专利名称：基于压力传感器的粮仓储粮数量检测方法
技术领域：
本发明涉及一种粮库储粮数量与分布的检测方法，尤其是一种采用压力传感器实 现实时在线检测粮库储粮数量的基于压力传感器的粮仓储粮数量检测方法，属于检测技术 领域。
背景技术：
粮食是国家的三大战略资源之一，关系国计民生。保持相对充裕的粮食生产能力， 维持一定数量、品种和品质粮食的储备，直接关系国家安全、社会稳定与经济发展，粮食安 全包括数量上供应保证，即数量安全的问题，还有随环境污染与消费水平提高而日益重要 的质量安全问题。维持一定数量、品种和品质粮食的储备，是保证国家粮食安全必不可少的 措施，确保粮食品质安全和粮食数量安全是贯穿我国粮食工作始终的生命线，始终是中国 政府关心的头等大事。粮仓储粮数量的在线监测是确保粮食数量安全的关键手段，以保证国家粮食数量 的准确性和真实性。目前我国的粮食年产量已达5亿吨左右，其中稻谷年产量达1.8亿吨， 玉米年产量达1. 4亿吨，小麦年产量达1亿吨，据统计，我国目前共有各类粮库27000余家， 其中国有大中型粮库2000余家。为了实时准确地掌握我国国家粮食储备数量，为我国政府 处理国际、国内问题和制定政策提供重要数据支持，长期以来，国家每年都要进行的清仓查 库，这种粮仓储粮数量监测方式，不仅花费了大量的人力、物力，耗资巨大，每年都要数亿元 资金，且很难保证国家粮食储备数量检测的准确性和实时性。因此国家粮食储藏数量在线 监测问题一直是国家粮食主管部门亟待解决的重要问题，迫切需要开发方便、快捷、准确地 在线及网络化国家粮食储藏数量监测技术，研制相应的监测系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种检测速度快、准确性高的基于压力传感器的粮仓储粮数 量检测方法。为实现上述目的，本发明基于压力传感器的粮仓储粮数量检测方法步骤如下
(1)选定压力传感器、确定储存粮食的种类和粮仓仓型；
(2)在粮仓的底面和侧面分别布设压力传感器；
(3)确定模型系数印％，％ 若是有与所选压力传感器、粮食种类、粮仓仓型相同标定好的模型系数
则直接采 用，若是没有则需根据公式ΡΤ,Ι+ Α+Λ 对该种类型检测模型进行标定，求得模型系数
(4)根据粮仓底面压力传感器的输出值计算粮仓 面的平均压强 ，其中为粮堆底面传感器，g(4)为ii传感器的输出值，测量并求得粮仓底面面积，并根据公式= 得出粮仓底面的压力估计值Pp,其中，息为粮仓底面面积；
(5)根据粮仓侧面压力传感器的输出值计算出每行压力传感器的平均值ξ/%),再由侧 面传感器的行间距h和粮仓底面的周长,求出侧面压力估计值~ =
(6)根据粮仓重量计算模型If=H^测得相应的数据，计算得出粮仓储粮重量
If，其中￥ if Q为模型系数，矹、1^分别为粮仓底面、侧面压力估计值。进一步的，所述步骤(1)中粮仓仓型包括底面为矩形的平房仓、底面为圆形的浅圆 仓和深圆仓。进一步的，所述步骤(2)中底面压力传感器依粮仓地面积的大小设为8-12个，侧 面压力传感器依粮仓装粮高度设为4-10个。进一步的，所述步骤(2)中压力传感器的布设方式为平房仓底面传感器距粮仓 墙壁大于2米，按两行布设，各行压力传感器均勻分布，行距为1. 5米；浅圆仓和深圆仓的 底面传感器距粮仓墙壁大于2米，压力传感器沿两相互垂直的直径方向均勻分布，间距为 1. 5米；各仓型侧面压力传感器依装粮高度沿上下均勻分布，行间距大于1. 5米，列间距大 于1. 5米，顶部压力传感器距粮堆顶部大于1米。进一步的，所述步骤(3)中检测系统的标定首先选定若干个相同压力传感器、粮食 种类和粮仓仓型相同的粮仓，对于每个粮仓，安装压力传感器，然后逐步进粮并摊平，则可
