CN106645215A - 基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量装置 - Google Patents

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张亚
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Abstract

本发明提出一种基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量装置，利用高频电磁波经玉米果穗透射后能量不断衰减的特性，且能量的衰减主要体现在输出电磁波的幅值上，通过检测高频电磁波经玉米果穗透射后由接收线圈接收到的信号幅值变化建立幅值与玉米果穗含水率的函数关系，以检测出玉米果穗中的含水率。本发明的一种基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量装置，其可实现玉米果穗含水率实时在线无损测量，其测量速度快，精度高，成本低。

Description

基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量装置
技术领域
本发明涉及含水率测量技术领域，更具体地，涉及基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量装置。
背景技术
玉米是中国第二大粮食作物，在粮食生产中占有重要地位。玉米果穗含水率测量是玉米作物遗传育种过程中的一个重要环节，对选育脱水速率快、成熟后含水率低的玉米品种具有重要意义。玉米果穗形态各异，含水率相对复杂，目前国内玉米水分测量方法绝大多数是针对玉米籽粒，鲜有对玉米果穗的研究。现有的玉米水分测量技术不能实现无损测量，且存在测量精度低，速度慢，易受外界环境因素影响，仪器设备昂贵等诸多问题。
针对上述的技术问题，玉米水分测量技术经过漫长的研究，形成了多种测量方法，其主要有干燥法、电阻法、电容法、射线法、中子法等。其中，利用玉米的介电特性来测量玉米含水率是一种快速、高效、简单、可靠的方法。如电阻式水分仪是利用物体的直流电阻或电导随其含水率不同而变化的原理设计的，根据电阻值的变化来检测物体含水率。如在公开号为CN104713910A的中国专利发明公开了一种电阻式谷物水分检测系统，该系统响应快，精度高，可以实时连续测量谷物水分；但需要把谷物磨碎，才可获得其内部水分。这种测量方法，虽然测量速度快，且准确性较高，但是需要将谷物破碎。公开号为CN103940858A的中国专利发明公开了一种电容式谷物水分在线检测方法及装置，该装置在谷物静止状态下采集此时谷物的温度和电容值，并根据预先标定的回归公式计算出被测谷物的含水率，该装置成本低，方便维护，易于实现连续快速测量；但测量影响因素较多，精度不高。
发明内容
本发明提供一种在不破坏玉米果穗的情况下，可实现玉米果穗水分高精度、实时测量的基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量装置及其方法，以解决现有玉米水分测量技术不能实现无损测量，且存在测量精度低，速度慢，易受外界环境因素影响，仪器设备昂贵等问题。
根据本发明的一个方面，提供一种基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量装置，其包括用于产生高频电磁波的信号发生模块、与该信号发生模块的输出端连接的检测模块、用于检测所述检测模块的输出信号峰值的数据采集模块、和数据处理模块，所述的检测模块通过所述的数据采集模块与所述的数据处理模块电性相连，所述的检测模块包括发射线圈和接收线圈，所述的发射线圈和所述的接收线圈分别相对设置在待检玉米果穗两侧。
在上述方案基础上优选，所述的检测模块包括一空心绝缘的塑料管，所述的塑料管上设有一用于容置待检玉米果穗的孔洞，所述的发射线圈和接收线圈分别设置所述孔洞的两侧。
在上述方案基础上优选，所述的发射线圈和接收线圈均为表面涂覆有绝缘漆层的粗铜导线。
在上述方案基础上优选，所述的信号发生模块包括用于产生高频电磁波信号的信号发生器和与该信号发生器电性连接的低通滤波器。
在上述方案基础上优选，所述信号发生器发出的电磁波信号为10MHz-150MHz的正弦波信号。
在上述方案基础上优选，所述的信号发生模块与所述的检测模块之间还设有一信号预处理模块。
