CN108732208B - 一种谷物水分传感器及测量谷物水分的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谷物水分传感器，包括：传感器外壳、传感器外壳由隔板形成第一腔体和第二腔体；第一腔体与隔板相接的两侧分别设置轴承，两个轴承之间安装有叶轮，叶轮包括多个叶片，相邻两个叶片构成一个谷物容腔；第一腔体和第二腔体之间的隔板上设置有高频电磁波发射和接收通孔和挡盘通孔；第二腔体的隔板侧安装有步进电机和挡盘；挡盘安装在步进电机的轴上，并插在挡盘通孔中；第二腔体与隔板相接的一侧设置有集成电路；高频电磁波发射和接收装置设置在集成电路上。本发明实施例提供的装置解决现有技术谷物水分测量的精度不高、结果不准的问题，能实现联合收获机械谷物水分在线瞬态测量。

Description

一种谷物水分传感器及测量谷物水分的方法

技术领域

本发明涉及农业收获机械谷物水分检测领域，尤其涉及一种谷物水分传感器及测量谷物水分的方法。

背景技术

粮食在收获、储存、运输和加工过程中，每一道程序均需要严格控制粮食水分含量。谷物含水率偏低和偏高都不利于谷物的正常保存：谷物水分含量偏低对谷物内部的有机结构有较大的损害，谷物品质下降，同时对谷物种子自身的生命活动产生不利的影响，直接导致种子活性偏低，发芽率低；水分含量过高，不仅会浪费烘干动力和储存仓容，而且种子在高水分状态下生理活动比较活跃，极易大量消耗淀粉、蛋白质等营养物质，同时还有可能诱发各类细菌在谷物中繁殖，导致谷物发霉，从而带来了极大的浪费。因此，快速精确的测量谷物含水率是粮食生产过程中的一项重要的技术指标。

农业收获机械在收获谷物环节对谷物水分的准确测量是确保谷物晒干后水分降低至安全储存的安全水位的重要保证，作为粮食生产的第一手数据，对指导后续农作物灌溉、种植有重要意义。标准的谷物含水率测量方法是通过称量烘干前后谷物的质量差来计算谷物含水率，这种方法的重要缺点是测量速度慢，但精确度很高，无法用于在线测量，更不能用于收获机械实时快速测量，故通常用于含水率测量标定中。由于含水率测量方法可以转化成对被测物的湿度的测量，利用湿度传感器来对谷物含水率进行测量是普遍的做法，大部分谷物水分传感器也是这个原理，这种传感器价格低廉但测量误差较大，只能应用于对水分测量精度不高的场所，在对精度要求较高的环境中使用依然受限制。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的谷物水分测量的误差大、精确度不高的技术问题，提供了一种谷物水分传感器及测量谷物水分的方法。

为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种谷物水分传感器，包括：传感器外壳、传感器外壳由隔板形成第一腔体和第二腔体；其中，第一腔体与隔板相接的两侧分别设置轴承，两个轴承之间安装有叶轮，叶轮包括多个叶片，相邻两个叶片构成一个谷物容腔；第一腔体和第二腔体之间的隔板上设置有高频电磁波发射和接收通孔以及挡盘通孔；第二腔体的隔板侧安装有步进电机和挡盘；其中，挡盘安装在步进电机的轴上，并插在挡盘通孔中；第二腔体与隔板相接的一侧设置有集成电路；高频电磁波发射和接收装置设置在集成电路上并通过高频电磁波发射和接收通孔指向谷物容腔，用于向谷物容腔发射和接收电磁波。

进一步地，叶轮包括四个叶片，四个叶片成十字形设置。

进一步地，第一腔体与隔板相对的一侧设置有单向挡块，叶片上设置有支撑槽，支撑槽用于控制叶轮单向转动，防止逆转。

进一步地，集成电路通过导线与步进电机连接，并控制步进电机运动。

进一步地，第一腔体一半开放，一半密闭；第二腔体密闭。

进一步地，挡盘通孔＝宽度≤2mm。

进一步地，挡盘初始位置完全伸出挡盘通孔，挡盘用于阻挡叶轮的转动。

根据本发明的另一个方面，提供了一种测量谷物水分的方法，应用与上述的谷物水分传感器，该方法包括：将待测谷物放置谷物容腔中；通过高频电磁波发射和接收装置向谷物容腔发射高频电磁波信号，发射的高频电磁波信号为参比信号；高频电磁波信号穿过谷物后，经叶片反射后被高频电磁波发射和接收装置接收，被接收的信号为相移测量信号；集成电路对参比信号和相移测量信号进行相移分析，计算得到谷物的水分值。

