一种玉米含水率检测仪

1.本发明属于检测技术领域，尤其涉及一种玉米含水率检测仪。


背景技术：

2.玉米是北方地区重要的农作物之一，近年来随着农业机械化水平的提高以及玉米种植面积的不断增加，联合收获机被越来越多的运用到玉米籽粒收获中。而玉米收获机械技术条件中规定，适于直接脱粒收获的玉米籽粒含水率为15％～25％，由此可知籽粒含水率是影响玉米收获产量的重要因素之一，因此，收获作业前对玉米籽粒含水率进行测量对提高玉米作物产量、减少破碎率、降低损失率有重要意义。
3.目前玉米籽粒含水率检测方法大多需对玉米进行脱粒处理，采用电容法根据介电特性进行测量。该方式操作繁琐，测量时间长且结果具有滞后性，若含水率测量误差较大，则会导致玉米收获损失严重。
4.为此本发明公开了一种玉米含水率检测仪，无需对玉米进行脱粒，在田间生长期即可对植株上的玉米进行含水率测量。


技术实现要素：

5.为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：
6.一种手持式含水率检测仪，包括检测仪壳体、控制装置、橡胶密封筒,其中：检测仪壳体为两端开口的筒状，控制装置主体可拆卸的插入在检测仪壳体中，控制装置封装有光谱传感器和单片机，橡胶密封筒可拆卸的安装在壳体头部。
7.所述的手持式含水率检测仪，其中：光谱传感器包括光谱传感器探头、光源、滤光片、滤波器、光电传感器和供电模块，滤光片安装在壳体头部顶端，光谱传感器探头和光源安装在滤光片下部，滤光片用于透射反射回的光波，光谱传感器探头用于将所述光波转换为光强信号，光电传感器用于将所述光强信号转换为电压信号，滤波器用于将所述电压信号进行放大和滤波。
8.所述的手持式含水率检测仪，其中：所述单片机包括ad转换模块、蓝牙传输模块、电源模块和数据处理模块，其中电源模块为单片机供电，ad转换模块用于将光谱传感器传输的电信号转换为数字信号，蓝牙模块用于将ad转换模块转换后的光谱传感器的测量数据以无线传输至上位机，数据处理模块用于对接收的电信号进行信号分析处理，建立电压信号与玉米含水率之间的模型。
9.所述的手持式含水率检测仪，其中：密封筒边缘均匀开设多个短开口。
10.所述的手持式含水率检测仪，其中：控制装置主体上设有两个小固定凸台，壳体上开有2个固定开孔，控制装置插入壳体后两个固定图台分别从2个开孔中伸出。
11.所述的手持式含水率检测仪，其中：壳体尾部设有两个片状尾翼，每个尾翼开有一个卡槽。
12.一种全果含水率检测装置，包括外壳，含水率检测装置主体，外壳和手持式含水率
检测仪，其特征在于：所述手持式含水率检测仪是如上之一所述的手持式含水率检测仪，手持式含水率检测仪安装在含水率检测装置主体上，含水率检测装置主体安装在外壳中。
13.所述的全果含水率检测装置，其中：所述全果含水率检测装置主体包括横向位移机构、纵向位移机构、周向旋转机构、左侧安装架和右侧安装架，横向位移机构安装在纵向位移机构上，纵向位移机构安装在周向旋转机构上，周向旋转机构安装在左侧安装架和右侧安装架上；手持式含水率检测仪安装在横向位移机构上。
14.所述的全果含水率检测装置，其中：所述横向位移机构包括横向驱动电机、横向驱动电机支架、联轴器、横向丝杠和横向滑块；手持式含水率检测仪安装在横向丝杠上，横向丝杠横向布置，横向滑块可移动的安装在横向丝杠上，横向驱动电机安装在横向驱动电机支架上，横向驱动电机通过联轴器与横向丝杠第一端连接。
15.所述的全果含水率检测装置，其中：横向滑块下部设有一个弹性卡夹，卡夹为门字型结构，包括卡夹横梁和横梁两侧的夹板，两个夹板之间的距离略大于手持式含水率检测仪壳体尾部的两个片状尾翼之间的距离；手持式含水率检测仪的卡槽安装在卡夹上。