在上述方案基础上优选，所述的信号预处理模块包括高频功率放大器、隔离器和衰减器，所述的高频功率放大器通过所述的隔离器与所述的衰减器电性相连。
在上述方案基础上优选，所述的数据处理模块包括A/D转换模块、单片机和与所述的单片机输出端连接并用于显示检测值的显示器，所述的数据采集模块的输出端分别与所述的A/D转换模块和单片机电性相连。
本发明还提供了一种玉米果穗含水率测量方法，其包括以下步骤，
A.信号发生模块发射高频电磁波穿过待检测玉米果穗，获取衰减后电磁波信号幅值；
B.基于电磁波信号衰减幅值与玉米果穗含水率的数学模型，获取当前检测玉米果穗的含水率。
在上述方案的基础上优选，所述步骤B中的数学模型的计算公式如下：y＝0.3011x+0.0596；
其中，x表示电磁波信号幅值，y表示玉米果穗含水率。
本发明提出一种基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量装置及其方法，利用高频电磁波经玉米果穗透射后能量不断衰减的特性，且能量的衰减主要体现在输出电磁波的幅值上，通过检测高频电磁波经玉米果穗透射后由接收线圈接收到的信号幅值变化建立幅值与玉米果穗含水率的函数关系，以检测出玉米果穗中的含水率。本发明的一种基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量装置，其可实现玉米果穗含水率实时在线无损测量，其测量速度快，精度高，成本低。
附图说明
图1为本发明的基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量装置的结构框图；
图2为本发明的检测模块的结构示意图；
图3为本发明的一种基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例一
请参阅图1所示，本发明的一种基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量装置，其包括用于产生高频电磁波的信号发生模块、与该信号发生模块的输出端连接的检测模块、用于接收该检测模块的输出信号峰值的数据采集模块、和数据处理模块，检测模块通过数据采集模块与数据处理模块电性相连，检测模块包括发射线圈2和接收线圈4，发射线圈2和接收线圈4分别相对设置在待检玉米果穗3两侧。
检测时，通过信号发生模块产生高频电磁波，高频电磁波通过发射线圈2发射出去，并经过玉米果穗3衰减后，被接收线圈予以接收，接收线圈4将经过衰减后的高频电磁波发送至数据采集模块，通过数据采集模块采集并保持接收接收线圈4输出的衰减后的高频电磁波信号的幅值，并将该衰减后的高频电磁波幅值发送至数据处理模块予以处理，并根据衰减后高频电磁波的信号幅值与玉米果穗3含水率之间的数学模型，以获取当前检测玉米果穗3的含水率。
本发明的一种基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量装置，其利用高频电磁波测量玉米果穗3含水率，无须破碎玉米，可实现玉米果穗3含水率的无损、实时在线测量，测量数据准确可靠。
实施例二
请参阅图1所示，本发明的一种基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量装置，其包括用于产生高频电磁波的信号发生模块、与该信号发生模块的输出端连接的检测模块、用于接收该检测模块的输出信号峰值的数据采集模块、和数据处理模块，检测模块通过数据采集模块与数据处理模块电性相连，检测模块包括发射线圈2和接收线圈4，发射线圈和接收线圈4分别相对设置在待检玉米果穗3两侧。
本发明的检测模块包括一空心绝缘的塑料管1，塑料管1上设有一用于容置待检玉米果穗3的孔洞，发射线圈2和接收线圈4分别设置孔洞的两侧，如图2所示。
测量时，可直接将玉米果穗3通过塑料管1上的孔洞予以固定，操作方便快捷。同时，由于本实施例中的检测模块采用了空心绝缘的塑料管1作为玉米果穗3和发射线圈2及接收线圈4的载体，可利用塑料管1的绝缘特性，以避免其对高频电磁波的影响，确保测量的准确性，其中，本发明的塑料管1优选采用壁厚为0.5cm，内径为10.5cm的塑料管1。
为了减少高频状态下线圈之间的分布电容对电路的影响，本发明的发射线圈2和接收线圈4均为表面涂覆有绝缘漆层的粗铜导线。实验证明当发射线圈2与接收线圈4在塑料管1上采用以下方式设置时，其测量数据准确性更高，即发射线圈2和接收线圈4在塑料管1上均为10层，且每层80匝上下线圈交叉成15°角度。
为了便于高频电磁波穿透玉米果穗3，本发明塑料管1上孔洞最好是设置在接收线圈4与发射线圈2的两侧。
