Ukrainian Journal of Physical Optics 

Fan Chao, Jiao Ya-jie and Song Yu-pei

College of the Information Science and Engineering, Henan University of Technology, 450001 Zhengzhou, China

Download this article

Abstract. When a wheat kernel is infected by insects, nutrients of the kernel are damaged, which reduces the commercial value of wheat and threatens its food safety. We suggest a new non-destructive method for revealing infected kernels, which is based on laser-induced ultrasonic. A detection process is simulated using a finite-element analysis. Firstly, we formulate a finite-element model for normal wheat and models for infected wheat (with the wormhole radii 0.4, 0.6, 0.8 and 1.0 mm), following from a classical thermal-stress theory. Secondly, a controlling equation is obtained, a process of ultrasonic excitation is simulated for all the models using a standard Newmark time-integration method, and the ultrasonic signals are obtained for those models. Finally, we derive the velocity of ultrasonic wave propagating in the kernel and analyze the relationships among the ultrasonic parameters and the structural parameters of the models. Our results show that the time interval between two adjacent ultrasonic echoes depends notably upon the internal kernel structure. In particular, the interval between the first and second echoes is longer and the interval between the second and third echoes is shorter with increasing wormhole radius. This can be used for finding out the infected kernels at early stages and determining the sizes of wormholes.

Keywords: infected grain, laser ultrasound, detection methods, finite-element analysis

UDC: 535+534.14
Ukr. J. Phys. Opt. 20 113-123
doi: 10.3116/16091833/20/3/113/2019
Received: 06.06.2019

Анотація. Коли пшеничне зерно заражене комахами, пошкодження його поживних речовин понижує комерційну цінність пшениці і загрожує безпеці цього харчового продукту. Ми пропонуємо новий неруйнівний метод виявлення інфікованих зерен, заснований на лазерно-індукованому ультразвукові. Процес виявлення моделюється на основі методу скінченних елементів. Спочатку сформульовано модель скінченних елементів для нормальної пшениці та моделі опису інфікованої пшениці (з радіусами червоточини 0,4, 0,6, 0,8 і 1,0 мм), виходячи з класичної теорії термічного стресу. Далі одержано керуюче рівняння, промодельовано процес збудження ультразвуку для всіх моделей із використанням стандартного методу часового інтегрування Ньюмарка, а також одержано ультразвукові сигнали для цих моделей. Нарешті, знайдено швидкість ультразвукової хвилі, яка поширюється в зерні, і проаналізовано співвідношення між ультразвуковими параметрами і структурними параметрами моделей. Наші результати засвідчують, що часовий інтервал між двома сусідніми ультразвуковими луна-сигналами помітно залежить від внутрішньої структури зерна. Зокрема, інтервал між першим і другим луна-сигналами довший, а інтервал між другим і третім луна-сигналами коротший у разі більшого радіуса червоточини. Це можна використати для виявлення заражених зерен на ранніх стадіях зараження та для визначення розмірів червоточин.