CN1963481A - 棉纤维水分智能检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及棉纤维水分智能检测系统，包括信号发生器模块，数字式温度传感器，容抗式传感器，数据调理电路模块，其特点是：还有数据采集卡、及上位计算机；信号发生器输出线连接并作用于电容传感器，同时将电容、温度、极板间距离测量三者输出信号接到数据调理电路模块的输入端，再将经数据调理电路模块放大处理的信号接到并输入数据采集卡，由数据采集卡采集数据调理后的信号，并传送到上位计算机中，由上位计算机软件平台进行数据处理，并实时地计算与显示出棉纤维的含水率。计算机为外接上位计算机，同时安装了LABVIEW虚拟仪器软件。它提高计算棉纤维含水率的精度，同时利用虚拟仪器平台提高了实时处理性能，并可以进一步使得棉纤维水分检测实现远程在线控制和数据共享。

Description

棉纤维水分智能检测系统

一、技术领域

本发明属于棉纤维水分测定仪，具体说是涉及到基于数据融合和虚拟仪器的容抗式智能棉纤维水分测定系统。

二、背景技术

棉纤维的含水率是影响棉花加工质量的一个关键参数，也是棉花加工质量监控系统中的一项重要控制参考量。棉花水分的测定方法可以分为直接法和间接法两大类。由于间接法具有快速及可连续测定的特点，因此多年来得到了不断的发展，是国内外棉花水分测量仪主流。典型的棉花水分间接测量仪有微波式、红外线式、CCD(黑白摄像)式、电容式和电阻式。

在我国棉检仪器领域，早期有565，575，583，SD-M，Y412等型号的水分电测仪，和Y801A、Y802A型电烘箱；最近二十年来，随着电子技术的飞速发展和普及应用，特别是新型传感器及元器件不断涌现，计算机应用和专用微处理器日益普及，又研制出一批新型的棉花水分测量仪，包括Y412A、Y412B、BD-M、MS-1等型号。而在国外，1999年3月，澳大利亚研究人员Richard Kingswood Kelly和Krzysztof Marian Kucha研制出一种测量打包后棉花的微波式棉花水分测量仪，是目前为止微波式棉花水分测量中的最先进的仪器。此外，国际上在红外测量和电阻法测量已颇有研究，并有纵深发展趋势。

在水分检测方面，中国专利93237320.8《纤维水分测定仪》、00209908.X《新型快速水分测定仪》、03235285.9《电容式物料水分测定仪》、200420053196.2《微量水分测定仪》、2419596Y《智能型水分测试装置》、2098685U《狭槽式棉纤维水分电测探头》、2205554Y《多功能射频电容式水分测定仪》、93212522《电容式物质水分测定仪》、93235926.4《宽温低功耗粮食水分测量仪》、95201164.6《分体式电脑水分速测仪》、96206503.X《粮食在线水分测定仪》、96246614.X《粮食水分多点在线检测仪》等已从纤维、粮食、固体物料等方面，利用电容法或射频电容法进行了研究，但普遍都把重点放在硬件层次，且水分测量的范围、精度、实时测量都有限制，无法达到智能化的测试要求。

其中专利93237320.8《纤维水分测定仪》中，采用的是电容法测量，利用单片机进行数据处理，而后进行温度修正；而专利2098685U《狭槽式棉纤维水分电测探头》则主要是对传感器的探头作了进一步研究；对其他电容式测量含水率，则主要是针对粮食、烟叶、茶叶、石油、颗粒物等的水分检测，且数据处理大都采用单片机进行，即使考虑到温度，也只属于修正的范畴。

三、发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足之处而提供一种利用容抗法测量含水率时，不但测量介电常数、环境温度，而且考虑到棉纤维质量，并利用这三个参数的数据融合，基于LABVIEW虚拟软件平台，构建棉纤维的水分检测系统。

就实现上述目的本发明的技术方案为：

棉纤维水分智能检测系统，包括信号发生器模块，数字式温度传感器，容抗式传感器，数据调理电路模块，其特征是：还有数据采集卡、及上位计算机；信号发生器输出线连接并作用于电容传感器，同时将电容、温度、极板间距离测量三者输出信号接到数据调理电路模块的输入端，再将经数据调理电路模块放大处理的信号接到并输入数据采集卡，由数据采集卡采集数据调理后的信号，并传送到上位计算机中；由上位计算机软件平台进行数据处理，并实时地计算与显示出棉纤维的含水率。

