粮食籽粒称重传感器和粮食籽粒千粒重检测装置及方法
【专利摘要】本发明涉及粮食籽粒称重传感器和粮食籽粒千粒重检测装置及方法，所述的籽粒称重传感器包括用于设置在进料口下方的应变片、用于测量应变片形变的光纤干涉仪、将光纤干涉仪输出的光信号转换为电信号的光电探测器和连接光电探测器输出的计算机,通过利用粮食籽粒自由下落时击打应变片并使其发生微量变形，进而使用单模测量光纤将微变形转换为光纤干涉光强的变化，通过光电探测器将光强的变化转换为电信号并输入至计算机，根据标定方程最终计算出粮食籽粒的千粒重。本发明在检测过程中，无需使用任何化学制剂、无放射性物质产生，数据的采集与处理由计算机自动完成，因此该装置和方法具有无污染、无需人工干预、检测效率高、实时在线、无损检测等优点。
【专利说明】粮食好粒称重传感器和粮食好粒千粒重检测装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及粮食籽粒称重传感器和粮食籽粒千粒重检测装置及方法，属于粮食品质检测【技术领域】。
【背景技术】
[0002]粮食籽粒千粒重是构成小麦产量的一个重要因素，也是衡量粮食质量的综合指标。与粮食籽粒品质有关的指标通常用千粒重和容重来表征。实际上，千粒重与单个籽粒质量的关系更密切，要想清楚地了解籽粒质量的信息，研究千粒重意义更大。在美国、加拿大等发达国家也把千粒重作为评定分级的重要参考指标，可见千粒重在研究粮食品质上发挥着重要作用。
[0003]粮食籽粒千粒重是指1000粒粮食籽粒的质量，以g/1000粒表示。粮食籽粒千粒重是表示粮食籽粒质量多少的重要标志，是粮食质量的重要指标。籽粒千粒重是粮食籽粒成熟度和饱满程度的量度。若籽粒千粒重值高，则成熟度高、饱满；若千粒重值低，则成熟度低、瘦瘪。籽粒千粒重除了可以表示籽粒饱满程度以外，对指导农业生产也有重要的意义，它是产量构成的重要因素，通过它可以估算每亩的播种量和产量，千粒重的增加对提高粮食产量具有重要作用。
[0004]千粒重传统测定方法是人工数粒，天平称重，通过换算获得粮食千粒重，该方法不但费工费时而且计数误差较大，导致千粒重测定困难，严重影响了千粒重的应用范围。为此有研究者提出使用图像处理方法测量粮食的千粒重，其主要步骤是先由摄像机摄取种子图像，进行信号转换后采集到电脑中并通过分析显示颗粒数，用天平对该图像中的种子进行称重，结合所得计数结果得出谷物千粒重。该方法速度快，清洁易携带。但对技术要求较高，价格不菲，在计算千粒重时往往需要不断换算，在一定程度上降低了精度。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供粮食籽粒称重传感器和粮食籽粒千粒重检测装置及方法，以解决现有粮食千粒重检测存在的检测时间长、成本高、精度低、检测环境苛刻的问题。
[0006]本发明为解决上述技术问题而提供一种粮食籽粒称重传感器，该籽粒称重传感器包括用于设置在进料口下方的应变片、用于测量应变片形变的光纤干涉仪、将光纤干涉仪输出的光信号转换为电信号的光电探测器和连接光电探测器输出的计算机。
[0007]所述的光纤干涉仪包括激光器、光纤耦合器、应变片、测量光纤和参考光纤，测量光纤粘设于应变片的背面。
[0008]所述的应变片的长度为10?151zl，宽度为5?71zl，Izl为待测籽粒的长度。
[0009]本发明为解决上述技术问题还提供了一种粮食籽粒千粒重检测装置，该检测装置包括籽粒计数单元和籽粒称重单元，籽粒计数单元包括设置在进料口下方用于检测逐粒脱出进料口的光电传感器和用于对籽粒计数的计数器，光电传感器的输出端与计数器的输入端相连，籽粒称重单元包括籽粒称重传感器，所述的籽粒称重传感器包括进料口下方设置的应变片、用于测量应变片形变的光纤干涉仪、将光纤干涉仪输出的光信号转换为电信号的光电探测器和连接光电探测器输出的计算机，该籽粒称重传感器用于对逐粒脱出进料口的粮食籽粒进行称重。
[0010]所述的光电传感器包括发光二极管和光电二极管，发光二极管和光电二极管以进料口中心位置为基准，对称设置在进料口下方。
[0011]所述的进料口上方设置有振动筛，振动筛中心开孔，开孔直径为粮食籽粒粒长的
1.5倍，以保证籽粒逐粒下落。
