CN105651788A - 粮食水分检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粮食水分检测装置及其检测方法。本粮食水分检测装置包括发明若干个超宽带信号发射器，用于发射超宽带信号以使其穿过待测粮食；超宽带信号接收器，用于接收穿过待测粮食后的超宽带信号，并对其进行去噪、滤波预处理；粮食样品数据库，用于保存至少一种粮食样品的数据信息；以及处理器，与所述超宽带信号发射器、所述超宽带信号接收器和所述粮食信息数据库数据连接，用于得到相应的待测粮食的含水率。本发明具有结构简单，正确率高，检测速度快等优点。

Description

粮食水分检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及农业产品的自动检测技术领域。更具体地说，本发明涉及一种粮食水分检测装置及其粮食水分检测方法。

背景技术

粮食干燥是粮食安全储藏的重要环节，它是一个连续的生产过程，其流程是先将原粮食经处理后送入干燥塔，经过预热、干燥、缓苏，待冷却至常温，达到安全水分14％左右后排出干燥塔，然后送入粮仓进行储藏。粮食在被送入干燥塔前的含水率以及从干燥塔输送出来的实际含水率需要做到实时检测。同时，在粮仓储藏的过程中随着空气的温度和湿度的变化，粮食的含水率也会发生变化，这就需要一种可以实时检测粮仓内粮食含水率的装置。目前，粮食水分的检测方法有称量法和红外线照射法，称量法是利用各种称衡器对粮食的质量进行称量，此方法均为手动检测不能实现实时在线检测，费时且误差大；另外，受粮仓体积的制约无法实现。而红外线照射法只能对粮食的表面的水分进行检测，得出的结果非常的不准确。因此，目前的粮食含水率检测的方法有很大的缺陷。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种利用特定频率的超宽带信号穿透粮食并实时检测粮食水分的装置。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种粮食水分检测装置，超宽带(UltraWideBand)技术是发送和接收占空比很低的冲激脉冲(ns级宽度)，从而获得GHz量级带宽的传输技术，在3.01-10.6GHz频带内，功率谱密度仅为75nW/MHz。所用脉冲信号频率较高，波长较短，检测分辨率高，可以实现目标物体信息的精确检测，穿透能力强，适应非金属粮食输送带或各种粮仓内部检测条件，包括：

若干个超宽带信号发射器，用于发射超宽带信号以使其穿过待测粮食，其中所述超宽带信号穿过所述待测粮食的厚度为20米以内；

超宽带信号接收器，用于接收穿过待测粮食后的超宽带信号，并对其进行去噪、滤波预处理；

粮食样品数据库，用于保存至少一种粮食样品的数据信息，所述数据信息包括类型、品种、机械方法测定的含水率和对应的超宽带信号的能量衰减量；以及

处理器，与所述超宽带信号发射器、所述超宽带信号接收器和所述粮食信息数据库数据连接，用于对所发射的超宽带信号与所接收的超宽带信号进行差值运算，得到超宽带信号的能量衰减量，与所述粮食信息数据库中的相同品种的粮食样品的超宽带信号的能量衰减量进行对比，得到相应的待测粮食的含水率；

其中，所述超宽带信号发射器发射的超宽带信号的频率为5.85-7.35GHz。

优选地，所述粮食样品的类型和品种包括：

油料作物，其至少包括以下品种：葵花籽、芝麻、大豆、花生、蓖麻、苏子和油菜籽；

细粮作物，其至少包括以下品种：稻谷和小麦；以及

粗粮作物，其至少包括以下品种：玉米、红豆、绿豆、黑豆、荞麦和大麦；

其中，所述超宽带信号发射器在检测油料作物时发射的超宽带信号的频率为5.85GHz-6.35GHz；

所述超宽带信号发射器在检测细粮作物时发射的超宽带信号的频率为6.35GHz-6.75GHz；

所述超宽带信号发射器在检测粗粮作物时发射的超宽带信号的频率为6.75GHz-7.35GHz。

优选地，所述数据信息还包括产地信息。

优选地，所述超宽带信号发射器设有位置标识，用于将自身的位置发送至所述处理器。

优选地，所述处理器包括：

信号处理单元，其与所述超宽带信号发射器和所述超宽带信号接收器数据连接，用于对接收到的超宽带信号去噪、滤波处理，并计算超宽带信号的能量衰减量；以及

计算处理单元，其与所述信号处理单元和所述粮食信息数据库数据连接，用于根据信号处理单元得到的超宽带信号的能量衰减量，与所述粮食信息数据库中相同粮食品种的粮食样品的超宽带信号的能量衰减量进行对比，得到相应的粮食含水率，并计算待测粮食单位面积的平均含水率。

