CN102175924A - 一种测量粮堆介电常数的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量粮堆介电常数的方法和装置，包括采集设备和计算机，计算机通过USB接口与采集设备通信连接，其中采集设备包括,一接收天线、另一接收天线、发射天线、信号源及虚拟示波器；计算机包括数据采集模块、存储模块、数据处理模块及显示设备。本发明测量粮堆的介电常数，通过粮堆的介电常数与粮堆密度的关系，准确的计算出粮堆的密度，最终能知道粮食准确的储量，提高粮食管理行业的技术水平。

Description

一种测量粮堆介电常数的方法及装置

技术领域

本发明属于粮库储粮监测领域，更具体涉及一种测量粮堆介电常数的方法及装置。

背景技术

为了保证国家的粮食安全，我国建立了粮食储备制度，但是如何确保国家和地方储备粮食数量和质量的真实性，是我国在粮食仓储管理工作中急需解决的现实问题。目前，我国每年都要花费大量的人力、物力、财力对粮库进行清仓查库，由于目前采用的检查方法大多是采用原始的测量工具测量和检查人员的经验判断，既非常费时、费力，还存在着人为误差，精确性得不到保证。

介电常数是介质在电场作用下表现出的一种电学特性，真空的介电常数约等于8.85×10-12F/m，介质的介电常数与真空的介电常数的比值称为该介质的相对介电常数。由于空气的介电常数与真空的介电常数比较接近，所以空气的相对介电常数近似为1，本文提到的介电常数均为介质的相对介电常数。影响介电常数的因素是多方面的，对于粮食来说主要有：品种、密度、含水量、温度。对于一个粮堆中的粮食，其品种是单一的，含水量、温度基本上是不变的，只有粮食的密度会随着储藏时间、堆积高度、入仓方式，距离道路远近等因素。如果测量出粮堆的介电常数，依据粮堆现场取样测量的粮食密度与介电常数的关系，可计算出粮堆的密度。

介电常数的测量装置有很多种，对于粮堆而言，一种是可以使用探地雷达在粮堆表面进行测量，但这种方案受粮堆高度和仓顶反射信号的影响较大，只能估计出粮堆的介电常数。另外一种是利用时域反射计(TDR)***粮堆表面进行测量，但这种方案的缺点是只能探测探针周围小范围的介电常数信息，不能在大范围快速测量粮堆的介电常数，且探针的***会对有效范围内的测量对象产生较大的扰动，导致结果不准确。想要准确的到单一品种的粮食存储量，就要得出准确粮堆的密度，依据粮堆现场取样测量的粮食密度与介电常数的关系，可计算出粮堆的密度。因此准确测出粮堆的介电常数是目前的技术难题。

发明内容

本发明为了提高粮堆介电常数的测量精度的技术问题，提供了一种测量粮堆介电常数的方法。

本发明具体技术方案如下：一种测量粮堆介电常数的方法，具体包括以下步骤：

S100，通过计算机采集模块启动采集设备，对虚拟示波器前置参数设置；

S200，采集模块获取采样点的数据，使采集设备在粮堆中采集信号源的电磁波信号，并通过虚拟示波器转化成数字信号；

S300，数据处理模块根据上述采集的数据计算出接收信号的相位差，再根据两接收天线到发射天线的距离计算出信号传输的距离差，最后根据公式：

计算出粮堆介电常数，并存储到存储模块，在显示设备上显示。

所述S100步骤之前还包括，两接收天线、一发射天线相隔一定的距离平行***粮堆中，使其位于粮面以下一定的位置，并保持上、下端平齐。

S200步骤中所述的获取采样点数据，每个信号周期至少获取5个采样点数据。

所述S200步骤具体包括，

S201.信号源产生电磁波，经过同轴电缆传送到发射天线；

S202.发射天线将电磁波发射出去后，两根距发射天线不同距离的接收天线将接收的电磁波信号转换为电流，再经过同轴电缆送入虚拟示波器，虚拟示波拟将电流转化成数字信号。

所述信号源工作具体包括以下步骤，

T101，通电后，单片机对液晶显示器进行初始化；

T102，键盘将有效数据输入完毕后，单片机按照顺序将存储在内存单元的数据取出并运算后送入DDS芯片；

T105，DDS芯片中数模转换器输出的阶梯序列波通过低通滤波器平滑后得到一个纯净的正弦信号；

T106，低通滤波器的输出经过两级放大后得到幅度为10V的正弦信号。

所述的电磁波频率范围为20MHz到45MHz。

所述频率与两接收天线及发射天线中心频率保持一致。

所述S300步骤具体包括，

S301.数据处理模块根据上述采集的数据通FFT谱分析法计算出接收信号的相位差Δφ；

S302.根据两接收天线到发射天线的距离计算出信号传输的距离差D；

S303.最后根据公式：

计算出粮堆介电常数，并存储到存储模块，在显示设备上显示。

一种测量粮堆介电常数的装置，包括采集设备和计算机，计算机通过USB接口与采集设备通信连接，其中采集设备包括，一接收天线、另一接收天线、发射天线、信号源及虚拟示波器；计算机包括数据采集模块、存储模块、数据处理模块及显示设备。

