基于声音的纸张柔软度检测方法探究

纸张的应用已不再局限于记录场合的使用，更广泛应用于像包装、减震、绝缘、物件造型等方面，而且对用于印刷、包装的高档纸及一些特殊用途的纸张柔软度提出了严格的要求。目前纸张柔软度 检 测 仪 器 量 程 （１０～１０００ｍＮ）较 小，仅 适用于餐巾纸之类的生活用纸。一些高刚度的特殊用途纸张的柔软度分级，还处在人工作业水平，因此，一种大量程的纸张柔软度检测方法成为业界的关注焦点［１－２］。声音是由物体震动产生，声音能量与物体的结构、材质有关；纸张的柔软程度同样由这些因素决定。不同柔软度的同类纸张受到恒 定 的 速 度、力 度 敲 击 时，产生的声音能量具有差异，因此可以根据纸张受敲击时的声音能量大小衡量纸张柔软度［３－４］。

１ 基于击点能量和ＰＣＡ的系统模型及其算法
１．１ 击点能量法
击点能量法：根据纸张受敲击瞬间的声音能量衡量其柔软度的大小。纸张敲击示意图，如图１所示，图中实线表示敲击爪刚接触到纸张，虚线是敲击爪与纸张脱离的瞬间，假设整个过程纸张 不 弯 曲。电 机 速 度 ３０００ｒ／ｍｉｎ，敲 击 爪 半 径 为 ７０ｍｍ，敲击爪在纸张上的刮痕长度ｌ为２．４ｍｍ，敲击爪的线速度为恚没髯脱镜慕哟ナ奔? Ｔ ：　计算声音大值前后 ０．０５ ｍｓ时间段内的声音时域能量Ｅ ：　其中，ｘｉ 是０．１ｍｓ内时域采样点数值，单位为 ｍＶ。以此为阈值判断待测对象的柔软度级别。
１．２ ＰＣＡ的识别系统模型
纸张声音包括从纸张开始受到敲击，经反复震荡至停止整个过程的声音。完整的声音信号包含的数据量大，可用于区分柔软度的特征较多，为了提高系统实时性，必 须 减 少 运 算 量，从众多特征中提取差异较大的特征。主成分分析 （ＰＣＡ）是将多个变量转化为几个综合变量 （即 主 成 分），每个主成分由原始变量的线性组合组合生成，各主成分之间互不相关，这些主成分能够反映始变量的绝大部分信息，且所含的信息互不重叠［５－７］。因此采用 ＰＣＡ 分析方法提取出纸张声音能量中主要特征组成特征矩阵，然后根据待测对象的特征向量与特征矩阵的。

实验结果与分析
２．１ 实验系统与样本
２．１．１ 实验装置系统
系统立足于纸张柔软度检测的基本功能和开放性设计 原则，由机 械 装 置 和 系 统 软 件 组 成。系统的总体方案如图 ３所示。
机械装置由伺服电机带动敲击爪以恒定的速度敲击纸 张；纸张发出的声音经双层消音箱的内层多次反射而减弱，消音箱的外层隔离外界环境噪音，为下次声音采集提供安静的环境。系统软件以 Ｗｉｎｄｏｗｓ为软件开发平台，以 高 速 采 集 卡 为核心，利用 ＶＳ２００８在此平台上自主编写电机控制模 块，位 置检测模块、声音采集模块、分类算法以及人机交互界面。
２．１．２ 纸张样本声音能量
同种型号的打印纸按柔软度从大到小记为 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，每级柔软度的打印纸各３张，每 页 纸 裁 剪 成６张１３０ｍｍ×６０ ｍｍ 的 长 方 形 纸 片。实 验 之 前 将 纸 张 样 本 在 ２０℃、４０％ —６０％相对湿度下平整放置２４小时。取不同柔软度的样本各１张，固定在实验装置上采集样本受敲击时的声音信 号，获得５级×１８样 本 声 音 信 号。不同柔软度的声音信号经过 分帧之后的能量如图４所示。

３ 实验结果与分析
３．１ 击点能量法
随机抽取５级×１２样本计算击点声音能量，以 每 级 的 小能 量 为 标 准，对其余样本进行柔软度分类，结 果 如 表 １所示。
表中小能量表明：打印纸越硬 （柔软度大）声音能量越大，不同柔软度的打印纸声音能量具有明显差异，因此，可以用声音能量表征打印纸的柔软度。
表１中除Ⅴ类样本外的准确率均达到１００％，经 标 准 仪 器测得Ⅴ 类 样 本 的 柔 软 度 为 ５７４ ｍＮ，其余各类样本均超过１０００ｍＮ。因为Ⅴ类样本太软，受敲击时形变不一致，所以能量变化较大。
３．２ 基于 ＰＣＡ的柔软度识别
上述的５级×１２样本声音数据经过预处理提取出特征矩阵，对其余的样本进行柔软度分类结果如表２，各主成分 贡 献率如图６所示。
从图中可以观 察 到，当 Ｅ 快 速 变 化 时，新型电导增量法能够较快速的跟踪 ＭＰＰ的 变 化，且系统稳定无震荡。实 验 结果表明：新型变步长电导增量法能更加快速准确地实现对光伏系统 ＭＰＰ的跟踪。

４ 实验
根据图３搭建实验电路验证新算法有效性，选用光伏电池模拟装置太阳能电池，并 在 ＢＯＯＳＴ 电 路 输 入 端 并 联 一 个３６０欤频缛菀员Ｖぬ裟艿绯啬艹中┑纭Ｏ? 统 采 用 ＤＳＰ 芯 片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ 为 ＭＰＰＴ 控 制 电 路 主 处 理 器， 通 过 改 变ＢＯＯＳＴ占空比来 实 现 ＭＰＰＴ。ＢＯ－ＯＳＴ 变换器升压电感为９００欤龋瞬ǖ缛菸埃膘Ｆ并 联 在 ＢＯＯＳＴ 电 路 输 出 端，光伏电池内阻为１００伲遥? ＝１５０佟９庹涨慷韧槐涫钡氖笛椴ㄐ稳缤迹匪尽£

５ 结论
此处通过分析光伏电池输出特性Ｐ－Ｉ曲线，并结合现有电导增量法的研究，提出了一种新颖的变步长光伏系统 ＭＰＰＴ控制方法，并进行了仿真与实验。结果表明：变步长电导增量法在外界环境突变时能快速跟踪到大功率点，并有效地减小了稳态时的振荡，在实际应用中具有良好的应用背景。如何减小 ＭＰＰＴ系统体积，提 高 ＭＰＰＴ 系 统 效 率，将 是 今 后 深 入 研究的方向。
 

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