所述计算机为外接上位计算机，同时安装了LABVIEW虚拟仪器软件。

所述数据调理电路模块是为了将三维的数据进行滤波放大调理，并满足数据采集卡的输入要求。

本发明棉纤维水分智能检测系统，突出的实质性特点在于：它利用容抗法测量含水率，不但可测量其介电常数，还要测量环境温度、极板间的距离计算质量，并以三者进行数据融合，提高计算棉纤维含水率的精度，同时利用虚拟仪器平台提高了实时处理性能。另外，可以进一步使得棉纤维水分检测实现远程在线控制和数据共享。

本发明采用了多个传感器(电容传感器，温度传感器，霍尔线性传感器)，并且由模拟输入前端数据调理电路模块经数据采集卡与PC机相连，实现了同时测量电容电压，温度电压，极板间距离(用于棉纤维质量估计)，测量精度高，能对棉纤维含水率进行准确的计算和实时地显示。显著的有益效果是：

1、利用计算机强大的软硬件资源，可以进行比较好的数据预处理，同时也可提高测量的分辨率和准确性；

2、不仅可以对数据进行实时采集，也可以对采集的数据进行实时保存、回放、处理和显示；

3、由于采用了多传感器信息融合技术，使得对棉纤维含水率的计算更加准确和可靠；

4、可以进一步通过互联网实现远程检测、控制和监测，从宏观上掌握各地棉纤维含水状况。

四、附图说明

图1为本发明棉纤维水分检测系统原理框图；

图2为本发明棉纤维水分检测系统中的数据调理电路模块总体设计图；

图3为本发明棉纤维水分检测系统中的软件平台流程图；

五、具体实施方式

本发明棉纤维水分检测系统原理框图，如图1所示。信号发生器作用于电容传感器，将电容、温度、霍尔线性传感器三者接到数据调理电路模块，再经数据采集卡，传入到上位计算机。

1、信号发生器模块：

当频率为10KHz～20KHz时，仪器对纤维所含水分变化的反应最灵敏，而当频率为10KHz时，仪器测试结果的再现性和稳定性最好，故选取10kHz频率的信号发生器，为了保证信号发生器的稳定性，保证测试结果的精度，根据尽量采用集成电路的原则，选取MAXIM公司生产的高频波形发生器MAX038。

MAX038是高频率、高精度函数信号发生器。配用很少的外部元器件它就可以产生精确、高频率的三角波、锯齿波、正弦波、方波、脉冲波形等信号。利用内部2.5V电压作参考，配以外部的电阻及电容可实现输出频率0.1Hz～20MHz，占空比可调节范围为15％～85％，且占空比和频率的调节可以独立控制；通过设置两个TTL兼容的选择管脚，还可实现不同波形的输出信号，输出具备低阻抗缓冲(0.1Ω)、低失真度(0.75％)和低温度漂移(200ppm/℃}。TTL兼容的SYNC管脚连接一个内部振荡器，输出50％占空比的不同波形信号。

MAX038内部有一个TTL/CMOS相位检测器，能构成锁相环PLL电路，这样可用外部信号同步MAX038的输出信号，且性能稳定。

2、传感器：

棉纤维测试采用电极板式传感器，其用于纤维水分测量时稳定性和准确性最佳。详细设计过程如下：将一块极板固定在一个小木箱的一面内侧，另一极板为活动极板，检测时将一定重量的纤维置于两极板之间，利用弹簧压力将两极板压紧。由于纤维材料的重量一定且每次压缩弹簧的长度一定，故给予纤维材料的压力可以保持一定，使得每次测试时纤维与极板的真实接触面积基本不变，从而可稳定测试结果的再现性。

(1)电容测量

将两极板压紧后，从极板引出电路，构成电容检测电路；

(2)温度测量

测量棉花水分必须消除温度的影响，因此测量棉花温度是其中一个重要环节。测温电路采用的是AD590芯片。AD590是一种可以实现温度电流转换的传感器，它是一个恒流源，电流只随温度变化，由于这种变化是线性的，所以只要知道两点温度和电流值就可以标定出温度，给标定和计算带来很大的方便。