以计算出一组粮仓粮食重量w，粮仓底面的压力估计值J^以及侧面估计压力值|^的实验数 据，可表示为数据元组 <變^>。进一步的，所述步骤(3)中还进一步估算通风设备的体积和粮食的比重，根据此比 重计算通风设备所占空间的粮食重量Prf,并将样本数据集数据修正为< F+IrffiH >,利 用所有粮仓的样本数据，通过多元线形回归，则可确定检测系统的系数％ fy夤。进一步的，所述步骤(6)中粮仓重量计算模型进一步修正为妒=,^+,^+^-·, 其中,i为粮仓通风设备所占空间的粮食重量。本发明的基于压力传感器的粮仓储粮数量检测方法，针对粮仓压力分布的随机性 特点，利用具有一定数量和一定分布的压力传感器，根据压力传感器的压强检测值的平均 值计算粮仓储粮数量，保证了粮仓储粮数量的可检测性以检测方法的简便性和准确性；并 且综合考虑粮仓粮食出入库的实际情况，给出了压力传感器的布置方式，给出了基于压力 传感器粮仓底面、侧面压力平均值的粮仓储粮数量的计算模型，使得本发明的检测方法测 量精度高、实用性强、检测成本低，可以满足在线实时检测全国粮库储粮数量与分布的实际 需求，为实时准确地掌握我国国家粮食储粮数量提供技术手段，为保障我国粮食安全服务。
图1是粮堆受力情况示意图2是本发明实施例的平房仓底面传感器布置示意图； 图3是本发明实施例的圆形仓底面传感器的布置示意图； 图4是本发明实施例的粮仓侧面传感器的布置示意4图5是本发明实施例的流程图。
具体实施例方式国家粮食储藏数量检测系统的核心在于如何方便、快捷、准确地获取粮库中各粮 仓中储粮数量，并有效检测储粮数量的变化。由于粮食价格便宜、数量大等特点，因此要求 储粮数量的检测设备成本低、价格便宜，检测速度快、准确性高等。基于这些要求，本发明提 出的基于压力传感器的粮仓储粮数量检测方法，为实时准确地掌握我国国家粮食储备数量 提供技术手段，为粮食管理部门的管理和科学决策服务。目前比较常用的粮仓有平房仓、浅圆仓、深圆仓等，具有不同形状和不同的大小。 粮食入仓后，粮堆的形状为不同尺寸的规则立方体，大致上可分为长方体和圆柱体等。根据 粮堆和粮仓内表面压力关系，可以将粮堆的受力情况简化为图1所示。基于粮堆受力关系，可以得出
粮堆重量；Pjl为粮堆底面压力；4为粮堆侧面摩擦力。粮堆底面压力Pjl的计
其中，i 算公式为
其中，j
^为粮堆底面；为粮堆底面Jji中的压强分布。粮堆侧面摩擦力■的计算公式
(3)
其中为粮堆底面；为粮堆侧面Jfl中的压强分布；/s为粮堆与粮仓侧面的摩擦系 数。从而有
从上式可以看出，粮堆重量检测的关键在于获得粮仓底面与侧面压强分布以及粮堆和 粮仓侧面的摩擦系数。从理论上讲，粮仓底面与侧面压强分布应具有一定的规律性，由于侧 面摩擦力的作用，越接近侧面，底面的压强会变小，从粮堆底面到粮堆顶面，侧面压强会逐 渐变小。但由于粮食流动性的有限性、粮食入仓方式以及粮堆与压力传感器接触应力的影 响，从而粮仓底面与侧面压强分布具有明显随机性，这为粮仓储粮数量检测造成了困难。因 此，粮仓储粮数量检测的关键问题在于如何解决粮仓底面与侧面压力分布的随机性。
针对粮仓底面与侧面压强分布具有明显随机性的问题，本发明提出了根据压力传 感器的压力检测值的平均值计算粮仓储粮数量的思想，从而保证了粮仓储粮数量的可检测 性以及检测方法的简便性与准确性。基于这种思想，综合考虑粮仓粮食出入库的实际情况， 提出了压力传感器的布置模型与压力传感器的布置方法。提出了基于压力传感器粮仓地 面、侧面压力平均值的粮仓储粮数量的计算模型与系统标定方法。具体发明内容如下
(1)压力传感器布置模型