进一步地，通过集成电路对参比信号和相位移信号的分析，计算得到谷物的水分步骤包括：

设谷物等效介电常数为：ε_eff，谷物水分为W；则

其中，A’、B’和C’是通过多次试验数据计算得到的系数；

穿过谷物后的信号相位移Δφ与谷物水分W的关系为：

其中，t为谷物质量厚度，λ₀为自由空间的波长，ρ为谷物密度；谷物质量厚度t通过被测谷物质量除以被测谷物的面积，再利用γ射线可测得。

进一步地，在计算水分的误差在可接受的范围内，确定

简化为

其中，谷物水分为W，t为谷物质量厚度，A、B和C为系数，通过多次实验的数据计算标定可得。

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

(1)本发明实施例提供的谷物水分传感器采用两个腔体，第一腔体为机械运动部件，第二腔体是电路控制部分，功能明确、结构紧凑。

(2)谷物水分传感器的第一腔体上端开放，谷物流入时可以自动推动叶轮转动，第二腔体整体封闭，可以防止谷物、粉尘等杂质进入右腔体，影响工作环境。

(3)本发明实施例提供的谷物水分传感器中，设计了单向挡块，保证谷物只能推动叶轮顺时针单向运动，防止逆转。

(4)本发明实施例提供的谷物水分传感器中，步进电机在接收到集成电路的信号后，每次只旋转90度，即挡盘旋转90度，挡盘的不同旋转角度可以实现叶片的停止或释放。

(5)本发明实施例提供的一种测量谷物水分的方法，解决了现有技术谷物水分测量方法和装置精度不高、结果不准的问题，在农业机械进行收获作业时实现谷物水分的在线实时快速测量。

附图说明

图1是本发明实施方式提供的一种谷物水分传感器的结构示意图；

图2是图1所示的谷物水分传感器的主视图；

图3是图1所示的谷物水分传感器的俯视图；

图4是示意性的提供的图1所示的谷物水分传感器透视图；

图5是本发明是实施例提供的一种测量谷物水分的方法流程示意图；

图6为图5所示测量谷物水分的原理图。

附图标记：

1：传感器外壳；2：第一腔体；3：第二腔体；4：轴承；5：叶轮；6叶片；7：谷物容腔；8：高频电磁波发射和接收通孔；9：挡盘通孔；10：步进电机；11：挡盘；12：高频电磁波发射和接收装置；13：集成电路；14：单向挡块；15：支撑槽；16：导线；17：第一螺钉；18：第二螺钉。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

图1是本发明实施方式提供的一种谷物水分传感器的结构示意图；图2是图1所示的谷物水分传感器的主视图；图3是图1所示的谷物水分传感器的俯视图；图4是示意性的提供的图1所示的谷物水分传感器透视图。

在附图1-4中示出了根据本发明实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

如图1-图4所示，谷物水分传感器包括：传感器外壳1、传感器外壳由隔板形成第一腔体2和第二腔体3；第一腔体2与隔板相接的两侧分别设置轴承4，两个轴承4之间安装有叶轮5，叶轮5包括多个叶片6，相邻两个叶片6构成一个谷物容腔7；第一腔体2和第二腔体3之间的隔板上设置有高频电磁波发射和接收通孔8以及挡盘通孔9；

具体地，叶轮5包括四个叶片6，四个叶片6成十字形设置。四个叶片构成了四个谷物容腔7。

具体地，第一腔体2与隔板相对的一侧设置有单向挡块14，每一个叶片6上都设置有支撑槽15，支撑槽15用于控制叶轮5单向转动，防止逆转。

第二腔体3的隔板侧安装有步进电机10和挡盘11；其中，挡盘11安装在步进电机10的轴上，并插在挡盘通孔9中；第二腔体3与隔板相接的一侧设置有集成电路13。

高频电磁波发射和接收装置12封装有发射天线和接收天线，发射天线主要用于发射电磁波信号，接收天线主要是用于接收反射回来的电磁波信号。高频电磁波发射和接收装置12安装在集成电路13上并通过高频电磁波发射和接收通孔8指向谷物容腔，用于向谷物容腔发射和接收电磁波。