所述信号源包括DDS芯片，单片机、30M晶振、低通滤波器、放大器、键盘及液晶显示器。

所述发射天线、接收天线为螺旋天线，包括螺旋线圈、玻璃纤维棒、PVC套管及N型连接头。

发明效果：测量粮堆的介电常数，通过粮堆的介电常数与粮堆密度的关系，准确的计算出粮堆的密度，最终能知道粮食准确的储量，提高粮食管理行业的技术水平。

附图说明

图1是本发明的测量粮堆介电常数的装置的示意图；

图2是本发明的测量粮堆介电常数的方法的流程图；

图3是本发明的装置软件的流程图；

图4是本发明的信号源的组成框图；

图5是本发明的一般螺旋天线结构示意图。

具体实施实例

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种测量粮堆介电常数的装置，包括采集设备和便携式计算机，计算机通过USB接口与采集设备通信连接，其中采集设备包括，接收天线1、另一接收天线2、发射天线、信号源及虚拟示波器；计算机包括数据采集模块、存储模块、数据处理模块及显示设备。

如图5所示，D是螺旋天线直径，L是螺旋天线轴向长度，S是螺距，I、II是螺旋线上相对应两点。

对于工作于一定中心频率的天线来说，其所需绕的线圈数N可以由下式近似算出：

$N=\frac{30}{\mathrm{fD}}{\left(\frac{L}{D}\right)}^{\frac{1}{5}}---\left(1\right)$

因此中心频率点为28.1M时，用直径为1mm的漆包线绕在10mm直径的玻璃纤维棒上，需绕制辐射线圈232圈，两螺旋线圈之间的间距为3mm。

信号源框图如图3所示。设计以DDS芯片AD9851为电路核心，单片机AT89S52为控制核心的信号产生电路。在通电以后，单片机首先对以液晶显示器进行初始化，进入输入频率界面，接下来键盘扫描程序开始工作，当有数字键按下，经过按键消抖后取出键值，将该值按键入的顺序存储到指定的内存单元，并将数字显示在液晶显示器上，跳回按键扫描程序，等待下一个数值的输入，在有效数值输入完毕后按确定键，单片机将按顺序把存入内存的数据取出并进行运算，运算完毕后进行数据调整，然后送入AD9851，再调用显示，将输出频率显示出来，之后单片机将指定的内存单元清零，进行按键扫描，等待新数据的输入。AD9851将输入数据存入数据输入寄存器，收到频率更新指令后更新频率控制字(FTW，Frequency Tuning Words)，FTW在每一个时钟周期内与相位累加器累加一次，得到的相位值(0～2π)在每一个时钟周期内以二进制码的形式去寻址正弦查询表ROM，将相位信息转变成它相应的数字化正弦幅度值，ROM输出的数字化波形序列再经数模转换器(DAC)实现量化数字信号到模拟信号的转变，最后DAC输出的阶梯序列波通过低通滤波器(LPF)平滑后得到一个纯净的正弦信号。AD9851的输出经过低通滤波、两级放大后得到1Hz-70MHz的正弦信号，幅度可以达到10V。

如图2、3所示，一种测量粮堆介电常数的方法，具体包括以下步骤，准备步骤：

S101，将两接收天线、一发射天线相隔一定的距离平行***粮堆中，使其位于粮面以下的位置，即天线完全埋入粮堆中，并保持上、下端平齐，打开采集设备和便携式计算机，启动相应的设备及程序。其中两接收天线与发射天线的距离不同。

S102，通过计算机采集模块启动采集设备；

S103，对虚拟示波器前置参数设置；打开两个通道，选择耦合方式为交流，电压倍率为10×，时基为20ns/div，触发方式为上升沿自动触发。

根据奈奎斯特采样定律，对于频率为28.1MHz的信号，采样速率至少要达到56.2MSa/s，如果要使测量精度提高，每个周期至少采5个点，则采样速率至少要达到140.5MSa/s。根据这一要求，通过调研与测试，最终选取了VS5102虚拟示波器。双通道实时采样速率为200MSa/s，每通道带宽为100MHz，存储深度为512K，分辨率为8bit，通过USB接口与测量主机通信。即每个周期可以采6个点，可以存储约56K个周期的信号。

