CN102012220B - 散粒物料摩擦角或休止角测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种散粒物料摩擦角或休止角测量装置和测量方法，将物料盘设置在电机的转轴上，在物料盘的两侧设有用于判断谷粒位置是否移动的一对红外对射管，将物料盘调到水平位置，将一颗谷粒放置在物料盘上2个红外对射管的连线位置上；控制电机转动带动物料盘倾斜；随着物料盘的倾斜角度加大，谷粒离开2个红外对射管的连线的一瞬间，红外对射管光路不再被谷粒阻挡的状态被微处理器捕获，微处理器记录该瞬间的物料盘的倾斜角，该倾斜角即为散粒物料的摩擦角或休止角。该散粒物料摩擦角或休止角测量装置和测量方法测量速度快、精度高、自动化程度高。

Description

散粒物料摩擦角或休止角测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及一种散粒物料摩擦角或休止角测量装置和测量方法。

背景技术

为了合理地设计各种农业机械、农产品加工机械、谷仓及其它存储设备，必须了解散粒物料的力学特性，如摩擦特性等，而摩擦特性可以用摩擦角和休止角等来表述。散粒物料与不同材料的接触面之间的摩擦角和休止角，一般都是通过斜面仪简单地进行手动测量，误差大，不准确，不直观。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种散粒物料摩擦角或休止角测量装置和测量方法，该散粒物料摩擦角或休止角测量装置和测量方法测量速度快、精度高、自动化程度高。

本发明的技术解决方案如下：

一种散粒物料摩擦角或休止角测量装置，转轴呈水平方向设置在2块侧板上，电机驱动转轴旋转；物料盘固设在该转轴上，物料盘的两侧分别设有一个红外对射管；2个红外对射管的连线为放置谷粒的基准线；

在物料盘或转轴上设有倾角传感器，倾角传感器的输出端与微处理器连接；

电机的控制端、存储器和红外对射管均与微处理器连接。

液晶显示器与微处理器连接。

物料盘为槽型。

倾角传感器用于测量绝对角度。与绝对参考系的零度角相关的都要用到倾角传感器。

物料盘的前端或后端设有用于收集谷粒的物料漏斗。

一种散粒物料摩擦角或休止角测量测量方法，将物料盘设置在电机的转轴上，在物料盘的两侧设有用于判断谷粒位置是否移动的一对红外对射管，具体方法如下：

步骤1：将物料盘调到水平位置，将一颗谷粒放置在物料盘上2个红外对射管的连线位置上；

步骤2：控制电机转动带动物料盘倾斜；

步骤3：随着物料盘的倾斜角度加大，谷粒离开2个红外对射管的连线的一瞬间，红外对射管光路不再被谷粒阻挡的状态被微处理器捕获，微处理器记录该瞬间的物料盘的倾斜角，该倾斜角即为散粒物料的摩擦角或休止角。

一种散粒物料摩擦角或休止角测量测量方法，采用前述的散粒物料摩擦角或休止角测量装置，具体测量方法如下：

步骤1：将物料盘调到水平位置，将一颗谷粒放置在物料盘上2个红外对射管的连线位置上；

步骤2：控制电机转动带动物料盘倾斜；

步骤3：随着物料盘的倾斜角度加大，谷粒离开2个红外对射管的连线的一瞬间，红外对射管光路不再被谷粒阻挡的状态被微处理器捕获，微处理器记录该瞬间的物料盘的倾斜角，该倾斜角即为散粒物料的摩擦角或休止角。

有益效果：

对于散体物料来说，物料的内摩擦是不容忽视的，因而农业及食品物料的摩擦特性要比工程材料之间或固体干摩擦复杂得多。众所周知，在计算贮存仓仓壁的散体压力时，应用最广的是Jarssen X在1895年提出的公式。该公式要用到壁面摩擦系数f，和侧压力系数ξ_a，而ξ_a＝(1一sinφ)/(1+sinφ)(式中φ为内摩擦角)；

此外，在计算槽轮式播种机的排种量时。有一个带动层的问题。带动层的速度分布，既与物料的内摩擦有关.也与物料与箱壁的摩擦有关。种子在变截面管道输送中，如果渐变倾斜面的角度、排料口的尺寸等选择不当，则会由于形成“拱”而发生堵塞。

要研究上述现象的摩擦特性，普通的测量摩擦角的方法一般都是通过斜面仪简单地进行手动测量。这种方法存在滞后现象，误差大，不准确，不直观，不利于力学特性的研究。本发明中，红外对射管的运用解决了滞后的问题；单片机和倾角传感器的运用，实现了角度的精确测量；液晶显示使得测量更加直观。因此，本发明可广泛应用于研究散粒物料的力学特性，为食品收获，加工，包装，贮存，装运机械的设计提供了准确的理论依据。

