CN106990136A - 一种测量玉米穗在体籽粒含水率的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量玉米穗在体籽粒含水率的系统和方法，系统包括：同轴设置的两个相同的箍形电极，任意一个箍形电极的内径可调节；测量粒深装置，与所述两个箍形电极连接；电极设计装置，与所述测量粒深装置连接；间距调节装置，与所述两个箍形电极连接；测量装置以及运算装置，与所述测量装置连接，用于根据所述传输单元两端行驻波对应的电压值，获得玉米穗在体籽粒的含水率。本发明通过设置可调节间距和内径的箍形电极，能够对不同穗粗、不同籽粒深度的玉米穗进行含水率检测，测量速度快，成本低，能实现玉米果穗含水率无损、实时在线测量。

Description

一种测量玉米穗在体籽粒含水率的系统和方法

技术领域

本发明涉及玉米穗检测技术领域，更具体地，涉及一种测量玉米穗在体籽粒含水率的系统和方法。

背景技术

玉米穗形态各异且不同穗粗时籽粒深度不同，实现不同穗粗籽粒深度不同时玉米穗在体籽粒含水率测量相对复杂。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，且存在测量易受外界环境因素影响，仪器设备昂贵等诸多问题。为实现玉米果穗含水率的精确、无损检测，亟待设计一种不同穗粗的玉米穗在体籽粒水分测量装置。

介电常数法是根据玉米穗的介电特性间接测量玉米果穗含水率的一种快速、无损检测方法。现有技术利用阻抗法设计的玉米穗水分含量测量装置及方法，将玉米穗作为电介质与测量电极构成一个阻抗模型，可实现玉米穗水分含量无损测量；但该装置的测量电极固定，只适用于同一穗粗的玉米穗，且电极结构固定时测量深度相同，籽粒深度不同时测量精度降低。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种测量玉米穗在体籽粒含水率的系统和方法。

根据本发明的一个方面，提供一种测量玉米穗在体籽粒含水率的系统，包括：

同轴设置的两个相同的箍形电极，任意一个箍形电极的内径可调节，以固定玉米穗；

测量粒深装置，与所述两个箍形电极连接，用于根据所述箍形电极的内径，获得玉米穗的粒深；

电极设计装置，与所述测量粒深装置连接，所述电极设计装置基于所述玉米穗的粒深，获得所述两个箍形电极的目标间距；

间距调节装置，与所述两个箍形电极连接，所述间距调节装置用于将所述两个箍形电极的间距调节至所述目标间距；

测量装置，包括：

传输单元，一端与其中一个箍形电极连接，以向该箍形电极传输高频正弦波信号；

两个检波单元，所述两个检波单元的输入端分别连接所述传输单元的两端，以获得所述传输单元两端行驻波对应的电压值；以及

运算装置，与所述测量装置连接，用于根据所述传输单元两端行驻波对应的电压值，获得玉米穗在体籽粒的含水率。

根据本发明的另一个方面，还提供一种测量玉米穗在体籽粒含水率的方法，包括：

S1、基于玉米穗的穗粗和穂粗粒深关系模型，获得玉米穗的粒深；

S2、建立箍形电极的宽度、两个箍形电极的间距与电场影响深度间的关系模型，根据所述粒深和箍形电极的宽度，获得两个箍形电极的目标间距；

S3、所述间距调节装置将两个箍形电极的间距调整至目标间距，所述测量装置测量传输单元两端行驻波对应的电压值；以及

S4、所述运算装置根据所述传输单元两端行驻波对应的电压值，获得玉米穗在体籽粒的含水率。

本申请提出一种测量玉米穗在体籽粒含水率的系统和方法，通过设置可调节间距和内径的箍形电极，能够对不同穗粗、不同籽粒深度的玉米穗进行含水率检测，测量速度快，成本低，能实现玉米果穗含水率无损、实时在线测量。