本发明还提供了一种利用粮食水分检测装置的粮食水分检测方法，包括以下步骤：

S1、采用干燥法测量多种类型的粮食样品的含水率，同时发射超宽带信号以使其穿过该粮食样品，将超宽带信号的能量衰减量和该粮食样品的类型、品种、产地信息一并保存；

S2、发射超宽带信号穿过待测粮食；

S3、接收穿过待测粮食的超宽带信号；

S4、对接收到的超宽带信号去噪、滤波处理，计算超宽带信号的能量衰减量；以及

S5、根据步骤S4得到的超宽带信号的能量衰减量，与S1保存的相同粮食类型和品种的粮食样品的超宽带信号的能量衰减量进行对比，得到相应的粮食含水率，即为待测粮食的含水率。

优选地，所述步骤S2中，超宽带信号穿过待测粮食的路径在20米以内。

优选地，所述粮食样品的类型和品种包括：

油料作物，其至少包括以下品种：葵花籽、芝麻、大豆、花生、蓖麻、苏子和油菜籽；

细粮作物，其至少包括以下品种：稻谷和小麦；以及

粗粮作物，其至少包括以下品种：玉米、红豆、绿豆、黑豆、荞麦和大麦；

其中，在检测油料作物时超宽带信号的频率为5.85GHz-6.35GHz；

在检测细粮作物时超宽带信号的频率为6.35GHz-6.75GHz；

在检测粗粮作物时超宽带信号的频率为6.75GHz-7.35GHz。

优选地，本粮食水分检测方法还包括：

S6、计算单位体积的待测粮食的平均含水率，具体为：对一定体积内所有接收到的能量衰减量进行统计，分别得到各处待测粮食的含水率，并对得到的所有含水率求平均值，即得到该体积内待测粮食的平均含水率。

本发明至少包括以下有益效果：

与现有技术比，本发明突破性地发现了特定频率超宽带信号在粮食水分检测能够保持稳定且较高的正确率，并且进一步针对不同类型的粮食细分了不同的频率，进一步增强了粮食水分检测的可靠性，本发明可以实现我国仓储粮食行业对粮情实时、精确的监测，该装置具有实用性和高性价比，而且结构简单、易于操作，填补我国仓储粮食行业对粮食水分检测技术上的空白。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的粮食水分检测装置的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的发明机理

一定宽度的脉冲微波信号发射出去时，信号幅度(即能量)是固定的，发射电路中采用了稳幅电路保证在-30～+50℃温度范围发射信号幅度波动小于0.05dBm，相位也是确定的，这种信号穿过一定厚度的粮食后，信号能量会有一定衰减。粮食含水量的不同，会使得信号能量的衰减值不一样。超宽带信号发射器和接收器的安装位置一般是固定的，设备间无粮食和有粮食时均要对信号幅度的变化进行一定时间的测试，这些变化量利用电路处理后输出的是模拟电压值，由模拟转数字电路进行量化后可作为初始测量值，然后利用机械方法抽样测定待测量粮食的水分含量，将这些测试值作为初始校准值写入数据库，实际对应了初始测量的粮食水分含量，这个工作量很大，这种方法将要建立我国粮食水分特征分类库，也是消除粮食因体积变化造成的误差。后续测试时，将能量的变化与前述测试的结果进行差值化处理，即可得出当前粮食的水分含量百分比。每个发射器发射的信号均携带了位置信息，接收器解调后可确认发射器的具体位置，由此可由处理器确定何处的粮食水分含量多少。该算法就是信号幅度变化的差值算法。对应的接收器接收的信号相位变化仅作为修正系数，不同的粮食品种相位变化不一样的。虽然现有文献有记载采用频率为100MHz-10GHz的微波能够检测水分含量，但大部分是根据公式 $M=(W-|\mathrm{\τ}\left|e^{-2{\mathrm{\α}}_{B}t}cos2Bt\right)/8.686{\mathrm{\α}}_B{\mathrm{\ρ}}^{\′}kt$ 进行的推测，其中，M为所求的被检测粮食的含水量，W为超宽带冲激脉冲信号的能量衰减量，α_B为水的介电常数，ρ＇为水和粮食的密度差，t为被测粮食颗粒的厚度，|τ|为空气与被测物之间的反射系数的模，B为超宽带脉冲信号穿过含水物质的相位差，k为校正常量，不同粮食品种不一样，需要现场抽样测试确定，该公式仅仅是一个理论下成立的公式，而在实际应用中，不同的微波频率在穿越粮食颗粒后的衰减是有区别的，大部分频率的微波在穿过不同水分的粮食后衰减量是不存在线性关系的，并不能直接利用在粮食水分的测试中。