[0012]所述的应变片的长度为10?151zl，宽度为5?71zl，Izl为待测籽粒的长度。
[0013]本发明还提供了一种粮食籽粒千粒重检测方法，该检测方法的步骤如下:
[0014]I)将待测粮食籽粒逐粒从进料口脱出，对逐粒脱出的粮食籽粒进行计数；
[0015]2)使从进料口脱出的粮食籽粒落入称重传感器上，当粮食籽粒计数达到1000时，记录称重传感器显示当前称重数值。
[0016]所述步骤I)中进行计数利用的是光电传感器，通过以进料口中心位置为基准对称轴放置发光二级管和光电二极管，使发光二级管的发光面与光电二极管的光接收面在水平方向对齐。
[0017]所述步骤2)中的称重传感器利用的是基于光纤干涉仪的籽粒称重传感器，包括用于设置在进料口下方的应变片、用于测量应变片形变的光纤干涉仪、将光纤干涉仪输出的光信号转换为电信号的光电探测器和连接光电探测器输出的计算机，其具体的称重过程如下:
[0018]a)将粮食籽粒下落至应变片，使应变片发生微量变形；
[0019]b)将上述变形通过粘贴于应变片背面的测量光纤感应，使光纤中的光程发生变化，从而使应变片的形变转化为光信号变化；
[0020]c)将上述光信号通过光电探测器进行接收，从而使光信号转换为电信号；
[0021]d)当粮食籽粒计数达到1000时，根据该电信号和由同类粮食样本数据建立的千粒重检测数学模型计算粮食千粒重。
[0022]本发明的有益效果是:本发明通过利用粮食籽粒自由下落时击打应变片并使其发生微量变形，进而使用单模测量光纤将微变形转换为光纤干涉光强的变化，通过光电探测器、放大器等将光强的变化转换为电信号并输入至计算机，根据标定方程最终计算出粮食籽粒的千粒重。本发明在检测过程中，无需使用任何化学制剂、无放射性物质产生，数据的采集与处理由计算机自动完成，因此该装置和方法具有无污染、无需人工干预、检测效率闻、实时在线、无损检测等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是本发明粮食籽粒千粒重检测装置的结构图；
[0024]图2是本发明实施例中应变片安装示意图；
[0025]图3是本发明中光纤粘贴位置示意图；
[0026]图4是本发明应变片变形示意图；
[0027]图5是冲击力与应变片拉力之间的关系不意图。【具体实施方式】
[0028]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的说明。
[0029]本发明的一种粮食籽粒称重传感器的实施例
[0030]本发明的籽粒称重传感器包括用于设置在进料口下方的应变片、用于测量应变片形变的光纤干涉仪、将光纤干涉仪输出的光信号转换为电信号的光电探测器和连接光电探测器输出的计算机。光纤干涉仪包括激光器、光纤耦合器、测量光纤和参考光纤，应变片设置在进料口的下方，测量光纤粘贴于应变片背面，激光器的输出端与光纤耦合器的输入端相连，通过光纤耦合器将激光按照功率比为1:1分为两束分别耦合至参考光纤和测量光纤，光电探测器的输入端与光纤耦合器的输出端相连，光电探测器通过放大器和滤波器与PC机依次信号连接的，为了增加测量精度，应变片采用弹性模量较小的长方形金属膜片，其厚度hyb可根据所测谷物的种类从IOOum?500um之间选择。若所测谷物的粒长为lzl，则应变片的长度Iyb= (10?15) Izl，其宽度Wyb= (5?7) lzl。在距应变片两端各1/10处使用支架支撑，支撑高度I?1.5cm，如图2所示。
[0031]本发明的一种粮食籽粒千粒重检测装置的实施例
[0032]本发明的粮食籽粒千粒重检测装置该检测装置包括籽粒计数单元和籽粒称重单元，籽粒计数单元包括设置在进料口下方用于检测逐粒脱出进料口的光电传感器和用于对籽粒计数的计数器，光电传感器的输出端与计数器的输入端相连，籽粒称重单元包括籽粒称重传感器，该籽粒称重传感器用于对逐粒脱出进料口的粮食籽粒进行称重，进料口上方还设置有振动筛，振动筛中心开孔，开孔直径为粮食籽粒粒长的1.5倍，进料口为倒梯形圆锥，圆锥上部直径为振动筛振动行程的2倍，下部直径为粮食籽粒粒长的1.5倍，以保证籽粒逐粒下落。
