CN106017625B - 粮仓储粮数量的检测方法及压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粮仓储粮数量的检测方法，其中，包含如下步骤：粮仓压力值采集步骤：通过设置于一粮仓底面的多个压力传感器采集粮仓内储粮的多个压力值；粮堆均值获取步骤：根据多个压力值获取一侧面压强均值、一底面压强均值及一高度均值；粮堆储粮数量值获取步骤：根据侧面压强均值、底面压强均值及高度均值获得一储粮数量值。本发明还公开了一种应用于上述检测方法的压力传感器。
Description
技术领域
本发明涉及一种粮仓储粮数量的检测方法及压力传感器，特别涉及一种采用基于粮仓局部区域压力检测的粮仓底面压强检测和基于内外圈传感器优化布局方法的测量值局部均值的粮仓储粮数量检测方法，属于传感器网络技术领域。
背景技术
粮食安全包括数量安全和质量安全。粮食数量在线检测技术与系统研究应用是国家粮食数量安全的重要保障技术，开展这方面的研究与应用事关国家粮食安全，具有重要的意义，并将产生巨大的社会经济效益。
由于粮食在国家安全中的重要地位，要求粮堆数量在线检测准确、快速和可靠。同时由于粮食数量巨大，价格低，要求粮堆数量在线检测设备成本低、简单方便。因此检测的高精度与检测系统的低成本是粮仓数量在线检测系统开发必需解决的关键问题。
与本发明相关专利包括：
(1)专利“基于压力传感器的粮库储粮数量检测方法”(专利授权号：ZL201010240167.7)，该发明专利的核心技术包括基于粮仓底面、侧面压力传感器输出均值的粮仓储粮数量的计算模型与具体系统标定方法。其显著特点是使用侧面压力传感器，需要压力传感器多，检测系统成本较高。
(2)专利“平房仓浅圆仓储粮数量检测方法”(专利授权号：ZL201210148522)，该发明专利的核心技术包括提出了基于底面压力传感器输出均值平方的侧面摩擦力影响的补偿、基于底面压力传感器输出均值的粮堆重量预测模型、基于粮食重量误差比的预测模型建模、快速系统标定等新方法。该方法特点是模型简单，仅利用底面压力传感器输出均值进行粮食重量检测。由于该模型没有充分考虑侧面压强与底面压强的相互转移问题，仅适用于大型粮仓。
因此开发一种克服上述缺陷的粮仓储量检测方法已成为一项急需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种粮仓储粮数量的检测方法，其中，包含如下步骤：
粮仓压力值采集步骤：通过设置于一粮仓底面的多个压力传感器采集所述粮仓内储粮的多个压力值；
粮堆均值获取步骤：根据所述多个压力值获取一侧面压强均值、一底面压强均值及一高度均值；
粮堆储粮数量值获取步骤：根据所述侧面压强均值、所述底面压强均值及所述高度均值获得一储粮数量值。
上述的粮仓储粮数量的检测方法，其中，所述采集粮仓压力值步骤包含：
传感器标定步骤：根据所述多个压力传感器的每一压力传感器的压强及压力值获得所述每一压力传感器的标定系数；
传感器安装步骤：采用内外圈安装方式设置所述多个压力传感器于所述粮仓底面；
采集压力值步骤：采集设置于外圈的多个压力传感器的压力值，采集设置于内圈的多个压力传感器的压力值。
上述的粮仓储粮数量的检测方法，其中，于所述传感器安装步骤中所述多个压力传感器间的距离不小于2米。
上述的粮仓储粮数量的检测方法，其中，于所述传感器安装步骤中，所述设置于外圈的多个压力传感器距离粮仓侧壁的距离小于1米及/或所述设置于内圈的多个压力传感器距离粮仓侧壁的距离大于2米。