如图1所示，本发明根据长时间的试验，提供一种粮食水分检测装置，超宽带(UltraWideBand)技术是发送和接收占空比很低的冲激脉冲(ns级宽度)，从而获得GHz量级带宽的传输技术，在3.01-10.6GHz频带内，功率谱密度仅为75nW/MHz。所用脉冲信号频率较高，波长较短，检测分辨率高，可以实现目标物体信息的精确检测，穿透能力强，适应非金属粮食输送带或各种粮仓内部检测条件，包括：

若干个超宽带信号发射器，用于发射超宽带信号以使其穿过待测粮食，其中所述超宽带信号穿过所述待测粮食的厚度为20米以内，本发明中的超宽带信号发射器的最长发射距离为100米，能够穿越粮食的有效厚度为20米，足以满足国内粮仓或粮食输送带的需求。

超宽带信号接收器，用于接收穿过待测粮食后的超宽带信号，并对其进行去噪、滤波预处理；

粮食样品数据库，用于保存至少一种粮食样品的数据信息，所述数据信息包括类型、品种、机械方法测定的含水率和对应的超宽带信号的能量衰减量；以及

处理器，与所述超宽带信号发射器、所述超宽带信号接收器和所述粮食信息数据库数据连接，用于对所发射的超宽带信号与所接收的超宽带信号进行差值运算，得到超宽带信号的能量衰减量，与所述粮食信息数据库中的相同品种的粮食样品的超宽带信号的能量衰减量进行对比，得到相应的待测粮食的含水率；

其中，所述超宽带信号发射器发射的超宽带信号的频率为5.85-7.35GHz。

所述粮食样品的类型和品种包括：

油料作物，其至少包括以下品种：葵花籽、芝麻、大豆、花生、蓖麻、苏子和油菜籽；

细粮作物，其至少包括以下品种：稻谷和小麦；以及

粗粮作物，其至少包括以下品种：玉米、红豆、绿豆、黑豆、荞麦和大麦；

其中，所述超宽带信号发射器在检测油料作物时发射的超宽带信号的频率为5.85GHz-6.35GHz；

所述超宽带信号发射器在检测细粮作物时发射的超宽带信号的频率为6.35GHz-6.75GHz；

所述超宽带信号发射器在检测粗粮作物时发射的超宽带信号的频率为6.75GHz-7.35GHz。

所述数据信息还包括产地信息。

所述超宽带信号发射器设有位置标识，用于将自身的位置发送至所述处理器。

所述处理器包括：

信号处理单元，其与所述超宽带信号发射器和所述超宽带信号接收器数据连接，用于对接收到的超宽带信号去噪、滤波处理，并计算超宽带信号的能量衰减量；信号处理单元把超宽带的脉冲信号搬移到70MHz中频，这样便于后端的模拟到数字变换的采集处理。整个通路提供不低于40dB的增益控制，同时模拟输出滤波器把信号限制在20MHz带宽内，按照采样定理可以采用102.4MHz的系统时钟，20MHz带宽内信号通过高速ADC把信号数字化后进入FPGA即现场可编程门阵列，模块中进行信号功率检测处理，选择16BIT的高速ADC模块，有效处理动态一般为70dB左右，增加40dB调整范围的可变增益放大器后，实现处理动态范围大于100dB的需要，由于把输入信号限制在70MHz中频的20MHz带宽内，只要发射的一个或多个信号频率偏差大于100kHz，对收发模块是否同时收发没有要求，完全可同时提取3路输入信号的功率；