根据实验，在0℃～40℃的温度范围内，AD590的电流最低小于0.2mA，最高大于0.3mA，串上一个10k的电阻，就可以得到2～3V的输出电压，但考虑到要增加测试仪的灵敏度，需要将这个范围的电压扩展到0～5V--AD转换的电压范围。

(3)极板间距离测量(用于棉纤维质量估计)

由于在现有仪器箱压紧时棉花基本能平均分布在极板上，因此只要测量极板距离即可以估算出棉花质量，从而进行质量融合。

对距离测量采用了霍尔线性传感器3503U。在活动极板上放置磁铁，在固定极板上放置3503U。在活动极板压缩过程中，3503U的输出管脚的电流将随距离改变而线性的改变，其特性与AD590对温度的特性是相似的。在活动极板压缩到指定压力以后，测量此时的输出电流就可以得到极板间的距离。其设计与温度测量基本相同。

3、数据调理电路模块

本发明棉纤维水分检测系统中的数据调理电路模块总体设计图，如图2所示。由MAX038构成的信号发生器输出电压幅值在±1V，经过电容检测电路，信号电压将会变得更小，变化倍数取决于被检测电容；而数据采集卡的输入电压最小也为5V，这使得前后电路间电压不匹配；同时考虑到棉纤维的频率，一般在10KHz～20KHz之间最敏感，因此必须滤除要求频带之外的频率，减小噪声的干扰，为了满足这二者的要求，需要做一调理电路，将电容电压、温度电压及板间距离的三维测量，对数据采集卡进行匹配。

该数据调理电路模块主要由前置放大电路、带通滤波器、后置放大电路组成，且放大电路放大倍数可调。带通滤波器下限截止频率为2kHz，上限截止频率为20kHz，数据调理电路模块的设计总体布局如表2所示。

4、数据采集卡

数据采集卡通常都是插卡式结构，即将DAQ卡插入PC相应的标准总线扩展插槽内，与PCI总线或ISA总线相连，就可在PC的控制下完成数据采集、模拟信号输出等功能。

Lab-PCI-6024E是NI公司E系列多功能数据采集卡之一，是一种性能优良的低价位的适合PC及其兼容机的采集卡。它能完成信号采集(A/D)、数字信号的模拟输出(D/A)及定时/计数等功能。它集12位A/D转换器，12位D/A转换器，16路单端接地的模拟输入通道、8位或24位并行输入输出线(5V/TTL)及两路24位定时器与计数器为一体。支持DMA方式和双缓冲区方式，保证了实时信号不间断采集与存储，具体功能如下。

(1)模拟信号输入部分

a、输入通道：16路单端接地的模拟输入通道。

b、信号的输入方式：差动方式、单端有参考地、单端无参考地。

c、增益：设有0.5，1.0，10.0和100.0，四种增益可选。

d、输入电压范围：±50V，±500V，±5V，±10V单、双极性各有四档可选。

(2)A/D转换部分

a、采样速率：最高采样率为200kHz。

b、位数：12位。

(3)D/A转换部分

a、分辨率：12位。

b、标称满量程：[-10，10]V。

c、响应时间：10μs。

5、软件平台

虚拟仪器技术是20世纪90年代诞生于美国的新技术，它的出现被誉为“测控技术的革命”和“21世纪的技术”，它的主要技术特点是用软件代替硬件制成各种仪器或设备，以完成各种测量与控制功能，有“软件就是仪器”之说。虚拟仪器完全变成了一种“微机化仪器”，它的硬件部分只有一个数据采集卡，实现被测量的信号由模拟量到数字量的转换，整个仪器完全建立在一台计算机的基础上，仪器的其它功能，如数据处理、计算、分析、显示、存储和输出等，完全通过软件编程来完成。