16.所述的全果含水率检测装置，其中：纵向位移机构包括纵向驱动电机、纵向驱动电机支架、锥齿轮、纵向丝杠、纵向驱动端滑块和纵向驱动端轴承座，其中纵向驱动电机安装在纵向驱动电机支架上且位于横向驱动电机上部，纵向驱动电机支架安装在旋转驱动端圆盘上，纵向驱动电机的轴线与横向丝杠的轴线空间垂直；纵向驱动电机转轴安装有锥齿轮，与纵向丝杠顶端安装的锥齿轮相互啮合；纵向丝杠上部与锥齿轮连接，下部与纵向驱动端轴承座连接，纵向驱动端轴承座安装在旋转驱动端圆盘上；纵向滑块驱动端可移动的安装在纵向丝杠上，纵向滑块驱动端与横向驱动电机支架连接；纵向位移机构还包括纵向联轴器、纵向支撑端滑块、纵向支撑端丝杠、纵向支撑端丝杠轴承座、纵向支撑端电机、纵向支撑端电机支架，纵向支撑端丝杠一端通过联轴器与纵向支撑端电机连接，纵向支撑端电机通过纵向支撑端电机支架固定于旋转支撑端圆盘上，纵向支撑端丝杠另一端由纵向支撑端丝杠轴承座固定于旋转支撑端圆盘上，纵向支撑端滑块可上下移动的安装在纵向支撑端丝杠上，横向丝杠第二端通过旋转支撑端连杆与纵向支撑端滑块连接。
17.所述的全果含水率检测装置，其中：周向旋转机构包括周向旋转驱动机构和周向旋转支撑机构，周向旋转驱动机构包括安装在外壳左侧安装架的驱动端圆形导轨、旋转驱动电机、旋转驱动圆盘、旋转驱动电机支架、旋转驱动滑块、旋转驱动端连杆；其中旋转驱动电机固定于旋转驱动电机支架上，旋转驱动电机支架安装在左侧安装架上，旋转驱动电机的主轴与旋转驱动连杆一端铰接，旋转驱动连杆另一端连接旋转驱动滑块，旋转驱动滑块与旋转圆盘连接，驱动端圆形导轨开有一圈燕尾槽，旋转驱动滑块为燕尾滑块，安装在驱动端圆形导轨。
18.所述的全果含水率检测装置，其中：周向旋转支撑机构包括旋转支撑端连杆、旋转支撑滑块和支撑端圆形导轨；外壳右侧安装架安装有支撑端圆形导轨，支撑端圆形导轨与驱动端圆形导轨等径同轴心，结构形状相同，支撑端圆形导轨开有一圈燕尾槽，旋转支撑滑块为燕尾滑块，安装在支撑端圆形导轨上，旋转支撑滑块通过旋转支撑端连杆与横向丝杠铰接。
19.所述的全果含水率检测装置，其中：外壳包括壳体、弹性合页和通道开关门，通道开关门包括三个门扇，通过弹性合页安装在外壳右侧壁的圆形门洞处，三个门扇构成圆形
门，用于封闭门洞，圆形门中心为一小圆孔；全果测量装置主体安装在壳体中，全果测量装置主体的左侧安装架安装在外壳左侧壁上，全果测量装置主体的右侧安装架安装在外壳右侧壁上。
20.所述的全果含水率检测装置，其中：还包括附件，所述附件安装在壳体中，包括单片机、摄像头和驱动器。
21.所述的全果含水率检测装置，其中：装置外壳顶盖处设有推拉式观察窗。
附图说明
22.图1为本发明手持式含水率检测仪总体结构示意图；
23.图2为本发明光谱传感器光源位置示意图；
24.图3为本发明含水率检测系统电控流程图；
25.图4为本发明上位机软件效果示意图；
26.图5为本发明含水率预测模型建模流程图；。
27.图6为本发明全果检测装置内部结构示意图；
28.图7为本发明全果检测装置横向位移结构示意图；
29.图8为本发明全果检测装置纵向位移结构示意图；
30.图9为本发明全果检测装置周向旋转驱动端结构示意图；
31.图10为本发明全果检测装置周向旋转支撑端结构示意图；
32.图11为本发明全果检测装置外壳及附件结构示意图；
33.图12为本发明装置外壳形状示意图。
34.其中附图标记如下：
35.36.具体实施方式
37.下面结合附图1-12，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