由于粮食价格便宜、数量大等特点，要求储粮数量的检测设备成本低、价格便宜，且检 测速度快、准确性高等。基于这种要求，同时考虑储粮数量的检测误差为3%以下的一般要 求，根据实验结果，依粮仓底面积的大小，底面压力传感器数为8-12个为妥。依粮仓装粮高
5度，侧面压力传感器数为4-10个为妥。平房仓底面传感器的布置可采用图2所示两行布置方式。图中，实线框为粮仓地 面形状示意图，实圆为压力传感器示意图，传感器距墙距离dl、d2、d3应大于2米，行距d4 为1. 5米左右，各行压力传感器均勻分布，间距d5应大于1. 5米。浅圆仓、深圆仓的底面传感器布置可采用图3所示方式，传感器距墙距离d6应大 于2米，压力传感器沿两相互垂直的直径方向均勻分布，间距d7应大于1. 5米。平房仓以及浅圆仓、深圆仓的侧面压力传感器布置可采用图4所示方式，压力传 感器按分左右两列多行布置，列间距d8应大于1. 5米，各行依装粮高度沿上下均勻分布，行 间距h应大于1. 5米，且顶部压力传感器J1、J2距粮堆顶部应大于1米。(2)粮仓储粮数量的计算模型
根据上面的压力传感器布置，对底面所有压力传感器的压强输出值求平均，则粮仓底 面的平均压强为
其中，si为粮堆底面传感器，fM)为传感器的输出值,
值为
%粮仓底面的压力估计
其中分别为粮仓
其中，爲为粮仓底面面积，对于底面为长方形的粮仓，与
底面的长和宽。对于圆形仓，
,其中ρ·为圆形底面的半径。侧面压力估计值采用逐层平均计算法。如图4所示，假设侧面传感器的行
间距为 !。对于两列布置的每层两个侧面压力传感器，可计算出每层压力传感器的平均值 Ι^ 。例如，对于图3-4所示的两列4行的8个压力传感器，第f层有两个传感器h、h’则
该层压力传感器的平均值幻
。因此，每层的侧面平均摩擦力估计值为
(7)
仓，
其中,Cj为粮仓底面面积的周长，对于底面为长方形的粮仓，Cj^di+Iy),对于圆形 其中D为圆形仓底面的直径。因此，侧面摩擦力估计值为
对于(8)式，令
为侧面压力估计值，则有
由(4)式、(6)式、(10)式和实际试验结果，得出本发明的粮仓重量计算模型为 W=SlPaM1Fr^ai(Il)
其中，％ % 为模型系数，与粮仓存储粮食种类、压力传感器类型等特性有关，可通 过下节所提出的系统标定方法确定。
此外，对于粮仓储量高度小于3-4米的粮仓，可不考虑侧面压力的影响，此时(11) 式可简化为
(3)系统标定方法
对于(11)式和(12)式中的系数％ f %可通过如下系统标定方法确定。对于不同厂家的不同传感器、不同的粮食种类以及不同的仓型以及不同的粮仓底 面积与侧面积比例，需要分别标定。对于给定的传感器、粮食种类以及具体的仓型，可通过 如下方法标定。选择若干个设有相同压力传感器、储存相同种类的粮食，相同仓型的粮仓，对于每 个粮仓，安装压力传感器，然后逐步进粮并摊平，则可以获得一组粮仓粮食重量,、粮仓底 面的压力估计值以及侧面估计压力值的实验数据，可表示为数据元组< :H>,具体 计算公式见式(6 )和式(9 )，从而构成(11)式和(12 )式模型建模的样本数据集。由于粮仓的粮堆中埋有通风等设备，为了保证所获得模型参数的通用性，在系统 标定中，应估算通风等设备的体积和粮食的比重，根据此体积和粮食的比重，计算通风等设 备所占空间的粮食重量Prs,并将样本数据集数据修正为利用所获得的样本 数据，通过多元线形回归，则可确定(11)式和(12)式中的系数％ if iJ3 对于不同厂家的不同传感器、不同的粮食种类、不同的仓型以及不同的粮仓底面 积与侧面积比例，对系统进行适用范围分类并标定，并建立系统参数表，以便于标定参数的 重复使用。本发明所提出的基于压力传感器的粮仓储粮数量检测方法实施例的流程图如图5 所示，具体步骤如下
