一种非接触式冬笋探测装置和方法与流程

本发明涉及地下农作物探测技术领域，特别涉及一种非接触式冬笋探测装置和方法。

背景技术：

冬笋是立秋前后由毛竹(楠竹)的地下茎(竹鞭)侧芽发育而成的笋芽，因尚末出土，笋质幼嫩，是一道人们十分喜欢吃的菜肴。另外，冬笋的营养价值很高，素有“金衣白玉，蔬中一绝”的美誉。但是，由于其在次年春暖之前不会钻出地面，因此挖掘难度较高。人们只能依靠地表是否有隆起与开裂的特征，竹叶偏向等经验进行判断，这就导致挖笋人经常判断错误，误伤竹笋地下茎，影响竹笋的发育和竹笋的产量，且费劳费力效率又低。

目前，已有的电阻式或者电导率式的冬笋探测仪需要将多跟探针插入地下。例如申请公布号cn102788996a的专利文献公开了一种电阻式冬笋探测器，由蓄电池直流供电电路、接地电阻探测电路、单片机控制电路、数码管显示电路和声光告示电路组成；还有壳体，壳体上的数码管显示屏、发声器或发光器、存储按钮、显示方式控制按钮和电源总开关；壳体底面装有正负极探针。该探测器具有自动处理相关数字和声光显示功能，适于起早摸黑、光线较暗时和视力不佳的笋农使用；探测可靠，避免乱挖使林地千疮百孔，掘断地下茎和挖碎笋体、影响笋与竹的产量的问题发生，挖笋工效高、操作简单，制作成本低。

又例如申请公布号cn104635279a的专利文献公开了一种分离式超声波和地阻互补冬笋探测仪，由蓄电池供电电路、超声波探测电路、单片机超声波滤波处理、接地电阻探测电路、单片机控制电路、led显示屏电路、超声波信号告示灯和电信号告示电路组成；玻璃钢板、玻璃钢板表面有接线柱、玻璃钢板底面装有正负极探针、负极探针上装有超声波接收器和斜对角的正极探针上装有超声波发射器；显示系统有led显示屏、

超声波告示灯、电信号告示灯和电源总开关。该冬笋探测仪专用于地下冬笋探测，适于冬笋种植个体户和企业；本探测仪具有探测精度高，挖笋效率高，操作简单，制作成本低，环境适应力强，能智能处理数据等优点。

但是上述装置易对冬笋和地下茎造成损伤，且每次探测都需要插拔探针，使用工序较为繁琐，费时费力。

技术实现要素：

本发明提供了一种非接触式冬笋探测装置，可以在不损害竹笋与地下茎的情况下有效地探测竹笋。

一种非接触式冬笋探测装置，包括产生探测信号的探测单元，显示单元，根据探测信号判断探测结果并将探测结果传动给显示单元的控制单元，所述探测单元包括产生磁场强度随时间变化的原生磁场的信号发射器以及接收原声磁场信号以及由原生磁场在土壤中诱导出的次生磁场信号的信号接收器。

并将原声磁场信号和次生磁场信号输送至控制单元，控制单元控制显示单元工作。

本发明采用非接触式的探测单元，通过土壤中磁场的变化判断是否有笋。

信号发射器产生磁场强度随时间变化的原生磁场，原生磁场随土壤深度的增加而逐渐减弱，变化的原生磁场使土壤中出现微弱的感应电流，从而诱导出次生磁场，信号接收器既接收原生磁场信息又接收次生磁场信息。由于冬笋表皮及其内部竹纤维等有机质阻碍电流传导会引起较低的电导率，故冬笋的电导率较周围土壤相比有突变，即冬笋周围的次生磁场信号与原声磁场信号的比值有变化，计算控制单元根据该变化信号设置阈值来实现控制显示单元报警显示有笋。

所述显示单元可以采用具有多种功能的人机交互系统，带有显示屏，可以快速有效地向用户显示探测结果。

为了提高检测的灵敏度和准确性，优选的，所述信号发射器和信号接收器的间距为40～80cm。进一步优选的，所述信号发射器和信号接收器的间距为60～80cm。进一步优选的，所述信号发射器和信号接收器的间距为40～60cm。为了避免反射电磁波的干扰，信号接收器需要离开信号发生端一定距离。同时，由于仪器检测的是信号发生端与信号接收端之间的土壤的平均电导率，因此两者间距也不宜过远，否则会导致竹笋检测灵敏度降低，甚至检测不出来。

