基于驻波率原理的玉米果穗含水率测量装置的制作方法

本发明涉及粮食含水率检测技术领域，更具体地，涉及基于驻波率原理的玉米果穗含水率测量装置。

背景技术：

玉米是中国第二大粮食作物，在粮食生产中占有重要地位。玉米品种选育是我国玉米生产过程中的重要组成部分。在玉米收获时果穗含水率是决定玉米能否机械化采收的重要指标之一，其并直接影响收获后玉米的干燥时间和品质。因此，玉米果穗含水率测量对于选育成熟期脱水速率快、收获期含水率低的玉米品种具有重要意义。

由于玉米果穗形态各异，含水率相对复杂，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。现有玉米果穗水分检测的标准方法是通过干燥法或化学法直接去除玉米果穗中的水分来计算出绝对含水量。其中干燥法主要包括电烘箱法、红外线加热干燥法、微波干燥法；化学方法主要包括甲苯蒸馏法、卡尔·费休法。这种采用标准法测量玉米果穗含水率的方法，其精度高，但需要制备以及破坏样本，耗时费电，只适用于实验室测量，且无法实现批量快速、在线检测。

近年来，随着智能传感技术和计算机技术的迅速发展，出现了玉米水分快速、在线检测方法。这些检测方法是通过测量与水分相关的物理量(如电导率、磁导率和介电常数等)，间接地检测出玉米果穗的含水率。主要有：电阻法、电容法、红外射线法、微波法、核磁共振法、中子法等。但各有局限性，电阻法和电容法测量精度不高，易受外界环境因素的影响；红外射线法穿透力受限，且仪器价格较高；微波法仪器设备复杂、昂贵；核磁共振法和中子法设备昂贵，保养费用大，并需要精确标定。

针对上述的技术问题，为实现玉米果穗含水率的快速、无损检测，亟待设计一种快速检测玉米果穗含水率的装置。

技术实现要素：

本发明提供一种成本低、可实现无损测量、且测量准确快速的基于驻波率原理的玉米果穗含水率测量装置和方法，以解决现有玉米果穗含水率测量不准确、测量周期长及无法实现无损测量的缺陷。

根据本发明的一个方面，提供一种基于驻波率原理的玉米果穗含水率测量装置，其特征在于，其包括:高频信号发生器、集总参数传输线、两个探测环、两个检波电路和信号放大电路，所述的高频信号发生器通过集总参数传输线与所述的两个探测环相连，所述的一个检波电路的输入端与所述的高频信号发生器的输出端相连，并使其另一个所述的检波电路与所述集总参数传输线的输出端相连，所述信号放大电路的输入端分别与所述的两个检波电路相连接。

在上述方案的基础上优选，所述的高频信号发生器为正弦波晶体振荡器。

在上述方案的基础上优选，所述的检波电路为两个相同的半波整流电路。

在上述方案的基础上优选，所述的信号放大电路为差动放大电路。

在上述方案的基础上优选，所述的两个探测环装设在一支架台上，且所述的支架台包括底板、安装在该底板上的支架，所述的两个探测环间隔平行式装设在所述的支架上。

在上述方案的基础上优选，所述的探测环包括呈开口状的圆环，所述圆环的开口端通过一锁紧螺钉相连。

在上述方案的基础上优选，所述的支架由若干可拆卸的分段杆相连。

在上述方案的基础上优选，所述的支架为塑料杆。

在上述方案的基础上优选，所述的两个探测环外还设有一保护罩，所述的保护罩由两个呈空心状的半圆柱铰接而成。

本发明还提供了一种基于驻波率原理的玉米果穗含水率测量方法，其特征在于，其包括以下步骤：

a1.高频信号发生器产生高频电磁波，经集总参数传输线传递至探测环；

a2.获取集总参数传输线的输入端与输出端两侧电压差；

a3.基于集总参数传输线上的电压差与玉米果穗含水率的数学模型，获取当前检测玉米果穗的含水率。

在上述方案的基础上优选，所述的集总参数传输线上的电压差与玉米果穗含水率的数学模型的计算公式如下:

y＝0.3707x+0.03；

其中，x表示集总参数传输线上的电压差，y表示玉米果穗含水率。

本发明提出一种基于驻波率原理的玉米果穗含水率测量装置，利用被测介质的介电常数随玉米果穗含水量变化而变化的驻波原理测定玉米果穗的含水率。测量时，将待测玉米果穗通过两个探测环予以固定，高频信号发生器产生高频电磁波后，沿集总参数传输线传送至两个探测环处，由于探测环内玉米果穗的阻抗与集总参数传输线的阻抗不匹配，这就导致一部分信号发生反射，使得高频电磁波的入射波与反射波在集总参数传输线上叠加形成驻波；检测电路通过获取高频信号发生器产生的电磁波信号与经过集总参数传输线后的电磁波信号之差，并将其转化为直流电压信号发送至信号放大电路，经过信号放大电路进行调零和放大输出，利用集总参数传输线上的电压差与玉米果穗含水率的数学模型，获取当前检测玉米果穗的含水率。