具体地，集成电路13通过导线16与步进电机10连接，并控制步进电机运动。

具体地，挡盘11初始工作位置为完全伸出挡盘通孔9，恰好可以阻挡叶轮5的转动。步进电机10在接收到集成电路13的信号后，每次只旋转90度，进而带动挡盘也旋转90度，从而实现叶轮的阻挡和释放，可以每次检测一个谷物容腔内的谷物水分。

可选的，挡盘通孔9宽度≤2mm。主要考虑到一般谷物的直径大于2mm，挡盘通孔的宽度设置不大于2mm主要是防止谷物通过挡盘通孔9进入第二腔体，影响第二腔体中的装置工作。

可选的，集成电路13通过第一螺钉固定在第二腔体3的内壁上，步进电机10通过第二螺钉固定在第二腔体的内壁上。第一螺钉可以和第二螺钉相同，也可以不同。

需要说明的是，第一腔体2的顶部一半是开放的，主要是用于注入谷物，顶部的另一半密闭。第二腔体3的顶部密闭，主要是防止谷物落在第二腔体中，影响第二腔体中的装置工作。

本发明提供的谷物水分传感器的使用方式为：在收获机械进行收获作业时，谷物从传感器上方流下，经第一腔体2上端面开口处流入谷物容腔7，在谷物重力作用下叶轮5顺时针转动，叶轮5转至水平位置时，谷物装满叶片上方的谷物容腔7，叶片6上的支撑槽15和挡盘11接触，挡盘11阻挡叶片6使叶轮5停止转动，此时，高频电磁波发射和接收装置12向谷物发射高频电磁波，高频电磁波透过谷物后被竖直位置的叶片6反射回来，通过集成电路13测量反射回来的电磁波的相移，得到谷物的介电常数，进而得到谷物的水分。

当高频电磁波的相移测试完毕后，集成电路13向步进电机10发送信号，步进电机10转动90度，挡盘11释放叶片，叶轮5会在谷物重力作用下顺时针转动，谷物容腔7中的谷物被排出，一定时间后，集成电路13向步进电机10发送信号，步进电机10再次转动90度，新的谷物再次进入谷物容腔7推动叶轮5旋转，叶轮5转至水平位置时，叶片6又被挡盘11阻挡，进而继续下一次测量。

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

(1)本发明实施例提供的谷物水分传感器采用两个腔体，第一腔体为机械运动部件，第二腔体是电路控制部分，功能明确、结构紧凑。

(2)谷物水分传感器的第一腔体上端开放，谷物流入时可以自动推动叶轮转动，第二腔体整体封闭，可以防止谷物、粉尘等杂质进入右腔体，影响工作环境。

3)本发明实施例提供的谷物水分传感器中，设计了单向挡块，保证谷物只能推动叶轮顺时针单向运动，防止逆转。

4)本发明实施例提供的谷物水分传感器中，步进电机在接收到集成电路的信号后，每次只旋转90度，即挡盘旋转90度，挡盘的不同旋转角度可以实现叶片的停止或释放。

图5是本发明是实施例提供的一种测量谷物水分的方法流程示意图。

如图5所示，该方法包括步骤S101-步骤S104。

步骤S101，将待测谷物放置谷物容腔中；

步骤S102，通过高频电磁波发射和接收装置12向谷物容腔发射高频电磁波信号，发射的高频电磁波信号为参比信号；

步骤S103，高频电磁波信号穿过谷物后，经竖直的叶片6反射后被高频电磁波发射和接收装置12的接收天线接收，被接收的信号为相移测量信号；

步骤S104，集成电路13对参比信号和相移测量信号进行相移分析，计算得到谷物的水分值。

具体地，设谷物等效介电常数为：ε_eff，谷物水分为W；则

其中，A’、B’和C’是通过多次试验数据计算得到的系数；

穿过谷物后的信号相位移Δφ与谷物水分W的关系为：

其中，t为谷物质量厚度，λ₀为自由空间的波长，ρ为谷物密度；谷物质量厚度t通过被测谷物质量除以被测谷物的面积，再利用γ射线可测得。

进一步具体地，在计算水分的误差在可接受的范围内，确定

可简化为

其中，谷物水分为W，t为谷物质量厚度，A、B和C为系数，通过多次实验的数据计算标定可得。

图6为图5所示测量谷物水分的原理图。

如图6所示，谷物从传感器上方流下进入第一腔体2，第二腔体中的高频电磁波发射和接收装置12向谷物发射高频电磁波，发射的高频电磁波作为参比信号；高频电磁波透过谷物后被竖直位置的叶片6反射回来，由高频电磁波发射和接收装置12的接收天线接收，接收的高频电磁波为相移测量信号。高频电磁波发射和接收装置12将参比信号和相移测量信号分别发送至集成电路，集成电路进行相移分析得到谷物的水分测量结果。

