CN104931107A - 一种电容式小麦收获产量实时测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容式小麦收获产量实时测量方法及装置，属于粮食测产技术领域。该方法通过对小麦流速及流量的处理和计算，获得小麦的收获产量。该装置包括两个平行极板1和2、一个输送管3、一个电子测量仪5。平行极板1和2具有检测电容变化功能。输送管3在收获小麦时使小麦能够流通本装置。电子测量仪5具有数据处理分析、存储、人机交互和数据显示功能。该方法和装置能够大幅降低运算量、简化测量步骤与设备，测量过程中可实时显示测量流速、流量和产量的数据，提高了小麦产量的测量精度。

Description

一种电容式小麦收获产量实时测量方法及装置

技术领域

本发明属于粮食测产技术领域，特别涉及一种电容式收获产量实时测量方法及装置。

背景技术

粮食是人类生存的基本必需品，保障粮食产量安全事关国计民生。由于小麦产量集中反映了田地土壤墒情、种肥使用、气象条件以及病虫害等因素对产量的影响，实现小麦收获产量实时测量将能够获取农田不同区域的产量差异信息并进行综合分析，为后续的小麦收获决策提供理论依据，有利于提高小麦产量，对保障国家粮食安全具有重要意义。

近年来，随着科学技术的进步与发展，采用现代电子技术应用于粮食收获产量实时测量成为粮食测产技术的发展方向与趋势。具体来说，常用的电子测产方法有：动量式、光电式、容积式和电容式等。动量式测产方法基于动量定理，运动中的粮食流与装有传感器的感应板撞击时会产生一个与粮食质量相关的动量变化，当连续测量粮食流撞击感应板后其动量的变化即可实时测量粮食积累的产量，但本方法受限于对撞击动量的精准测量，容易受到收获机速度和机器震动而产生较大误差。光电式测产方法采用当粮食流通过对射式光电开关之间时，阻碍光电开关之间的正常接收而产生了一个脉冲信号，根据挡光时间来测量粮食产量，本方法由于采用光电传感器易受田间尘土污染等复杂的田间工况影响，降低测量精度。容积式测产方法依托于收获机械装置，先将粮食流喂入叶轮，当粮食高度达到并触发叶轮上方探测传感器，驱动叶轮旋转将粮食倒入下一个出口，根据叶轮容积和旋转次数计算测定粮食产量，此方法需要对原有收获机进行局部改造，成本高、安装调试困难。电容式测产方法基于电容传感器，利用粮食流通过电容传感器时介电常数产生变化导致电容变化，根据电容变化与粮食流量的关系测定粮食产量，本方法结构简单、动态响应好、灵敏度高，但目前国内学者在利用电容法计算电容与粮食流量关系时多采用互相关函数、互相关峰值插值修正以及快速傅立叶变换等高等数学方法，极为繁杂且运算量大。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的不足，提供一种结构简单、准确快速且易于使用的小麦收获产量实时测量方法及装置，利用小麦流量值与平行极板电容值和小麦流速的数学模型，实现小麦收获产量快速、准确的实时测量。

本发明的电容式小麦收获产量实时测量方法包括以下步骤：

a、选取介电常数和密度均已知的一批粮小麦样品作为样本；

b、通过本发明装置中的电子测量仪提取两个平行极板的初始电容值作为采集脉冲信号的基准值；

c、将样本从本发明装置的小麦输送管进料口输入后，样本经过第一个平行极板时会造成其电容发生变化，产生一个电容脉冲信号并被电子测量仪采集；

d、由于两个平行极板完全一样，样本当经过第二个平行极板时会产生一个相同的电容脉冲信号并被采集，并从小麦输送管出料口输出；

e、本发明装置的电子测量仪根据平行极板电容、样本流速与流量的数学关系，通过所采集到的两个电容脉冲信号数据运算出样本流量，进而计算出测量样本的产量。

上述方法中关于样本流量与产量的计算方法如下：

（1）平行极板的初始电容值 ；

（2）样本通过平行极板因介电常数变化导致电容变化为；

（3）样本通过平行极板的流量值，即得到样本流量与平行极板电容和样本流速的数学关系；

（4）测量样本的产量值，通过电子测量仪检测电容与流速即可间接运算样本的产量值；

其中为真空介电常数，为已知相对介电常数，为已知样本密度，为极板面积，为极板间距，为样本流速，为测量时间。关于样本流速的实现算法如下：

（1）样本经过第一个平行极板时产生一个脉冲信号并被电子测量仪采集，开始记录时间；

（2）当电子测量仪采集到第二个相同的脉冲信号时，停止记录时间，采集两个相同脉冲信号的间隔时间为；

（3）电子测量仪自动计算样本流速；

其中为两个平行极板中心点距离。

本发明还公开了一种电容式小麦收获产量实时测量装置，该装置包括一个小麦输送管、两个完全一样的平行极板、一个电子测量仪。工作时，小麦输送管进料口喂入小麦，出料口流出小麦；平行极板测量极板间因小麦通过造成的电容变化；电子测量仪具有数据分析、显示和人机交互的功能。

