CN205404449U - 基于超宽带信号的粮食水分检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于超宽带信号的粮食水分检测系统，其包括超宽带信号发射机，超宽带信号接收机，其与所述超宽带信号发射机通讯连接，以及显控主机，其与所述超宽带信号发射机和所述超宽带信号接收机连接，包括粮食信息存储器；处理器，与所述超宽带信号发射机、所述超宽带信号接收机和所述粮食信息存储器数据连接，配置为得到超宽带信号的能量衰减量，与所述粮食信息存储器中的相同品种的粮食样品的超宽带信号的能量衰减量进行对比，得到相应的待测粮食的含水率；以及显示器，其与所述处理器连接，用于显示测检测粮食含水率的结果。本实用新型具有结构简单，正确率高，检测速度快等优点。

Description

基于超宽带信号的粮食水分检测系统

技术领域

本实用新型涉及农业产品的自动检测技术领域。更具体地说，本实用新型涉及一种粮食水分检测系统。

背景技术

粮食干燥是粮食安全储藏的重要环节，它是一个连续的生产过程，其流程是先将原粮食经处理后送入干燥塔，经过预热、干燥、缓苏，待冷却至常温，达到安全水分14％左右后排出干燥塔，然后送入粮仓进行储藏。粮食在被送入干燥塔前的含水率以及从干燥塔输送出来的实际含水率需要做到实时检测。同时，在粮仓储藏的过程中随着空气的温度和湿度的变化，粮食的含水率也会发生变化，这就需要一种可以实时检测粮仓内粮食含水率的系统。目前，粮食水分的检测方法有称量法和红外线照射法，称量法是利用各种称衡器对粮食的质量进行称量，此方法均为手动检测不能实现实时在线检测，费时且误差大；另外，受粮仓体积的制约无法实现。而红外线照射法只能对粮食的表面的水分进行检测，得出的结果非常的不准确。因此，目前的粮食含水率检测的方法有很大的缺陷。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本实用新型还有一个目的是提供一种利用特定频率的超宽带信号穿透粮食并实时检测粮食水分的系统。

为了实现根据本实用新型的这些目的和其它优点，提供了一种基于超宽带信号的粮食水分检测系统，超宽带(UltraWideBand)技术是发送和接收占空比很低的冲激脉冲(ns级宽度)，从而获得GHz量级带宽的传输技术，在3.01-10.6GHz频带内，功率谱密度仅为75nW/MHz。所用脉冲信号频率较高，波长较短，检测分辨率高，可以实现目标物体信息的精确检测，穿透能力强，适应非金属粮食输送带或各种粮仓内部检测条件，包括：

超宽带信号发射机，包括：

信号产生器，其配置为产生固定频率的射频信号；

与所述信号产生器连接的信号调制器，其配置为将脉冲信号与所述射频信号相乘，输出超宽带信号；以及

与所述信号调制器连接的信号放大器，其配置为放大超宽带信号的输出幅度；

超宽带信号接收机，其与所述超宽带信号发射机通讯连接，包括：

信号变换器，其配置为将接收到的超宽带信号变频至70MHz中频信号；以及

模数转换器，其与所述信号变换器连接，配置为将70MHz中频信号变换为数字信号；以及

显控主机，其与所述超宽带信号发射机和所述超宽带信号接收机连接，包括

粮食信息存储器，其配置为储存粮食样品含水率与超宽带信号的能量衰减量的关联；

处理器，与所述超宽带信号发射机、所述超宽带信号接收机和所述粮食信息存储器数据连接，配置为对所发射的超宽带信号与所接收的超宽带信号的幅度进行差值运算，得到超宽带信号的能量衰减量，与所述粮食信息存储器中的相同品种的粮食样品的超宽带信号的能量衰减量进行对比，得到相应的待测粮食的含水率；以及