上述的粮仓储粮数量的检测方法，其中，所述设置于外圈的多个压力传感器的数量等于所述设置于内圈的多个压力传感器的数量。
上述的粮仓储粮数量的检测方法，其中，于所述粮堆均值获取步骤中包含：
外圈局部均值获取步骤：根据所述设置于外圈的多个压力传感器的压力值获取所述设置于外圈的多个压力传感器的外圈局部均值，获取所述外圈局部均值公式如下：
其中，nOuter为外圈传感器个数，序列的中位数为m，m＝nOuter/2，QB为底面压力值；
侧面压强均值获取步骤：根据设置于外圈的多个压力传感器的外圈局部均值获取所述侧面压强均值，获取所述侧面压强均值公式如下：
其中，AB为粮堆底面面积、CB为粮堆底面周长为已知参数，MB(sOuter)为外圈局部均值，为侧面压强均值，bF0、bF1、bF2为待标定系数。
上述的粮仓储粮数量的检测方法，其中，于所述粮堆均值获取步骤中包含：
内圈局部均值获取步骤：根据所述设置于内圈的多个压力传感器的压力值获取所述设置于内圈的多个压力传感器的内圈局部均值，获取所述内圈局部均值公式如下：
其中，nInner为外圈传感器个数，序列中第i个值为序列的中位数为m，m＝nInner/2，MB(sOuter)为外圈局部均值；
底面压强均值获取步骤：根据所述设置于内圈的多个压力传感器的内圈局部均值获取所述底面压强均值，获取所述底面压强均值公式如下：
其中，为底面压强均值，MB(sOuter)为内圈局部均值；bB0—bB4为待标定系数。
上述的粮仓储粮数量的检测方法，其中，于粮堆均值获取步骤中还包含一高度均值获取步骤：根据所述设置于外圈的多个压力传感器的外圈局部均值及所述设置于内圈的多个压力传感器的内圈局部均值获取所述高度均值，获取所述高度均值公式如下：
其中，为高度均值，MB(sOuter)为内圈局部均值，MB(sOuter)为外圈局部均值，bH0—bH2为待标定系数。
上述的粮仓储粮数量的检测方法，其中，所述粮堆储粮数量值获取步骤包含：
储粮数量估计值获取步骤：根据所述底面压强均值、所述侧面压强均值及所述高度均值获取所述储粮数量估计值，所述储粮数量估计值公式如下：
其中n为项的个数，n＝13；对于任意给定的粮仓储粮重量Wp，其相应项ψi的值为则相应的样本可表示为样本集可表示为P为样本数，b0—bi为回归系数，且令
ψ1＝MB(sInner),ψ2＝MB(sInner)2,ψ3＝MB(sInner)3,ψ4＝MB(sInner)4,
ψ5＝MB(sOuter),ψ6＝MB(sInner)MB(sOuter),ψ7＝MB(sInner)2MB(sOuter),
ψ8＝MB(sOuter)2,ψ9＝MB(sInner)MB(sOuter)2,
ψ10＝MB(sInner)2MB(sOuter)2,ψ11＝MB(sOuter)3,
ψ12＝MB(sInner)MB(sOuter)3,ψ13＝MB(sOuter)4
储粮数量值获取步骤：通过一误差模型对所述储粮数量估计值进行修正获取所述储粮数量值，所述误差模型为Wi为样本点i的实际进粮重量，为样本点i的粮堆重量估计值，误差E为最小的项个数，所述获取所述储粮数量值公式为：其中b0—bi为回归系数，AB为粮堆底面面积。
本发明还提供一种压力传感器，其中，包含：
一弹性膜片，
一基板，与该弹性膜片保持间隙的固定在该弹性膜片上，该基板上具有厚膜电极，该厚膜电极为印刷在该基板上的两个环状导通带，该两个环状导通带分别作为内电极和外电极，该弹性膜片分别与该内电极和外电极构成参考电容和工作电容；