[0033]如图1所示，计数单元包括发光二极管、光电二极管和计数器，发光二极管和光电二极管以进料口中心位置为基准，对称设置在进料口下方，发光二极管的发光面与光电二极管的光接收面在水平方向对齐，光电二极管的输出端与计数器相连；所述的籽粒称重传感器包括进料口下方设置的应变片、用于测量应变片形变的光纤干涉仪、将光纤干涉仪输出的光信号转换为电信号的光电探测器和连接光电探测器输出的计算机，光纤干涉仪包括激光器、光纤耦合器、测量光纤和参考光纤，应变片设置在进料口的下方，测量光纤粘贴于应变片背面，激光器的输出端与光纤稱合器的输入端相连，通过光纤稱合器将激光按照功率比为1:1分为两束分别耦合至参考光纤和测量光纤，光电探测器的输入端与光纤耦合器的输出端相连，光电探测器的输出端通过放大器和滤波器与PC机相连。光电探测器、放大器、滤波器和PC机依次信号连接的，计数器的输出端与PC机相连。
[0034]为了增加测量精度，应变片采用弹性模量较小的长方形金属膜片，其厚度hyb可根据所测谷物的种类从IOOum?500um之间选择。若所测谷物的粒长为Izl，则应变片的长度Iyb= (10?15) Izl，其宽度Wyb= (5?7)lzl。在距应变片两端各1/10处使用支架支撑，支撑高度I?1.5cm，如图2所示。由于单模光纤的基模相位、偏振、振幅等参数对于各种外界物理量极为敏感，且单模光纤具有色散小、损耗低、带宽宽等优点，因此本发明采用单模光纤。为提高测量的准确性，将光纤按照感应片的形状绕成两个环形，环形尺寸为感应片尺寸的1/3和2/3，如图3，同时，将光纤端面镀上反射膜，使光纤内的光程差变为原来的2倍，以此提高测量的灵敏度。光电探测器采用基于InGaAs MOCVD结构的平面型PIN光电二极管，该类探测器响应时间快，暗电流低，响应度高和可靠性好，可以满足籽粒重量的实时在线检测要求，同时，为提高检测装置的分辨率，采用16位A/D转换器。
[0035]该检测装置的具体工作过程如下:粮食籽粒经振动筛自进料口逐粒自由下落，当籽粒经由光路时，由于籽粒对光线的遮挡作用使光电二极管接收到的信号变小，并输出脉冲，该脉冲经由计数器计数，通过计算脉冲的数量从而得到下落籽粒的个数；籽粒下落至应变片位置时，由于籽粒重力作用，使应变片发生微量变形，该变形由粘贴于应变片背面的测量光纤感应，进而使光纤中的光程发生变化，从而使应变片的形变转化为光信号变化；光信号经过光电探测器接收，将光信号转换为电信号，经放大器放大后，使用低通滤波器消除高频随机噪声，然后经A/D转换后将数字信号输入至计算机；计数器每累计到1000个计数值，输出一个触发信号，用于控制计算机的数值计算和累加。选取同一种类粮食不同品种的N个测量样本，且测量样本间的千粒重差异尽量显著，每个样本包含1000粒粮食籽粒，籽粒逐粒自由下落，记录每个样本的平均光电信号Xi，使用高精度天平测量每个样本的千粒重
Yi,由此得到样本数据(Xi^Yi), i=(l, 2，3，......，N)。利用该样本数据建立千粒重检测的数
学模型；利用该模型对同种类粮食的未知千粒重进行测量。
[0036]本发明的一种粮食籽粒千粒重检测方法的实施例
[0037]本发明的检测方法主要包括两个步骤，第一步使待测粮食籽粒逐粒从进料口脱出，对逐粒脱出的粮食籽粒进行计数；第二步将从进料口脱出的粮食籽粒落入称重传感器上，当粮食籽粒计数达到1000时，记录称重传感器显示当前称重数值。所用到的籽粒称重传感器包括用于设置在进料口下方的应变片、用于测量应变片形变的光纤干涉仪、将光纤干涉仪输出的光信号转换为电信号的光电探测器和连接光电探测器输出的计算机。
[0038]籽粒称重传感器称重测量的步骤如下:
[0039]1.将待测粮食籽粒逐粒自由下落至应变片使其发生微量变形并对下落的粮食籽粒进行计数；
[0040]2.利用光纤干涉原理将上述应变片的微量变形转换为光信号的变化；
[0041]3.将上述光信号通过光电探测器进行接收，从而使光信号转换为电信号；
[0042]4.当粮食籽粒计数达到1000时，根据该电信号和由同类粮食样本数据建立的千粒重检测数学模型计算粮食千粒重。
[0043]其具体过程为:假设进料口与应变片的垂直距离为h，当籽粒与应变片撞击时，应变片的变形量为Al，变形长度为1，如图4所示。
[0044]当籽粒撞击应变片时，由能量守恒定理可得:
