CN117214253A - 自校准高精度在线检测玉米水分的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自校准高精度在线检测玉米水分的系统及方法，通过设计多组精准称重电路和玉米种子介电常数检测电路，利用多组电路参数一致的原理实现系统自校准，可变的高频发生电路可以根据玉米种子的含水量自动调整工作频率，使整个系统工作在精度最高的中心频率，以保证检测精度，同时利用同一批种子整体介电常数趋于一致的原理，修正经验数据库标定好的检测数据，以提高在线检测玉米种子水分精度问题，解决了同一批种子重复检测重复率低的问题。

Description

自校准高精度在线检测玉米水分的系统及方法

技术领域

本发明涉及玉米水分检测技术领域，特别涉及一种自校准高精度在线检测玉米水分的系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

目前国内外对于玉米水分在线测量系统的研究主要以水分检测方法，以及数学模型的研究为主。近几年来，出现各种转换电路的玉米水分在线测量系统，由于采用的转换电路的不同，测量传感器的类型不同，测量出来的水分值也有区别，目前玉米水分在线测量系统以检测电路加检测传感器以及数字积分电路构成，由于影响玉米水分检测的因素有种类、空隙、温度、转换电路的电压差、容积密度、环境的相对湿度，还有操作人员的操作方法等等，而目前的玉米水分在线检测系统的电路或者数学模型虽然能够检测玉米的水分，但是因为其水分曲线是通过数学公式拟合后获得，无法全面兼顾上述因素带来的误差，导致检测精度较低、同一样本重复检测重复率不高。

发明人发现，影响目前玉米水分在线检测精度和重复率的因素，主要是传统的玉米种子水粉检测设备只有一组检测传感器，在收货季节，玉米水分的分布范围比较大，会超出目前主流的在线检测设备的有效范围，使检测精度下降；不同于静态检测玉米水分，在线检测玉米水分装置安装于联合收获机，发动机抖动会造成设备异常噪声，影响检测，联合收获机装粮食时紧实度会有偏差，会影响同一样本的重复检测的重复率。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种自校准高精度在线检测玉米水分的系统及方法，通过设计多组精准称重电路和玉米种子介电常数检测电路，利用多组电路参数一致的原理实现系统自校准，可变的高频发生电路可以根据玉米种子的含水量自动调整工作频率，使整个系统工作在精度最高的中心频率，以保证检测精度，同时利用同一批种子整体介电常数趋于一致的原理，修正经验数据库标定好的检测数据，以提高在线检测玉米种子水分精度问题，解决了同一批种子重复检测重复率低的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种自校准高精度在线检测玉米水分的装置。

一种自校准高精度在线检测玉米水分的装置，包括：第一可变电容、第二可变电容、误差调整电路模块、频率可变的高频发生器电路模块以及玉米种子水分检测电路模块；

第一可变电容的第一端与第二可变电容的第一端分别与误差调整电路模块的第一端连接，误差调整电路模块的第二端与高频发生器电路模块的第一端连接；

误差调整电路模块的第三端经第一电阻与玉米种子水分检测电路模块的输入端连接，误差调整电路模块的第三端经第二电阻后与高频发生器电路模块的第二端以及第二可变电容的第二端汇接后接地；

高频发生器电路模块的第三端与玉米种子水分检测电路模块的输入端连接，第一变电阻的第一端与玉米种子水分检测电路模块的输入端连接。

作为本发明第一方面进一步的限定，第二可变电容为基准电容，第二可变电容的参数值跟随第一可变电容进行变化。

作为本发明第一方面进一步的限定，根据误差检测电路的检测结果，高频发生电路产生针对第一可变电容和第二可变电容的最佳工作频率，第二可变电容完全跟随第一可变电容的变化，整个电路始终工作在中心频率。