本发明的一种基于驻波率原理的玉米果穗含水率测量装置，其结构简单、制作成本低廉，且无须破损玉米果穗便可实现对玉米果穗含水率的快速准确测量，测量效率高，便于使用与推广。

附图说明

图1为本发明的一种基于驻波率原理的玉米果穗含水率测量装置的结构框图；

图2为本发明的探测环的安装结构示意图；

图3为本发明的防护罩结构的打开状态图；

图4为本发明的集总参数传输线的等效电路图；

图5为本发明的一种基于驻波率原理的玉米果穗含水率测量方法的流程图。

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。

实施例一

请参阅图1所示，本发明的一种基于驻波率原理的玉米果穗含水率测量装置，其包括:高频信号发生器、集总参数传输线、两个探测环、两个检波电路和信号放大电路，高频信号发生器通过集总参数传输线与两个探测环相连，其中一个检波电路的输入端与高频信号发生器的输出端相连，并使其另一个检波电路与集总参数传输线的输出端相连，信号放大电路的输入端分别与两个检波电路相连接。

测量时，将待测玉米果穗通过两个探测环予以固定，高频信号发生器产生高频电磁波后，沿集总参数传输线传送至两个探测环处，通过其中一个正极探测环发射到外界后，经过待测玉米果穗后，再由另一个负极探测环予以接收。由于探测环内玉米果穗的阻抗与集总参数传输线的阻抗不匹配，这就导致一部分信号发生反射，使得高频电磁波的入射波与反射波在集总参数传输线上叠加形成驻波。

检测电路通过获取高频信号发生器产生的电磁波信号与经过集总参数传输线后的电磁波信号之差，并将其转化为直流电压信号发送至信号放大电路，经信号放大电路进行调零和放大输出，利用集总参数传输线上的电压差与玉米果穗含水率的数学模型，获取当前检测玉米果穗的含水率。

本发明的一种基于驻波率原理的玉米果穗含水率测量装置，其结构简单、制作成本低廉，且无须破损玉米果穗便可实现对玉米果穗含水率的快速准确测量，测量效率高，便于批量使用与推广。

实施例二

请参阅图1所示，本发明的一种基于驻波率原理的玉米果穗含水率测量装置，其包括:高频信号发生器、集总参数传输线、两个探测环、两个检波电路和信号放大电路，高频信号发生器通过集总参数传输线与两个探测环相连，其中一个检波电路的输入端与高频信号发生器的输出端相连，并使其另一个检波电路与集总参数传输线的输出端相连，信号放大电路的输入端分别与两个检波电路相连接。

本发明的高频信号发生器为正弦波晶体振荡器，且其发生的正弦电磁波的频率优选为100mhz的高频正弦波信号，以防止经衰减后的信号过于衰弱，影响测量的准确性。其中，本发明的检波电路为两个相同的半波整流电路，信号放大电路为差动放大电路。

实施例三

请参阅图1所示，本发明的一种基于驻波率原理的玉米果穗含水率测量装置，其包括:高频信号发生器、集总参数传输线、两个探测环、两个检波电路和信号放大电路，高频信号发生器通过集总参数传输线与两个探测环相连，其中一个检波电路的输入端与高频信号发生器的输出端相连，并使其另一个检波电路与集总参数传输线的输出端相连，信号放大电路的输入端分别与两个检波电路相连接。

为了提高测量系统的稳定性和测量结果的准确性，本实施例的两个探测环20分别装设在一支架台10上，且支架台10包括底板11、安装在该底板11上的支架12，两个探测环20间隔平行式装设在所述的支架12上。

进一步的，本发明的探测环包括呈开口状的圆环20，圆环20的开口端通过一锁紧螺钉21相连，使用时，针对穗粗不同的玉米果穗，可通过调节锁紧螺钉21改变圆环20直径，以固定玉米果穗，优选的，本发明的圆环20采用不锈钢材质的金属环。

为排除外界干扰信号对测量数据的影响，本发明在两个探测环外还设有一保护罩，保护罩由两个呈空心状的半圆柱铰接而成。使用时，保护罩可以打开呈180°，且该保护罩的内径为6.5cm，高度为8cm。当外界存在电磁干扰信号时，可将本发明的保护罩包裹在两个探测环表面，以达到排除外界电磁干扰信号的目的。其中，保护罩的结构如图3所示。

使用过程中，为了方便保护罩的安装和拆卸，本发明的支架12可采用若干可拆卸的分段杆相连接。如图2所示，本实施例中的支杆采用三节的分段杆拼接而成，且为了避免支架12对探测环的特征阻抗产生影响，而干扰检测数据的准确性，本发明的支架12采用塑料支架12。

