CN110501222B - 一种谷物散粒体抗压能力检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谷粒散粒体抗压能力的检测装置，包括加压装置、染色清洁装置和测量装置，其中：加压装置包括操作台、机壳框架、压力传感器、活动横梁、压缩上模具、压缩下模具；染色清洁装置包括染色装置、残液清除装置；测量装置包括电机支架、滑块、导轨丝杠、丝杠支架、单层化载物板、刮料器、物料盒、电机、暗箱、物料盒支架、灯源。

Description

一种谷物散粒体抗压能力检测方法

技术领域

本发明属于农业技术领域，具体涉及一种谷粒散粒体抗压能力检测方法及装置。

背景技术

由于破碎谷粒更容易吸收外界水分而产生霉变，极大的降低了谷粒质量。为提高我国谷粒在收获、储存和运输的质量，降低因堆积、机械外力及其他因素造成的谷粒籽粒破碎程度，有必要提升对谷粒散粒体的抗压能力的预测和评估，确保谷粒在加工处理时能符合规定破损程度，从而保证谷粒的加工质量。

现有技术中，关于谷粒抗压能力的测定多针对于单粒体或油性的农业物料，如菜籽、葵花籽和橄榄等，对于其他谷粒群体的抗压能力检测的研究较少，且缺少成熟的检测标准和装置可供参考。

国标规定，对于存在破碎、破皮和裂纹的谷粒均属于谷粒破损，但基于机器视觉检测破碎籽粒时，由于外界光照条件不同，或有些谷粒存在过小的裂纹或破皮而不能被检测，导致检测误差较大。针对该问题，本发明能够对压缩后的散粒体进行染色前处理，并利用人工照明-机器视觉检测***有效解决了因裂纹模糊或自然光照等而未被机器视觉检测准确率低的问题。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)本发明采用散粒压缩的方式评价谷物的抗压能力，相比单粒体的压缩更能表示群体的抗压特征；

2)本发明采用淀粉和碘溶液产生化学反应变黑的特性，有效的对破碎籽粒进行染色处理，增加破碎籽粒的表面裂纹的可识别度，在图像处理中有助于识别并提取破碎籽粒特征，增加破碎率的计算精确度；

3)本发明以谷粒的压缩量作为散粒体抗压能力的控制指标，更容易控制和实施；

4)本发明视觉检测谷物破碎特征是基于暗箱环境下，并为拍摄环境提供固定光源，有效避免外界光源或其他环境对图片拍摄的影响，增加了破碎特征检测的准确率；

5)本发明的测试流程思路清晰，不仅适用于多种谷物对的抗压测试，而且测试装置结构紧凑，简单合理，具有易操作、耐用和更换方便的特点。

发明内容

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一种谷粒散粒体抗压能力的检测装置，包括加压装置、染色清洁装置和测量装置，其中：加压装置包括操作台、机壳框架、压力传感器、活动横梁、压缩上模具、压缩下模具；染色清洁装置包括染色装置、残液清除装置；测量装置包括电机支架、滑块、导轨丝杠、丝杠支架、单层化载物板、刮料器、物料盒、电机、暗箱、物料盒支架、灯源。

所述的检测装置，其中：机壳框架成门字型竖直焊接在操作台台面两侧，活动横梁两端安装在机壳框架内部丝杠上，操作台的台面中心安装下钳口，活动横梁下表面安装有下钳口，两钳口均为中空圆筒结构，上下两钳口开口相对；压缩下模具、压缩上模具呈套筒式分别竖直安装于操作台上的下钳口和活动横梁下部的上钳口。

所述的检测装置，其中：压缩下模具内部中空，开口向上，其底部固定有侧壁带通孔的短轴，压缩下模具的底部短轴加工有外螺纹，锁紧螺母与其配合；压缩下模具的底部短轴伸入操作台的下钳口内，固定销钉***下钳口和短轴的通孔内；压缩上模具与压缩下模具同轴心布置，固定销钉***上钳口和上模具的短轴的通孔内。

所述的检测装置，其中：机壳框架由两个侧支撑架和顶板组成，整体呈门字型，两个侧支撑架的相对面安装伸缩防尘罩，支撑框架的其他三侧面及顶板使用高强度金属板料；活动横梁两端设有螺纹孔，两端分别穿过防尘罩后与机壳框架内的丝杠配合；压力传感器安装于活动横梁上表面的中心位置，并用螺栓固定。

