專利名稱:電子牙式冰凍糧食水分快速測量方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及糧食水分測量,具體涉及一種電子牙式冰凍糧食水分快速測量方法。
背景技術(shù):
糧食水分測量與我國七億農(nóng)民利益密切相關(guān),也事關(guān)我國的糧食安全。水分含量是評價糧食質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。糧食水分檢測對于糧食的征購、加工、儲藏、運(yùn)輸都具有重要意義。采用正確的水分檢測方法,對糧食水分做出準(zhǔn)確的度量是十分必要的。在我國,水分檢測技術(shù)尚不夠完善,特別是對于冰凍糧食的測量與檢測仍存在較大問題。目前國內(nèi)糧食收購時,仍存在檢測人員用手摸牙咬,憑經(jīng)驗(yàn)來判斷糧食的水分的現(xiàn)象,測定結(jié)果不夠可靠,糧食品質(zhì)無法得到準(zhǔn)確判斷。這使得國家收購的糧食的質(zhì)量難以保證,國家和農(nóng)民的利益沒有得到共同維護(hù)。糧食水分測量領(lǐng)域應(yīng)用較多的方法主要有傳統(tǒng)方法(烘干法)、微波測量法、電容法、核磁共振測量法。其中,傳統(tǒng)方法(烘干法)測量周期長,難以滿足現(xiàn)代生產(chǎn)對速度和連續(xù)化的要求;微波測量法測量結(jié)構(gòu)受溫度等因素影響,結(jié)果不夠準(zhǔn)確;電容法測量結(jié)果受物料形狀、密度等因素影響,儀器價格高;核磁共振測量法儀器昂貴,保養(yǎng)費(fèi)用大。我國糧食產(chǎn)區(qū)主要集中在東北、華北、西南、西北,其中北方的遼、吉、黑、內(nèi)蒙、晉、冀、魯、豫8省區(qū)生產(chǎn)了全國70%以上的糧食作物。國家統(tǒng)計(jì)局根據(jù)2009年全國1%人口抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)推算,我國7. 37億農(nóng)村人口當(dāng)中約有70%集中在冬季糧食檢測會受到低溫影響的北方各省。由于北方冬季天寒地凍,糧食顆粒內(nèi)自由水結(jié)冰,糧粒表面形成霜膜,谷物介電常數(shù)及導(dǎo)電率發(fā)生大幅度改變,現(xiàn)今在糧食水分檢測領(lǐng)域廣泛使用的測量方法均隨之失效。低溫環(huán)境糧食水分快速檢測方面的問題得到人們越來越多的重視,而冰凍狀態(tài)下糧食水分的快速測量更是亟待解決的重要問題。必須盡快找到一種更準(zhǔn)確、快速、簡便且符合水分測定實(shí)際情況的檢測方法以滿足日常的檢驗(yàn)要求,維護(hù)貿(mào)易雙方的合法權(quán),同時,相關(guān)儀器的研發(fā)也刻不容緩。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服常用的測量儀器在冰凍狀態(tài)下測量糧食含水率失效的問題,提出了一種新型的快速測量冰凍狀態(tài)下糧食水分的方法根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量得到的冰凍狀態(tài)谷物水份含量與其硬度的函數(shù)關(guān)系來測量含水率。本發(fā)明是根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量得到的冰凍狀態(tài)谷物水份含量與其硬度的函數(shù)關(guān)系,如黃豆的硬度與含水率關(guān)系為1= -0. 2834Ln (x) +1. 5018 (y為含水率;x為硬度),提出“電子牙”的研究方案來檢測冰凍狀態(tài)下糧食的含水量。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為
本發(fā)明采用鉗式機(jī)械結(jié)構(gòu)模擬生物口腔內(nèi)牙齒的咬合過程,通過冰凍狀態(tài)糧食硬度與含水率之間的關(guān)系,測量冰凍糧食水分含量,具體是步驟(I)在應(yīng)變梁上粘貼上應(yīng)變片、下應(yīng)變片,再與電橋放大電路、單片機(jī)與顯示電路相連,組成傳感器系統(tǒng)。步驟(2)將待測冰凍糧食置于電子牙下端口的凹槽中,調(diào)節(jié)糧食位置至凹槽中心位置,保證外力咬合時,電子牙上端口的測針尖端正對著被測糧食中心。步驟(3)調(diào)整好被測糧食的位置后,給電子牙施加咬合力,通過安裝在應(yīng)變梁上的上應(yīng)變片、下應(yīng)變片 準(zhǔn)確測出壓碎糧食過程中的硬度,并通過冰凍糧食含水量和硬度之間的對應(yīng)關(guān)系,利用電橋放大電路、單片機(jī)與顯示電路后,最終顯示被測糧食的含水量。所述的應(yīng)變梁其設(shè)計(jì)過程可由以下步驟推導(dǎo)在力口的作用下,彈性元件發(fā)生彎曲變形,所受的彎矩為Af = P.1 ,其中i力彈性元件受力