只要将一个单位的散粒物料置于物料盘上，按下开始按钮，电机转动，并且带动物料盘慢速旋转，当散粒物料开始下滑，红外对射管检测到之后将此信息反馈给单片机，单片机将检测到的角度通过液晶显示屏显示出来。短短几秒钟就可以测量出来，并且红外检测比肉眼更精确，更智能化。

附图说明

图1是本发明的原理图；

图2是本发明的电路原理图；

图3是物料盘、红外对射管部分的结构示意图(图a、b、c分别为主视图、侧视图和仰视图，其中物料漏斗和物料盘直接通过丙酮粘合)；

图4是实施例1的结构示意图；

图5是基准电压电路的电路原理图。

标号说明：1-谷粒，2-红外对射管，3-物料漏斗，4-物料盘，5-转轴，6-电机，7-液晶显示模块，8-显示模块，9-控制按钮，10-右侧板，11-电源模块，12-USB接口，13-存储模块，14-通讯模块，15-底板，16-变压器，17-后挡板，18-主模块，19-液晶屏，20-左侧板，21-采集模块。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

如图1所示，散粒物料摩擦角或休止角测量装置的结构为：电机的控制端、存储器和红外对射管均与微处理器连接。液晶显示器与微处理器连接。在物料盘或转轴上设有倾角传感器，倾角传感器的输出端与微处理器连接。

如图2所示，本实施例的电路控制部分包括电源模块，采集模块，液晶显示及键盘控制模块，通讯模块，U盘存储模块五个模块。

电源模块提供电源给液晶显示模块，通过基准电压模块降压后提供给采集模块，采集模块通过RS232将采集到的数据同时发送到U盘存储模块和液晶显示模块，U盘对数据进行读取并存储，液晶屏显示采集到的数据。电源模块，采集模块，液晶显示及键盘控制模块，通讯模块，U盘存储模块五个模块均安装在外壳内部。

电源模块中，由于要保证角度的测量精度达到0.01°，而电源的精度会影响AD转换的精度，从而间接影响整个系统的精度，所以在电源模块中加了一个基准电压电路(如图5)以提供稳定的电压，保证系统精度。

图5为基准是三端式(输入、输出和公共引出端)基准电压源，又称串联式基准源。这种基准源的主要优点是静态电流比较低，可通过调节R9的值预先调整好5V的标准输出电压，输出电流可以很大，而又不损失精度。该电路是现有技术。

采集模块中，选用了精度能达到0.01°、测量范围在±90°的倾角传感器SCA100T-D2和16位的AD转换芯片ADS1100。倾角传感器采集到模拟信号，经过低通滤波之后，再将其模拟信号通过16位AD转换器转换成数字信号发送给主控芯片。

液晶显示键盘控制模块中，控制按钮发送命令给主控芯片，同时主控芯片会将采集到的数据显示在液晶屏上。另外该模块中还加入了时钟电路，可将采集到的角度当前的具体时间显示出来。

通讯模块，液晶显示键盘控制模块与采集模块以及存储模块之间，均采用了RS232通讯，实现了双向的串行数据传输。

U盘存储模块，主控芯片将采集到的数据经通讯模块传输给存储模块的控制芯片后，锁存芯片将信号地址锁存，编码之后，通过读写芯片将数据存入U盘中。

本设计中的电路是由几个模块构成的，模块和模块之间要进行通信，进行信号的传输。各个模块相对独立，所以都有单独的单片机对相应的模块进行控制，批量制板后可用于其它设计中。

机械执行装置由物料漏斗，红外对射管，物料盘，转轴，电机，液晶显示面板和三个控制按钮，变压器和外壳组成。直流电机或步进电机均可以，不限某一型号。

如图3和图4所示，物料漏斗与物料盘固连在一起，相对位置保持不变，用于收集实验后的散粒物料。红外对射管安装在物料盘的边缘上，且与散粒物料在同一条直线上，测量时，每次放一粒谷粒，漏斗用于收集谷粒，谷粒向漏斗方向滑动或滚动；谷粒离开基准线后，由于红外对射管发出的光不会受到阻挡，则输出异常信号，此时物料盘倾斜的角度即为休止角或摩擦角。

