利用粮堆中机械波传播过程检测粮堆密度的装置及方法

摘要

本发明涉及利用粮堆中机械波传播过程检测粮堆密度的装置及其测量方法，包括：传声器或/和振动传感器组，分布于粮堆中，用于检测粮堆中激励信号的波动过程；多通道信号采集与处理分析装置，连接于所述传声器或/和振动传感器组，用于测出声波通过每两个传声器或/和振动传感器之间的时间；信号激励装置，连接于所述的多通道信号采集与处理分析装置，用于产生所需的声频振动信号；发声装置，连接于所述的信号激励装置，用于在粮堆中产生有效传播的声波。本发明采用由统计检验方式建立回归模型，模型的精度将随着有效样品数量的增加而进一步提高，且易于检验。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量颗粒物料密度的装置及测量方法，特别是涉及一种利用粮堆中机械波传播过程检测粮堆密度的装置及方法。

背景技术

声与振动的传播依赖于介质的质量分布，波动过程是由质点的机械运动在介质中传播。因此利用对机械波动参数的测量，有获取介质特性的种种应用。目前，声波检测技术已应用在很多领域，如超声医疗检测、金属材料的超声探伤、建筑地基的声频测桩、地球物理的地震勘探等。在地质勘探中采用在地层中激发、测量弹性波的传播过程，检测不同地层结构的组成、分界等信息；在医学检测中，利用超声波在人体不同组织中吸收、反射的差异，检测人体内器官及组织的位置与大小；在金属、陶瓷及多层材料检测中，通过对超声波在固体样品中传播参数的测量，可以得到材料内部的缺陷、薄层材料的厚度等数据分析结果。

在粮堆粮食密度的检测中，通常的方法是称重法测量样品密度，如广泛使用的容重测量法和基于测量粮食介电系数的微波法和电容法，以及核射线法。但直接测量容重的方法其取样过程中破坏了粮堆形态，而且，基于样品密度的测量不能得到粮堆实际密度，而应采用无损检测技术。由于粮堆介电常数与密度的关联测量要求排除其他因素，如含水量对介电常数的影响；另一方面，基于介电常数测量的方法是对粮食的湿度、温度、体密度、频率等因素的测量，其方法有电容法和微波吸收法。电容法虽然可以准确测得电极周边的介质介电常数，但需要对粮仓有足够的取样点才可以判断样点值代表了整仓平均值。核子辐射密度测量则需要对操作人员进行专业的训练和对放射源的严格管理。

目前，实际中采用的是“取样测量粮食密度，如容重器、或0.25～1立方米大容器，小心装满粮食称得净重，再除以容器容积，得到样品密度；样品密度乘以修正系数计算粮堆平均密度；其中的修正系数是以同保存条件、已知体积和重量的仓，作为标准仓，将其样品密度与计算密度的比值”，是一种取样测量类比估算方式。由于标准仓必须是相同条件下储藏同种粮食，而实际中只能近似，所以一般是由经验选择类别基准。这种测量方法精度难以确定，且操作复杂费力。

发明内容

本发明在于避免上述现有技术中的缺点提供一种利用粮堆中机械波传播过程检测粮堆密度的装置及方法，减轻了常规测量粮堆密度方法的工作量，同时也减少了误差。

由如下公式(1)、(2)

纵波速度：$\mathrm{Vp}=\sqrt{\frac{\lambda +2\mu }{\rho }}---\left(1\right)$

横波速度：其中：ρ-介质密度，c-波速

可以看出介质的密度与机械波的传播速度等参数有关。

本发明的技术方案为：

利用粮堆中机械波传播过程检测粮堆密度的装置，包括：

传声器或/和振动传感器组，连接于所述传声器或/和振动传感器组的多通道信号采集与处理分析装置，连接于所述的多通道信号采集与处理分析装置的信号激励装置，连接于所述的信号激励装置的发声装置。

所述的传声器或/和振动传感器组，用于检测粮堆中激励信号的波动过程，并将其传输至多通道信号采集与处理分析装置；

所述的多通道信号采集与处理分析装置，用于测出声波通过每两个传声器或/和振动传感器之间的时间；

所述的信号激励装置，用于产生所需的声频振动信号；

所述的发声装置，用于在粮堆中产生有效传播的声波。

所述的发声装置为扬声器或激振器。

利用上述所述装置测量粮堆密度的方法，包括如下步骤：

将发声装置、传声器或/和振动传感器组分布于粮堆中，并测出所述传声器或/和振动传感器组中每个传声器或/和振动传感器之间的距离D，

信号激励装置接收所述多通道信号采集与处理分析装置给出的信号并产生一定频率、幅度的信号，

发声装置受所述信号激励装置的驱动，产生给定频率的振动并辐射到粮堆中，

传声器或/和振动传感器组采集所述发声装置在粮堆中激发的波动信号并传给多通道信号采集与处理分析装置，并由所述的多通道信号采集与处理分析装置进行分析处理，测量声波通过每两个传感器之间的时间T，和两个传感器信号强度S1，S2，计算得到粮堆中的波速V＝D/T，和波动的衰减Att＝(S2-S1)/D；

获取所需测量的粮食堆积参数，包括水分、容重、籽粒尺度、籽粒密度、硬度、千粒重、孔隙度；

建立粮堆密度关于粮食堆积参数、V和Att的回归模型ρ＝f(V、Att、粮食堆积参数)，并计算各测量部位的粮堆密度。

本发明优点：

本发明采用在粮堆中激发和测量声波的方式，得到了与粮堆密度相关联的声传播参数，建立了粮堆密度与声传播参数的唯象模型。可以在对粮堆状态扰动小的情况下测得粮堆实际密度，减小了容重修正法估计粮堆密度所需的工作量；并可对所需粮仓直接测量，减小了由样板仓估计其他粮仓密度的误差；同时由于测量的粮堆密度是由声传播路径上粮堆的总体平均，避免了单点密度测量引起的采样点代表性误差。采用由统计检验方式建立回归模型，模型的精度将随着有效样品数量的增加而进一步提高，且易于检验。避免了由于粮食籽粒特性，如含水量、表面摩擦系数、籽粒致密程度等不确定性，导致建立粮堆弹性波本构模型的复杂性。