一电路板，电性连接该内电极和该外电极；及
一盖板，固定于所述弹性膜片上。
本发明的粮仓储粮数量的检测方法针对于现有技术其功效在于，本方法适应于多种粮仓结构类型的储粮数量检测，且具有检测稳定性高、精度高，对传感器性能要求低、适用性强、便于远程在线粮仓数量检测和粮食数量状况监测等特点，可满足粮仓储粮数量远程在线检测的需要。
本发明的压力传感器针对于现有技术其功效在于，将压力传感器受力面改为具有一定面积的盖板，通过检测盖板的局部区域压力而实现粮仓底面压强检测，克服了由于粮食是具有一定形状的散粒体，因此势必导致粮堆与传感器敏感面接触状态在重复检测时存在明显差异，导致传感器重复测量值波动大的缺陷。
附图说明
图1为本发明压力传感器的结构示意图；
图2为本发明粮仓储粮数量检测方法的流程图；
图3为图2中采集粮仓压力值步骤的流程图；
图4为图2中粮堆均值获取步骤的流程图；
图5为图2中粮堆储粮数量值获取步骤的流程图；
图6为本发明粮仓储粮数量检测方法实施流程图。
其中，附图标记：
11：弹性膜片
12：基板
13：电路板
14：盖板
15：螺钉
具体实施方式
兹有关本发明的详细内容及技术说明，现以一较佳实施例来作进一步说明，但不应被解释为本发明实施的限制。
请参照图1，图1为本发明压力传感器的结构示意图。如图1所示，本发明的压力传感器包含：一弹性膜片11、一基板12、一电路板13以及一盖板14；弹性膜片11是传感器的敏感元件，为带有硬中心的周边固支圆平膜片，即E形圆膜片；基板12与该弹性膜片11保持间隙的固定在该弹性膜片11上，该基板12上具有厚膜电极，该厚膜电极为印刷在该基板上的两个环状导通带，该两个环状导通带分别作为内电极和外电极，该弹性膜片分别与该内电极和外电极构成参考电容和工作电容；电路板13电性连接该内电极和该外电极；盖板14通过二个螺钉15固定于弹性膜片11上，盖板14承受粮堆压力，并将压力直接传递给弹性膜片11，通过检测盖板14的局部区域压力而实现粮仓底面压强检测，此方法可显著改善粮食颗粒与受力面接触状态的一致性，从而减少检测误差，详见表1及表二，表一为目前现有技术的压力传感器重复试验检测结果；表二为本发明的压力传感器重复试验检测结果。
表一：
表二
请参见图2-图6，图2为本发明粮仓储粮数量检测方法的流程图；图3为图2中采集粮仓压力值步骤的流程图；图4为图2中粮堆均值获取步骤的流程图；图5为图2中粮堆储粮数量值获取步骤的流程图；图6为本发明粮仓储粮数量检测方法实施流程图。如图2-6所示，本发明的粮仓储粮数量的检测方法，包含如下步骤：
粮仓压力值采集步骤S100：通过设置于一粮仓底面的多个压力传感器采集所述粮仓内储粮的多个压力值；
粮堆均值获取步骤S200：根据所述多个压力值获取一侧面压强均值、一底面压强均值及一高度均值；
粮堆储粮数量值获取步骤S300：根据侧面压强均值、底面压强均值及高度均值获得一储粮数量值。
具体地，在采集粮仓压力值步骤S100还包含如下步骤：
传感器标定步骤S101：根据所述多个压力传感器的每一压力传感器的压强及压力值获得所述每一压力传感器的标定系数，其中，为了保证压力传感器的互换性，则需要针对不同粮食种类进行压力传感器标定，对于给定的粮食种类，每个压力传感器从0到传感器满量程逐步加压，采集3-5组所施压力Q和传感器输出值s(Q)数据，重复3-5次，根据所采集数据利用最小二乘方法建立传感器的输出值与压强的关系Q＝k0+k1s(Q)，获得传感器标定系数k0、k1；