作为本发明第一方面进一步的限定，在内筒和外筒中间部分增加绝缘隔板，通过四个电极进行玉米种子水分检测。

第二方面，本发明提供了一种自校准高精度在线检测玉米水分的方法。

一种自校准高精度在线检测玉米水分的方法，利用本发明第一方面所述的自校准高精度在线检测玉米水分的装置，包括以下过程：

根据种子的温度数据和重量数据，依据数据库中的经验数据控制高频发生器电路模块产生一个高频信号；

读取检测样品在两个对称传感器中的介电常数，根据介电常数与玉米种子水分之间关系查表获取玉米种子的含水量；

判断两组传感器的检测数据是否相同，如是，则进入下一步；如否，则继续调整高频发生器电路模块输出高频信号直至两组传感器的检测数据相同，进入下一步；

获取该含水量下的最佳工作频率，如果与当前工作频率一致，此时系统工作于最佳工作频率，则进入下一步；否则，控制高频发生器电路模块输出新的高频信号，重新进行检测，直到实际工作频率与最佳工作频率保持一致，系统工作于最佳工作频率，进入下一步；

当两个对称传感器的差异在设定范围内时，以最佳工作频率下的含水量为最终含水量检测值。

作为本发明第二方面进一步的限定，当两个对称传感器的差异超出设定范围时，将两传感器的介电常数相加取平均值得到校正量，将两传感器的介电常数相减之后除以2得到系统误差，以校正量与系统误差的加和为校正后的介电常数，以校正后的介电常数对应的含水量为最终含水量检测值。

第三方面，本发明提供了一种自校准高精度在线检测玉米水分的系统。

一种自校准高精度在线检测玉米水分的系统，利用本发明第一方面所述的自校准高精度在线检测玉米水分的装置，包括以下过程：

高频信号生成模块，被配置为：根据种子的温度数据和重量数据，依据数据库中的经验数据控制高频发生器电路模块产生一个高频信号；

含水量初步计算模块，被配置为：读取检测样品在两个对称传感器中的介电常数，根据介电常数与玉米种子水分之间关系查表获取玉米种子的含水量；

传感器校验模块，被配置为：判断两组传感器的检测数据是否相同，如是，则进入下一步；如否，则继续调整高频发生器电路模块输出高频信号直至两组传感器的检测数据相同，进入下一步；

频率校验模块，被配置为：获取该含水量下的最佳工作频率，如果与当前工作频率一致，此时系统工作于最佳工作频率，则进入下一步；否则，控制高频发生器电路模块输出新的高频信号，重新进行检测，直到实际工作频率与最佳工作频率保持一致，系统工作于最佳工作频率，进入下一步；

最终含水量生成模块，被配置为：当两个对称传感器的差异在设定范围内时，以最佳工作频率下的含水量为最终含水量检测值。

作为本发明第三方面进一步的限定，最终含水量生成模块中，当两个对称传感器的差异超出设定范围时，将两传感器的介电常数相加取平均值得到校正量，将两传感器的介电常数相减之后除以2得到系统误差，以校正量与系统误差的加和为校正后的介电常数，以校正后的介电常数对应的含水量为最终含水量检测值。

第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的自校准高精度在线检测玉米水分的方法中的步骤。

第五方面，本发明提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的自校准高精度在线检测玉米水分的方法中的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明创新的提出了一种自校准高精度在线检测玉米水分的策略，通过设计多组精准称重电路和玉米种子介电常数检测电路，利用多组电路参数一致的原理实现系统自校准，可变的高频发生电路可以根据玉米种子的含水量自动调整工作频率，使整个系统工作在精度最高的中心频率，以保证检测精度。

2、本发明创新的提出了一种自校准高精度在线检测玉米水分的策略，利用同一批种子整体介电常数趋于一致的原理，修正经验数据库标定好的检测数据，以提高在线检测玉米种子水分精度问题，解决了同一批种子重复检测重复率低的问题。

3、本发明创新的提出了一种自校准高精度在线检测玉米水分的策略，通过设计两组或者多组参数一致的玉米水分检测传感器进行电路自校准，辅以称重电路、温度传感电路，利用可变频的高频电路产生高频信号，实时测量种子的温度、重量以及介电常数值，并对测得数据的进行差值分析，过滤掉传感器本身带来的系统误差，动态分析种子逐渐失水时重量的变化和电路参数的对应关系，建立了完整的玉米水分曲线，在后续的玉米水分测量过程中通过检测电路参数变化，直接通过查表获得玉米种子的含水量。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1提供的自校准高精度在线检测玉米水分的装置示意图；