所述小麦输送管设计为半圆柱体空心结构。

所述两个完全一样的平行极板采用上下设计，横向对齐且相隔一段距离内置于小麦输送管内。

所述电子测量仪包括电子测量仪盒和测量工作电路；

所述电子测量仪盒固定安装在小麦输送管圆柱剖面处，采用上下两层配合设计，布置预留一个电源开/关键接口、一个密度选择键接口、一个开始工作键接口、一个液晶显示屏接口、一个锂电池充电接口，仪器盒内预留电源安装空间；

所述测量工作电路安装在电子测量仪盒内部，以单片机为控制核心，包括电容信号处理模块、模/数转换模块、键盘输入模块、液晶显示模块、程序下载模块和可充电锂电池电源模块；

所述单片机控制核心主要包括复位电路、晶振电路保证单片机正常工作，实现控制各模块工作和运算电容与流量的数学关系；

所述电容信号处理模块使用电容转电压电路，提取平行极板的电容值，将其直接转换为易于直接测量的电压值；

所述模/数转换模块将输出与被测电容线性相关的直流电压模拟信号，经模/数转换为数字信号后送至单片机处理，便于单片机用于计算；

所述键盘输入模块实现功能的选择输入，包括一个电源开/关键、一个密度选择键、一个开始工作键；

所述液晶显示模块采用字符型显示装置，用于显示电容值、小麦流量值和产量值，完成测量数据的显示输出；

所述程序下载模块实现对单片机的控制编程功能；

所述可充电锂电池电源模块供应装置整体用电，并能够循环充电实现降低电池成本功能；

所述两个完全一样的平行极板与电容信号处理模块连接；所述电容信号处理模块与模/数转换模块连接；所述模/数转换模块与单片机控制核心连接；所述键盘输入模块与单片机控制核心连接；所述液晶显示模块与单片机控制核心连接；所述程序下载模块与单片机控制核心连接；所述可充电锂电池电源模块与测量工作电路连接。

本发明的电容式小麦收获产量实时测量方法及装置提供了一种简化、准确的电容式小麦产量计算方法和用于小麦收获产量测量的装置，此装置主要由传感器和相应的模块组成，结构简单、成本低廉，易于实现。用此方法与装置进行小麦收获产量的实时测量，电子测量仪一体化完成数据处理与运算，能够大幅降低运算量、简化测量步骤与设备，测量过程中可实时显示测量流速、流量和产量的数据，提高小麦产量的测量精度。

附图说明

图1是本发明系统工作示意图；

图2是本发明系统测量算法实现流程图；

图3是本发明装置的结构外观图；

图4是本发明测量工作电路总体结构框图。

具体实施方式

下面以实施例并结合附图对本发明进行详细的描述，进一步说明本发明的目的和特点。

实施例一：装置及其使用说明

如图1所示，本发明的一种电容式小麦收获产量实时测量装置，该装置包括两个平行极板1和2、一个输送管3、一个电子测量仪5。平行极板1和2具有检测电容变化功能。小麦输送管3在收获小麦时使小麦能够流通本装置。电子测量仪5具有数据处理分析、存储、人机交互和数据显示功能。

如图2所示，本发明的一种电容式小麦收获产量实时测量装置，系统初始化后首先检测工作状态是否正常，然后提取电容初始基准值，当有小麦通过时，系统自动提取进料口和出料口的平行极板工作脉冲信号电容值及时间，判断上述两个工作脉冲信号是否相同并进行产量计算，最终显示测量数据。

如图3所示，本发明的一种电容式小麦收获产量实时测量装置，装置外观包括小麦输送管6、出料口7和进料口8；液晶显示屏10、电源开/关键11、密度选择键12、开始工作键13和锂电池充电接口14集成分布在电子测量仪盒9上半部，电子测量仪盒9整体固定在小麦输送管6圆柱剖面处。本装置具有锂电池电源充电功能，通过锂电池充电接口14外接充电电源完成。