點(diǎn)與應(yīng)變片之間的距離;橫截面上正應(yīng)力的計(jì)算公式為^=#,其中為任意應(yīng)力點(diǎn)
H y
到中性軸之間的距離;對于矩形截面,中性軸位置在幾何中心線上,矩形截面的慣性矩
為其中 分別是應(yīng)變梁的長度與厚度;再結(jié)合胡克定律口 可得 12BHa= E- s
其中£為彈性模量。所述的鉗式機(jī)械結(jié)構(gòu)中,>1.6 ,其中4為咬合力作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離,4為握力作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離。所述的電子牙上端口的測針為高度為i錐角力的圓錐,且0mm<A^15mm,0°<£J;<180°。所述的電子牙上端口的測針為高度為h的F棱錐,且OmnKik2 <15mm,3<F<12。所述的電子牙下端口的凹槽為V形槽,槽長為k,槽寬K1,槽深4,底寬J3,角度-,且 5mm <lx < 20mm,3mm SK1 < 6mm,Imm < 6mm,Imm <3mrn,0。< # <180°。所述的電子牙下端口的凹槽為橢球形槽,槽長為4,槽寬&,槽深A(yù)4,且5mm <l2 < 25mm,3mm < K2 <12mm,Imrn < A4 < 6mm。所述的電子牙下端口的凹槽為方形槽,槽長為4,槽寬,槽深&,且3mm <l3 < 30mm,4mm < K2 <10mm,Imm < A5 < 4mm。本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明提出了一種新型的測量冰凍狀態(tài)下糧食含水率的方法根據(jù)冰凍狀態(tài)谷物水份含量與其硬度的函數(shù)關(guān)系來測量含水率。本發(fā)明適用于糧食的水分測量問題,特別適用于低溫、冰凍狀態(tài)下糧食水分的快
速測量。本發(fā)明的機(jī)械部分采用鉗式結(jié)構(gòu),模擬口腔咬合,實(shí)現(xiàn)人工手動施力,結(jié)構(gòu)簡單使用方便并且質(zhì)量輕體積小,方便攜帶。
本發(fā)明的傳感器敏感元件采用應(yīng)變梁。轉(zhuǎn)換元件使用的是箔式應(yīng)變片,測量精度高。轉(zhuǎn)換電路使用的是差分電橋電路,特點(diǎn)是它無需使用額外的溫度補(bǔ)償片。本發(fā)明可直接顯示含水率,測量結(jié)果簡潔明了,清晰易讀。本發(fā)明可測量不同種類糧食的含水率,如玉米,大豆,小麥、水稻。
圖1為電子牙裝置的主視 圖2為電子牙裝置的等軸測視 圖3為程序下載接口;
圖4為電橋信號放大電路;
圖5為單片機(jī)電路、按鍵電路與顯電路;
圖6為實(shí)驗(yàn)測量得到的大豆冰凍狀態(tài)下硬度與含水率的關(guān)系 圖1中1.應(yīng)變梁,2.上應(yīng)變片,3.下應(yīng)變片4.測針,5.凹槽,6.把手。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。如圖1和圖2所示,在鉗式結(jié)構(gòu)的一端設(shè)置有一個應(yīng)變梁I。應(yīng)變梁I上設(shè)置有應(yīng)變片2、3并與信號處理電路的差動電橋連接,上應(yīng)變片2與下應(yīng)變片3用來捕捉糧食在壓碎的過程中受到的力,壓力值的變化反映為應(yīng)變片的形變,應(yīng)變片可將受到的壓力轉(zhuǎn)換成電阻的變化。在鉗式結(jié)構(gòu)另一端的上端設(shè)置有一定錐度的測針4,測針4用來將冰凍狀態(tài)下的糧食壓碎。在鉗式結(jié)構(gòu)另一端的下端設(shè)有一定角度的凹槽5,凹槽5的兩側(cè)設(shè)有花紋,用來固定要壓碎的糧食。當(dāng)在鉗式結(jié)構(gòu)的把手6受到一個壓力會使軸承運(yùn)動,由于軸承的運(yùn)動使得機(jī)械結(jié)構(gòu)的上下兩端接觸,即測針4與放在凹槽5上的糧食發(fā)生作用力。這個力使得測針4壓入到糧食內(nèi)部。因?yàn)樽饔昧εc反作用力的存在,測針4也會受到相同大小的力。這個力會使應(yīng)變梁I發(fā)生形變。應(yīng)變片將會感應(yīng)到這個形變并將這個力轉(zhuǎn)換成自身電阻阻值的變化。上應(yīng)變片2會受到拉力,使得電阻增大。下應(yīng)變片3會受到壓力,使得電阻減小。把上應(yīng)變片2和下應(yīng)變片3接入到差分電橋電路中可將電阻阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓
輸出。在所述的鉗式機(jī)械結(jié)構(gòu)中,&/4 >1.6 ,其中4為咬合力作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離,L2為
握力作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離
如圖3所示,信號處理電路包括下載接口,所述的下載接口選用JTAG接口,JTAG接口的I腳與第二芯片U2的54腳連接,JTAG接口的3腳與第二芯片U2的55腳連接,JTAG接口的5腳與第二芯片U2的56腳連接,JTAG接口的7腳與第二芯片U2的57腳連接JTAG接口的2腳接+3. 3V電源,JTAG接口的9腳接地,JTAG接口的4腳、6腳、8腳、10腳、12腳、14腳均懸空。信號處理電路還包括電橋信號放大電路、單片機(jī)電路、按鍵電路和顯示電路;應(yīng)變片的輸出端與電橋信號放大電路的輸入端信號連接,電橋信號放大電路的輸出端與單片機(jī)的輸入端信號連接,按鍵電路和顯示電路均與單片機(jī)信號連接;
如圖4所不,電橋信號放大電路包括第一芯片Ul、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、可變電阻R7和第一電容C7 ;第二電阻R2選用一片應(yīng)變片,第四電阻R4選用另一片應(yīng)變片。第一電阻Rl的一端、第二電阻R2的一端接3. 3V ;第二電阻R2的另一端、第三電阻R3的一端與第五電阻R5的一端連接,第五電阻R5的另一端、第一電容C7的一端與第一芯片Ul的3腳連接,第一電容C7的另一端接地。第一電阻Rl的另一端、第四電阻R4的一端、第六電阻R6的一端接地,第六電阻R6的另一端與第一芯片Ul的2腳連接。第三電阻R3的另一端、第四電阻R4的另一端接地??勺冸娮鑂7的一端接第一芯片Ul的2腳,另一端與第一芯片Ul的6腳連接,作為電橋信號放大電路的輸出端;第一芯片Ul的4腳接_15V,7腳接+15V,其它腳懸空,所述的第一芯片Ul型號為0P07。如圖5所示,單片機(jī)電路包括第二芯片U2、第三電容C3、第五電容C5、第一二極管D1、第八電阻R8、第四電容C4、第一電容Cl、第二電容C2、第二晶振CRYSTAL2、第一晶振CRYSTAL I和第六電容C6。第三電容C3的一端與第五電容C5的一端接地;第三電容C3的另一端、第五電容C5的另一端、第一二極管Dl的負(fù)極、第八電阻R8的一端、第二芯片U2的64腳與+3. 3V電源連接;第一二極管Dl的正極、第八電阻R8的另一端、第二芯片U2的58腳、第四電容C4的一端與第三芯片U3的11腳連接;第四電容C4的另一端接地;第二芯片U2的63腳、第二芯片U2的62腳接地。第一電容Cl的一端與第二電容C2的一端接地;第一電容Cl的另一端、第二晶振CRYSTAL2的一端與第二芯片U2的53腳連接;第二電容C2的另一端、第二晶振CRYSTAL2的另一端與第二芯片U2的52腳連接;第一晶振CRYSTAL1的一端與第二芯片U2的8腳連接;第一晶振CRYSTAL1的另一端與第二芯片U2的9腳連接。第六電容C6的一端、第二芯片U2的I腳接+3. 3V電源;第六電容C6的另一端接地;第二芯片U2的59腳與第一芯片Ul的6腳連接,所述的第二芯片U2型號為MSP430F149。按鍵電路包括第一按鍵SI、第二按鍵S2、第三按鍵S3、第四按鍵S4 ;第一按鍵SI的一端與第二芯片U2的12腳連接;第二按鍵S2的一端與第二芯片U2的13腳連接;第三按鍵S3的一端與第二芯片U2的14腳連接;第四按鍵S4的一端與第二芯片U2的15腳連接;第一按鍵SI的另一端、第二按鍵S2的另一端、第三按鍵S3的另一端、第四按鍵S4的另一端接地。所述的顯示電路包括第四芯片U4、第九可變電阻R9 ;第四芯片U4的16腳接地;第四芯片U4的15腳、第四芯片U4的2腳接+3. 3V ;第四芯片U4的14腳與第二芯片U2的43腳連接;第四芯片U4的13腳與第二芯片U2的42腳連接;第四芯片U4的12腳與第二芯片U2的41腳連接;第四芯片U4的11腳與第二芯片U2的40腳連接;第四芯片U4的10腳與第二芯片U2的39腳連接;第四芯片U4的9腳與第二芯片U2的38腳連接;第四芯片U4的8腳與第二芯片U2的37腳連接;第四芯片U4的7腳與第二芯片U2的36腳連接;第四芯片U4的6腳與第二芯片U2的35腳連接;第四芯片U4的5腳與第二芯片U2的34腳連接;第四芯片U4的4腳與第二芯片U2的33腳連接;第四芯片U4的3腳與第九可變電阻的一端、第九可變電阻的電阻可調(diào)端連接,第九電阻的另一端接地,所述的第四芯片U4的型號為LCD1602。
