Design of a Gr ading Machine
計畫編號：NSC 88-2313-B-002-093
執行期限：87 年 8 月 1 日至 88 年 7 月 31 日
主持人：盧福明 國立台灣大學農機系
一、中文摘要 本研究以馬鈴薯為樣本， 以水面 高 度、探頭距離及輸送帶前進速度三種變因 進行超音波水中測試，以找出最佳的水中 量測方式。接著以此方式量測馬鈴薯的水 中超音波穿透波與擷取波形時機之間的關 係。結果指出超音波波形與擷取不同部位 馬鈴薯通過受測區域的波形時機有關。 利用細鐵棒沿馬鈴薯的長軸穿入，製 造不同的空心程度，再分析其超音波穿透 波的衰減係數和能量頻譜矩。結果發現有 穿孔的馬鈴薯其能量頻譜矩比無空心的馬 鈴薯要小，所以水中超音波檢測馬鈴薯機 械具有開發的可行性。 關鍵詞：馬鈴薯，超音波，水下，衰減係 數，能量頻譜矩。 Abstr actPotato samples were selected in this study. The treatments for studying influencing factors on ultrasonic measuring accuracy were water level, distance between transducers and speed of the conveyor belt. Relationships between the characters of underwater transmitting ultrasonic waves (attenuation and spectral moment) and the timing of measurement were also investigated. The results showed that the underwater ultrasonic transmitting waves were affected by timing of measurement.
Potatoes were penetrated by a steel bar along the major axis to create different degrees of hollowness. The spectral moment of transmitting ultrasonic wave was found smaller in hollow potato than in normal potato. It is feasible to develop an underwater ultrasonic detection machine for potato.
Keywords: Potato, Underwater, Ultrasonic,
Coefficient of attenuation, Spectral moment.
二、緣由與目的 對於農產品而言，以往一般都是以外 觀特徵來作選別，但是對於內部的特性如 甜度、空心等卻無法做分析選別，因此要 找出一個不破壞農產品本身又能檢測出內 部的方法就顯得很重要，非破壞性的檢測 方法正符合此需要。 在工業界和醫學上使用的超音波儀器 都是使用高頻率、低能量的形式，但由前 人研究結果指出，因為蔬果不論在內部的 組織結構或是外觀上都非常複雜，且蔬果 組織的多孔性特點會使穿透蔬果的高頻超 音波產生較高的衰減，所以這類在工業界 及醫學界上使用的高頻率､低能量的超音 波並不適用在蔬果的檢測上，因此必須使 用低頻率、高能量的超音波儀器來克服衰 減的問題（Sarkar and Wolfe, 1983；Mizrach et al., 1989）。
2 求 得 農 產 品 的 楊 氏 係 數 （ Young’s modulus）、堅實度係數（firmness）和共 振頻率等物理性質，再與超音波的各種特 性（如波速、衰減係數、波反射率、振幅 大小等）作分析，找出其間的相關特性， 以做為農產品的內部品質或貯藏時間的指 標，如蘿蔔的空心（仲，1995）、冷藏蘿 蔔的品質（許，1996）和超音波檢測應用 於蘿蔔分級（李，1997）等。Upchurch et al. （1985）利用超音波反射訊號的頻譜分析 （spectral analysis），分辨蘋果是否損傷。 Mizrach et al.（1998）利用超音波檢測法來 量測酪梨（avocado）的成熟度。其論文指 出超音波的衰減會隨儲藏時間的增加而變 大。 以往利用超音波檢測物品時，往往要 施一定力於探頭上，以增加探頭和受測物 之間的緊密度，但如此一來就會對受測物 造成傷害。 本研究目的是利用水中非接觸式檢測 農產品超音波特性以便開發出一台可連續 量測的檢測機械。 三、試驗材料與方法 （一） 試驗設備 研究設備包括下列各項： 1. Panametric 5058PR 高能量脈波式波形產 生器。換能器（X 1021 型）一對，頻率 50kHz。 3. LECROY 9304 數位儲存型示波器，頻寬 200MHz。 4. 自製超音波水中不鏽鋼輸送設備。 