以及

计算处理单元，其与所述信号处理单元和所述粮食信息数据库数据连接，用于根据信号处理单元得到的超宽带信号的能量衰减量，与所述粮食信息数据库中相同粮食品种的粮食样品的超宽带信号的能量衰减量进行对比，得到相应的粮食含水率，并计算待测粮食单位面积的平均含水率。

本发明还提供了一种利用粮食水分检测装置的粮食水分检测方法，包括以下步骤：

S1、采用干燥法测量多种类型的粮食样品的含水率，同时发射超宽带信号以使其穿过该粮食样品，将超宽带信号的能量衰减量和该粮食样品的类型、品种、产地信息一并保存，存入的样本值越多检测的精度就越高；

S2、发射超宽带信号穿过待测粮食；

S3、接收穿过待测粮食的超宽带信号；

S4、对接收到的超宽带信号去噪、滤波处理，计算超宽带信号的能量衰减量；以及

S5、根据步骤S4得到的超宽带信号的能量衰减量，与S1保存的相同粮食类型和品种的粮食样品的超宽带信号的能量衰减量进行对比，得到相应的粮食含水率，即为待测粮食的含水率。

所述步骤S2中，超宽带信号穿过待测粮食的路径在20米以内。

所述粮食样品的类型和品种包括：

油料作物，其至少包括以下品种：葵花籽、芝麻、大豆、花生、蓖麻、苏子和油菜籽；

细粮作物，其至少包括以下品种：稻谷和小麦；以及

粗粮作物，其至少包括以下品种：玉米、红豆、绿豆、黑豆、荞麦和大麦；

其中，在检测油料作物时超宽带信号的频率为5.85GHz-6.35GHz；

在检测细粮作物时超宽带信号的频率为6.35GHz-6.75GHz；

在检测粗粮作物时超宽带信号的频率为6.75GHz-7.35GHz。

本粮食水分检测方法还包括：

S6、计算单位体积的待测粮食的平均含水率，具体为：对一定体积内所有接收到的能量衰减量进行统计，分别得到各处待测粮食的含水率，并对得到的所有含水率求平均值，即得到该体积内待测粮食的平均含水率。

实施例1

在储存大米的粮仓的底部均匀放置10个本发明中的超宽带信号发射器，在粮仓的顶部放置1个超宽带信号接收器，将处理器和超宽带信号发射器、超宽带信号接收器和粮食信息数据库数据连接，首先采用标准的机械或红外检测仪器等采集几组本粮仓同批次下的大米样品的含水率，同时测试大米样品在本水分检测装置运行下的含水率，将对应数据写入粮食信息数据库中，随后运行粮仓中的超宽带信号发射器，发射超宽带信号穿过待测粮食；超宽带信号接收器接收穿过待测粮食的超宽带信号；处理器对接收到的超宽带信号去噪、滤波处理，计算超宽带信号的能量衰减量；并该超宽带信号的能量衰减量，与粮食信息数据库中的能量衰减量数据进行对比，得到相应的粮食含水率，即为该超宽带信号发射器处的待测粮食的含水率，随后将所得的10个粮食含水率取平均值，即为该粮仓内的平均含水率。

本发明的工业实用性

与现有技术比，本发明突破性地发现了特定频率超宽带信号在粮食水分检测能够保持稳定且较高的正确率，并且进一步针对不同类型的粮食细分了不同的频率，进一步增强了粮食水分检测的可靠性，本发明可以实现我国仓储粮食行业对粮情实时、精确的监测，该装置具有实用性和高性价比，而且结构简单、易于操作，填补我国仓储粮食行业对粮食水分检测技术上的空白。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种粮食水分检测装置，其特征在于，包括：