附图说明

图1为本发明实施例的测量玉米穗在体籽粒含水率的系统的结构框图；

图2为本发明实施例间距调节装置的结构示意图；

图3为本发明实施例的测量装置的结构框图；

图4为本发明实施例的测量玉米穗在体籽粒含水率的流程示意图；

图5为本发明实施例的测量方法中步骤S1的流程示意图；

图6为本发明实施例的测量方法中步骤S4的流程示意图。

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。

为了克服现有技术中因测量电极固定导致的只适用于同一穗粗的玉米穗含水率的问题，本发明提供了一种测量玉米穗在体籽粒含水率的系统和方法。

图1示出了一种测量玉米穗在体籽粒含水率的系统的结构框图，包括：

同轴设置的两个相同的箍形电极101，任意一个箍形电极101的内径可调节，以固定玉米穗；

测量粒深装置102，与两个箍形电极101连接，用于根据箍形电极101的内径，获得玉米穗的粒深；

电极设计装置103，与测量粒深装置102连接，电极设计装置103基于玉米穗的粒深，获得两个箍形电极101的目标间距；

间距调节装置104，与两个箍形电极101连接，间距调节装置104用于将两个箍形电极101的间距调节至目标间距；

测量装置105，包括：

传输单元1051，一端与其中一个箍形电极101连接，以向该箍形电极101传输高频正弦波信号；

检波单元1052和检波单元1053，两个检波单元的输入端分别连接传输单元的两端，以获得传输单元两端行驻波对应的电压值；以及

运算装置106，与测量装置105连接，用于根据传输单元1051两端行驻波对应的电压值，获得玉米穗在体籽粒的含水率。

两个箍形电极101箍在玉米穗的中段并与玉米穗表面接触，用于根据玉米穗的水分含量输出对应的输出阻抗，并在接收到测量装置105产生并传输的高频正弦波信号，且传输单元1051的阻抗和箍形电极101的输出阻抗不匹配时产生高频反射信号，高频反射信号和高频正弦波信号在传输单元1051上产生行驻波。

需要注意的是，箍形电极101的内径可调节，因此可以固定不同直径的玉米，增强了测量装置的适用范围。

在箍形电极101固定玉米后，可以通过测量箍形电极101的内径，获得玉米的穗粗，测量粒深装置102用于根据穗粗与粒深的关系式，进一步获得玉米的粒深。

电极设计装置，用于利用HFSS仿真建立电极模型，确定不同电极宽度和电极间距情况下电场的影响深度。在本发明中，将电场的影响深度设为测量粒深装置102获得的玉米的粒深，因此，在获得电极宽度和电池影响深度的情况下，即可推出电极间距，并通过间距调节装置104将两个箍形电机的间距。

检波单元1052和检波单元1053，分别检测传输单元1051两端的行驻波的交流信号，并进一步将行驻波的交流信号转换成直流信号，获取所述直流信号对应的电压值，并将电压值传输给所述运算装置106。

值得说明的是，传输单元两端的行驻波的压差值为传输线两端的行驻波幅值电压的差值。

本实施例通过设置可调节间距和内径的箍形电极，能够对不同穗粗、不同籽粒深度的玉米穗进行含水率检测，测量速度快，成本低，能实现玉米果穗含水率无损、实时在线测量。

在一个可选实施例中，本装置还包括采集装置，用于采集并显示所述箍形电极的内径和宽度以及两个箍形电极的间距。例如采集装置可以为显示器以及设置在箍形电极内圈的激光测距仪，激光测距仪用于采集箍形电极的内疚，由于箍形电极的宽度是一个固定值，可以在生产是就记录在显示器上进行显示。

如图2所示，作为一个可选实施例中，所述装置中间距调节装置包括：

支座201，设置与箍形电极所在轴平行的滑槽(图中未示出)，所述支座201上固定其中一个箍形电极202，箍形电极202上设置第一螺栓210，用于调节箍形电极202的内径；

杆体203，滑动设置在所述滑槽中，所述杆体203上设有与所述滑槽平行的齿条204，所述杆体203上固定另一个箍形电极205，箍形电极205上设置第二螺栓211，用于调节箍形电极205的内径；以及

与所述齿条204啮合的齿轮206，所述齿轮206与步进电机207的输出轴208连接，出于稳定步进电机的目的，步进电机207固定在电机支座209上，电机支座由4个平行的支撑腿组成。

需要注意的是，支座201可以为空心结构(如图2所示)，该空心结构即为滑槽，箍形电极202通过第一端子212与支座201连接，箍形电极205通过第二端子213与杆体203连接，第一端子212的长度要短于第二端子213的长度，并且长度差即为空心支座201的管壁厚度。

