一种双隐蔽探针式粮仓用粮食多参数RF在线检测装置及检测方法

摘要

本发明公开了一种双隐蔽探针式粮仓用粮食多参数RF在线检测装置，包括：壳体主体，其具有内置容纳腔；壳体盖，其能够与所述壳体主体匹配卡合；第一检测线路板，其可拆卸的安装在所述容纳腔内，所述第一检测线路板下部设置第一检测探针；第二检测线路板，其可拆卸的安装在所述容纳腔内，并且与所述第一检测线路板间隔平行可拆卸的连接，所述第二检测线路板下部设置第二检测探针；温湿度传感器，其固定安装在所述第一检测线路板顶部，所述第一检测线路板到待检测粮食的距离大于所述第二检测线路板到待检测粮食的距离。本发明公开了一种双隐蔽探针式粮仓用粮食多参数RF在线检测方法。

说明书

技术领域

本发明涉及粮食在线水分、温度与湿度检测领域，具体涉及一种双隐蔽 探针式粮仓用粮食多参数RF在线检测装置及检测方法。

背景技术

粮仓粮食安全储藏的重要指标是粮食水分、温度、湿度。粮仓中粮食品 质的优劣与这三个因素有直接关系。上述指标是评价仓储粮食品质的必要条 件，粮食的发热、发霉及生虫与粮食水分、温度、湿度有着重要联系。为了 有效避免粮食储藏过程中的不利现象，粮仓中粮情在线精确监测尤为重要。

RF在线检测，依靠射频(Radio Frequency)信号源产生一个射频电压脉 冲，电压脉冲在传输线中以电磁波的形式进行传输，在传输的过程中，如果 遇到阻抗发生变化的时候，就会产生反射现象，这时可以利用接收器接收反 射的波形，通过比较入射波与反射波之间的波形差就可以得到介质特性，进 而达到对粮食水分的检测，另外，通过加入温湿度传感器模块也可对温度、 湿度行实时检测。

相较于传统的粮食水分检测装置，本发明采用特殊结构的差分式高频信 号检测，有效的消除了温度影响，检测周期短，测量精度高，稳定性强，同 时采用梭型外壳设计，仿生学蜂窝状内壳，提高壳体抗压强度，可以在粮仓 进粮后再进行定点式插入安装，受空间和时间影响小。且检测探针隐藏于壳 体内部，防止粮仓内腐蚀性气体腐蚀检测电路和固体颗粒磨损其检测探针。 特别适合大型粮仓粮情信息监测，形成新一代智能粮情监测系统。

传统在线粮食检测系统主要依靠电容原理、电阻原理测量粮食水分，近 年来发展为红外法、微波法测量粮食水分，中国专利“一种高精度红外水分 仪探测装置”专利号(201611198561.2)，其装置包括传感器和前置放大电路、 传感器组件，其中传感器和放大电路置于封闭支架腔体内，传感器通过导线 与放大电路相连接，构成原始信号采集模块，外部硬件包括斩光盘、电机、 轴承、主光路聚光筒、光室和光室壁板，主要原理是通过检测电路检测红外 光路入射信号与反射信号，进而达到检测的目的。

中国专利“在线浸入式微波雷达水分仪及其测量方法”专利号(201810143076.8)，其结构包括探头、微波雷达水分传感器、温度传感器和 其他组件：包括传感器信息输送通道(探头的支持保护部件，完成信息的准 确传输)，安装组件：水分仪与其他装置的紧固安装部件，探头部分和部分过 渡段与被测介质的密封环。具体测量方法是采用锁相环PLL和自动点评控制 ALC技术来构成微波频段的信号发射器部分，接受部分采用超外差模式；整 个电路由收发两部分组成，其关键电路是收发鉴相和鉴幅，微波频率为2.45GHz。

基于上述传统粮食水分仪和近年检测粮食水分新方法，存在仪器探测粮 食水分精度不高且易受温度、湿度等因素干扰，因此，如何降低水分仪测量 误差是粮食在线测水的关键问题。

发明内容

本发明设计开发了一种双隐蔽探针式粮仓用粮食多参数RF在线检测装 置，本发明的发明目的是通过设计发生电路和检测电路在不同的检测板上， 并且将检测探针隐蔽在壳体内部，使检测过程中防止粮仓作业管理中的硫化 氢气体腐蚀、固体颗粒磨损探针等不利因素的同时避免高频干扰。

本发明设计开发了一种双隐蔽探针式粮仓用粮食多参数RF在线检测方 法，本发明的发明目的是通过两组隐蔽式距待测粮食不同距离的检测探针， 将两组信号通过相位检波器做差分，将差分信号通过差分算法得出检测最终 信号，这种结构极大程度降低了外界环境温度和干扰信号对其干扰，可以忽 略温度对传感器的扰动影响，提高了测量精度。