(1)选定具体厂家的压力传感器，确定储存粮食的种类和粮仓的类型。(2)针对不同仓型，根据图2-图4，安装压力传感器，粮堆底面压力传感器数为 8-12个，侧面压力传感器数为4-10个。平房仓底面传感器的布置采用图2所示方式，传感 器距墙距离dl、d2、d3应大于2米，行距d4为1. 5米左右，各行压力传感器均勻分布，间 距d5应大于1. 5米。浅圆仓、深圆仓传感器的底面传感器布置采用图3所示方式，传感器距 墙距离d6应大于2米，压力传感器沿两相互垂直的直径方向均勻分布，间距d7应大于1. 5 米。平房仓以及浅圆仓、深圆仓的侧面压力传感器布置采用图4所示，压力传感器按分左右 两列多行布置，列间距d8应大于1. 5米，各行依装粮高度沿上下均勻分布，行间距h应大于 ι. 5米，且顶部压力传感器Λ、Λ距粮堆顶部应大于ι米。(3)如果对于给定的传感器、粮食种类以及粮仓仓型，若是有标定好的模型系数 则直接采用，若没有标定好的模型系数，则选择若干个粮仓，对于每个粮仓，采用逐步进粮 并摊平，获得一组粮仓粮食重量,、粮仓底面的压力估计值I以及侧面估计压力值^的实 验数据具体计算方法见式(6)和式(9)。估算通风等设备的体积和粮食的比重， 根据此体积和粮食的比重，计算通风等设备所占空间的粮食重量》t并将实验数据修正为
利用获得粮仓的实验数据，通过多元线形回归，确定(11)式和(12)式中的系
数％ Sf Λ_。
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对于不同厂家的不同传感器、不同的粮食种类、不同的仓型以及根据粮仓的粮堆 底面积与侧面积比例，对系统进行适用范围分类并标定，并建立系统参数表，以便于标定参 数的重复使用。(4)根据粮仓底面压力传感器的输出值^si)计算粮仓底面的平均压强
其中为粮堆底面传感器为《Si传感器的输出值 .. = υ测量并求得
粮仓底面面积，并根据公式~ = 得出粮仓底面的压力估计值其中，4(为粮仓底面 面积。(5)根据粮仓侧面压力传感器的输出值计算出每行压力传感器的平均值再
由侧面传感器的行间距h和粮仓底面的周长『，求出侧面压力估计值(6)根据测得的通风等设备的体积和粮食的比重，计算通风等设备所占空间的粮 食重量并利用下式
所示模型进行粮仓储粮数量的计算。
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权利要求
一种粮仓储粮数量检测方法，其特征在于，该方法步骤如下(1)选定压力传感器、确定储存粮食的种类和粮仓仓型；(2)在粮仓的底面和侧面分别布设压力传感器；(3)确定模型系数，若是有与所选压力传感器、粮食种类、粮仓仓型相同标定好的模型系数则直接采用，若是没有则需根据公式对该种类型检测模型进行标定，求得模型系数；(4)根据粮仓底面压力传感器的输出值计算粮仓底面的平均压强，其中为粮堆底面传感器，为传感器的输出值，，测量并求得粮仓底面面积，并根据公式得出粮仓底面的压力估计值，其中，为粮仓底面面积；(5)根据粮仓侧面压力传感器的输出值计算出每行压力传感器的平均值，再由侧面传感器的行间距h和粮仓底面的周长，求出侧面压力估计值；(6)根据粮仓重量计算模型，测得相应的数据，计算得出粮仓储粮重量，其中为模型系数，、分别为粮仓底面、侧面压力估计值。