作为可选实施例，滑槽也可以是设置在支座的侧壁的凹槽，该凹槽内沿与所述箍形电极所在轴平行的方向设置限位槽，同时杆体上设置与该限位槽匹配的凸起，使杆体能够在凹槽能滑动同时不会掉出。

需要注意的是，出于导电性和材料的易获得性考虑，箍形电极采用铜制造，并且为了防止支座201和杆体203影响电极阻抗，支座201和杆体203均为塑料材质。

在一个可选实施例中，步进电机为线位移开环控制电机，步进电机的输出轴与齿轮连接，齿轮与齿条啮合连接组成齿轮齿条机构，步进电机正反转带动输出轴转动，输出轴带动齿轮转动，齿轮带动齿条上下移动，从而调节两个圆环电极之间的间距。

如图3所示，在一个可选实施例中，测量装置包括：

高频信号发生器301，用于产生高频正弦波信号；

传输单元302，一端与其中一个箍形电极303连接，以向该箍形电极303传输高频正弦波信号；

检波单元304和检波单元305，检波单元304和检波单元305的输入端分别连接传输单元302的两端，以获得传输单元302两端行驻波对应的电压值；以及

差动放大电路306，分别与检波单元304和检波单元305的输出端连接，以对所述传输单元两端行驻波对应的电压值调零和放大。

在一个可选实施例，检波单元为半波整流滤波电路。半波整流是一种利用二极管的单向导通特性来进行整流的常见电路，除去半周、剩下半周的整流方法，叫半波整流。作用是将交流电转换为直流电，也就是整流。

在一个实施例中，高频信号发生器产生的正弦波的频率为100MHz。

如图4所示，本发明还提供一种测量玉米穗在体籽粒含水率的方法，该方法包括：

S1、基于玉米穗的穗粗和穂粗粒深关系模型，获得玉米穗的粒深；

S2、建立箍形电极的宽度、两个箍形电极的间距与电场影响深度间的关系模型，根据所述粒深和箍形电极的宽度，获得两个箍形电极的目标间距；

S3、所述间距调节装置将两个箍形电极的间距调整至目标间距，所述测量装置测量传输单元两端行驻波对应的电压值；以及

S4、所述运算装置根据所述传输单元两端行驻波对应的电压值，获得玉米穗在体籽粒的含水率。

本实施例通过设置可调节间距和内径的箍形电极，能够对不同穗粗、不同籽粒深度的玉米穗进行含水率检测，测量速度快，成本低，能实现玉米果穗含水率无损、实时在线测量。

图5示出了步骤S1的流程示意图，包括：

S1.1、将玉米穗置于所述两个箍形电极之间，所述两个箍形电极的间距设置为5mm；

S1.2、通过所述采集装置测量所述两个箍形电极的内径，并对两个箍形电极的内径取平均值，获得穗粗；以及

S1.3、将所述穗粗代入穂粗粒深关系模型，获得玉米穗的粒深。

需要注意的是，由于在测量含水率时两个箍形电极的间距是毫米级的，因此，将箍形电极的间距预设为5mm，能够方便后期调整。

在一个实施例中，所述穂粗粒深关系模型为：

y＝0.025x²+2.223x-39.355；

其中，x表示穗粗，y表示玉米穗的粒深。

需要注意的是，本发明中的穂粗粒深关系模型是发明人经过大量实验获得的具有极高精确度的公式，正是由于利用了本公式，才为后面得出准确的含水率结果打下了坚实的基础，此公式未在其他文献和已有专利中公开。

步骤S2包括首先建立箍形电极的宽度、两个箍形电极的间距与电场影响深度间的关系模型，相当于如果知道了关系模型中任意两个量，那么第三个量就是可以知道，然后由于电场影响深度等效于粒深，而粒深是步骤S1可求的，所以电场深度是已知的，而箍形电极的宽度通过测量装置的测量即可获得，所以将这两个量代入关系模型中就可以获得两个箍形电极的间距。