传感器安装步骤S102：采用内外圈安装方式设置多个压力传感器于粮仓底面，其中，设置于外圈的多个压力传感器距离粮仓侧壁的距离小于1米及/或设置于内圈的多个压力传感器距离粮仓侧壁的距离大于2米，多个压力传感器间的距离不小于2米，且设置于外圈的多个压力传感器的数量等于设置于内圈的多个压力传感器的数量为一较佳的实施方式，但本发明并不以此为限；
采集压力值步骤S103：采集设置于外圈的多个压力传感器的压力值，采集设置于内圈的多个压力传感器的压力值。
具体地，在粮堆均值获取步骤S200还包含如下步骤：
外圈局部均值获取步骤S210：根据设置于外圈的多个压力传感器的压力值获取所述设置于外圈的多个压力传感器的外圈局部均值，获取所述外圈局部均值公式1如下：
其中，nOuter为外圈传感器个数，序列的中位数为m，m＝nOuter/2，QB为底面压力值，MB(sOuter)为外圈局部均值，QB(sOuter(i)为排序后的压力值序列的第i个压力值，0≤i＜nOuter；
侧面压强均值获取步骤S211：根据设置于外圈的多个压力传感器的外圈局部均值获取所述侧面压强均值，获取所述侧面压强均值公式2如下：
其中，AB为粮堆底面面积、CB为粮堆底面周长为已知参数，MB(sOuter)为外圈局部均值，为侧面压强均值，bF0、bF1、bF2为待标定系数；
内圈局部均值获取步骤S220：根据设置于内圈的多个压力传感器的压力值获取设置于内圈的多个压力传感器的内圈局部均值，获取内圈局部均值公式3如下：
其中，nInner为内圈传感器个数，QB(sInner(i)为排序后的压力值序列的第i个压力值，0≤i＜nInner，序列的中位数为m，m＝nInner/2，MB(sInner)为内圈局部均值；
底面压强均值获取步骤S221：根据设置于内圈的多个压力传感器的每一压力传感器的内圈局部均值获取底面压强均值，所述底面压强均值公式4如下：
其中，为底面压强均值，MB(sOuter)为外圈局部均值；bB0—bB4为待标定系数；
高度均值获取步骤S222：根据设置于外圈的多个压力传感器的外圈局部均值及设置于内圈的多个压力传感器的内圈局部均值获取高度均值，获取高度均值公式5如下：
其中，为高度均值，MB(sInner)为内圈局部均值，MB(sOuter)为外圈局部均值，bH0—bH2为待标定系数。
具体地，在粮堆储粮数量值获取步骤S300中更包含如下步骤：
储粮数量估计值获取步骤S301：根据底面压强均值、侧面压强均值及高度均值获取储粮数量估计值，将侧面压强均值底面压强均值及高度均值代入一粮仓粮堆重量与粮仓压强分布关系式6如下：
其中，为粮堆重量估计AB为粮堆底面面积，CB为底面周长，H为粮堆高度，fF(s)为粮堆侧面与粮仓侧面之间的平均摩擦系数7；得到
令：
ψ1＝MB(sInner),ψ2＝MB(sInner)2,ψ3＝MB(sInner)3,ψ4＝MB(sInner)4,
ψ5＝MB(sOuter),ψ6＝MB(sInner)MB(sOuter),ψ7＝MB(sInner)2MB(sOuter),
ψ8＝MB(sOuter)2,ψ9＝MB(sInner)MB(sOuter)2,
ψ10＝MB(sInner)2MB(sOuter)2,ψ11＝MB(sOuter)3,
ψ12＝MB(sInner)MB(sOuter)3,ψ13＝MB(sOuter)4
得到一获取储粮数量估计值公式8：其中n为模型项的个数，n＝1…13；对于任意给定的粮仓储量重量Wp，其相应项ψi的值为则相应的样本可表示为样本集可表示为P为样本数，n0为最佳模型项数，AB为粮堆底面面积，为储粮数量估计值；