实施例四

请参阅图1所示，本发明的一种基于驻波率原理的玉米果穗含水率测量装置，其包括:高频信号发生器、集总参数传输线、两个探测环、两个检波电路和信号放大电路，高频信号发生器通过集总参数传输线与两个探测环相连，其中一个检波电路的输入端与高频信号发生器的输出端相连，并使其另一个检波电路与集总参数传输线的输出端相连，信号放大电路的输入端分别与两个检波电路相连接。

本实施例中的集总参数传输线是由集总参数元件结合所构成，通过装配不同的元件可以调节集总参数传输线的特征阻抗，负载阻抗与传输线特征阻抗的匹配程度决定了驻波率的大小。其中，本发明的图4为集总参数传输线的等效电路图。

以下将结合图4所示的，本发明的集总参数传输线的等效电路图，介绍本发明的利用驻波率原理测量玉米果穗含水率测量的原理。

图4中的，zl表示两个探测环的阻抗(包括被测介质玉米果穗)，eg表示电源，rg表示电源的内阻。在考虑高频状态下分布电容、电抗的影响，在集总参数传输线上任意点处取微元dz，得其电压与电流的微分表达式

集总参数传输线的瞬时电压的解表达式为

u(z,t)＝acos(ωt)+aρcos(t-2βz)

上述公式中：a表示信号幅值，ρ表示反射系数，β表示相移系数，t表示时间，ω表示角频率；z表示传输线阻抗；

对于负载端(z＝0)，电压的峰值为

若在集总参数传输线的另一端选取时，集总参数传输线另一端电压的峰值为

当集总参数传输线的长度为波长的四分之一或其整数倍时，驻波的波峰与波谷恰好在同轴集总参数传输线的两端，则集总参数传输线两端的电位差为

上式中，zl为两个探测环的特征阻抗，zc为集总参数传输线的特征阻抗，a为高频正弦信号的幅值，为恒定值。在a恒定的情况下传输线两端的电位差uab正比于反射系数ρ，而传输线理论中的ρ又可用驻波率表示

由上述公式可以得出，玉米果穗的反射系数ρ与驻波率成正比，因此，可通过基于驻波率原理的方法来测量玉米果穗含水率测。

以下将结合图5所示，详细介绍本发明的一种基于驻波率原理的玉米果穗含水率测量方法。

本发明还提供了一种基于驻波率原理的玉米果穗含水率测量方法，其包括以下步骤：

a1.高频信号发生器产生高频电磁波，经集总参数传输线传递至探测环；

a2.获取集总参数传输线的输入端与输出端两侧电压差；

a3.基于集总参数传输线上的电压差与玉米果穗含水率的数学模型，获取当前检测玉米果穗的含水率。

使用时，通过高频信号发生器产生高频电磁波，高频电磁波经过集总参数传输线传递至探测环，经过玉米果穗后，由于玉米果穗的阻抗与集总参数传输线的阻抗不匹配，这就导致一部分信号发生反射，使得高频电磁波的入射波与其反射波在集总参数传输线上叠加形成驻波。

检测电路通过获取高频信号发生器产生的电磁波信号与经过集总参数传输线后的电磁波信号之差，并将其转化为直流电压信号发送至信号放大电路，经信号放大电路进行调零和放大输出，利用集总参数传输线上的电压差与玉米果穗含水率的数学模型，获取当前检测玉米果穗的含水率。

其中，本发明的集总参数传输线上的电压差与玉米果穗含水率的数学模型的计算公式如下

y＝0.3707x+0.03；

上述公式中，x表示集总参数传输线上的电压差，y表示玉米果穗含水率。

本发明提出一种基于驻波率原理的玉米果穗含水率测量装置，利用被测介质的介电常数随玉米果穗含水量变化而变化的驻波原理测定玉米果穗的含水率。测量时，将待测玉米果穗通过两个探测环予以固定，高频信号发生器产生高频电磁波后，沿集总参数传输线传送至两个探测环处，由于探测环内玉米果穗的阻抗与集总参数传输线的阻抗不匹配，这就导致一部分信号发生反射，使得高频电磁波的入射波与反射波在集总参数传输线上叠加形成驻波；检测电路通过获取高频信号发生器产生的电磁波信号与经过集总参数传输线后的电磁波信号之差，并将其转化为直流电压信号发送至信号放大电路，经过信号放大电路进行调零和放大输出，利用集总参数传输线上的电压差与玉米果穗含水率的数学模型，获取当前检测玉米果穗的含水率。

本发明的一种基于驻波率原理的玉米果穗含水率测量装置，其结构简单、制作成本低廉，且无须破损玉米果穗便可实现对玉米果穗含水率的快速准确测量，测量效率高，便于使用与推广。

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。