所述的检测装置，其中：压缩上模具与压缩下模具为间隙配合，模具形状可为圆形、方形、矩形等其他形状；压缩下模具侧壁底部开设有减压孔，压缩上模具外表面设有压缩刻度线。

所述的检测装置，其中：残液清除装置内部设置有物料搅拌器和过滤筛，且二者同轴设置，过滤筛位于物料搅拌器的搅拌体下部，残液清除装置底部开设有排液口。

所述的检测装置，其中：丝杠支架的四角是由电机机架支撑，而电机支架由四根立柱组成；滑块内部有螺纹孔与导轨丝杠配合，丝杠支架包括底板和底板两端向上延伸的侧板，远离电机的侧板里侧安装有接近开关，丝杠支架两端侧板上开设有通孔，通孔中安装有轴承，导轨丝杠两端穿过通孔且由轴承支撑；导轨丝杠的一端利用联轴器与电机连接，电机安装在丝杠支架的一个侧板上；滑块上设有螺纹孔并通过该螺纹孔与丝杆螺纹连接。

所述的检测装置，其中：刮料刷由软质刷头和刷杆组成，刷杆柄部设有外螺纹，与滑块侧面的内螺纹孔紧固配合，物料盒上开有安装孔，刷杆***该安装孔，刷杆上的软质刷头朝下设置在物料盒中。

所述的检测装置，其中：物料盒支架上部布置有物料盒，物料盒支架下部的支腿安装在底板上，单层化载物板安装在物料盒内部；物料盒两长侧壁开设长通孔，刮料刷穿过物料盒两长侧壁上的长通孔，刮料刷的刷头下侧与单层化载物板上表面留有一定间隙；单层化载物板上设有多个平行的凹槽。

所述的检测装置，其中：物料盒一端设有灯架固定轴，灯架固定轴底部安装在底座上，灯架连接器可上下滑动的安装在灯架固定轴上；灯源通过灯架连接器安装在灯架固定轴上，CCD工业相机安装在暗箱内的顶部位置，镜头朝向物料盒设置。

一种谷粒散粒体抗压能力的检测方法，采用如上之一所述的检测装置进行检测其特征在于包括如下步骤：

步骤1，CCD工业相机对单层化载物板上的籽粒图像进行采集并保存为平面彩色图像，并将该图像发送给计算机，计算机对原始图像进行ROI检测，得到ROI图像；

步骤2，对ROI图像进行预处理及增强，包括图像背景校正和保边缘和细节去噪滤波处理；

步骤3，对预处理后的图像进行谷粒区分和破碎特征提取，包括形态学处理、边缘检测和图像分割；

步骤4，提取谷粒破损的几何特征进行图像匹配；

步骤5，汇总嫌疑目标个数N₁与总目标数N₀，计算破碎籽粒的破碎率。

附图说明

图1为本发明谷粒散粒体抗压能力的检测装置示意图；

图2为压缩下模具与操作台连接示意图；

图3为压缩测试组示意图；

图4为残液清除装置结构图；

图5为载物板及铺料装置示意图；

图6为图像采集装置示意图；

图7为谷粒散粒体抗压能力检测方法流程图；

图8为基于机器视觉的破碎率检测流程图；

图9为玉米籽粒破碎特征图。

其中，图中各标号为：

11、操作台 12、机壳框架

13、固定销钉 14、压力传感器

15、活动横梁 16、压缩上模具

17、压缩下模具 18、排压孔

19、锁紧螺母 20、限位旋钮

21、开始按钮 22、急停按钮

23、控制器 24、显示器

25、染色装置 26、残液清除装置

251、物料搅拌器 252、过滤筛

253、排液口 31、电机机架

32、滑块 33、导轨丝杠

34、丝杠支架 35、接近开关

36、单层化载物板 37、刮料刷

38、物料盒 39、电机

41、暗箱 42、物料盒支架

43、灯架固定轴 44、灯架连接器

45、灯源 46、CCD工业相机

47、底座

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1-9所示，一种谷粒散粒体抗压能力的检测装置，包括加压装置、染色清洁装置和测量装置，其中加压装置包括操作台11、机壳框架12、固定销钉13、压力传感器14、活动横梁15、压缩上模具16、压缩下模具17、限位旋钮20、开始按钮21、急停按钮22、控制器23、显示器24；染色清洁装置包括染色装置25、残液清除装置26；测量装置包括电机支架31、滑块32、导轨丝杠33、丝杠支架34、单层化载物板35、刮料器36、物料盒37、电机38、暗箱41、物料盒支架42、灯架固定轴43、灯架连接器44、灯源45、CCD工业相机46、底座47；其中残液清除装置25内部设有物料搅拌器251、过滤筛252，其侧壁底部开设排液口253。