实施例三
请继续参阅图1所示，本发明的一种基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量装置，其包括用于产生高频电磁波的信号发生模块、与该信号发生模块的输出端连接的检测模块、用于接收该检测模块的输出信号峰值的数据采集模块、和数据处理模块，检测模块通过数据采集模块与数据处理模块电性相连，检测模块包括发射线圈2和接收线圈4，发射线圈2和接收线圈4分别相对设置在待检玉米果穗3两侧。
本发明的信号发生模块包括用于产生高频电磁波信号的信号发生器和与该信号发生器电性连接的低通滤波器。
其中，本发明的信号发生器，优选采用51单片机控制下的AD9851信号发生芯片，该AD9851信号发生芯片所产生的高频电磁波的频率、幅值、频率带宽和波形种类都是可控的信号，用来发射频率范围为10MHz-150MHz的正弦波信号，且由于该频率的高频电磁波其穿透性更好，从而使其最终测量的结果更准确。本发明的低通滤波器，可采用椭圆函数的低通滤波电路以滤除DDS输出信号的高频干扰信号，确保信号源输出信号纯正、稳定，以提高其测量的准确性和可靠性。
实施例四
请继续参阅图1所示，本发明的一种基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量装置，其包括用于产生高频电磁波的信号发生模块、与该信号发生模块的输出端连接的检测模块、用于接收该检测模块的输出信号峰值的数据采集模块、和数据处理模块，检测模块通过数据采集模块与数据处理模块电性相连，检测模块包括发射线圈2和接收线圈4，发射线圈2和接收线圈4分别相对设置在待检玉米果穗3两侧。
本发明的信号发生模块与检测模块之间还设有一信号预处理模块，该信号预处理模块包括高频功率放大器、隔离器和衰减器，高频功率放大器通过隔离器与衰减器电性相连。
工作时，高频功率放大器将高频电磁波信号的幅值予以增大，以保证正常驱动发射线圈2，并通过隔离器隔离与玉米果穗3不匹配产生的反射波，从而保证输出电磁波的输出频率与功率的稳定性，确保其测量准确性和稳定性，同时利用衰减器调节传输过程中来改变频率的大小，满足实际测量的要求。其中，本发明的高频功率放大器可采用甲乙类互补对称功率放大电路。
实施例五
请继续参阅图1所示，本发明的一种基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量装置，其包括用于产生高频电磁波的信号发生模块、与该信号发生模块的输出端连接的检测模块、用于接收该检测模块的输出信号峰值的数据采集模块、和数据处理模块，检测模块通过数据采集模块与数据处理模块电性相连，检测模块包括发射线圈2和接收线圈4，发射线圈2和接收线圈4分别相对设置在待检玉米果穗3两侧。
本发明的数据处理模块包括A/D转换模块、单片机和与单片机输出端连接并用于显示检测值的显示器，数据采集模块的输出端分别与A/D转换模块和单片机电性相连。其中数据采集模块为峰值检测电路，且该峰值检测电路优选采用高速低噪声低失真运算放大器AD8022检测接收线圈电磁波信号的峰值。
工作时，峰值检测电路将获取到的衰减后电磁信号的峰值，并将该峰值发送至单片机和A/D转换模块，通过A/D转换电路将保持住的波峰模拟信号转换为数字信号并输入到单片机，并利用显示器将测量的数据予以数字化显示，方便用户实时直观获取测量数据。
其中，A/D转换电路，可采用ADC0804芯片作模数转换器，而显示屏可采用1602液晶显示屏。
以下将结合附图，详细介绍本发明的一种玉米果穗3含水率测量方法。
第一实施例
请参阅图3所示，本发明的一种玉米果穗含水率测量方法，其包括以下步骤，
A.信号发生模块发射高频电磁波穿过待检测玉米果穗3，获取衰减后电磁波信号幅值；
B.基于电磁波信号衰减幅值与玉米果穗3含水率的数学模型，获取当前检测玉米果穗3的含水率。
使用时，通过信号发生模块发射高频电磁波，高频电磁波经过玉米果穗3后，由于玉米果穗3中所含水的作用，高频电磁波在穿过玉米果穗3后，导致高频电磁波的幅值变小，利用玉米果穗3含水率与衰减后电磁波的幅值之间的关系，准确获取玉米果穗3中的含水率。
其中，本发明的电磁波信号衰减幅值与玉米果穗3含水率的数学模型可以用以下公式表达：y＝0.3011x+0.0596；
其中，x表示电磁波信号幅值，y表示玉米果穗3含水率。