本发明实施例提供的一种测量谷物水分的方法，解决了现有技术谷物水分测量方法和装置精度不高、结果不准的问题，在农业机械进行收获作业时实现谷物水分的在线实时快速测量。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种谷物水分传感器，其特征在于，包括：传感器外壳(1)、所述传感器外壳由隔板形成第一腔体(2)和第二腔体(3)；其中，

所述第一腔体(2)与隔板相接的两侧分别设置轴承(4)，两个轴承(4)之间安装有叶轮(5)，所述叶轮(5)包括多个叶片(6)，相邻两个叶片(6)构成一个谷物容腔(7)；

所述第一腔体(2)和第二腔体(3)之间的隔板上设置有高频电磁波发射和接收通孔(8)以及挡盘通孔(9)；

所述第二腔体(3)的隔板侧安装有步进电机(10)和挡盘(11)；其中，挡盘(11)安装在步进电机(10)的轴上，并插在挡盘通孔(9)中；所述第二腔体(3)与隔板相接的一侧设置有集成电路(13)；高频电磁波发射和接收装置(12)设置在集成电路(13)上，并通过所述高频电磁波发射和接收通孔(8)指向所述谷物容腔，用于向所述谷物容腔(7)发射高频电磁波信号，发射的高频电磁波信号为参比信号，并接收发射的所述高频电磁波信号穿过谷物后，经叶片(6)反射后的信号，接收的反射后的信号为相移测量信号；

所述集成电路(13)用于对所述参比信号和相移测量信号进行相移分析，计算得到谷物的水分值。

2.根据权利要求1所述的谷物水分传感器，其特征在于，所述叶轮(5)包括四个叶片(6)，所述四个叶片(6)成十字形设置。

3.根据权利要求1所述的谷物水分传感器，其特征在于，所述第一腔体(2)与隔板相对的一侧设置有单向挡块(14)，所述叶片(6)上设置有支撑槽(15)，所述支撑槽(15)用于控制叶轮(5)单向转动，防止逆转。

4.根据权利要求1所述的谷物水分传感器，其特征在于，所述集成电路(13)通过导线(16)与所述步进电机(10)连接，并控制所述步进电机运动。

5.根据权利要求1所述的谷物水分传感器，其特征在于，所述第一腔体(2)一半开放，一半密闭；所述第二腔体密闭(3)。

6.根据权利要求1所述的谷物水分传感器，其特征在于，所述挡盘通孔(9)宽度≤2mm。

7.根据权利要求1所述的谷物水分传感器，其特征在于，所述挡盘(11)初始位置完全伸出所述挡盘通孔(9)，所述挡盘(11)用于阻挡所述叶轮(5)的转动。

8.一种测量谷物水分的方法，应用与如权利要求1-7中任一项权利要求所述的谷物水分传感器，其特征在于，包括：

将待测谷物放置谷物容腔中；

通过所述高频电磁波发射和接收装置(12)向所述谷物容腔发射高频电磁波信号，发射的高频电磁波信号为参比信号；

所述高频电磁波信号穿过谷物后，经叶片(6)反射后被所述高频电磁波发射和接收装置(12)接收，被接收的信号为相移测量信号；

所述集成电路(13)对所述参比信号和相移测量信号进行相移分析，计算得到谷物的水分值。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过所述集成电路(13)对所述参比信号和相位移信号的分析，计算得到谷物的水分步骤包括：

设谷物等效介电常数为：ε_eff，谷物水分为W；则

其中，A’、B’和C’是通过多次试验数据计算得到的系数；

穿过谷物后的信号相位移Δφ与谷物水分W的关系为：

其中，t为谷物质量厚度，λ₀为自由空间的波长，ρ为谷物密度；谷物质量厚度t通过被测谷物质量除以被测谷物的面积，再利用γ射线可测得。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在计算水分的误差在可接受的范围内，确定

简化为

其中，谷物水分为W，t为谷物质量厚度，A、B和C为系数，通过多次实验的数据计算标定可得。

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