专利名称：电子牙式冰冻粮食水分快速测量方法
技术领域：
本发明涉及粮食水分测量，具体涉及一种电子牙式冰冻粮食水分快速测量方法。
背景技术：
粮食水分测量与我国七亿农民利益密切相关，也事关我国的粮食安全。水分含量是评价粮食质量的重要指标之一。粮食水分检测对于粮食的征购、加工、储藏、运输都具有重要意义。采用正确的水分检测方法，对粮食水分做出准确的度量是十分必要的。在我国，水分检测技术尚不够完善，特别是对于冰冻粮食的测量与检测仍存在较大问题。目前国内粮食收购时，仍存在检测人员用手摸牙咬，凭经验来判断粮食的水分的现象，测定结果不够可靠，粮食品质无法得到准确判断。这使得国家收购的粮食的质量难以保证，国家和农民的利益没有得到共同维护。粮食水分测量领域应用较多的方法主要有传统方法(烘干法)、微波测量法、电容法、核磁共振测量法。其中，传统方法(烘干法)测量周期长，难以满足现代生产对速度和连续化的要求；微波测量法测量结构受温度等因素影响，结果不够准确；电容法测量结果受物料形状、密度等因素影响，仪器价格高；核磁共振测量法仪器昂贵，保养费用大。我国粮食产区主要集中在东北、华北、西南、西北，其中北方的辽、吉、黑、内蒙、晋、冀、鲁、豫8省区生产了全国70%以上的粮食作物。国家统计局根据2009年全国1%人口抽样调查数据推算，我国7. 37亿农村人口当中约有70%集中在冬季粮食检测会受到低温影响的北方各省。由于北方冬季天寒地冻，粮食颗粒内自由水结冰，粮粒表面形成霜膜，谷物介电常数及导电率发生大幅度改变，现今在粮食水分检测领域广泛使用的测量方法均随之失效。低温环境粮食水分快速检测方面的问题得到人们越来越多的重视，而冰冻状态下粮食水分的快速测量更是亟待解决的重要问题。必须尽快找到一种更准确、快速、简便且符合水分测定实际情况的检测方法以满足日常的检验要求，维护贸易双方的合法权，同时，相关仪器的研发也刻不容缓。

发明内容
本发明要解决的技术问题是克服常用的测量仪器在冰冻状态下测量粮食含水率失效的问题，提出了一种新型的快速测量冰冻状态下粮食水分的方法根据实验测量得到的冰冻状态谷物水份含量与其硬度的函数关系来测量含水率。本发明是根据实验测量得到的冰冻状态谷物水份含量与其硬度的函数关系，如黄豆的硬度与含水率关系为1= -0. 2834Ln (x) +1. 5018 (y为含水率；x为硬度)，提出“电子牙”的研究方案来检测冰冻状态下粮食的含水量。本发明解决技术问题所采取的技术方案为
本发明采用钳式机械结构模拟生物口腔内牙齿的咬合过程，通过冰冻状态粮食硬度与含水率之间的关系，测量冰冻粮食水分含量，具体是步骤(I)在应变梁上粘贴上应变片、下应变片，再与电桥放大电路、单片机与显示电路相连，组成传感器系统。步骤(2)将待测冰冻粮食置于电子牙下端口的凹槽中，调节粮食位置至凹槽中心位置，保证外力咬合时，电子牙上端口的测针尖端正对着被测粮食中心。步骤(3)调整好被测粮食的位置后，给电子牙施加咬合力，通过安装在应变梁上的上应变片、下应变片 准确测出压碎粮食过程中的硬度，并通过冰冻粮食含水量和硬度之间的对应关系，利用电桥放大电路、单片机与显示电路后，最终显示被测粮食的含水量。所述的应变梁其设计过程可由以下步骤推导在力口的作用下，弹性元件发生弯曲变形，所受的弯矩为Af = P.1 ,其中i力弹性元件受力
点与应变片之间的距离；横截面上正应力的计算公式为^=#，其中为任意应力点
H y
到中性轴之间的距离；对于矩形截面，中性轴位置在几何中心线上，矩形截面的惯性矩
为其中 分别是应变梁的长度与厚度；再结合胡克定律口 可得 12BHa= E- s
其中￡为弹性模量。所述的钳式机械结构中，>1.6 ,其中4为咬合力作用点到支点的距离，4为握力作用点到支点的距离。所述的电子牙上端口的测针为高度为i锥角力的圆锥，且0mm<A^15mm，0°<￡J；<180°。所述的电子牙上端口的测针为高度为h的F棱锥，且OmnKik2 <15mm，3<F<12。所述的电子牙下端口的凹槽为V形槽，槽长为k，槽宽K1，槽深4，底宽J3，角度-，且 5mm <lx < 20mm，3mm SK1 < 6mm，Imm < 6mm，Imm <3mrn，0。< # <180°。所述的电子牙下端口的凹槽为椭球形槽，槽长为4，槽宽&，槽深A4，且5mm <l2 < 25mm，3mm < K2 <12mm，Imrn < A4 < 6mm。所述的电子牙下端口的凹槽为方形槽，槽长为4，槽宽，槽深&，且3mm <l3 < 30mm，4mm < K2 <10mm，Imm < A5 < 4mm。本发明的有益效果