本发明提出一种基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量装置及玉米果穗含水率测量方法，利用高频电磁波经玉米果穗3透射后能量不断衰减，能量的衰减主要体现在输出电磁波的幅值上，通过检测高频电磁波经玉米果穗3透射后由接收线圈接收到的信号幅值变化建立幅值与玉米果穗3含水率的函数关系，以检测出玉米果穗3中的含水率。本发明的一种基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量装置，其可实现玉米果穗3含水率实时在线无损测量，其测量速度快，精度高，成本低。
本发明提出一种基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量装置，利用高频电磁波经玉米果穗3透射后能量不断衰减，能量的衰减主要体现在输出电磁波的幅值上，通过检测高频电磁波经玉米果穗3透射后由接收线圈接收到的信号幅值变化建立幅值与玉米果穗3含水率的函数关系，以检测出玉米果穗3中的含水率。本发明的一种基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量装置，其可实现玉米果穗3含水率实时在线无损测量，其测量速度快，精度高，成本低。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量装置，其特征在于:其包括用于产生高频电磁波的信号发生模块、与该信号发生模块的输出端连接的检测模块、用于接收所述检测模块的输出信号峰值的数据采集模块、和数据处理模块，所述的检测模块通过所述的数据采集模块与所述的数据处理模块电性相连，所述的检测模块包括发射线圈和接收线圈，所述的发射线圈和所述的接收线圈分别相对设置在待检玉米果穗两侧。
2.如权利要求1所述的一种基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量装置，其特征在于：所述的检测模块包括一空心绝缘的塑料管，所述的塑料管上设有一用于容置待检玉米果穗的孔洞，所述的发射线圈和接收线圈分别设置所述孔洞的两侧。
3.如权利要求1所述的一种基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量装置，其特征在于：所述的发射线圈和接收线圈均为表面涂覆有绝缘漆层的粗铜导线。
4.如权利要求1所述的一种基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量装置，其特征在于：所述的信号发生模块包括用于产生高频电磁波信号的信号发生器和与该信号发生器电性连接的低通滤波器。
5.如权利要求4所述的一种基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量装置，其特征在于：所述信号发生器发出的电磁波信号为10MHz-150MHz的正弦波信号。
6.如权利要求1所述的一种基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量装置，其特征在于：所述的信号发生模块与所述的检测模块之间还设有一信号预处理模块。
7.如权利要求6所述的一种基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量装置，其特征在于：所述的信号预处理模块包括高频功率放大器、隔离器和衰减器，所述的高频功率放大器通过所述的隔离器与所述的衰减器电性相连。
8.如权利要求1所述的一种基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量装置，其特征在于：所述的数据处理模块包括A/D转换模块、单片机和与所述的单片机输出端连接并用于显示检测值的显示器，所述的数据采集模块的输出端分别与所述的A/D转换模块和单片机电性相连。
9.一种基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量方法，其特征在于：其包括以下步骤，
A.信号发生模块发射高频电磁波穿过待检测玉米果穗，获取衰减后电磁波信号幅值；
B.基于电磁波信号衰减幅值与玉米果穗含水率的数学模型，获取当前检测玉米果穗的含水率。
10.如权利要求9所述的基于高频电磁波的玉米果穗含水率测量方法，其特征在于：所述步骤B中的数学模型的计算公式如下：
y＝0.3011x+0.0596；
其中，x表示电磁波信号幅值，y表示玉米果穗含水率。
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