储粮数量值获取步骤S302：通过一误差模型对储粮数量估计值进行修正获取储粮数量值，Wi为样本点i的实际进粮重量，为样本点i的粮堆重量估计值，误差E为最小的项个数，获取储粮数量值公式9为：其中b0—bi为回归系数，AB为粮堆底面面积。
请参照图1及图6，图6为本发明粮仓储粮数量检测方法一实施例的流程图。以下结合图1及图6以一具体实施例说明本发明粮仓储粮数量检测方法及压力传感器的具体工作过程。被检测实仓为2个稻谷平房仓。各粮仓的基本数据和传感器布置数量如表3所示。传感器采用内圈和外圈两圈布置，外圈与侧面墙距离为0.5米，内圈与侧面墙距离为4米。
表3被检测实仓的基本信息
根据检测实验的30多天所采集的数据，抽取部分压力值代入公式8得到储粮数量估计值公式8：再采用误差模型根据回归法对公式8进行修正得到获取储粮数量值公式9：，并同时计算出回归系数b0—bi，即公式10如下
通过公式10可依次获得多个储粮数量值部分预测误差如表4至表5所示。
表4 H4仓部分预测误差
表5 H29仓部分预测误差
从表4至表5所示的各仓重量部分预测误差可以看出，通过本发明的粮仓储粮数量检测方法获得的储粮数量值与粮食重量的检测误差均小于1％，本发明所提出的检测方法检测精度高，所开发的压力传感器具有压强检测精度高，稳定性好等特点，可以满足粮库储量在线检测的需要。
同时，基于获取储粮数量值公式局部均值的检测模型的平均百分比误差为0.0154％，相对于基于内外圈所有传感器均值的检测模型的平均百分比误差为0.018％，检测模型误差减少了14.4％。
上述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种粮仓储粮数量的检测方法，其特征在于，包含如下步骤：
粮仓压力值采集步骤：通过设置于一粮仓底面的多个压力传感器采集所述粮仓内储粮的多个压力值，其中，所述多个压力传感器采用内外圈安装方式设置于所述粮仓底面；
粮堆均值获取步骤：根据所述多个压力值获取一侧面压强均值、一底面压强均值及一高度均值；
粮堆储粮数量值获取步骤：根据所述侧面压强均值、所述底面压强均值及所述高度均值获得一储粮数量值；
所述粮堆均值获取步骤包含：
外圈局部均值获取步骤：根据设置于外圈的多个压力传感器的压力值获取外圈局部均值，获取所述外圈局部均值公式如下：
其中，MB(sOuter)为外圈局部均值，nOuter为外圈传感器个数，序列的中位数为m，m＝nOuter/2，QB为底面压力值，QB(sOuter(i)为排序后的压力值序列的第i个压力值，0≤i＜nOuter；
侧面压强均值获取步骤：根据设置于外圈的多个压力传感器的外圈局部均值获取所述侧面压强均值，获取所述侧面压强均值公式如下：
其中，AB为粮堆底面面积、CB为粮堆底面周长为已知参数，MB(sOuter)为外圈局部均值，为侧面压强均值，bF0、bF1、bF2为待标定系数。
2.如权利要求1所述的粮仓储粮数量的检测方法，其特征在于，于所述粮堆均值获取步骤中包含：
内圈局部均值获取步骤：根据设置于内圈的多个压力传感器的压力值获取所述设置于内圈的多个压力传感器的内圈局部均值，获取所述内圈局部均值公式如下：
其中，nInner为内圈传感器个数，QB(sInner(i)为排序后的压力值序列的第i个压力值，0≤i＜nInner，序列的中位数为m，m＝nInner/2，MB(sInner)为内圈局部均值；