如圖6所示,為大豆冰凍狀態(tài)下硬度與含水率的關(guān)系圖,本方法的基本原理是根據(jù)冰凍狀態(tài)下糧食的硬度與含水率的關(guān)系進(jìn)行測量糧食含水率。為此需要進(jìn)行冰凍糧食硬度與含水率的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)對象選擇大豆。第一步,從市場上購買了一些大豆并進(jìn)行篩選,再將其分別浸泡在水中O、I、1. 5、2、3、3. 5、4、4. 5、5、6小時;第二步,將這10組大豆放在溫度為-1. 5°C的冰箱中冰凍24小時;第三步,取出大豆并用硬度計(jì)測量每粒大豆的硬度。第四步,稱量每組測完硬度后大豆的質(zhì)量,并放在烘箱中烘干12個小時,待恒重后稱量其質(zhì)量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示,其它糧食的硬度與含水率的關(guān)系也類似測定,從而建立起數(shù)據(jù)庫。本發(fā)明在機(jī)械設(shè)計(jì)方面,采用鉗式結(jié)構(gòu),模擬口腔咬合,實(shí)現(xiàn)人工手動施力,結(jié)構(gòu)簡單使用方便并且質(zhì)量輕體積小,方便攜帶。在鉗式結(jié)構(gòu)的咬合部位上端設(shè)置有用來將冰凍狀態(tài)下糧食壓碎的鋼針,下端設(shè)置有用來固定要壓碎糧食的凹槽,位于鉗式結(jié)構(gòu)的鉸接處與咬合部上端之間為懸臂梁結(jié)構(gòu);懸臂梁的上下兩側(cè)各安裝有一片箔式應(yīng)變片;所述的箔式應(yīng)變片用來捕捉糧食在壓碎的過程中受到的壓力值,壓力值的變化反映為應(yīng)變片的形變,箔式應(yīng)變片可將受到的壓力轉(zhuǎn)換成應(yīng)變片電阻的變化。本發(fā)明在機(jī)械設(shè)計(jì)的應(yīng)變片傳感器中,選用箔式應(yīng)變片。箔式應(yīng)變片具有散熱條件好、允許電流大、橫向效應(yīng)小、疲勞壽命長、生產(chǎn)過程簡單、適于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)椴綉?yīng)變片具有這些優(yōu)點(diǎn),所以選擇了箔式應(yīng)變片。冰凍狀態(tài)下糧食在壓碎過程中受到的力會是懸臂梁發(fā)生形變,所述的箔式應(yīng)變片可以感受到懸臂梁發(fā)生的形變并將它轉(zhuǎn)換成電阻阻值的改變。本發(fā)明在信號處理電路的信號處理中,首先采用差分電橋電路將所述的箔式應(yīng)變片電阻阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓輸出。采用差分電橋電路是因?yàn)樗袦囟妊a(bǔ)償作用,無需另接溫度補(bǔ)償片。其次由于差分電橋輸出的信號幅值太小,需要繼續(xù)放大。放大電路采用的芯片為0P07,它為超低失調(diào)電壓雙路運(yùn)算放大器,具有輸入偏置電流低和開環(huán)增益高的特點(diǎn)。最后由于差分電橋電路輸出的是模擬信號,而單片機(jī)只能處理數(shù)字信號,所以需要將放大后的信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。在本發(fā)明中采用的單片機(jī)為MSP430F149,用它完成對電橋放大電路輸出信號的AD轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理并顯示。在信號處理電路的按鍵電路中,根據(jù)按鍵選擇不同的糧食種類,包括玉米,大豆,小麥、水稻。在信號處理電路的顯示電路中,采用的是IXD1602液晶顯示器。IXD1602是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等點(diǎn)陣型液晶模塊。它顯示的內(nèi)容為16x2,即可以顯示2行,每行16個字符(字母、數(shù)字、符號)。在本發(fā)明中,利用LCD1602顯示含水率的值。上述具體實(shí)施方式