加压装置中，机壳框架12由两个侧支撑架和顶板组成，整体呈门字型，两个侧支撑架竖直焊接在操作台11台面两侧，其相对面安装伸缩防尘罩，支撑框架12的其他三侧面及顶板使用高强度金属板料；机壳框架12的一侧支撑架的正表面沿其长边加工有一个T型槽，用于安装多个限位旋钮20，包括T型螺栓和球头法兰螺母，T型螺栓放入T型槽内，配合球头法兰螺母，在拧紧螺母时能自动定位锁紧，保证限位旋钮20固定在目标位置；活动横梁15两端安装在机壳框架12内部的丝杠上，靠近T型导轨端设置有触发挡杆(图中未示出，触发档杆随活动横梁15运动)。当活动横梁15运动时，其上的触发档杆与限位旋钮20接触时，活动横梁15立即停止运动，限位旋钮20可以控制活动横梁15的最大下降和上升高度。压力传感器14安装于活动横梁15上表面的中心位置，并用螺栓固定。

机壳框架12的两个侧支撑架内分别竖直安装有一根丝杠；活动横梁15两侧设有螺纹孔，两端分别***防尘罩后与机壳框架12内的丝杠配合，使之可以在机壳框架12内上下运动，伸缩防尘罩随之上下移动，避免灰尘及其他杂物进入机壳内影响丝杠运动。开始按钮21、急停按钮22并排设置在操作台11上表面的一侧。

操作台11的台面中心安装下钳口，活动横梁15下表面安装有上钳口，两钳口均为中空圆筒结构，筒壁开设有两个正对着的通孔，上下两钳口开口相对；压缩下模具17、压缩上模具16呈套筒式分别竖直安装于操作台11上的下钳口上和活动横梁15下部的上钳口上；压缩下模具17内部中空，开口向上，其底部固定有侧壁带通孔的短轴，压缩下模具17的底部短轴加工有外螺纹，锁紧螺母19与其配合；压缩下模具17的底部短轴伸入操作台11的下钳口内，固定销钉13***下钳口和短轴的通孔内，向上拧紧锁紧螺母19，带动压缩下模具17上移使其短轴的通孔壁以及下钳口的通孔壁压迫销钉13，以保证压缩下模具17和操作台2紧固连接；压缩上模具16与压缩下模具17同轴心布置，同样利用固定销钉13使之与活动横梁15的上钳口紧固连接；压缩上模具16与压缩下模具17为间隙配合，压缩上模具16底面为平面；压缩下模具17侧壁底部开设有多个(例如4个)减压通孔18，压缩上模具16外表面设有刻度线。加压装置的主控电路板安装在操作台内，主控电路板与控制器23、显示器24连接，控制器23用于控制加压装置的加压压力、加压速度等，接收压力传感器的压力信号，显示器24用于显示测量到的压力、速度、压缩位移等。

染色清洁装置包括染色装置25和残液清除装置26；如图4所示，残液清除装置25内部设置有物料搅拌器251、过滤筛252，二者同轴设置，过滤筛252位于物料搅拌器251的搅拌体下部，残液清除装置25底部开设有排液口253。

测量装置中，如图5所示，丝杠支架34的四角是由电机机架31支撑，而电机支架31由四根立柱组成；滑块32内部有螺纹孔与导轨丝杠33配合，丝杠支架34整体为长U型结构，包括底板和底板两端向上延伸的侧板，远离电机39的侧板里侧安装有接近开关35，丝杠支架34两端侧板上开设有通孔，通孔中安装有轴承，导轨丝杠33两端穿过通孔且由轴承支撑；导轨丝杠33的一端利用联轴器与电机39连接，电机39安装在丝杠支架34的一个侧板上；滑块32上设有螺纹孔并通过该螺纹孔与丝杆螺纹连接；刮料刷37由软质刷头和刷杆组成，刷杆柄部车有外螺纹与滑块32侧面的内螺纹孔紧固配合，物料盒38上开有安装孔，刷杆***该安装孔，刷杆上的软质刷头朝下设置在物料盒38中。