图2为本发明实施例1提供的内筒和外筒示意图；

图3为本发明实施例1提供的原检测筒等效电路示意图；

图4为本发明实施例1提供的改进后的检测筒等效电路示意图；

图5为本发明实施例2提供的在线检测主流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

本发明所设计的硬件电路，以自校准的方式，解决了当下在线检测玉米水分过程中因为玉米水分变化范围较大而造成的精度下降问题，同时将玉米水分检测过程中因为玉米紧实度不同而造成的误差传递给软件模块，为软件模块通过算法修正解决同一批玉米种子重复检测重复率低的问题提供数据支撑。

具体的，如图1所示，本发明实施例1提供了一种自校准高精度在线检测玉米水分的装置，包括：第一可变电容C1、第二可变电容C2、误差调整电路模块、频率可变的高频发生器电路模块以及玉米种子水分检测电路模块；

第一可变电容C1的第一端与第二可变电容C2的第一端分别与误差调整电路模块的第一端连接，误差调整电路模块的第二端与高频发生器电路模块的第一端连接；

误差调整电路模块的第三端经第一电阻R1与玉米种子水分检测电路模块的输入端连接，误差调整电路模块的第三端经第二电阻R2后与高频发生器电路模块的第二端以及第二可变电容的第二端汇接后接地；

高频发生器电路模块的第三端与玉米种子水分检测电路模块的输入端连接，第一变电阻的第一端与玉米种子水分检测电路模块的输入端连接。

在一种玉米水分检测电路中，C2采用固定容量的基准电容，因为C2的容量固定，所以整个电路存在最佳工作频率，导致高频发生电路频率不能偏离最佳工作频率，其变化范围有限，整个电路的有效工作范围受到限制，最终导致C1的值只能在有限的范围内变化。当玉米种子的水分检测范围超出了C1的变化范围，整个电路的精度快速下降，造成检测精度不高。当同一批玉米种子重复测量时，因为种子的紧实度发生了变化，所以会导致C1的值发生变化，此时因为C2的值是固定的，系统并不能检测出C1的变化是因为种子水分改变造成的，还是因为玉米的紧实度变化造成的，最终导致同一批种子重复检测其重复率不高。

本实施例中进行了进一步的优化，以第二可变电容C2为基准电容，第二可变电容C2的参数值跟随第一可变电容C1进行变化；根据误差检测电路的检测结果，高频发生电路产生针对第一可变电容和第二可变电容的最佳工作频率，第二可变电容完全跟随第一可变电容的变化，整个电路始终工作在中心频率。

本实施例中，如图2所示，在内筒和外筒中间部分增加绝缘隔板，通过四个电极进行玉米种子水分检测，现有的玉米水分在线检测装置没有绝缘隔离，采用内筒一个电极，外筒一个电极的结构，在两电极间装入玉米，其等效如图3所示，本实施例改进的等效电路如图4所示。

实施例2：

本发明设计的软件模块利用硬件模块检测玉米种子获得的实时数据，辅以温度数据，检测样本的重量数据，以及软件数据库中保存的经验数据，精准计算玉米种子的水分含量，并根据硬件模块传回的两传感器参数的差值推算种子的紧实度，修正检测结果，实现同一批种子重复检测的重复率问题，具体的，本实施例提供了一种自校准高精度在线检测玉米水分的方法，如图5所示，利用本发明实施例1所述的自校准高精度在线检测玉米水分的装置，包括以下过程：

在检测开始阶段，首先根据温度、检测样本的重量等参数，依据数据库中的经验数据控制高频发生电路产生一个高频信号，然后读取检测样品在两个对称传感器中的介电常数ε1，ε2，并根据介电常数与玉米种子水分之间关系查表获取玉米种子的含水量，判断两个含水量检测数据是否一致，如不一致则继续产生新的高频信号，直至两个检测数据一致，进入下一步：

然后查询数据库中的经验数据，获取该含水量下最佳的工作频率，如果与目前频率一致，则进入下一环节，如果不一致，则控制高频路输出新的高频信号，重新进行检测，直到实际检测频率与经验数据库中的频率保持一致，此时系统工作于最佳工作频率，其系统精度得到保障，系统进入下一步；