底面压强均值获取步骤：根据所述设置于内圈的多个压力传感器的内圈局部均值获取所述底面压强均值，获取所述底面压强均值公式如下：
其中，为底面压强均值，MB(sInner)为内圈局部均值；bB0—bB4为待标定系数。
3.如权利要求2所述的粮仓储粮数量的检测方法，其特征在于，于所述粮堆均值获取步骤中还包含一高度均值获取步骤：根据所述设置于外圈的多个压力传感器的外圈局部均值及所述设置于内圈的多个压力传感器的内圈局部均值获取所述高度均值，获取所述高度均值公式如下：
其中，为高度均值，MB(sInner)为内圈局部均值，MB(sOuter)为外圈局部均值，bH0—bH2为待标定系数。
4.如权利要求3所述的粮仓储粮数量的检测方法，其特征在于，所述粮堆储粮数量值获取步骤包含：
储粮数量估计值获取步骤：根据所述底面压强均值、所述侧面压强均值及所述高度均值获取所述储粮数量估计值，所述储粮数量估计值公式如下：
其中n为模型项的个数，n＝1…13，ψi为模型项，b0—bi为回归系数，i＝1…n；对于任意给定的粮仓储量重量Wp，其相应项ψi的值为则相应的样本可表示为样本集可表示为P为样本数，且令
ψ1＝MB(sInner),ψ2＝MB(sInner)2,ψ3＝MB(sInner)3,ψ4＝MB(sInner)4,
ψ5＝MB(sOuter),ψ6＝MB(sInner)MB(sOuter),ψ7＝MB(sInner)2MB(sOuter),
ψ8＝MB(sOuter)2,ψ9＝MB(sInner)MB(sOuter)2,
ψ10＝MB(sInner)2MB(sOuter)2,ψ11＝MB(sOuter)3,
ψ12＝MB(sInner)MB(sOuter)3,ψ13＝MB(sOuter)4
储粮数量值获取步骤：通过一误差模型对所述储粮数量估计值进行修正获取所述储粮数量值，所述误差模型为Wi为样本点i的粮堆重量实际值，为样本点i的粮堆重量估计值，误差E为最小的项个数，所述获取所述储粮数量值公式为：其中n0为最佳模型项数，AB为粮堆底面面积。
5.如权利要求4所述的粮仓储粮数量的检测方法，其特征在于，所述采集粮仓压力值步骤包含：
传感器标定步骤：根据所述多个压力传感器的每一压力传感器的压强及压力值获得所述每一压力传感器的标定系数；
采集压力值步骤：采集设置于外圈的多个压力传感器的压力值，采集设置于内圈的多个压力传感器的压力值。
6.如权利要求5所述的粮仓储粮数量的检测方法，其特征在于，于所述粮仓压力值采集步骤中，所述多个压力传感器间的距离不小于2米。
7.如权利要求6所述的粮仓储粮数量的检测方法，其特征在于，于所述粮仓压力值采集步骤中，设置于外圈的每一压力传感器与粮仓侧壁的距离均小于1米，设置于内圈的每一压力传感器与粮仓侧壁的距离均大于2米。
8.如权利要求7所述的粮仓储粮数量的检测方法，其特征在于，于所述粮仓压力值采集步骤中，设置于外圈的多个压力传感器的数量等于设置于内圈的多个压力传感器的数量。
9.一种压力传感器，其特征在于，用于上述权利要求1-8中任一项所述的粮仓储粮数量的检测方法，所述压力传感器包含：
一弹性膜片，
一基板，与该弹性膜片保持间隙的固定在该弹性膜片上，该基板上具有厚膜电极，该厚膜电极为印刷在该基板上的两个环状导通带，该两个环状导通带分别作为内电极和外电极，该弹性膜片分别与该内电极和外电极构成参考电容和工作电容；
一电路板，电性连接该内电极和该外电极；及
一盖板，固定于所述弹性膜片上。
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