如图5、6所示，物料盒支架42上部布置有物料盒37，物料盒支架42下部的支腿安装在底板47上，单层化载物板36安装在物料盒37内部；物料盒37两长侧壁开设长通孔，刮料刷37穿过物料盒38两长侧壁上的长通孔(安装孔)，刮料刷37的刷头下侧与单层化载物板36上表面留有一定间隙(间隙大小根据被测样本尺寸确定)；单层化载物板36上设有多个平行的侧板形成多个凹槽，可保证被测谷粒单粒排列于凹槽内。

如图6所示，物料盒38一端设有灯架固定轴43，灯架固定轴43底部安装在底座47上，灯架连接器44可上下滑动的安装在灯架固定轴43上，灯架连接器44侧面设有锁紧螺母，以固定其位置；灯源45由平行设置的两个灯外罩和内部安装的灯管组成；灯源45通过灯架连接器44转接安装在灯架固定轴43上，其照射角度及亮度可调，CCD工业相机46安装在暗箱内的顶部位置，镜头朝向物料盒37设置。暗箱41用于罩在视觉检测组上，所述视觉检测组包括单层化载物板35、刮料器36、物料盒37、暗箱41、物料盒支架42、灯架固定轴43、灯架连接器44、灯源45、CCD工业相机46、底座47。

谷粒散粒体抗压能力检测方法工作过程为：

将待测谷粒混合均匀后，倒入压缩下模具17中并用板尺将谷粒上表面刮平使之与压缩下模具17的口部持平；然后将固定销钉13***压缩下模具17与操作台11台面上的上钳口侧壁配合的通孔中，并将锁紧螺母向上拧紧，使压缩下模具17与操作台11固定；启动开始按钮19使压缩上模具16向下匀速运动(如发生故障可按下急停按钮22停止压缩上模具的运动)，压力传感器14可测量实时的压缩力和压缩位移，待压缩上模具16下降到目标位移时停止下降，然后向上移动；从压缩下模具17取出被压缩后的谷粒置于染色装置25中，倒入足量的碘化钾染色剂对全部被压缩后的样本籽粒进行染色处理；将染色后的谷粒置于残液清除装置26，用纯净水清洗谷粒上残余的碘化钾溶液，通过内置的搅拌器251对谷粒充分搅拌清洗，经过滤筛252筛分液体从残液清除装置25底部的排液口253排出，谷粒留在残液清除装置26内，如图9示出了进行染色后的玉米籽粒；将谷粒置于单层化载物板36上，启动电机39，滑块32在导轨丝杠33的传动下向前运动，当运动到接近丝杠支架34时，触发丝杠支架34侧壁上安装的接近开关35，然后进行返程运动。刮料刷37在滑块32的带动下使将堆积谷粒样本刮匀使籽粒在载物板的各列凹槽中逐粒排列；打开灯源并调节照射角度和亮度，为拍摄籽粒图像提供恒定亮度；用暗箱41罩住视觉检测***(罩住之前拆除电机支架31及其上的部件)，可以为视觉检测***排除外界光源及其他因素的干扰；CCD工业相机拍摄谷粒表面图像并进行预处理；预处理后的图片通过串行总线(USB)传送到计算机；计算机对图像进行处理得到谷粒的破碎率。在本实施例中，暗箱排除了外界光线的干扰，灯源为CCD工业相机采集图像提供了稳定的光照，则CCD工业相机46成像结果稳定性高、一致性好，使得对被测物体的检测结果更准确。而且，通过引入灯源为相机采集图像提供充足亮度，隔绝外部光的影响，可以根据需求调节光源亮度，灯源亮度的调节，通过调节开关进行控制灯源的亮度，调节开关可以是旋钮或按键，灯源可调能够解决因物体表面不同而导致亮度差异过大问题。

基于机器视觉的谷粒破碎率检测包括如下步骤：

步骤1，CCD工业相机46对单层化载物板上的籽粒图像进行采集并保存为平面彩色图像(原始图像)，并将该图像发送给计算机，计算机对原始图像进行ROI检测(目标区域检测)，即提取存在谷物的区域，得到ROI图像。