当系统已经处于最佳工作频率，但是从传感器传回的ε1、ε2依然存在系统无法接受的误差时，说明被测试的玉米种子的紧实度发生了变化，并且变化范围超出了系统误差，此时需要根据两个传感器发回的数据进行数据修正，将两传感器相加取平均值即可消除紧实度不均匀带来的检测误差，记为ε＝(ε1+ε2)/2，此时已经消除了紧实度分布不均匀带来的系统误差，但是测量结果中依然带有系统误差，将两传感器相减之后除以2得到系统误差记为δ＝(ε1-ε2)/2，此时获得被测样品的真实水分含量ε±δ。

最后系统将新的工作频率更新到经验数据库中，作为设备的本地参数使用。

本发明所设计的自校准高精度在线检测玉米水分的装置与方法检测精度高于1％，重复检测检测精度高于0.5％,满足目前农业育种科研机构的实用需求。与当下已有的在线检测玉米水分装置比较，本发明所设计的检测装置及方法不仅检测精度高，重复检测重复率满足指标，而且其检测精度不依赖于元器件的绝对精度，只要所使用的电路元器件为统一批次，且误差保持一致，所生产的玉米水分检测装置的精度不受影响。

玉米水分检测装置在出厂时需要进行校准，当下已有的玉米水分检测装置校准过程复杂，且只能在关键的5个温度点、水分点进行校准，然后利用这25个关键点通过数学模型根据设备的具体参数拟合玉米种子的水分曲线，拟合该数据需要较高的专业知识且产生的误差无法消除。本发明所设计的装置系统带有自校准功能，内设经验数据存储数据库，该数据中的数据可以共享，在校准完25个关键点之后，不在需要数据拟合，设备在使用过程中会逐渐将经验数据库中的数据根据自身参数进行调整，直至获得真实的水分曲线，消除因为软件拟合带来的误差。该设计不仅提高了装置的检测精度，而且降低了检测装置校准的难度，使设备的生产效率提高50％以上。

实施例3：

本发明实施例3提供了一种自校准高精度在线检测玉米水分的系统，利用本发明实施例1所述的自校准高精度在线检测玉米水分的装置，包括以下过程：

高频信号生成模块，被配置为：根据种子的温度数据和重量数据，依据数据库中的经验数据控制高频发生器电路模块产生一个高频信号；

含水量初步计算模块，被配置为：读取检测样品在两个对称传感器中的介电常数，根据介电常数与玉米种子水分之间关系查表获取玉米种子的含水量；

传感器校验模块，被配置为：判断两组传感器的检测数据是否相同，如是，则进入下一步；如否，则继续调整高频发生器电路模块输出高频信号直至两组传感器的检测数据相同，进入下一步；

频率校验模块，被配置为：获取该含水量下的最佳工作频率，如果与当前工作频率一致，此时系统工作于最佳工作频率，则进入下一步；否则，控制高频发生器电路模块输出新的高频信号，重新进行检测，直到实际工作频率与最佳工作频率保持一致，系统工作于最佳工作频率，进入下一步；

最终含水量生成模块，被配置为：当两个对称传感器的差异在设定范围内时，以最佳工作频率下的含水量为最终含水量检测值。

最终含水量生成模块中，当两个对称传感器的差异超出设定范围时，将两传感器的介电常数相加取平均值得到校正量，将两传感器的介电常数相减之后除以2得到系统误差，以校正量与系统误差的加和为校正后的介电常数，以校正后的介电常数对应的含水量为最终含水量检测值。

实施例4：

本发明实施例4提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明实施例1所述的自校准高精度在线检测玉米水分的方法中的步骤。

实施例5：

本发明实施例5提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明实施例1所述的自校准高精度在线检测玉米水分的方法中的步骤。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)

1.一种自校准高精度在线检测玉米水分的装置，其特征在于，

包括：第一可变电容、第二可变电容、误差调整电路模块、频率可变的高频发生器电路模块以及玉米种子水分检测电路模块；

第一可变电容的第一端与第二可变电容的第一端分别与误差调整电路模块的第一端连接，误差调整电路模块的第二端与高频发生器电路模块的第一端连接；

误差调整电路模块的第三端经第一电阻与玉米种子水分检测电路模块的输入端连接，误差调整电路模块的第三端经第二电阻后与高频发生器电路模块的第二端以及第二可变电容的第二端汇接后接地；