如图4所示，本发明的一种电容式小麦收获产量实时测量装置，工作测量电路固定在电子测量仪盒9内部（如图3），包括所述平行极板式电容传感器15、16与电容信号处理模块17连接；所述电容信号处理模块17与模/数转换模块18连接；所述模/数转换模块18与单片机19连接；所述键盘输入模块20与单片机19直接连接；所述液晶显示模块21与单片机19直接连接；所述程序下载模块22与单片机19直接连接；所述可充电锂电池电源模块23给本装置充电及供电。

实施例二：检测方法说明

a、 如图3所示按下电源开/关键11，液晶显示屏点亮，使装置开机，提取电容基准值并

处于待测量状态。

b、按下密度选择键12设定样品密度值。

c、按下开始工作键13，使装置处于测量状态，将被测样本通过进料口8流入。

d、如图1所示，由于流入了被测样本使平行极板1和2的介电常数发生变化，引起电容

发生变化，测量工作电路各模块检测到这个变化并记录下相应的电容脉冲信号与发生时间。         

e、本装置根据电容发生变化的时间差、已设定样品密度值计算得出样品的流量值。

f、如图3所示，本装置根据样品的流量值和电容变化值计算得出样品的产量值，最终将

数据显示在液晶显示屏10中。

最后需要指出的是：上述实例仅为说明本发明的技术方案而并非限制；根据本发明的实施方案所采取的任何变形，均不脱离本发明技术方案的本质和权利要求记载的范围。

Claims (6)

1.一种电容式小麦收获产量实时测量方法，其特征在于，按照如下步骤进行：

a、选取介电常数和密度均已知的一批小麦样品作为样本；

b、通过本发明装置中的电子测量仪提取两个平行极板的初始电容值作为采集信号基准值，按照如下公式：

自动计算得到初始电容值，其中真空介电常数为固定值、极板面积和极板间距为预设值；

c、将小麦样本从本发明装置的小麦输送管进料口输入后，样本经过第一个平行极板时会造成其电容发生变化，产生一个脉冲信号并被电子测量仪采集，按照如下公式：

自动计算得到变化后的电容值，其中相对介电常数为真空与被测样本的复合介电常数；

d、由于两个平行极板完全一样，当样本经过第二个平行极板时会产生一个相同的脉冲信号并被采集，并从小麦输送管出料口输出；

e、本发明装置的电子测量仪根据平行极板电容、样本流速与流量的数学关系，具体按照如下两个公式：

通过所采集到的两个脉冲信号数据运算出样本流量，进而计算出测量样本的产量值。

2.根据权利要求1所述的一种电容式小麦收获产量实时测量方法，其特征在于，所述样本流速摒弃复杂的数学计算方法，采用简单的位移测速方法，具体如下：

（1）样本经过第一个平行极板时产生一个脉冲信号并被电子测量仪采集，开始记录时间；

（2）当电子测量仪采集到第二个相同的脉冲信号时，停止记录时间，采集两个相同脉冲信号的间隔时间；

（3）电子测量仪按照如下公式：

自动计算样本流速，其中两个平行极板中心点距离为预设值。

3.一种电容式小麦收获产量实时测量装置，其特征在于，装置包括一个输送管（3）、两个完全一样的平行极板（1）和（2）、一个电子测量仪（5）。

4.根据权利要求3所述一种电容式小麦收获产量实时测量装置，其特征在于，所述输送管（3）采用半圆柱中空结构，分别预留进料口（8）和出料口（7）。

5.根据权利要求3所述一种电容式小麦收获产量实时测量装置，其特征在于，所述两个完全一样的平行极板（1）和（2）采用铜板电极。

6.根据权利要求3所述一种电容式小麦收获产量实时测量装置，其特征在于，所述电子测量仪（5）包括电子测量仪盒（9）和测量工作电路，电子测量仪盒（9）采用上下两层配合设计，分布液晶显示屏（10）、电源开/关键（11）、密度选择键（12）、开始工作键（13）和锂电池充电接口（14），并预留锂电池电源安装空间；电子测量仪工作电路集成安装在电子测量仪盒（9）内部，采用平行极板式电容传感器（15）和（16），以单片机（19）为控制核心，包括电容信号处理模块（17）、模/数转换模块（18）、键盘输入模块（20）、液晶显示模块（21）、程序下载模块（22）以及可充电锂电池电源模块（23），测量工作电路包括所述平行极板式电容传感器（15）和（16）与电容信号处理模块（17）连接；所述电容信号处理模块（17）与模/数转换模块（18）连接；所述模/数转换模块（18）与单片机（19）连接；所述键盘输入模块（20）与单片机（19）连接；所述液晶显示模块（21）与单片机（19）连接；所述程序下载模块（22）与单片机（19）连接；所述可充电锂电池电源模块（23）为装置给本装置充电及供电。