若干个超宽带信号发射器，用于发射超宽带信号以使其穿过待测粮食，其中所述超宽带信号穿过所述待测粮食的厚度为20米以内；

超宽带信号接收器，用于接收穿过待测粮食后的超宽带信号，并对其进行去噪、滤波预处理；

粮食样品数据库，用于保存至少一种粮食样品的数据信息，所述数据信息包括类型、品种、机械方法测定的含水率和对应的超宽带信号的能量衰减量；以及

处理器，与所述超宽带信号发射器、所述超宽带信号接收器和所述粮食信息数据库数据连接，用于对所发射的超宽带信号与所接收的超宽带信号进行差值运算，得到超宽带信号的能量衰减量，与所述粮食信息数据库中的相同品种的粮食样品的超宽带信号的能量衰减量进行对比，得到相应的待测粮食的含水率；

其中，所述超宽带信号发射器发射的超宽带信号的频率为5.85-7.35GHz。

2.如权利要求1所述的粮食水分检测装置，其特征在于，所述粮食样品的类型和品种包括：

油料作物，其至少包括以下品种：葵花籽、芝麻、大豆、花生、蓖麻、苏子和油菜籽；

细粮作物，其至少包括以下品种：稻谷和小麦；以及

粗粮作物，其至少包括以下品种：玉米、红豆、绿豆、黑豆、荞麦和大麦；

其中，所述超宽带信号发射器在检测油料作物时发射的超宽带信号的频率为5.85GHz-6.35GHz；

所述超宽带信号发射器在检测细粮作物时发射的超宽带信号的频率为6.35GHz-6.75GHz；

所述超宽带信号发射器在检测粗粮作物时发射的超宽带信号的频率为6.75GHz-7.35GHz。

3.如权利要求1所述的粮食水分检测装置，其特征在于，所述数据信息还包括产地信息。

4.如权利要求1所述的粮食水分检测装置，其特征在于，所述超宽带信号发射器设有位置标识，用于将自身的位置发送至所述处理器。

5.如权利要求4所述的粮食水分检测装置，其特征在于，所述处理器包括：

信号处理单元，其与所述超宽带信号发射器和所述超宽带信号接收器数据连接，用于对接收到的超宽带信号去噪、滤波处理，并计算超宽带信号的能量衰减量；以及

计算处理单元，其与所述信号处理单元和所述粮食信息数据库数据连接，用于根据信号处理单元得到的超宽带信号的能量衰减量，与所述粮食信息数据库中相同粮食品种的粮食样品的超宽带信号的能量衰减量进行对比，得到相应的粮食含水率，并计算待测粮食单位面积的平均含水率。

6.一种利用如权利要求5所述的粮食水分检测装置的粮食水分检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采用干燥法测量多种类型的粮食样品的含水率，同时发射超宽带信号以使其穿过该粮食样品，将超宽带信号的能量衰减量和该粮食样品的类型、品种、产地信息一并保存；

S2、发射超宽带信号穿过待测粮食；

S3、接收穿过待测粮食的超宽带信号；

S4、对接收到的超宽带信号去噪、滤波处理，计算超宽带信号的能量衰减量；以及

S5、根据步骤S4得到的超宽带信号的能量衰减量，与S1保存的相同粮食类型和品种的粮食样品的超宽带信号的能量衰减量进行对比，得到相应的粮食含水率，即为待测粮食的含水率。

7.如权利要求6所述的粮食水分检测方法，其特征在于，所述S2中，超宽带信号穿过待测粮食的路径在20米以内。

8.如权利要求7所述的粮食水分检测方法，其特征在于，所述粮食样品的类型和品种包括：

油料作物，其至少包括以下品种：葵花籽、芝麻、大豆、花生、蓖麻、苏子和油菜籽；

细粮作物，其至少包括以下品种：稻谷和小麦；以及

粗粮作物，其至少包括以下品种：玉米、红豆、绿豆、黑豆、荞麦和大麦；

其中，在检测油料作物时的超宽带信号的频率为5.85GHz-6.35GHz；

在检测细粮作物时的超宽带信号的频率为6.35GHz-6.75GHz；

在检测粗粮作物时的超宽带信号的频率为6.75GHz-7.35GHz。

9.如权利要求6所述的粮食水分检测方法，其特征在于，还包括：

S6、计算单位体积的待测粮食的平均含水率，具体为：对一定体积内所有接收到的能量衰减量进行统计，分别得到各处待测粮食的含水率，并对得到的所有含水率求平均值，即得到该体积内待测粮食的平均含水率。