本发明提供的技术方案为：

一种双隐蔽探针式粮仓用粮食多参数RF在线检测装置，包括：

壳体主体，其具有内置容纳腔；

壳体盖，其能够与所述壳体主体匹配卡合；

第一检测线路板，其可拆卸的安装在所述容纳腔内，所述第一检测线路 板下部设置第一检测探针；

第二检测线路板，其可拆卸的安装在所述容纳腔内，并且与所述第一检 测线路板间隔平行可拆卸的连接，所述第二检测线路板下部设置第二检测探 针；

温湿度传感器，其固定安装在所述第一检测线路板顶部；

其中，在所述第一检测电路板上设置RF信号源发生电路，在所述第二 检测电路板上设置检测电路与信号处理电路，并且在所述第一检测线路板和 所述第二检测线路板之间可拆卸的设置射频转接头和功分器，所述RF信号 源发生电路通过所述射频转接头和功分器与所述检测电路、信号处理电路相 连；以及

所述第一检测线路板到待检测粮食的距离大于所述第二检测线路板到待 检测粮食的距离。

优选的是，所述检测线路板上设置定位孔，所述壳体盖上设置定位柱， 所述壳体主体上设置螺纹孔；

其中，所述检测线路板通过所述定位孔卡合在所述定位柱上，通过所述 定位柱和所述螺纹孔匹配螺接使所述检测线路板固定安装在所述容纳腔内。

优选的是，所述壳体主体外侧设置主体卡扣槽，所述壳体盖外侧设置盖 卡扣槽；

其中，所述壳体盖与所述壳体主体匹配卡合后，所述主体卡扣槽和所述 盖卡扣槽相匹配。

优选的是，所述壳体主体设置固定凹槽，所述壳体盖设置固定凸台；

其中，所述固定凸台能够与所述固定凹槽匹配卡合用于将所述壳体盖固 定在所述壳体主体上。

优选的是，所述壳体主体内部设置为蜂窝状结构；以及

所述壳体盖设置为蜂窝状结构，并且在所述壳体盖上设置多个盖孔。

一种双隐蔽探针式粮仓用粮食多参数RF在线检测方法，使用所述的在 线监测装置，包括如下步骤：

步骤一、通过所述温湿度传感器采集粮仓内温度和湿度，通过所述RF 信号源发生电路产生高频信号；

步骤二、通过所述粮仓内温度和湿度计算绝对湿度；以及

通过所述功分器将所述高频信号进行均分处理，通过所述第一检测探针 和所述第二检测探针分别发出并接收返回信号，根据所述返回信号计算得到 检测信号，将所述检测信号经多级信号放大器后得到检测模拟平均电压值， 进而得到粮食水分。

优选的是，在所述步骤二中，所述绝对湿度EAH计算过程包括：

式中，e为蒸气压，T为温度，ERH为相对湿度。

优选的是，在所述步骤二中，当0≤H_INA≤1.8，0≤H_INB≤1.8时，所述检测>HPS计算过程包括：

V_HPS＝-R_φI_P[φ(H_INA)-φ(H_INB)|-90°]；

式中，R_φI_P为斜率，H_INA为所述第一检测探针接收的返回信号经过相位>INB为所述第二检测探针接收的返回>

当0≤V_HPS≤3.3时，所述模拟平均电压值U_Si计算过程包括：

U＝U_n(n＝a₁,a₁，…，a_q)；

优选的是，在所述步骤二中，所述粮食水分M计算过程包括：

M＝[γ(U_Si±b₁)+λ₂]×100％；

式中，γ为标定斜率常数，b₁为水分修正值，λ₂为标定常数。

优选的是，所述水分修正值b₁计算过程包括：

式中，m为标定水分值。

本发明与现有技术相比较所具有的有益效果：

1、在密相散物料内部实现了RF射频的差分探测，有效消除了温度漂移 和信号干扰，并提高了检测的稳定性和精度。本发明采用两组探测单元，双 层检测单元设计，通过检测两组探测信号，一组检测较近目标粮食信号，一 组检测较远目标粮食信号，且检测A层探针距检测粮食的距离大于B层探针 距检测粮食的距离，将两组信号通过相位检波器做差分，将差分信号通过差 分算法得出检测最终信号，这种结构极大程度降低了外界环境温度和干扰信 号对其干扰，可以忽略温度对传感器的扰动影响，提高了测量精度；