步骤2，对ROI图像进行预处理及增强，主要包括图像背景校正和保边缘和细节去噪滤波处理；

步骤3，对预处理后的图像进行谷粒区分和破碎特征提取，包括形态学处理、边缘检测和图像分割。

步骤4，提取谷粒破损的几何特征进行图像匹配；以玉米籽粒为例，压缩后，籽粒表面出现宽大黑色裂纹，即破碎特征，主要出现在籽粒的顶部和基部(如图9所示)。

步骤5，汇总嫌疑目标个数N₁与总目标数N₀，计算破碎籽粒的破碎率

对谷粒的抗压性进行评估；

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种谷粒散粒体抗压能力的检测装置，包括加压装置、染色清洁装置和测量装置，其特征在于：加压装置包括操作台、机壳框架、压力传感器、活动横梁、压缩上模具、压缩下模具；染色清洁装置包括染色装置、残液清除装置，残液清除装置内部设置有物料搅拌器、过滤筛，二者同轴设置，过滤筛位于物料搅拌器的搅拌体下部，残液清除装置底部开设有排液口；测量装置包括电机支架、滑块、导轨丝杠、丝杠支架、单层化载物板、刮料器、物料盒、电机、暗箱、物料盒支架、灯源；机壳框架成门字型竖直焊接在操作台台面两侧，活动横梁两端安装在机壳框架内的丝杠上，操作台的台面中心安装有下钳口，活动横梁下表面安装有上钳口，两钳口均为中空圆筒结构，上下两钳口开口相对；压缩下模具、压缩上模具呈套筒式分别竖直安装于操作台上的下钳口上和活动横梁下部的上钳口上；

压缩下模具内部中空，开口向上，其底部固定有侧壁带通孔的短轴，压缩下模具的底部短轴加工有外螺纹，锁紧螺母与其配合；压缩下模具的底部短轴伸入操作台的下钳口内，固定销钉***下钳口和短轴的通孔内；压缩上模具与压缩下模具同轴心布置，固定销钉***上钳口和上模具的短轴的通孔内，压缩上模具与压缩下模具为间隙配合，模具形状为圆形，压缩下模具侧壁底部开设有减压孔；

加压装置中，机壳框架由两个侧支撑架和顶板组成，整体呈门字型，两个侧支撑架竖直焊接在操作台台面两侧，其相对面安装伸缩防尘罩，支撑架的其他三侧面及顶板使用高强度金属板料；机壳框架的一侧支撑架的正表面沿其长边加工有一个T型槽，用于安装多个限位旋钮，包括T型螺栓和球头法兰螺母，T型螺栓放入T型槽内，配合球头法兰螺母，在拧紧螺母时能自动定位锁紧，保证限位旋钮固定在目标位置；活动横梁两端安装在机壳框架内部的丝杠上，靠近T型槽端设置有触发挡杆，压力传感器安装于活动横梁上表面的中心位置，并用螺栓固定，机壳框架的两个侧支撑架内分别竖直安装有一根丝杠；活动横梁两侧设有螺纹孔，两端分别***防尘罩后与机壳框架内的丝杠配合；

丝杠支架整体为长U型结构，包括底板和底板两端向上延伸的侧板，远离电机的侧板里侧安装有接近开关，丝杠支架两端侧板上开设有通孔，通孔中安装有轴承，导轨丝杠两端穿过通孔且由轴承支撑；导轨丝杠的一端利用联轴器与电机连接，电机安装在丝杠支架的一个侧板上；滑块上设有螺纹孔并通过该螺纹孔与导轨丝杠螺纹连接；刮料刷由软质刷头和刷杆组成，刷杆柄部车有外螺纹，与滑块侧面的内螺纹孔紧固配合，物料盒两长侧壁开设长通孔，刮料刷刷杆穿过物料盒两长侧壁上的长通孔，刷杆上的软质刷头朝下设置在物料盒中，物料盒布置在物料盒支架上部，物料盒支架下部的支腿安装在底板上，单层化载物板安装在物料盒内部，刮料刷的刷头下侧与单层化载物板上表面留有一定间隙，单层化载物板上设有由平行的侧板形成的多个凹槽。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：压缩上模具与压缩下模具为间隙配合，压缩上模具外表面设有压缩刻度线。

3.一种谷粒散粒体抗压能力的检测方法，采用权利要求1-2之一所述的检测装置进行检测， 其特征在于包括如下步骤：

步骤1，CCD工业相机对单层化载物板上的籽粒图像进行采集并保存为平面彩色图像，并将该图像发送给计算机，计算机对原始图像进行ROI检测,得到ROI图像；

步骤2，对ROI图像进行预处理及增强，包括图像背景校正和保边缘和细节去噪滤波处理；

步骤3，对预处理后的图像进行谷粒区分和破碎特征提取，包括形态学处理、边缘检测和图像分割；

步骤4，提取谷粒破损的几何特征进行图像匹配；

步骤5，汇总嫌疑目标个数N₁与总目标数N₀，计算破碎籽粒的破碎率。

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