附图说明

图1为本发明工作原理示意图；

图2为对粮堆密度校准与验证装置结构原理图；

图3为声速、衰减、堆积参数得到的小麦密度估计法与实际密度比较图。

具体实施方式：

如图1所示，本发明检测粮堆密度的装置包括传声器或/和振动传感器组1、多通道信号采集调理与处理分析装置2、信号激励装置3、发声装置4。所述的传声器或/和振动传感器组1分布于粮堆中，用于检测粮堆中激励信号的波动过程；所述多通道信号采集调理与处理分析装置2，连接于所述传声器或/和振动传感器组1，用于测出声波通过每两个传感器之间的时间；所述信号激励装置3，连接于所述的多通道信号采集调理与处理分析装置2，用于给出一定频率、幅度的信号并驱动所述发声装置4；所述发声装置4连接于所述的信号激励装置3，并分布于粮堆中，用于在粮堆中产生有效传播的声振动。

多通道信号采集处理分析装置2具有不少于2个高速模拟信号采集通道，同时对采集到的复合信号进行识别、处理和分析的功能。采样系统速率可不大于200kHz/s，数模转换位数可不大于24Bit。此装置测量波速的重复误差应不大于1.5％。

传声器或/和振动传感器组能同时拾取粮堆中不少于2个位置的声或振动信号。信号激励装置是能够在粮堆中产生有效传播的声振动产生装置，可以为电信号源、功率放大器。发声装置的频率响应范围30～1500Hz。

发声装置与传声器或/和振动传感器组通过适当的布置，以产生并获取粮堆中声波，或同时取得声波和弹性波的传播信号。其中发声装置可为扬声器或激振器，当发声装置为扬声器时，发声装置与信号激励装置电连接由信号激励装置给其一定频率和幅度的激励信号。当发声装置为激振器时，此时发声装置可不与信号激励装置连接，其激励信号为信号采集与处理分析装置产生的一个或多个发出冲击声的定时信号。

利用上述所述装置测量粮堆密度的方法，包括如下步骤：

1)将发声装置4、传声器或/和振动传感器组1分布于粮堆中，并测出所述传声器或/和振动传感器组1中每两个传声器或/和振动传感器之间的距离D，

2)多通道信号采集调理与处理分析装置2给出信号，

3)信号激励装置3接收所述多通道信号采集调理与处理分析装置2给出的信号并产生一定频率、幅度的信号，

4)发声装置4受到所述信号激励装置3的驱动，产生一定频率的振源，

5)传声器或/和振动传感器组1采集振源的波动信号并传给多通道信号采集调理与处理分析装置2，并由所述的多通道信号采集调理与处理分析装置2进行分析处理，得出声波通过每两个传感器之间的时间T，和两个传感器信号强度S1，S2，并计算得到V＝D/T，和波动的衰减Att＝(S2-S1)/D；

6)建立关于粮堆中V、Att(D、T)、粮食堆积参数的回归模型ρ＝f(V、Att、粮食堆积参数)，并计算各测量部位的粮堆密度。

以下以小麦为例说明如何测出粮堆中小麦的密度：

首先粮堆中声速的值采用时差法测量：在粮堆中声传播的路径上，相邻距离为D的两点上布置传感器，由多通道信号采集与处理分析装置测量声波通过两点的时间差T，可算出波速V＝D/T；由两个传感器信号强度S1，S2，计算得到波动的衰减Att＝(S2-S1)/D。

由机械波的理论，可知介质中波动的传播速度与介质密度和其弹性参数相关。但实际粮堆的弹性参数难以准确测量，而可通过测量波动速度建立其与粮堆密度的关系。

采用通用的测量方式，获得代表被测粮堆的粮食堆积参数。以粮堆的参数和测得的波动参数为自变量，以粮堆密度为因变量。例如对小麦建立的多元线性回归方程如下：

小麦密度＝A+B*波速+C*衰减+D*粮食堆积参数；    (1)

其中A为常数，B、C、D、分别为波速、衰减、和粮食堆积参数的系数。

在给定测量方法下由回归方程(1)可得到的小麦密度估计。图3为声速、衰减、粮食堆积参数得到的小麦密度估计与实际密度比较图。

可以在实验室中按照所描述的方法，进行粮堆密度的验证，和所使用仪器的校准。根据当声波波长远大于管道截面宽度时，管道中将只存在平面波的原理，制作由扬声器箱21、空气管段22、样品管段23、匹配管段24、传感器安装孔25、多通道信号采集调理与分析处理装置26构成的粮堆声传播参数校准与验证装置，如图2所示。空气管段22以保证在样品段端面的声波为平面波，待测粮食装入样品管段23，和匹配管段24中。样品管段23的长度和其中传感器的安装间距以保证信号采集处理装置26能够测得满足测量精度为准；阻抗匹配段24的长度以管段末端与空气分界面中产生的反射、折射波对样品段的传感器信号不造成影响为准。

测出粮食的堆积参数，在样品段和匹配段按照设定的一系列密度装入已知参数的粮食，通过上述步骤得到其中粮堆密度与波动参数的关系。经过方差分析、多元回归、统计检验等步骤，可建立样品密度与波动参数和粮食堆积参数的回归模型，并可通过新的实验对模型进行检验、验证。