本发明提出了一种新型的测量冰冻状态下粮食含水率的方法根据冰冻状态谷物水份含量与其硬度的函数关系来测量含水率。本发明适用于粮食的水分测量问题，特别适用于低温、冰冻状态下粮食水分的快
速测量。本发明的机械部分采用钳式结构，模拟口腔咬合，实现人工手动施力，结构简单使用方便并且质量轻体积小，方便携带。
本发明的传感器敏感元件采用应变梁。转换元件使用的是箔式应变片，测量精度高。转换电路使用的是差分电桥电路，特点是它无需使用额外的温度补偿片。本发明可直接显示含水率，测量结果简洁明了，清晰易读。本发明可测量不同种类粮食的含水率,如玉米,大豆,小麦、水稻。


图1为电子牙装置的主视 图2为电子牙装置的等轴测视 图3为程序下载接口；
图4为电桥信号放大电路；
图5为单片机电路、按键电路与显电路；
图6为实验测量得到的大豆冰冻状态下硬度与含水率的关系 图1中1.应变梁，2.上应变片，3.下应变片4.测针，5.凹槽，6.把手。
具体实施例方式以下结合附图对本发明作进一步描述。如图1和图2所示，在钳式结构的一端设置有一个应变梁I。应变梁I上设置有应变片2、3并与信号处理电路的差动电桥连接，上应变片2与下应变片3用来捕捉粮食在压碎的过程中受到的力，压力值的变化反映为应变片的形变，应变片可将受到的压力转换成电阻的变化。在钳式结构另一端的上端设置有一定锥度的测针4，测针4用来将冰冻状态下的粮食压碎。在钳式结构另一端的下端设有一定角度的凹槽5，凹槽5的两侧设有花纹，用来固定要压碎的粮食。当在钳式结构的把手6受到一个压力会使轴承运动，由于轴承的运动使得机械结构的上下两端接触，即测针4与放在凹槽5上的粮食发生作用力。这个力使得测针4压入到粮食内部。因为作用力与反作用力的存在，测针4也会受到相同大小的力。这个力会使应变梁I发生形变。应变片将会感应到这个形变并将这个力转换成自身电阻阻值的变化。上应变片2会受到拉力，使得电阻增大。下应变片3会受到压力，使得电阻减小。把上应变片2和下应变片3接入到差分电桥电路中可将电阻阻值的变化转换成电压
输出。在所述的钳式机械结构中，&/4 >1.6 ,其中4为咬合力作用点到支点的距离，L2为
握力作用点到支点的距离
如图3所示，信号处理电路包括下载接口，所述的下载接口选用JTAG接口，JTAG接口的I脚与第二芯片U2的54脚连接，JTAG接口的3脚与第二芯片U2的55脚连接，JTAG接口的5脚与第二芯片U2的56脚连接，JTAG接口的7脚与第二芯片U2的57脚连接JTAG接口的2脚接+3. 3V电源，JTAG接口的9脚接地，JTAG接口的4脚、6脚、8脚、10脚、12脚、14脚均悬空。信号处理电路还包括电桥信号放大电路、单片机电路、按键电路和显示电路；应变片的输出端与电桥信号放大电路的输入端信号连接，电桥信号放大电路的输出端与单片机的输入端信号连接，按键电路和显示电路均与单片机信号连接；
如图4所不，电桥信号放大电路包括第一芯片Ul、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、可变电阻R7和第一电容C7 ;第二电阻R2选用一片应变片，第四电阻R4选用另一片应变片。第一电阻Rl的一端、第二电阻R2的一端接3. 3V ;第二电阻R2的另一端、第三电阻R3的一端与第五电阻R5的一端连接,第五电阻R5的另一端、第一电容C7的一端与第一芯片Ul的3脚连接，第一电容C7的另一端接地。第一电阻Rl的另一端、第四电阻R4的一端、第六电阻R6的一端接地，第六电阻R6的另一端与第一芯片Ul的2脚连接。第三电阻R3的另一端、第四电阻R4的另一端接地。可变电阻R7的一端接第一芯片Ul的2脚,另一端与第一芯片Ul的6脚连接,作为电桥信号放大电路的输出端；第一芯片Ul的4脚接_15V，7脚接+15V，其它脚悬空，所述的第一芯片Ul型号为0P07。如图5所示，单片机电路包括第二芯片U2、第三电容C3、第五电容C5、第一二极管D1、第八电阻R8、第四电容C4、第一电容Cl、第二电容C2、第二晶振CRYSTAL2、第一晶振CRYSTAL I和第六电容C6。