2、隐蔽式探针位于壳体内部，在检测时，能够防止粮仓作业管理中的硫 化氢气体腐蚀、固体颗粒磨损探针等不利因素；

3、本发明加入了高精度温度湿度模块，实现了粮仓温、湿、水多参数一 体集成检测，为新一代的粮情检测系统开发提供了技术方案。

附图说明

图1为本发明所述的整体结构示意图。

图2为本发明所述的电路板结构示意图。

图3为本发明所述的电路板侧向剖视示意图。

图4为本发明所述的外壳主体结构示意图。

图5为本发明所述的外壳主体侧视解构示意图。

图6为本发明所述的外壳盖结构示意图。

图7为本发明所述的整体结构侧向剖视示意图。

图8为本发明所述的实施例中第一层粮食检测水分。

图9为本发明所述的实施例中第二层粮食检测水分。

图10为本发明所述的实施例中第三层粮食检测水分。

图11为本发明所述的实施例中第四层粮食检测水分。

图12为本发明所述的实施例中粮仓检测温度数据。

图13为本发明所述的实施例中粮仓检测湿度数据。

具体实施方式

下面结合附图对本发明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。

如图1所示，本发明提供了一种双隐蔽探针式粮仓用粮食多参数RF在 线检测装置，该RF差分式粮仓粮食在线检测装置包括电缆线(数据传输线 和电源线)500、传感器壳体主体100、航空插头610、传感器壳体盖200、 差分式检测单元300、温湿度传感器410，采集到的温湿度和粮食水分通过电 缆线(数据传输线和电源线)500传输到控制终端，其具有网络连接功能， 同时通过壳体主体100、壳体盖200及在差分式检测单元300装置内的一对 隐蔽式RF探针的装配结构，一对隐蔽式RF探针对探测物粮食的距离不等进 行检测。

如图2、图3、图6所示，差分式检测单元300内部结构包括A层隐蔽 式探针线路310(A层检测单元)和B层隐蔽式探针线路320(B层检测单元)， 并且A层检测单元距检测粮食距离大于B层检测单元距检测粮食的距离，与 检测电路相连，用于检测信号和消除扰动信号；其中，A层隐蔽探针线路一 端覆有3条隐蔽式检测探针(材料为电镀铜)，A层隐蔽探针线路另一端为 RF信号源发生电路，探针之间间距为同一定值，探针长度为定值，其通过射 频转接头340与信号功率分频器350和B层信号检测电路相连，A层隐蔽探 针线路置于壳体内部上方，与壳体上盖距离为定值，用于检测被测粮食信号； B层隐蔽式探针线路320一端覆有3条同样隐蔽式检测探针，另一端为检测 电路与信号处理电路，通过射频转接头340与信号功率分频器和350信号检 测电路相连，B层隐蔽式探针线路320置于壳体内部下方(通过图2中附图 标记看出主电路380位于B层隐蔽式探针线路320上方壳体内部上方)，与壳 体下方完全接触，其与壳体下方距离为定值，其用于检测被测粮食信号；两 层检测电路板间距为定值，A层隐蔽探针线路距检测粮食的距离大于B层隐 蔽式探针线路320距检测粮食的距离，且将两层检测线路信号通过相位比较 器做差分得出处理后的探测信号，这种结构利于去除温度漂移和信号干扰。

A层隐蔽式探针360和B层隐蔽式探针370隐藏位于壳体内部，形成隐 蔽式探针，用于检测待测粮食，同时利于保护探针，防止腐蚀与损坏探针。

在另一种实施例中，信号发生电路位于A层隐蔽式探针线路310，与A 层隐蔽式探针线路310位于同一侧，同一检测单元上；主电路380位于B层 隐蔽式探针线路320上，包括信号检测电路、信号放大电路、通信电路、烧 录程序电路、主芯片电路，其与B层隐蔽探针位于同一检测单元，且方向相 异，在两检测单元之间；在本实施例中，信号发生电路与信号检测电路、信 号放大电路等分别位于两层极板，目的是降低高频信号对其检测信号干扰。

在另一种实施例中，在A层隐蔽式探针线路310和B层隐蔽式探针线路 320之间可拆卸的设置射频转接头340和信号功率分频器350，RF信号源发 生电路通过射频转接头340和信号功率分频器350与检测电路、信号处理电 路相连。

在另一种实施例中，在传感器壳体主体100内部放置温度、湿度模块、 检测单元和检测硬件电路板，壳体主体100和壳体盖200密封用于封闭内部 检测部件，温湿度传感器410位于A层检测单元一端，与单片机相连，用于 检测温度、湿度信号。

在另一种实施例中，温湿度传感器410固定于A层隐蔽式探针线路310 上，通过传感器壳体盖200上壳体盖孔240，来探测外界温度和湿度。

如图1、图4、图6所示，在另一种实施例中，传感器壳体主体和传感器 壳体盖为防水环氧乙稀树脂材质，其中，传感器壳体主体100和传感器壳体 盖200为传感器的整体包裹和强度支撑，传感器壳体主体100上的蜂窝状结 构130和传感器壳体盖200上的蜂窝状结构250都起到了增加强度的作用， 水分传感器双层电路300和温湿度传感器410都安装在传感器壳体内部，航 空插头610安装在传感器壳体主体100上部，与电缆线500相连接。