显示器，其与所述处理器连接，用于显示测检测粮食含水率的结果。

优选地，所述超宽带信号发射机还包括容纳所述信号产生器、所述信号调制器以及所述信号放大器的第一金属壳体。

优选地，所述超宽带信号发射机还包括设置在所述第一金属壳体外部的第一微带天线，其与所述信号放大器连接，配置为将放大后的超宽带信号发送至所述超宽带信号接收机。

优选地，所述第一微带天线外部设有封闭的第一塑料罩体。

优选地，所述超宽带信号接收机还包括容纳所述信号变换器和所述模数转换器的第二金属壳体。

优选地，所述超宽带信号接收机还包括设置在所述第二金属壳体的外部的第二微带天线，配置为将获取到的超宽带信号发送至所述超宽带信号接收机。

优选地，所述第二微带天线外部设有封闭的第二塑料罩体。

本实用新型至少包括以下有益效果：

1、信号放大器的作用在于将载波发生器产生的小幅度信号放大为满足测试的大幅度信号，

2、信号调制器的作用在于将连续波载波信号变化为超宽带脉冲信号；

3、把信号变频至70MHz，有利于信号处理单元实现将模拟信号变换为数字信号；

4、微带天线具有结构小巧，容易集成、方向性好的优点，能够将超宽带信号发射出去，也便于接收器接收穿过粮食的脉冲信号。

5、将超宽带信号产生器和超宽带信号接收器的外壳设置为金属外壳，能够屏蔽内部微波信号泄露干扰外部其他设备，也保护内部电路板和电子元器件或部件不暴露在水汽和潮湿环境下而安全工作。另外金属外壳的设备便于固定安装。

6、在第一微带天线和第二微带天线的外部设置封闭的塑料罩体，既能够使信号发射出去，也能够防止粮食挤压导致设备损坏。

与现有技术比，本实用新型突破性地发现了特定频率超宽带信号在粮食水分检测能够保持稳定且较高的正确率，并且进一步针对不同类型的粮食细分了不同的频率，进一步增强了粮食水分检测的可靠性，本实用新型可以实现我国仓储粮食行业对粮情实时、精确的监测，该系统具有实用性和高性价比，而且结构简单、易于操作，填补我国仓储粮食行业对粮食水分检测技术上的空白。

本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本实用新型的粮食水分检测系统的结构框图；

图2为本实用新型的超宽带信号发射器的外观示意图；

图3为本实用新型的超宽带信号接收器的外观示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本实用新型的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，并不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型的实用新型机理

一定宽度的脉冲微波信号发射出去时，信号幅度(即能量)是固定的，发射电路中采用了稳幅电路保证在-30～+50℃温度范围发射信号幅度波动小于0.05dBm，相位也是确定的，这种信号穿过一定厚度的粮食后，信号能量会有一定衰减。粮食含水量的不同，会使得信号能量的衰减值不一样。超宽带信号产生器和接收器的安装位置一般是固定的，设备间无粮食和有粮食时均要对信号幅度的变化进行一定时间的测试，这些变化量利用电路处理后输出的是模拟电压值，由模拟转数字电路进行量化后可作为初始测量值，然后利用机械方法抽样测定待测量粮食的水分含量，将这些测试值作为初始校准值写入数据库，实际对应了初始测量的粮食水分含量，这个工作量很大，这种方法将要建立我国粮食水分特征分类库，也是消除粮食因体积变化造成的误差。后续测试时，将能量的变化与前述测试的结果进行差值化处理，即可得出当前粮食的水分含量百分比。每个发射器发射的信号均携带了位置信息，接收器解调后可确认发射器的具体位置，由此可由处理器确定何处的粮食水分含量多少。该算法就是信号幅度变化的差值算法。对应的接收器接收的信号相位变化仅作为修正系数，不同的粮食品种相位变化不一样的。虽然现有文献有记载采用频率为100MHz-10GHz的微波能够检测水分含量，但大部分是根据公式