用于自动检测下滑的散粒物料。物料盘做成槽型，用于放置各种不同摩擦系数的方形物料板，以便于测量散粒物料在不同材质上的摩擦角和休止角。

由于采集模块中的倾角传感器用于测量一切倾角，而休止角是指粉体堆积层的自由斜面与水平面所形成的最大角，相当于一个临界摩擦角，摩擦角和休止角相对于水平面而言就相当于一个倾角，故该倾角传感器可用于测量摩擦角和休止角，所以在物料盘下方安装采集模块。转轴通过螺栓与物料盘连接。电机通过螺栓固定在外壳上。液晶显示面板上安装了液晶显示模块，用于显示采集到的数据。同时，显示面板上安装了三个控制按钮，它们分别用于启动电机，调平物料盘，采集数据。外壳底板上安装了变压器和USB读写模块，由于外部电源为220V，故需变压器降压以提供12V的电压给液晶显示模块，USB接口开在右侧板上。

另外，通讯模块、电源模块以及主模块安装在可以活动的后挡板上。

工作原理：在图4中的显示面板中按下启动键，电机转动并带动转轴，将物料盘调至水平。将散粒物料放置在物料盘上，按下采集键，电机正向转动带动转轴，旋转物料盘，开始采集，通过安装在物料盘下方的采集模块中的倾角传感器感应到的信号，经过滤波电路对其进行低通滤波后，再将信号通过AD转换，将模拟信号转换为数字信号送给液晶显示及键盘控制模块中的主控芯片进行处理，在物料下滑的瞬间，红外对射管检测到下滑的散粒物料后，将信息反馈给存储芯片，存储芯片就会对该数据进行存储，该数据即为散粒物料的摩擦角，液晶屏上会动态显示物料盘的旋转角度和当前时间，该角度即为散粒物料的摩擦角。同理亦可测量休止角，不同的是，测量休止角时选用的方形物料板的摩擦系数应该与散粒之间的摩擦系数相等，因为休止角是指粉体堆积层的自由斜面与水平面所形成的最大角。将U盘插入USB接口，通过单片机控制，将信号地址锁存，编码之后，通过读写芯片将数据存入U盘中。如果在物料下滑瞬间按下采集键，电机停止转动，数据停止采集，液晶显示器显示当前摩擦角并将数据存储。这就实现了自动和手动采集数据两个功能。

Claims (6)

1.一种散粒物料摩擦角或休止角测量装置，其特征在于，转轴呈水平方向设置在2块侧板上，电机驱动转轴旋转；物料盘固设在该转轴上，物料盘的两侧分别设有一个红外对射管；2个红外对射管的连线为放置谷粒的基准线；

在物料盘或转轴上设有倾角传感器，倾角传感器的输出端与微处理器连接；

电机的控制端、存储器和红外对射管均与微处理器连接。

2.根据权利要求1所述的散粒物料摩擦角或休止角测量装置，其特征在于，液晶显示器与微处理器连接。

3.根据权利要求1所述的散粒物料摩擦角或休止角测量装置，其特征在于，物料盘为槽型。

4.根据权利要求1-3任一项所述的散粒物料摩擦角或休止角测量装置，其特征在于，物料盘的前端或后端设有用于收集谷粒的物料漏斗。

5.一种散粒物料摩擦角或休止角测量测量方法，其特征在于，将物料盘设置在电机的转轴上，在物料盘的两侧设有用于判断谷粒位置是否移动的一对红外对射管，在物料盘或转轴上设有倾角传感器，倾角传感器的输出端与微处理器连接；具体方法如下：

步骤1：将物料盘调到水平位置，将一颗谷粒放置在物料盘上2个红外对射管的连线位置上；

步骤2：控制电机转动带动物料盘倾斜；

步骤3：随着物料盘的倾斜角度加大，谷粒离开2个红外对射管的连线的一瞬间，红外对射管光路不再被谷粒阻挡的状态被微处理器捕获，微处理器记录该瞬间的物料盘的倾斜角，该倾斜角即为散粒物料的摩擦角或休止角。

6.一种散粒物料摩擦角或休止角测量测量方法，其特征在于，采用权利要求1-3任一项所述的散粒物料摩擦角或休止角测量装置，具体测量方法如下：

步骤1：将物料盘调到水平位置，将一颗谷粒放置在物料盘上2个红外对射管的连线位置上；

步骤2：控制电机转动带动物料盘倾斜；

步骤3：随着物料盘的倾斜角度加大，谷粒离开2个红外对射管的连线的一瞬间，红外对射管光路不再被谷粒阻挡的状态被微处理器捕获，微处理器记录该瞬间的物料盘的倾斜角，该倾斜角即为散粒物料的摩擦角或休止角。

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