圖 1 所示為自製的超音波水中檢測馬 鈴薯機械，主體是由角鋼自行焊接而成， 並提供固定輸送帶行進路線之軸承的定 位；動力方面主要由一個 0.5 匹馬力的馬達 來帶動，馬達轉速由轉速控制器來調節， 範圍在 0 到 1800rpm 之間，並配合蝸齒輪 減速機構（減速比為 15）減速之後再由鍊 條傳動到橡膠圓筒，以帶動不鏽鋼網狀輸 送帶，待測馬鈴薯至於輸送帶的凹型承座 上。量測部份因為探頭和訊號線間並不防 水，所以又以兩個長 25cm、寬 10cm、高 50cm 的壓克力槽並切出一個圓洞供探頭 固定之用，探頭與壓克力槽的接縫處並補 上矽力康以防漏水，在兩壓克力槽高 40 公 分處鑽一小孔，以方便利用有孔角鋼鎖上 螺絲以調整探頭之間的距離。 取 20 顆新鮮馬鈴薯，先量測其超音波 穿透波之衰減係數與能量頻譜矩，接著以 ㄧ直徑 3.07mm 的細鐵棒沿著馬鈴薯的長 軸穿入，製造一個細孔，並以黏土封住開 口，然後再量測其穿透波的衰減係數與能 量頻譜矩，最後再製造出第二個和第三個 細孔，並分別量測其衰減係數和能量頻譜 矩。 圖 1. 超音波水中檢測馬鈴薯機械 四、結果與討論 馬鈴薯在空氣中和水中所量測到的
3 穿透波波形之一例分別如圖 2 和圖 3 所 示。空氣中量測時施加 2.4 公斤的外力，且 以水當耦合劑﹔水中量測的條件為水面高 度 10 公分、探頭距離 15 公分和輸送帶前 進 速 度 為 馬 達 轉 速 300rpm ， 速 度 約 為 2.15m/min。 在空氣中和水中所量測到的最大振幅 電壓值分別為 766mV 和 1656mV，而在空 氣中（探頭直接接觸）和水中（透頭距離 15cm）探頭間無受測物的最大振幅電壓值 都為 2625mV，表示超音波在水中的衰減極 小，適合當作超音波檢測的介質。計算出 此馬鈴薯在空氣中和水中的衰減係數分別 為 20.9 neper/m 和 8.1 neper/m。圖 2 和圖 3 在選取觸發點之後 200μs 的時間範圍，經 快速傅立葉轉換後可得到能量頻譜密度 圖。將能量頻譜密度圖下方的面積加以積 分後，可得能量頻譜矩分別為 0.08Ｖ2 和 0.39Ｖ2。 圖 2. 空氣中超音波波形(施力 2.4kg) 圖 3. 水中超音波波形(探頭距離 15cm) 以水中超音波檢測機所量測的超音波 穿透波，取其衰減係數和能量頻譜矩直接 做變方分析，所得到的結論與上述相同， 表示目前自製的水中超音波檢測機與空氣 中量測的結果相符。輸送帶前進速度為 0m/min、2.15m/min 和 3.82m/min 三種。 在水下輸送機測試結果指出，水面高度、 探頭距離與輸送帶前進速度三個因子沒有 顯著差異，水中馬鈴薯超音波穿透波特性 與各因子並無顯著差異存在，且彼此之間 也沒有交感反應現象。 誤差最小的試驗組合為水面高 5cm， 探頭距離 21cm，和輸送帶為靜止狀態，但 是本試驗的目的為連續量測，所以接下來 的試驗採輸送帶速度為 2.15m/min 此組 合。 擷取訊號時機試驗結果指出馬鈴薯在 通過探頭間的受測區域中，擷取波形的時 機最好是馬鈴薯的中間部位正通過受測區 域。 模擬空心實驗所量測超音波穿透波之代 表波形如圖 4 和圖 5 所示。 圖 4. 無 空 洞 馬 鈴 薯 之 穿 透 波 波 形 圖 5. 挖 兩 洞 馬 鈴 薯 之 穿 透 波 波 形 模擬空心實驗所得到的衰減係數亦可 看出衰減係數和空心程度並沒有很明顯的 區別關係，而能量頻譜矩分布圖如圖 6 所 示，則可看出能量頻譜矩與空心或無空心 的馬鈴薯有明顯的差異，其分界的標準大 約在 0.2V2為界限。由時間域的波形來看， 有空心的馬鈴薯，其穿透波在 0.5ms 之範
4 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 1 .2 0 5 1 0 1 5 2 0 編 號 能量頻譜矩(V^2) 無 空 心 一 孔 二 孔 三 孔 圍內較明顯。 圖 6.能 量 頻 譜 矩 與 空 心 程 度 分 布 圖 模擬空心實驗中，發現馬鈴薯若有空 心則能量頻譜矩大致上會小於 0.2V2，如圖 6 所示，大於此值者為良好內部無空心的馬 鈴薯，此結果可用來作為判別馬鈴薯的空 心與否，所以開發水中超音波檢測馬鈴薯 品質的機械具有可行性。 五、結論 本研究目的為發展一台在水中可以連 續檢測馬鈴薯品質的檢測機。為確定在水 中量測之可行性，首先探討了水面高度、 探頭距離和受測物前進速度三種變因影響 超音波特性的程度，並將其結果與空氣中 所量測的波形做比較。結果指出這些變因 並不具極顯著的影響。但受測物與探頭之 間的相對位置，影響穿透波的波形甚巨， 所以檢測機必須要要讓受測物固定在兩個 超音波探頭之間一個固定的位置。 探討穿透波波形與擷取波形時機之關 係實驗中指出馬鈴薯在通過探頭間的受測 區域中，擷取波形的時機最好是馬鈴薯的 中間部位正通過受測區域時，這對於將來 設計機器上是很重要的。 在模擬空心實驗中，發現馬鈴薯若有 空心則能量頻譜矩大致上會小於 0.2V2，大 於此值者為良好內部無空心的馬鈴薯，此 結果可用來作為判別馬鈴薯的空心與否。 參考文獻