$M=(W-|\mathrm{\τ}\left|e^{-2a_{B}t}\cos 2\mathrm{Bt}\right)/8.686a_B\mathrm{\ρ}\′\mathrm{kt}$ 进行的推测，其中，M为所求的被检测粮食的含水量，W为超宽带冲激脉冲信号的能量衰减量，α_B为水的介电常数，ρ＇为水和粮食的密度差，t为被测粮食颗粒的厚度，|τ|为空气与被测物之间的反射系数的模，B为超宽带脉冲信号穿过含水物质的相位差，k为校正常量，不同粮食品种不一样，需要现场抽样测试确定，该公式仅仅是一个理论下成立的公式，而在实际应用中，不同的微波频率在穿越粮食颗粒后的衰减是有区别的，大部分频率的微波在穿过不同水分的粮食后衰减量是不存在线性关系的，并不能直接利用在粮食水分的测试中。

如图1-3所示，本实用新型根据长时间的试验，提供一种基于超宽带信号的粮食水分检测系统，超宽带(UltraWideBand)技术是发送和接收占空比很低的冲激脉冲(ns级宽度)，从而获得GHz量级带宽的传输技术，在3.01-10.6GHz频带内，功率谱密度仅为75nW/MHz。所用脉冲信号频率较高，波长较短，检测分辨率高，可以实现目标物体信息的精确检测，穿透能力强，适应非金属粮食输送带或各种粮仓内部检测条件。

超宽带信号发射机，包括：

信号产生器，其配置为产生固定频率的射频信号；

与所述信号产生器连接的信号调制器，其配置为将脉冲信号与所述射频信号相乘，输出超宽带信号；以及

与所述信号调制器连接的信号放大器，其配置为放大超宽带信号的输出幅度；

超宽带信号接收机，其与所述超宽带信号发射机通讯连接，包括：

信号变换器，其配置为将接收到的超宽带信号变频至70MHz中频信号；以及

模数转换器，其与所述信号变换器连接，配置为将70MHz中频信号变换为数字信号；以及

显控主机，其与所述超宽带信号发射机和所述超宽带信号接收机连接，包括

粮食信息存储器，其配置为储存粮食样品含水率与超宽带信号的能量衰减量的关联；

处理器，与所述超宽带信号发射机、所述超宽带信号接收机和所述粮食信息存储器数据连接，配置为对所发射的超宽带信号与所接收的超宽带信号的幅度进行差值运算，得到超宽带信号的能量衰减量，与所述粮食信息存储器中的相同品种的粮食样品的超宽带信号的能量衰减量进行对比，得到相应的待测粮食的含水率；以及

显示器，其与所述处理器连接，用于显示测检测粮食含水率的结果。

在一个实施例中，所述超宽带信号发射机还包括容纳所述信号产生器、所述信号调制器以及所述信号放大器的第一金属壳体1。

在一个实施例中，所述超宽带信号发射机还包括设置在所述第一金属壳体外部的第一微带天线，其与所述信号放大器连接，配置为将放大后的超宽带信号发送至所述超宽带信号接收机。

在一个实施例中，所述第一微带天线外部设有封闭的第一塑料罩体2。

在一个实施例中，所述超宽带信号接收机还包括容纳所述信号变换器和所述模数转换器的第二金属壳体3。

在一个实施例中，所述超宽带信号接收机还包括设置在所述第二金属壳体的外部的第二微带天线，配置为将获取到的超宽带信号发送至所述超宽带信号接收机。

在一个实施例中，所述第二微带天线外部设有封闭的第二塑料罩体4。

实施例1

在储存大米的粮仓的底部均匀放置10个本实用新型中的超宽带信号产生器，在粮仓的顶部放置1个超宽带信号接收器，将处理器和超宽带信号产生器、超宽带信号接收器和粮食信息数据库数据连接，首先采用标准的机械或红外检测仪器等采集几组本粮仓同批次下的大米样品的含水率，同时测试大米样品在本水分检测系统运行下的含水率，将对应数据写入粮食信息数据库中，随后运行粮仓中的超宽带信号产生器，发射超宽带信号穿过待测粮食；超宽带信号接收器接收穿过待测粮食的超宽带信号；处理器对接收到的超宽带信号去噪、滤波处理，计算超宽带信号的能量衰减量；并该超宽带信号的能量衰减量，与粮食信息数据库中的能量衰减量数据进行对比，得到相应的粮食含水率，即为该超宽带信号产生器处的待测粮食的含水率，随后将所得的10个粮食含水率取平均值，即为该粮仓内的平均含水率。