第三电容C3的一端与第五电容C5的一端接地；第三电容C3的另一端、第五电容C5的另一端、第一二极管Dl的负极、第八电阻R8的一端、第二芯片U2的64脚与+3. 3V电源连接；第一二极管Dl的正极、第八电阻R8的另一端、第二芯片U2的58脚、第四电容C4的一端与第三芯片U3的11脚连接；第四电容C4的另一端接地;第二芯片U2的63脚、第二芯片U2的62脚接地。第一电容Cl的一端与第二电容C2的一端接地；第一电容Cl的另一端、第二晶振CRYSTAL2的一端与第二芯片U2的53脚连接；第二电容C2的另一端、第二晶振CRYSTAL2的另一端与第二芯片U2的52脚连接；第一晶振CRYSTAL1的一端与第二芯片U2的8脚连接；第一晶振CRYSTAL1的另一端与第二芯片U2的9脚连接。第六电容C6的一端、第二芯片U2的I脚接+3. 3V电源；第六电容C6的另一端接地；第二芯片U2的59脚与第一芯片Ul的6脚连接，所述的第二芯片U2型号为MSP430F149。按键电路包括第一按键SI、第二按键S2、第三按键S3、第四按键S4 ;第一按键SI的一端与第二芯片U2的12脚连接；第二按键S2的一端与第二芯片U2的13脚连接；第三按键S3的一端与第二芯片U2的14脚连接；第四按键S4的一端与第二芯片U2的15脚连接；第一按键SI的另一端、第二按键S2的另一端、第三按键S3的另一端、第四按键S4的另一端接地。所述的显示电路包括第四芯片U4、第九可变电阻R9 ;第四芯片U4的16脚接地；第四芯片U4的15脚、第四芯片U4的2脚接+3. 3V ;第四芯片U4的14脚与第二芯片U2的43脚连接；第四芯片U4的13脚与第二芯片U2的42脚连接；第四芯片U4的12脚与第二芯片U2的41脚连接；第四芯片U4的11脚与第二芯片U2的40脚连接；第四芯片U4的10脚与第二芯片U2的39脚连接；第四芯片U4的9脚与第二芯片U2的38脚连接；第四芯片U4的8脚与第二芯片U2的37脚连接；第四芯片U4的7脚与第二芯片U2的36脚连接；第四芯片U4的6脚与第二芯片U2的35脚连接；第四芯片U4的5脚与第二芯片U2的34脚连接；第四芯片U4的4脚与第二芯片U2的33脚连接；第四芯片U4的3脚与第九可变电阻的一端、第九可变电阻的电阻可调端连接，第九电阻的另一端接地，所述的第四芯片U4的型号为LCD1602。
如图6所示，为大豆冰冻状态下硬度与含水率的关系图，本方法的基本原理是根据冰冻状态下粮食的硬度与含水率的关系进行测量粮食含水率。为此需要进行冰冻粮食硬度与含水率的实验，实验对象选择大豆。第一步，从市场上购买了一些大豆并进行筛选，再将其分别浸泡在水中O、I、1. 5、2、3、3. 5、4、4. 5、5、6小时；第二步，将这10组大豆放在温度为-1. 5°C的冰箱中冰冻24小时；第三步，取出大豆并用硬度计测量每粒大豆的硬度。第四步，称量每组测完硬度后大豆的质量，并放在烘箱中烘干12个小时，待恒重后称量其质量，实验结果如图6所示，其它粮食的硬度与含水率的关系也类似测定，从而建立起数据库。本发明在机械设计方面，采用钳式结构，模拟口腔咬合，实现人工手动施力，结构简单使用方便并且质量轻体积小，方便携带。在钳式结构的咬合部位上端设置有用来将冰冻状态下粮食压碎的钢针，下端设置有用来固定要压碎粮食的凹槽，位于钳式结构的铰接处与咬合部上端之间为悬臂梁结构；悬臂梁的上下两侧各安装有一片箔式应变片；所述的箔式应变片用来捕捉粮食在压碎的过程中受到的压力值，压力值的变化反映为应变片的形变，箔式应变片可将受到的压力转换成应变片电阻的变化。本发明在机械设计的应变片传感器中，选用箔式应变片。箔式应变片具有散热条件好、允许电流大、横向效应小、疲劳寿命长、生产过程简单、适于批量生产等优点。因为箔式应变片具有这些优点，所以选择了箔式应变片。冰冻状态下粮食在压碎过程中受到的力会是悬臂梁发生形变，所述的箔式应变片可以感受到悬臂梁发生的形变并将它转换成电阻阻值的改变。本发明在信号处理电路的信号处理中，首先采用差分电桥电路将所述的箔式应变片电阻阻值的变化转换成电压输出。采用差分电桥电路是因为它有温度补偿作用，无需另接温度补偿片。其次由于差分电桥输出的信号幅值太小，需要继续放大。