高频发生器电路模块的第三端与玉米种子水分检测电路模块的输入端连接，第一变电阻的第一端与玉米种子水分检测电路模块的输入端连接。

2.如权利要求1所述的自校准高精度在线检测玉米水分的装置，其特征在于，

第二可变电容为基准电容，第二可变电容的参数值跟随第一可变电容进行变化。

3.如权利要求1所述的自校准高精度在线检测玉米水分的装置，其特征在于，

根据误差检测电路的检测结果，高频发生电路产生针对第一可变电容和第二可变电容的最佳工作频率，第二可变电容完全跟随第一可变电容的变化，整个电路始终工作在中心频率。

4.如权利要求1所述的自校准高精度在线检测玉米水分的装置，其特征在于，

在内筒和外筒中间部分增加绝缘隔板，通过四个电极进行玉米种子水分检测。

5.一种自校准高精度在线检测玉米水分的方法，其特征在于，利用权利要求1-4任一项所述的自校准高精度在线检测玉米水分的装置，包括以下过程：

根据种子的温度数据和重量数据，依据数据库中的经验数据控制高频发生器电路模块产生一个高频信号；

读取检测样品在两个对称传感器中的介电常数，根据介电常数与玉米种子水分之间关系查表获取玉米种子的含水量；

判断两组传感器的检测数据是否相同，如是，则进入下一步；如否，则继续调整高频发生器电路模块输出高频信号直至两组传感器的检测数据相同，进入下一步；

获取该含水量下的最佳工作频率，如果与当前工作频率一致，此时系统工作于最佳工作频率，则进入下一步；否则，控制高频发生器电路模块输出新的高频信号，重新进行检测，直到实际工作频率与最佳工作频率保持一致，系统工作于最佳工作频率，进入下一步；

当两个对称传感器的差异在设定范围内时，以最佳工作频率下的含水量为最终含水量检测值。

6.如权利要求5所述的自校准高精度在线检测玉米水分的方法，其特征在于，

当两个对称传感器的差异超出设定范围时，将两传感器的介电常数相加取平均值得到校正量，将两传感器的介电常数相减之后除以2得到系统误差，以校正量与系统误差的加和为校正后的介电常数，以校正后的介电常数对应的含水量为最终含水量检测值。

7.一种自校准高精度在线检测玉米水分的系统，其特征在于，利用权利要求1-4任一项所述的自校准高精度在线检测玉米水分的系统，包括以下过程：

高频信号生成模块，被配置为：根据种子的温度数据和重量数据，依据数据库中的经验数据控制高频发生器电路模块产生一个高频信号；

含水量初步计算模块，被配置为：读取检测样品在两个对称传感器中的介电常数，根据介电常数与玉米种子水分之间关系查表获取玉米种子的含水量；

传感器校验模块，被配置为：判断两组传感器的检测数据是否相同，如是，则进入下一步；如否，则继续调整高频发生器电路模块输出高频信号直至两组传感器的检测数据相同，进入下一步；

频率校验模块，被配置为：获取该含水量下的最佳工作频率，如果与当前工作频率一致，此时系统工作于最佳工作频率，则进入下一步；否则，控制高频发生器电路模块输出新的高频信号，重新进行检测，直到实际工作频率与最佳工作频率保持一致，系统工作于最佳工作频率，进入下一步；

最终含水量生成模块，被配置为：当两个对称传感器的差异在设定范围内时，以最佳工作频率下的含水量为最终含水量检测值。

8.如权利要求7所述的自校准高精度在线检测玉米水分的方法，其特征在于，

最终含水量生成模块中，当两个对称传感器的差异超出设定范围时，将两传感器的介电常数相加取平均值得到校正量，将两传感器的介电常数相减之后除以2得到系统误差，以校正量与系统误差的加和为校正后的介电常数，以校正后的介电常数对应的含水量为最终含水量检测值。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求7或8所述的自校准高精度在线检测玉米水分的方法中的步骤。

10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求7或8所述的自校准高精度在线检测玉米水分的方法中的步骤。