本实用新型的工业实用性

1、信号放大器的作用在于将载波发生器产生的小幅度信号放大为满足测试的大幅度信号，

2、信号调制器的作用在于将连续波载波信号变化为超宽带脉冲信号；

3、把信号变频至70MHz，有利于信号处理单元实现将模拟信号变换为数字信号；

4、微带天线具有结构小巧，容易集成、方向性好的优点，能够将超宽带信号发射出去，也便于接收器接收穿过粮食的脉冲信号。

5、将超宽带信号产生器和超宽带信号接收器的外壳设置为金属外壳，能够屏蔽内部微波信号泄露干扰外部其他设备，也保护内部电路板和电子元器件或部件不暴露在水汽和潮湿环境下而安全工作。另外金属外壳的设备便于固定安装。

6、在第一微带天线和第二微带天线的外部设置封闭的塑料罩体，既能够使信号发射出去，也能够防止粮食挤压导致设备损坏。

与现有技术比，本实用新型突破性地发现了特定频率超宽带信号在粮食水分检测能够保持稳定且较高的正确率，并且进一步针对不同类型的粮食细分了不同的频率，进一步增强了粮食水分检测的可靠性，本实用新型可以实现我国仓储粮食行业对粮情实时、精确的监测，该系统具有实用性和高性价比，而且结构简单、易于操作，填补我国仓储粮食行业对粮食水分检测技术上的空白。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种基于超宽带信号的粮食水分检测系统，其特征在于，包括：

超宽带信号发射机，包括：

信号产生器，其配置为产生固定频率的射频信号；

与所述信号产生器连接的信号调制器，其配置为将脉冲信号与所述射频信号相乘，输出超宽带信号；以及

与所述信号调制器连接的信号放大器，其配置为放大超宽带信号的输出幅度；

超宽带信号接收机，其与所述超宽带信号发射机通讯连接，包括：

信号变换器，其配置为将接收到的超宽带信号变频至70MHz中频信号；以及

模数转换器，其与所述信号变换器连接，配置为将70MHz中频信号变换为数字信号；以及

显控主机，其与所述超宽带信号发射机和所述超宽带信号接收机连接，包括

粮食信息存储器，其配置为储存粮食样品含水率与超宽带信号的能量衰减量的关联；

处理器，与所述超宽带信号发射机、所述超宽带信号接收机和所述粮食信息存储器数据连接，配置为对所发射的超宽带信号与所接收的超宽带信号的幅度进行差值运算，得到超宽带信号的能量衰减量，与所述粮食信息存储器中的相同品种的粮食样品的超宽带信号的能量衰减量进行对比，得到相应的待测粮食的含水率；以及

显示器，其与所述处理器连接，用于显示测检测粮食含水率的结果。

2.如权利要求1所述的基于超宽带信号的粮食水分检测系统，其特征在于，所述超宽带信号发射机还包括容纳所述信号产生器、所述信号调制器以及所述信号放大器的第一金属壳体。

3.如权利要求2所述的基于超宽带信号的粮食水分检测系统，其特征在于，所述超宽带信号发射机还包括设置在所述第一金属壳体外部的第一微带天线，其与所述信号放大器连接，配置为将放大后的超宽带信号发送至所述超宽带信号接收机。

4.如权利要求3所述的基于超宽带信号的粮食水分检测系统，其特征在于，所述第一微带天线外部设有封闭的第一塑料罩体。

5.如权利要求4所述的基于超宽带信号的粮食水分检测系统，其特征在于，所述超宽带信号接收机还包括容纳所述信号变换器和所述模数转换器的第二金属壳体。

6.如权利要求5所述的基于超宽带信号的粮食水分检测系统，其特征在于，所述超宽带信号接收机还包括设置在所述第二金属壳体的外部的第二微带天线，配置为将获取到的超宽带信号发送至所述超宽带信号接收机。

7.如权利要求6所述的基于超宽带信号的粮食水分检测系统，其特征在于，所述第二微带天线外部设有封闭的第二塑料罩体。