为了提高探测的准确性，优选的，所述信号发射器的工作频率为13khz～16khz。由于本发明装置是在野外使用的，电源电压一般为12v，常用为可充电锂电池，通常通过电压转换电路将12v电压转化为电压后给控制单元供电，通过逆变电路将12v直流电转换为交流电后供给信号发射器，设定上述工作频率可以产生足够强度的原生磁场，以提高检测效果。

为了简化结构和便于制造，优选的，所述信号发射器包括交变电流发生器以及发射线圈。优选的，所述信号接收器为接收线圈。所述信号发射器为发射线圈，由通过的交变电流产生磁场强度随时间变化的原生磁场，所述信号接收器为接收线圈，用于接收该位置由原生磁场诱导产生的次生磁场信号，次生磁场信号经过a/d转换后输入所述控制单元，经过计算判断后输出有无竹笋信号到显示单元上。

为了方便制造安装和携带，本发明还带有长度可调节的背带。

本发明还公开了一种非接触式冬笋探测方法，使用上述的非接触式冬笋探测装置，包括以下步骤：

步骤1：通过信号发射器在距离地面高度为2～5cm处产生磁场强度随时间变化的原生磁场；

步骤2：通过信号发射器在距离地面高度为2～5cm处接收原声磁场信号以及由原生磁场在土壤中诱导出的次生磁场信号；

步骤3：控制单元根据次生磁场信号和原声磁场信号与预设的阈值进行比较，判断探测地面是否有笋并探测结果传动给显示单元；

步骤4：显示单元显示是否有笋。

为了更便于计算以及提高准确性，优选的，步骤3中，控制单元根据次生磁场信号和原声磁场信号与预设的阈值进行比较的具体步骤为：

3-1、控制单元根据次生磁场信号和原声磁场信号计算目标电导率ec，计算公式如下：

其中，

ec为土壤表观电导率，单位s/m；

hs、hp分别为次生磁场和原生磁场强度；

f为发射频率，单位hz；

s为信号发射器和信号接收器的间距，单位m；

μ0为空检测场传导系数。

3-2、控制单元中设定的阈值a为(2～10)*10^-3s/m，阈值b为(1～2)*10^-3s/m，当计算得到的目标电导率ec满足条件b＜ec＜a时，控制单元判定为有笋，输出判断结果信号至给显示单元。

采用电磁感应原理测量目标电导率，进而判断是否有冬笋。信号发射器产生磁场强度随时间变化并随土壤深度的增加而逐渐减弱的原生磁场，变化磁场使土壤中出现微弱的感应电流，从而诱导出次生磁场，信号接收器既接收原生磁场信息又接收次生磁场信息。控制单元将信号接收器的输出信号转化为目标电导率。通常，原生磁场和次生磁场均是两端子间距、交流电频率和目标电导率的复杂函数，且次生磁场与原生磁场强度的比值与电导率呈直线关系。通过计算电导率来判断是否有笋可以提高准确性。这是由于冬笋表皮及其内部竹纤维等有机质阻碍电流传导会引起较低的电导率，故冬笋的电导率较周围土壤相比有突变。一般土壤电导率值大于20*10^-3s/m，冬笋电导率小于2*10^-3ss/m，而岩石的电导率几乎为0，小于本发明的检测精度，所以可以根据电导率可确定土壤中是否有冬笋。

本发明的有益效果：

本发明的非接触式冬笋探测装置结构简单，方便搬运和在测量中移动，便于野外使用；同时仪器操作简单，智能化程度高，在损害竹笋与地下茎的情况下即可有效地探测竹笋。

附图说明

图1是本发明的非接触式冬笋探测装置的结构示意图。

图2是本发明的非接触式冬笋探测装置的电路框线图。

图3是本发明的非接触式冬笋探测装置的测量原理图。

其中，1、信号接收器；2、信号发射器；3、箱体；4、背带；5、第一背带固定端；6、第二背带固定端；7、背带长度调节扣；8、操作按键；9显示器；10、电池充电口；11、人机交互系统；12、电源；13、电压转换电路；14、控制单元；15、a/d转换电路；16、逆变电路；17、土壤。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