图6示出了步骤S4的流程图，如图可知，步骤S4包括：

S4.1、建立玉米穗在体籽粒的含水率与电压差值的关系式：

b＝0.3707a+0.03；

其中，a表示传输单元两端行驻波对应的电压值的差值，b表示玉米穗在体籽粒的含水率；

S4.2、计算所述传输单元两端行驻波对应的电压值的差值，将电压差值代入所述步骤S4.1的关系式中，获得玉米穗在体籽粒的含水率。

最后，本申请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)

1.一种测量玉米穗在体籽粒含水率的系统，其特征在于，包括：

同轴设置的两个相同的箍形电极，任意一个箍形电极的内径可调节，以固定玉米穗；

测量粒深装置，与所述两个箍形电极连接，用于根据所述箍形电极的内径，获得玉米穗的粒深；

电极设计装置，与所述测量粒深装置连接，所述电极设计装置基于所述玉米穗的粒深，获得所述两个箍形电极的目标间距；

间距调节装置，与所述两个箍形电极连接，所述间距调节装置用于将所述两个箍形电极的间距调节至所述目标间距；

测量装置，包括：

传输单元，一端与其中一个箍形电极连接，以向该箍形电极传输高频正弦波信号；

两个检波单元，所述两个检波单元的输入端分别连接所述传输单元的两端，以获得所述传输单元两端行驻波对应的电压值；以及

运算装置，与所述测量装置连接，用于根据所述传输单元两端行驻波对应的电压值，获得玉米穗在体籽粒的含水率。

2.如权利要求1所述的测量玉米穗在体籽粒含水率的系统，其特征在于，还包括：采集装置，用于采集并显示所述箍形电极的内径和宽度以及两个箍形电极的间距。

3.如权利要求1所述的测量玉米穗在体籽粒含水率的系统，其特征在于，所述间距调节装置包括：

支座，设置与所述箍形电极所在轴平行的滑槽，所述支座上固定其中一个箍形电极；

杆体，滑动设置在所述滑槽中，所述杆体上设有与所述滑槽平行的齿条，所述杆体上固定另一个箍形电极；以及

与所述齿条啮合的齿轮，所述齿轮与步进电机的输出轴连接；

其中，所述支座和杆体的材料均为塑料。

4.如权利要求1所述的测量玉米穗在体籽粒含水率的系统，其特征在于，所述测量装置还包括：

高频信号发生器，用于产生高频正弦波信号；以及

差动放大电路，分别与所述两个检波单元的输出端连接，以对所述传输单元两端行驻波对应的电压值调零和放大。

5.如权利要求1所述的测量玉米穗在体籽粒含水率的系统，其特征在于，所述检波单元为半波整流滤波电路。

6.如权利要求4所述的测量玉米穗在体籽粒含水率的系统，其特征在于，所述高频信号发生器产生的正弦波的频率为100MHz。

7.一种如权利要求1-6任意一项所述的系统测量玉米穗在体籽粒含水率的方法，其特征在于，包括：

S1、基于玉米穗的穗粗和穂粗粒深关系模型，获得玉米穗的粒深；

S2、建立箍形电极的宽度、两个箍形电极的间距与电场影响深度间的关系模型，根据所述粒深和箍形电极的宽度，获得两个箍形电极的目标间距；

S3、所述间距调节装置将两个箍形电极的间距调整至目标间距，所述测量装置测量传输单元两端行驻波对应的电压值；以及

S4、所述运算装置根据所述传输单元两端行驻波对应的电压值，获得玉米穗在体籽粒的含水率。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

S1.1、将玉米穗置于所述两个箍形电极之间，所述两个箍形电极的间距设置为5mm；

S1.2、通过所述采集装置测量所述两个箍形电极的内径，并对两个箍形电极的内径取平均值，获得穗粗；以及

S1.3、将所述穗粗代入穂粗粒深关系模型，获得玉米穗的粒深。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述穂粗粒深关系模型为：

y＝0.025x²+2.223x-39.355；

其中，x表示穗粗，y表示玉米穗的粒深。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S4进一步包括：

S4.1、建立玉米穗在体籽粒的含水率与电压差值的关系式：

b＝0.3707a+0.03；

其中，a表示传输单元两端行驻波对应的电压值的差值，b表示玉米穗在体籽粒的含水率；

S4.2、计算所述传输单元两端行驻波对应的电压值的差值，将电压差值代入所述步骤S4.1的关系式中，获得玉米穗在体籽粒的含水率。