用來解釋說明本發(fā)明,而不是針對本發(fā)明進(jìn)行限制,在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi),對本發(fā)明作出的任何修改和更改,都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.電子牙式冰凍糧食水分快速測量方法,其特征在于該方法采用鉗式機(jī)械結(jié)構(gòu)模擬生物口腔內(nèi)牙齒的咬合過程,通過冰凍狀態(tài)糧食硬度與含水率之間的關(guān)系,測量冰凍糧食水分含量,具體是 步驟(I)在應(yīng)變梁(I)上粘貼上應(yīng)變片(2)、下應(yīng)變片(3),再與電橋放大電路、單片機(jī)與顯示電路相連,組成傳感器系統(tǒng); 步驟(2)將待測冰凍糧食置于電子牙下端口的凹槽(5)中,調(diào)節(jié)糧食位置至凹槽中心位置,保證外力咬合時,電子牙上端口的測針(4)尖端正對著被測糧食中心; 步驟(3)調(diào)整好被測糧食的位置后,給電子牙施加咬合力,通過安裝在應(yīng)變梁(I)上的上應(yīng)變片(2)、下應(yīng)變片(3)準(zhǔn)確測出壓碎糧食過程中的硬度,并通過冰凍糧食含水量和硬度之間的對應(yīng)關(guān)系,利用電橋放大電路、單片機(jī)與顯示電路后,最終顯示被測糧食的含水量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子牙式冰凍糧食水分快速測量方法,其特征在于所述的應(yīng)變梁(I)其設(shè)計(jì)過程可由以下步驟推導(dǎo)在力P的作用下,彈性元件發(fā)生彎曲變形,所受的彎矩為夏
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子牙式冰凍糧食水分快速測量方法,其特征在于所述的鉗式機(jī)械結(jié)構(gòu)中,,其中A為咬合力作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離,毛為握力作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子牙式冰凍糧食水分快速測量方法,其特征在于所述的電子牙上端口的測針⑷為高度力I錐角力,的圓錐,且OmmcA1SlSmm , 0°<α<180°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子牙式冰凍糧食水分快速測量方法,其特征在于所述的電子牙上端口的測針⑷為高度為. 的I棱錐,且Omnr=A2SI5mm,3<Μ< 2。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子牙式冰凍糧食水分快速測量方法,其特征在于所述的電子牙下端口的凹槽(5)為V形槽,槽長為4,槽寬Zi,槽深&,底寬i ,角度彡,且5mm < 20mm,3mm < K1 < 6mrn,Imm <h^ < 6mm,|mm < Jmm,Ob < <180B。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子牙式冰凍糧食水分快速測量方法,其特征在于所述的電子牙下端口的凹槽(5)為橢球形槽,槽長為槽寬毛,槽深、,且5mm U2S 25mm ,3mm < ,ST2 < 12mm,Imm <h^< 6mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子牙式冰凍糧食水分快速測量方法,其特征在于所述的 電子牙下端口的凹槽(5)為方形槽,槽長為4 ,槽寬jK3,槽深且3mm ^30mm,4mm <Ζ"2 <1 Omrn,Imm <k5< 4rnm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電子牙式冰凍糧食水分快速測量方法。目前國內(nèi)糧食收購時,仍存在檢測人員用手摸牙咬,憑經(jīng)驗(yàn)來判斷糧食的水分的現(xiàn)象,測定結(jié)果不夠可靠,糧食品質(zhì)無法得到準(zhǔn)確判斷。本發(fā)明采用鉗式機(jī)械結(jié)構(gòu)模擬生物口腔內(nèi)牙齒的咬合過程,通過冰凍狀態(tài)糧食硬度與含水率之間的關(guān)系,測量冰凍糧食水分含量。本發(fā)明采用鉗式結(jié)構(gòu),模擬口腔咬合,實(shí)現(xiàn)人工手動施力,結(jié)構(gòu)簡單使用方便并且質(zhì)量輕體積小,方便攜帶。
文檔編號G01N19/10GK102980848SQ201210466798
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月16日
發(fā)明者胡佳成, 程陽, 簡黎, 王祉丹, 李東升 申請人:中國計(jì)量學(xué)院