如图1～6所示，整个电路板放置于传感器壳体主体100内，两层电路板 上的四个定位孔330结合四个定位柱230来固定，四个定位柱230内设有螺 丝孔与螺丝孔110相配合。

如图4～6所示，传感器壳体主体100上开有卡扣槽150，该卡扣槽150 与传感器壳体盖200上的卡扣槽220相对应，自此，水分传感器内部双层电 路300、温湿度传感器410都可以定位放置于传感器壳体主体100内，传感 器壳体主体100与传感器壳体盖200配合，通过固定凹槽160与固定凸台210 加以结合，其对传感器壳体100与传感器壳盖200起到固定作用。

如图6所示，该传感器固定在粮仓中需要与卡扣来配合使用，因此传感 器壳体主体100与传感器壳体盖200都留有外部卡槽，盖卡槽220，同传感 器壳体主体100上的卡扣槽150配合成一个完整的卡槽，以用来同外部进行 固定。

如图7所示，传感器壳体盖200与壳体主体100结合，A层隐蔽式检测 线路310与检测粮食的距离为D1，B层隐蔽式检测线路320与检测粮食的距 离为D2，并且D1大于D2。

本发明提供了一种双隐蔽探针式粮仓用粮食多参数RF在线检测方法， 包括如下步骤：

步骤一、温湿度传感器模块410置于壳体内，通过电缆线500传输温度、 湿度数据，传感器采集粮仓内温度为T，单位为℃，相对湿度为ERH，单位 为RH％，

步骤二、信号发生电路产生固定高频信号Hf＝100Mhz，通过功率分频器 350将Hf平均分为两路高频信号，一路信号Hf1通过A层隐蔽式探针360 发出，经过探测介质返回得到返回信号Hf2，另一路信号Hf3通过B层隐蔽 式探针370发出，经过探测介质返回得到返回信号Hf4；

步骤三、将接收的温度T与相对湿度ERH经公式计算得到绝对湿度EAH 如下：

式中，e为蒸气压(Pa)，e＝462.53J/(kg×K)，T为温度(℃)，ERH为相 对湿度(g/m³)；

经过相位检波器内部数模处理器将信号Hf2与Hf4转换为模拟量H_INA、>INB，单位为V，经过单片机处理器，将两路信号经过差分公式计算得到检>HPS＝-R_φI_P[|φ(H_INA)-φ(H_INB)|-90°]；

其中，当0V≤H_INA≤1.8V，0V≤H_INB≤1.8V时，V_HPS为经过差分计算后得到>φI_P为斜率，取值为30mV/dB，将计算后得到的差>HPS经过多级信号放大器后，单片机处理得到U_Si，其计算公式为：

U＝U_n(n＝a₁,a₁，…，a_q)；

其中，当0V≤V_HPS≤3.3V时，U＝V_HPS，单位为V，所检测差分信号每100>Si，根据所得的U_Si计算最终>Si±b₁)+λ₂]×100％，单位为％；式中，γ为标定斜率常数，b₁为>2为标定常数，取值为57.4；水分修正值式中，>

实施例

如图8～11所示，将4台RF在线检测装置分别置于粮仓，分为四层，由 上至下依次布置，装入待测粮食，具体检测数据中为检测粮食水分数据，实 线为装置检测水分值，虚线为粮食真实水分值，经检测，第一层粮食检测水 分平均误差在0.104266％，第二层粮食检测水分平均误差在0.05974％，第三 层粮食检测水分平均误差在0.236421％，第四层粮食检测水分平均误差在 0.1023％，对于通过现有技术中电容式粮食在线检测水分仪在该粮仓中进行水 分检测数据如表1所示，在粮仓中不同位置安装6个电容式在线检测水分仪，各个样品测量水分误差分别为1.14％、0.65％、0.46％、0.31％、0.57％、0.36％， 综上，本发明中的多参数RF在线检测装置对比于现有技术中的电容式水分 在线检测装置，精度明显高于后者。

表1电容式粮食在线检测水分仪数据

电容式在线检测水分仪1号样品2号样品3号样品4号样品5号样品6号样品均水分15.0514.8114.1113.7812.2511.41实际水分16.1915.4614.5714.0912.8211.05水分误差(％)1.140.650.460.310.570.36

如图12、13所示，各层粮食温度检测平均误差在±0.4℃之间，湿度检 测平均误差在±3％RH，因此本发明在保证检测水分平均误差的基础上，温 湿度同样具有很好检测稳定性。

尽管本发明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发明的领域，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，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图 例。