如图1与2所示，本实施例的非接触式冬笋探测装置包括硬件部分与电路部分，其中，硬件部分包括箱体3、信号发射器2、信号接收器1、背带4、第一背带固定端5、第二背带固定端6、背带长度调节扣7和人机交互系统11；人机交互系统11包括显示器9、操作按键8以及电池充电口10。

电路部分主要包括电源12、电压转换电路13、控制单元14、a/d转换电路15、逆变电路16；电源12采用12v可充电锂电池，电压转换电路13将12v电压转化为5v电压后给控制单元14供电；逆变电路16将12v直流电转换为交流电后供给信号发射器2；交流电频率可在人机交互系统中设置改变，本发明工作频率为13khz～16khz；信号接收器1采集的信号经a/d转换电路15后输入控制单元14，控制单元14将采集到的数字信号进行数据处理和判断后通过人机交互系统11上的显示器9显示结果。电路部分置于箱体3内部，人机交互系统11位于箱体上方，与控制单元14相连，可以调节信号发射参数与显示有无冬笋信息。

背带4可拆卸，其两端分别装在第一背带固定端5和第二背带固定端6后方便搬运和移动，背带4可以通过背带长度调节扣7调节背带长度。本实施例中，第一背带固定端5和第二背带固定端6的间距为60cm。信号发射器2和信号接收器1的间距也为60cm。

如图3所示，本实施例采用电磁感应原理测量目标电导率进行探测。在本实施例中，信号发射器2(tx)产生磁场强度随时间变化并随土壤17深度的增加而逐渐减弱的原生磁场(hp)，变化磁场使土壤17中出现微弱的感应电流，从而诱导出次生磁场(hs)，信号接收器1(rx)既接收原生磁场信息又接收次生磁场信息。控制单元14将信号接收器1的输出信号转化为目标电导率。通常，原生磁场和次生磁场均是两端子间距、交流电频率和目标电导率的复杂函数，且次生磁场与原生磁场强度的比值与电导率呈直线关系，目标电导率可以表示为：

其中，ec为土壤表观电导率(s/m)；hs、hp分别为次生磁场和原生磁场强度；f为发射频率(hz)；s为信号接收器1和信号发射器2之间距离(m)；μ0为空检测场传导系数。

由于冬笋表皮及其内部竹纤维等有机质阻碍电流传导会引起较低的电导率，故冬笋的电导率较周围土壤相比有突变。一般土壤电导率值大于20*10^-3s/m，冬笋电导率小于2*10^-3s/m，且岩石的电导率几乎为0，小于本发明的检测精度，所以可以根据电导率可确定土壤中是否有冬笋。

本实施例中，控制单元14采用at89s51型51单片机，人机交互系统11中的按键8采用按键开关k1、k2、k3、k4，其分别连接在单片机的p1.0、p1.1、p1.2、p1.3口上。人机交互系统11中的显示器9采用qc12864b液晶显示屏，其datai/o口db0～db7分别接单片机的p0.0～p0.7口，rs、r\w、e、rst口分别接单片机的p2.0～p2.3口。逆变电路16由irfu020型金属-氧化物半导体场效应管(mosfet)的开关产生交流变化的电流，mosfet管直接由at89s51生成的pwm信号驱动，pwm信号由单片机的p2.7口输出。mosfet管的漏极接12v电源电压，源级接信号发射器1。a/d转换电路15采用8位低功耗模数转换器pcf8951，其中ain0口接信号接收器2，aout口接单片机p1.4引脚。电压转换电路13采用恒流降压芯片lm7805稳压输出5v直流电压。其中，vin均为12v锂电池输入电压，vcc为电压转换电路13转换后5v输入电压。

使用本实施例的探测装置探测冬笋时，其操作过程如下：

第一步，按下操作按键8中的电源开关，打开机器；

第二步，设置机器的工作频率；

第三步，提起背带4使信号发射器2与信号接收器1朝地面，并与地面距离2～5cm；

第四步，边寻找边观察显示器9，如发现冬笋，显示器9会提示，则可以挖开土壤，获取冬笋。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。