采集数据步骤：

S201.控制虚拟示波器进行数据采集，每个信号周期获取至少5个采样点的数据，并保存和显示数据。

S202.信号源产生28.1MHz正弦波信号，经过同轴电缆传送到发射天线；所述的电磁波频率范围为20MHz到45MHz，该实施例中频率与两接收天线及发射天线中心频率保持一致，所以设定信号源产生信号频率为28.1MHz。

S203.发射天线将电磁波发射出去后，两根距发射天线不同距离的接收天线将接收的电磁波信号转换为电流，再经过同轴电缆送入虚拟示波器，虚拟示波器将电流转化成数字信号。数据处理步骤：

S301.数据处理模块根据上述采集的数据通过FFT谱分析法计算出接收信号的相位差。

FFT谱分析法实际上是对满足狄里赫利条件的信号进行傅立叶级数分析，获得输入信号的基波参数，设两列正弦信号x(t)、y(t)表达式为：

$x\left(t\right)=x_0+\underset{k=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{km}}\sin (\mathrm{k\ωt}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{xk}})---\left(2\right)$

$y\left(t\right)=y_0+\underset{k=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{km}}\sin (\mathrm{k\ωt}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{yk}})---\left(3\right)$

式中，k＝1，2，3......，x₀、y₀分别为两列正弦信号x(t)、y(t)的直流分量。x_km、y_km分别为两列信号的各次谐波幅值。φ_xk、φ_yk分别为信号的各次谐波相角。谐波的存在引起了基波的畸变(包括相位)。为在测量时消除谐波的影响，只在基波信号上进行对输入信号x(t)，做以采样频率为f_s，深度为N的样本x(n)的离散傅里叶变换：

$X\left(k\right)=\mathrm{DFT}\left[x\left(n\right)\right]=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)\exp (-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}n)$

$=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)[\cos \left(\frac{2\mathrm{\πk}}{N}n\right)-j\sin \left(\frac{2\mathrm{\πk}}{N}n\right)]$

$=\mathrm{Re}\left[X\left(k\right)\right]+\mathrm{Im}\left[X\left(k\right)\right]---\left(4\right)$

式中，k＝0，1，2...N-1

基波信号的相位：

${\mathrm{\φ}}_k=\arctan \left(\frac{\mathrm{Im}\left[X\left(k\right)\right]}{\mathrm{Re}\left[X\left(k\right)\right]}\right)---\left(5\right)$

式中， $k=\frac{f_{0}N}{f_s}+1$

其中f_s是虚拟示波器的采样频率，N是采样深度，f₀为电磁波的频率。通过傅里叶变换可以只提取出基波参数，因此谐波的存在并不影响基波成分。运用上述方法分别对两路信号求取相位角φ_xk、φ_yk后即可算出相角差：

Δφ＝φ_xk-φ_yk。

S302.根据两接收天线到发射天线的不同距离，计算出信号传输的距离差；D为距离差。

S303.最后根据公式：

计算出粮堆介电常数，并存储到存储模块，在显示设备上显示。

在便携式计算机中计算两根天线的信号相位差Δφ和收发天线的距离差D，得到电磁波出在粮食中传播传播速度v，最后按照下式计算粮堆的介电常数ε：

$\mathrm{\ϵ}={\left(\frac{c}{v}\right)}^2={\left(\frac{\mathrm{c\Δ\φ}}{2\mathrm{\πfD}}\right)}^2---\left(6\right)$

其中，c为电磁波在真空中的传播速度。

介电常数与粮堆密度的关系如下：

粮堆密度测量方法原理：粮食的介电常数由其组成成分决定，并受其含水量、密度和温度等条件的影响。电容器的电容值由电极的形态、尺寸和电极之间的电介质的介电常数影响。通过电容的测量，可以计算电介质的介电常数。对于颗粒状的粮食，在含水量的温度不变的条件下，其密度与相对介电常数之间的关系可以用下面的公式(引自Nelson，S.O.的论文《Observations onthe density dependence of the dielectric properties of particulatematerials》，载于《Journal of Microwave Power》1983年第18卷143-152页)来表示：

ε’_r2＝[((ε’_r1)^1/3-1)ρ₂/ρ₁+1)³                  (7)

式(7)中，ε’_r1和ε’_r2分别是粮食颗粒在密度为ρ₁和ρ₂时的相对介电常数。

当需要测量粮堆的密度时，可以先用仪器测量出粮堆的相对介电常数ε，再从被测粮堆中取出一定的样品，在保证粮食品种、温度和含水量都不改变时，使用实验仪器建立被测粮堆中的粮食样品的相对介电常数与其平均密度的函数关系ρ＝F(ε)，即可得到被测粮堆的平均密度值。