本发明棉纤维水分检测系统中的软件平台流程图，如图3所示。用户首先启动测量控制软件，并进行相应的数据采集卡配置；测量控制软件启动采集各传感器的信号，并将信号存入内部数据库中；多传感器信息融合软件模块将各传感器的信号进行融合，并将融合后的信号也存入内部数据库中；将融合后的信号与各传感器信号进行数学处理，得出棉纤维含水率与各传感器信号之间的数学模型；利用数学模型对将要输入的各传感器信号，实时计算并显示棉纤维含水率。

基于虚拟仪器技术的棉纤维水分检测的主要特点都体现在软件上，它采用LABVIEW软件开发平台提供的G语言编程，系统的数据处理、分析、计算、数据存储、显示及通信等功能全部通过软件实现。软件的主要流程模块如图3所示：虚拟仪器程序首先从数据采集卡读入数字信号，然后对采集的数字信号进行数字滤波、加窗等数据预处理，最后对这些信号进行数据存储、回放、数据融合处理和棉纤维含水率计算。主要功能有：

(1)数据存储：对采集数据进行保存，并备份以便保留历史纪录；

(2)数据回放：可以对某时某地棉纤维数据进行调用处理；

(3)数据融合处理：利用各种数学处理方法对出具进行处理，如二维的曲面拟合法，多维的神经网络法等处理，得出数学模型；

(4)棉纤维含水率计算及实时显示：对每次采集的电容电压、温度电压、极板间距离三维数据，都能实时地计算出棉纤维含水率。

值得一提的是，软件实现的这些功能是模块化的，即先完成数据采集，才能进行数据的保存、回放、处理和显示；进行完数据融合处理后，同样也可进行保存、回放和显示等操作。

Claims (6)

1、一种棉纤维水分智能检测系统，包括信号发生器模块，数字式温度传感器，容抗式传感器，霍尔线性传感器，数据调理电路模块，其特征是：还有数据采集卡与上位计算机；信号发生器输出线连接并作用于电容传感器，同时将电容、温度、极板间距离三者测量输出信号接到数据调理电路模块的输入端，再将经数据调理电路模块放大处理的信号接到并输入数据采集卡，由数据采集卡采集数据调理后的信号，并传送到上位计算机中；由上位计算机软件平台进行数据处理，并实时地计算与显示出棉纤维的含水率。

2、根据权利要求1所述的棉纤维水分智能检测系统，其特征是：所述的计算机为外接上位计算机，同时安装了LABVIEW虚拟仪器软件。

3、根据权利要求1所述的棉纤维水分智能检测系统，其特征是：所述的信号调理电路模块是为了将三维的数据进行滤波放大调理，并满足数据采集卡的输入要求。

4、根据权利要求1所述的棉纤维水分智能检测系统，其特征是：所述的容抗式传感器采用电极板式传感器，将一块极板固定在一个小木箱的一面内侧，另一极板为活动极板，检测时将一定重量的纤维置于两极板之间，利用弹簧压力将两极板压紧。

5、根据权利要求2所述的棉纤维水分智能检测系统，其特征是：所述的计算机为外接上位计算机，同时安装了LABVIEW虚拟仪器软件；用户首先启动测量控制软件，并进行相应的数据采集卡配置；测量控制软件启动采集各传感器的信号，并将信号存入内部数据库中；多传感器信息融合软件模块将各传感器的信号进行融合，并将融合后的信号也存入内部数据库中；将融合后的信号与各传感器信号进行数学处理，得出棉纤维含水率与各传感器信号之间的数学模型；利用数学模型对将要输入的各传感器信号，实时计算并显示棉纤维含水率。

6、根据权利要求5所述的棉纤维水分智能检测系统，其特征是：所述的LABVIEW虚拟仪器软件，首先利用数据采集卡读取测量信号，然后对采集的数字信号进行数字滤波、加窗等数据预处理，最后对这些信号进行数据存储、回放、数据融合处理和棉纤维含水率计算。主要功能有：

(1)数据存储：对采集数据进行保存，并备份以便保留、查询历史纪录；

(2)数据回放：可以对某时某地棉纤维数据进行调用处理；

(3)数据融合处理：利用各种数学处理方法对测量数据进行处理，得出数学模型；

(4)棉纤维含水率计算及实时显示：对每次采集的电容电压、温度电压、极板间距离三维数据，都能实时地计算出棉纤维含水率。