放大电路采用的芯片为0P07，它为超低失调电压双路运算放大器，具有输入偏置电流低和开环增益高的特点。最后由于差分电桥电路输出的是模拟信号，而单片机只能处理数字信号，所以需要将放大后的信号进行AD转换。在本发明中采用的单片机为MSP430F149，用它完成对电桥放大电路输出信号的AD转换与数据处理并显示。在信号处理电路的按键电路中，根据按键选择不同的粮食种类，包括玉米，大豆，小麦、水稻。在信号处理电路的显示电路中，采用的是IXD1602液晶显示器。IXD1602是一种专门用来显示字母、数字、符号等点阵型液晶模块。它显示的内容为16x2，即可以显示2行，每行16个字符(字母、数字、符号)。在本发明中，利用LCD1602显示含水率的值。上述具体实施方式
用来解释说明本发明，而不是针对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和更改，都落入本发明的保护范围。
权利要求
1.电子牙式冰冻粮食水分快速测量方法，其特征在于该方法采用钳式机械结构模拟生物口腔内牙齿的咬合过程，通过冰冻状态粮食硬度与含水率之间的关系，测量冰冻粮食水分含量，具体是 步骤(I)在应变梁(I)上粘贴上应变片(2)、下应变片(3)，再与电桥放大电路、单片机与显示电路相连，组成传感器系统； 步骤(2)将待测冰冻粮食置于电子牙下端口的凹槽(5)中，调节粮食位置至凹槽中心位置，保证外力咬合时，电子牙上端口的测针(4)尖端正对着被测粮食中心； 步骤(3)调整好被测粮食的位置后，给电子牙施加咬合力，通过安装在应变梁(I)上的上应变片(2)、下应变片(3)准确测出压碎粮食过程中的硬度，并通过冰冻粮食含水量和硬度之间的对应关系，利用电桥放大电路、单片机与显示电路后，最终显示被测粮食的含水量。
2.根据权利要求1所述的电子牙式冰冻粮食水分快速测量方法，其特征在于所述的应变梁(I)其设计过程可由以下步骤推导在力P的作用下，弹性元件发生弯曲变形，所受的弯矩为夏
3.根据权利要求1所述的电子牙式冰冻粮食水分快速测量方法，其特征在于所述的钳式机械结构中，,其中A为咬合力作用点到支点的距离，毛为握力作用点到支点的距离。
4.根据权利要求1所述的电子牙式冰冻粮食水分快速测量方法，其特征在于所述的电子牙上端口的测针⑷为高度力I锥角力，的圆锥，且OmmcA1SlSmm , 0°<α<180°。
5.根据权利要求1所述的电子牙式冰冻粮食水分快速测量方法，其特征在于所述的电子牙上端口的测针⑷为高度为. 的I棱锥，且Omnr=A2SI5mm，3<Μ< 2。
6.根据权利要求1所述的电子牙式冰冻粮食水分快速测量方法，其特征在于所述的电子牙下端口的凹槽(5)为V形槽,槽长为4,槽宽Zi，槽深&,底宽i ，角度彡，且5mm < 20mm，3mm < K1 < 6mrn，Imm <h^ < 6mm，|mm < Jmm，Ob < <180B。
7.根据权利要求1所述的电子牙式冰冻粮食水分快速测量方法，其特征在于所述的电子牙下端口的凹槽(5)为椭球形槽,槽长为槽宽毛，槽深、，且5mm U2S 25mm ,3mm < ,ST2 < 12mm，Imm <h^< 6mm。
8.根据权利要求1所述的电子牙式冰冻粮食水分快速测量方法，其特征在于所述的 电子牙下端口的凹槽(5)为方形槽，槽长为4 ,槽宽jK3，槽深且3mm ^30mm，4mm <Ζ"2 <1 Omrn，Imm <k5< 4rnm。
全文摘要
本发明公开了一种电子牙式冰冻粮食水分快速测量方法。目前国内粮食收购时,仍存在检测人员用手摸牙咬,凭经验来判断粮食的水分的现象,测定结果不够可靠，粮食品质无法得到准确判断。本发明采用钳式机械结构模拟生物口腔内牙齿的咬合过程，通过冰冻状态粮食硬度与含水率之间的关系，测量冰冻粮食水分含量。本发明采用钳式结构，模拟口腔咬合，实现人工手动施力，结构简单使用方便并且质量轻体积小，方便携带。
文档编号G01N19/10GK102980848SQ201210466798
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月16日 优先权日2012年11月16日
发明者胡佳成, 程阳, 简黎, 王祉丹, 李东升 申请人:中国计量学院