394098dest_path_image002.jpg,2010102401677100001dest_path_image003.jpg,2010102401677100001dest_path_image005.jpg,462417dest_path_image003.jpg,dest_path_image007.jpg,dest_path_image009.jpg,dest_path_image011.jpg,428099dest_path_image007.jpg,dest_path_image012.jpg,dest_path_image014.jpg,dest_path_image016.jpg,dest_path_image018.jpg,dest_path_image020.jpg,dest_path_image022.jpg,dest_path_image024.jpg,dest_path_image026.jpg,327791dest_path_image005.jpg,dest_path_image028.jpg,517464dest_path_image029.jpg,823811dest_path_image018.jpg,389922dest_path_image031.jpg
2.根据权利要求1所述的粮仓储粮数量检测方法，其特征在于所述步骤(1)中粮仓仓 型包括底面为矩形的平房仓、底面为圆形的浅圆仓和深圆仓。
3.根据权利要求2所述的粮仓储粮数量检测方法，其特征在于所述步骤(2)中底面压 力传感器依粮仓地面积的大小设为8-12个，侧面压力传感器依粮仓装粮高度设为4-10个。
4.根据权利要求3所述的粮仓储粮数量检测方法，其特征在于，所述步骤(2)中压力传 感器的布设方式为平房仓底面传感器距粮仓墙壁大于2米，按两行布设，各行压力传感器均 勻分布，行距为1. 5米；浅圆仓和深圆仓的底面传感器距粮仓墙壁大于2米，压力传感器沿两 相互垂直的直径方向均勻分布，间距为1. 5米；各仓型侧面压力传感器依装粮高度沿上下均 勻分布，行间距大于1. 5米，列间距大于1. 5米，顶部压力传感器距粮堆顶部大于1米。
5.根据权利要求4所述的粮仓储粮数量检测方法，其特征在于所述步骤(3)中检测系 统的标定首先选定若干个相同压力传感器、粮食种类和粮仓仓型相同的粮仓，对于每个粮 仓，安装压力传感器，然后逐步进粮并摊平，则可以计算出一组粮仓粮食重量W，粮仓底面的压力估计以及侧面估计压力值4·的实验数据，可表示为数据元组< ^Λ·>。
6.根据权利要求5所述的粮仓储粮数量检测方法，其特征在于所述步骤(3)中还进一 步估算通风设备的体积和粮食的比重，根据此比重计算通风设备所占空间的粮食重量并将样本数据集数据修正为cif + i^iH^利用所有粮仓的样本数据，通过多元线形回归，则可确定检测系统的系数％ %鼋。
7.根据权利要求6所述的粮仓储粮数量检测方法，其特征在于所述步骤(6)中粮仓重 量计算模型进一步修正为,i^+S^+L其中为粮仓通风设备所占空间的粮食重量。
全文摘要
本发明涉及基于压力传感器的粮仓储粮数量检测方法，属于检测技术领域；本发明的检测方法根据不同类型压力传感器的布置方式，利用压力传感器输出值计算粮仓底面和侧面的压力值，并根据建立的模型进行粮仓储粮数量的计算；本发明的检测方法测量精度高、实用性强、检测成本低，可以满足在线实时检测全国粮库储粮数量与分布的实际需求，为实时准确地掌握我国国家粮食储粮数量提供技术手段，为保障我国粮食安全服务。
文档编号G01G17/00GK101907481SQ20101024016
公开日2010年12月8日 申请日期2010年7月29日 优先权日2010年7月29日
发明者傅洪亮, 刘扬, 张元 , 张德贤, 杨卫东, 杨铁军, 梁义涛, 樊超, 王珂, 王高平 申请人:河南工业大学