如图4所示为信号源框图，设计以DDS芯片AD9851为电路核心，单片机AT89S52为控制核心的信号产生电路。在通电以后，单片机首先对以液晶显示器进行初始化，进入输入频率界面，接下来键盘扫描程序开始工作，当有数字键按下，经过按键消抖后取出键值，将该值按键入的顺序存储到指定的内存单元，并将数字显示在液晶显示器上，跳回按键扫描程序，等待下一个数值的输入，在有效数值输入完毕后按确定键，单片机将按顺序把存入内存的数据取出并进行运算，运算完毕后进行数据调整，然后送入AD9851，再调用显示，将输出频率显示出来，之后单片机将指定的内存单元清零，进行按键扫描，等待新数据的输入。AD9851将输入数据存入数据输入寄存器，收到频率更新指令后更新频率控制字(FTW，Frequency Tuning Words)，FTW在每一个时钟周期内与相位累加器累加一次，得到的相位值(0～2π)在每一个时钟周期内以二进制码的形式去寻址正弦查询表ROM，将相位信息转变成它相应的数字化正弦幅度值，ROM输出的数字化波形序列再经数模转换器(DAC)实现量化数字信号到模拟信号的转变，最后DAC输出的阶梯序列波通过低通滤波器(LPF)平滑后得到一个纯净的正弦信号。AD9851的输出经过低通滤波、两级放大后得到1Hz-70MHz的正弦信号，幅度可以达到10V。

以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围的内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种测量粮堆介电常数的方法，其特征在于：

S100，通过计算机采集模块启动采集设备，对虚拟示波器前置参数设置；

S200，采集模块获取采样点的数据，使采集设备在粮堆中采集信号源的电磁波信号，并通过虚拟示波器转化成数字信号；

S300，数据处理模块根据上述采集的数据计算出接收信号的相位差，再根据两接收天线到发射天线的距离计算出信号传输的距离差，最后根据公式：                                               

计算出粮堆介电常数，并存储到存储模块，在显示设备上显示。

2.根据权利要求1所述的一种测量粮堆介电常数的方法，其特征在于：所述 S100步骤之前还包括，两接收天线、一发射天线相隔一定的距离平行***粮堆中，使其位于粮面以下一定的位置，并保持上、下端平齐。

3.根据权利要求1所述的一种测量粮堆介电常数的方法，其特征在于：S200步骤中所述的获取采样点数据，每个信号周期至少获取5个采样点数据。

4.根据权利要求1或3所述的一种测量粮堆介电常数的方法，其特征在于：S200步骤具体包括,

S201.信号源产生电磁波，经过同轴电缆传送到发射天线;

S202.发射天线将电磁波发射出去后，两根距发射天线不同距离的接收天线将接收的电磁波信号转换为电流，再经过同轴电缆送入虚拟示波器，虚拟示波拟将电流转化成数字信号。

5.根据权利要求1所述的一种测量粮堆介电常数的方法，其特征在于：信号源工作具体包括以下步骤,

T101，通电后，单片机对液晶显示器进行初始化；

T102,键盘将有效数据输入完毕后，单片机按照顺序将存储在内存单元的数据取出并运算后送入DDS芯片；

T105,DDS芯片中数模转换器输出的阶梯序列波通过低通滤波器平滑后得到一个纯净的正弦信号；

T106,低通滤波器的输出经过两级放大后得到幅度为10V的正弦信号。

6.根据权利要求1所述的一种测量粮堆介电常数的方法，其特征在于：所述的电磁波频率范围为20MHz到45MHz，所述频率与两接收天线及发射天线中心频率保持一致。

7.根据权利要求1所述的一种测量粮堆介电常数的方法，其特征在于：S300步骤具体包括，

S301.数据处理模块根据上述采集的数据通FFT谱分析法计算出接收信号的相位差;

S302.根据两接收天线到发射天线的距离计算出信号传输的距离差D;

S303.最后根据公式：

计算出粮堆介电常数，并存储到存储模块，在显示设备上显示。

8.实现权利要求1方法的测量粮堆介电常数的装置，包括采集设备和计算机，计算机通过USB接口与采集设备通信连接，

其中采集设备包括,一接收天线、另一接收天线、发射天线、信号源及虚拟示波器；

计算机包括数据采集模块、存储模块、数据处理模块及显示设备。

9. 根据权利要求8所述的一种测量粮堆介电常数的装置，其特征在于：所述信号源包括DDS芯片，单片机、30M晶振、低通滤波器、放大器、键盘及液晶显示器。

10.根据权利要求8所述的一种测量粮堆介电常数的装置，其特征在于：所述发射天线、接收天线为螺旋天线，包括螺旋线圈、玻璃纤维棒、PVC套管及N型连接头。

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