[0045]mgh = F ε ①
[0046]这里，m为籽粒质量，g为重力加速度，h为籽粒下落高度，F为应变片受到的冲击力，ε为应变片在垂直方向的变形量。
[0047]根据图4所示关系，可得:
[0048][0049]ε = (1+Λ I) sinG ③
[0050]籽粒自由落体时产生的冲击力F与应变片的拉力Fp F2之间的关系如图5所示。由此可以得到:[0051]F1Sin Θ +F2Sin θ = F ④
[0052]F1Cos θ = F2Cos θ ⑤
[0053]故F1 = F2,
[0054]根据胡克定律:
[0055]F1 = k Δ I ⑥
[0056]这里，k为应变片的劲度系数。
[0057]由此可得:
[0058]
【权利要求】
1.一种粮食籽粒称重传感器，其特征在于:该籽粒称重传感器包括用于设置在进料口下方的应变片、用于测量应变片形变的光纤干涉仪、将光纤干涉仪输出的光信号转换为电信号的光电探测器和连接光电探测器输出的计算机。
2.根据权利要求1所述的粮食籽粒称重传感器，其特征在于:所述的光纤干涉仪包括激光器、光纤耦合器、应变片、测量光纤和参考光纤，测量光纤粘设于应变片的背面。
3.根据权利要求1所述的粮食籽粒称重传感器，其特征在于:所述的应变片的长度为10?151zl，宽度为5?71zl，Izl为待测籽粒的长度。
4.一种粮食籽粒千粒重检测装置，其特征在于:该检测装置包括籽粒计数单元和籽粒称重单元，籽粒计数单元包括设置在进料口下方用于检测逐粒脱出进料口的光电传感器和用于对籽粒计数的计数器，光电传感器的输出端与计数器的输入端相连，籽粒称重单元包括籽粒称重传感器，所述的籽粒称重传感器包括进料口下方设置的应变片、用于测量应变片形变的光纤干涉仪、将光纤干涉仪输出的光信号转换为电信号的光电探测器和连接光电探测器输出的计算机，该籽粒称重传感器用于对逐粒脱出进料口的粮食籽粒进行称重。
5.根据权利要求4所述的粮食籽粒千粒重检测装置，其特征在于:所述的光电传感器包括发光二极管和光电二极管，发光二极管和光电二极管以进料口中心位置为基准，对称设置在进料口下方。
6.根据权利要求4所述的粮食籽粒千粒重检测装置，其特征在于:所述的进料口上方设置有振动筛，振动筛中心开孔，开孔直径为粮食籽粒粒长的1.5倍，以保证籽粒逐粒下落。
7.根据权利要求4所述的粮食籽粒千粒重检测装置，其特征在于:所述的应变片的长度为10?151zl，宽度为5?71zl，Izl为待测籽粒的长度。
8.一种粮食籽粒千粒重检测方法,其特征在于:该检测方法的步骤如下: 1)将待测粮食籽粒逐粒从进料口脱出，对逐粒脱出的粮食籽粒进行计数； 2)使从进料口脱出的粮食籽粒落入称重传感器上，当粮食籽粒计数达到1000时，记录称重传感器显示当前称重数值。
9.根据权利要求8所述的粮食籽粒千粒重检测方法，其特征在于:所述步骤I)中进行计数利用的是光电传感器，通过以进料口中心位置为基准对称轴放置发光二级管和光电二极管，使发光二级管的发光面与光电二极管的光接收面在水平方向对齐。
10.根据权利要求8或9所述的粮食籽粒千粒重检测方法，其特征在于:所述步骤2)中的称重传感器利用的是基于光纤干涉仪的籽粒称重传感器，包括用于设置在进料口下方的应变片、用于测量应变片形变的光纤干涉仪、将光纤干涉仪输出的光信号转换为电信号的光电探测器和连接光电探测器输出的计算机，其具体的称重过程如下: a)将粮食籽粒下落至应变片，使应变片发生微量变形； b)将上述变形通过粘贴于应变片背面的测量光纤感应，使光纤中的光程发生变化，从而使应变片的形变转化为光信号变化； c)将上述光信号通过光电探测器进行接收，从而使光信号转换为电信号； d)当粮食籽粒计数达到1000时，根据该电信号和由同类粮食样本数据建立的千粒重检测数学模型计算粮食千粒重。
【文档编号】G01G3/12GK103487120SQ201310187390
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年5月20日 优先权日:2013年5月20日
【发明者】樊超, 杨红卫, 朱春华, 孙崇峰, 傅洪亮, 秦瑶, 张瑞, 李永锋, 徐静波 申请人:河南工业大学