38.如图1所示，所述手持式含水率检测仪包括检测仪壳体2、控制装置3、橡胶密封筒6，用以快速扫描检测剥皮后玉米的含水率。检测仪壳体2为两端开口的筒状，控制装置3主体为圆柱形，可拆卸的插入在检测仪壳体2中，其中控制装置3封装有光谱传感器与单片机，控制装置3主体上设有两个小固定凸台1，壳体2用以控制装置3且便于人工手持，壳体2上开有2个固定开孔，控制装置3插入壳体2后两个固定图台1分别从2个开孔中突出，以便控制装置3与检测仪壳体2固定，橡胶密封筒6可拆卸的安装在壳体2头部。橡胶密封筒6在测量含水率时用以水平压在玉米上，使光谱传感器与玉米籽粒间形成密闭暗室，以降低外界光线如太阳光对光谱传感器测量精度的影响，使光谱传感器在密闭暗室内进行工作。橡胶密封筒6边缘密布有多条短开口，当橡胶密封筒6压在玉米上时可以使边缘容易的向外翻折，从而利于与玉米贴合，密闭暗室不易露光。壳体2尾部设有两个片状尾翼，每个尾翼开有一个卡槽4。
39.如图2-3所示，所述控制装置3包括光谱传感器10与单片机14。所述光谱传感器10包括光谱传感器探头8、光源9、滤光片7、滤波器11、光电传感器12、供电模块13，用以进行可见光到近红外光谱的识别，可检测玉米的含水率并将电信号传输至单片机14；控制装置3一端安装有滤光片7，控制装置3插入在壳体2中后滤光片7安装在壳体2头部顶端，光谱传感器探头8和光源9安装在滤光片7下部，其中光源9用以发出可见光与近红外光线至玉米表面籽粒，光源9由可发出全光谱的卤素灯或多个发出不同波段光谱的led灯组成。滤光片7用以透射吸收由玉米籽粒反射回的光波，光谱传感器探头8用于将所述光波转换为光强信号，光电传感器12将光谱传感器探头10接收的光强信号转换为电压信号，滤波器11用以将经过转换后的电压信号进行放大和滤波，提高信噪比。供电模块13提供能源，使光谱传感器10工作，其中光谱传感器10支持多种供电方式，内置电池或电源模块，可通过便携式锂电池进行供电，也可以通过手持式含水率检测仪充电接口进行充电工作，此外光谱传感器10可内置太阳能电池，在田间接收、转换太阳能进行工作。所述单片机14，包括ad转换模块15、蓝牙模块
16、电源模块17、数据处理模块18，其中电源模块17为单片机14供电，ad转换模块15将光谱传感器10传输的电信号转换为数字信号，蓝牙模块16用来将ad转换模块15转换后的光谱传感器10的测量数据以无线传输至上位机19，单片机14中的数据处理模块18对接收的电信号进行信号分析处理，建立电压信号与玉米含水率之间的模型并传输至上位机19。
40.玉米籽粒含水率建模流程如图4所示，含水率预测模型建立步骤如下：
41.步骤一、样品准备与光谱信息采集：选取同一地块在多个不同生长时期的玉米作为样本，并且确保玉米样品表面没有明显腐烂或大面积破碎的现象发生。应用光谱传感器扫描获得全部玉米样品的光谱数据。
42.步骤二、玉米籽粒真实含水率测量：根据玉米籽粒含水率测量标准，对脱粒后的玉米籽粒进行一定时间的烘干，记录籽粒烘干前后的重量，多次重复测量取平均值，得到玉米籽粒的含水率。
43.步骤三、光谱数据预处理：对玉米籽粒的光谱数据进行去噪处理，采用合适的滤波法对所采集的光谱数据进行滤波，以减少光谱曲线噪声，提高建模的精确性。
44.步骤四、光谱特征波长选取：为选取能够表征玉米含水率最佳波长，通过一定方法对预处理后的平滑光谱数据进行重要性评估，选择合适的光谱特征波长，实现光谱数据降维，提高运算速度。
45.步骤五、含水率模型建立：以玉米籽粒真实含水率为标签，对采集的光谱数据进行标注，采用数据集划分方法得到一定比例的训练集和验证集，基于机器学习和深度神经网络对模型进行训练，建立光谱数据与玉米样品真实含水率之间的预测模型。
46.上位机界面效果图如图4所示。根据建立籽粒含水率预测模型，所测量的玉米籽粒含水率实时显示在上位机19界面，上位机19可实现含水率数据的显示、统计、导出等。此外，上位机19可与检测云端20连接，能够实现数据的互相传输。使用过程中，上位机19可将采集的数据上传到云端，充实云端数据量，同时上位机19还可根据云端20内庞大的含水率数据库，实现对玉米籽粒含水率的更精确测量。检测云端20可以存储不同地块的玉米籽粒含水率数据，进行地块湿度统计，通过对数据的处理分析，实现收获时机的预测，进一步可以估算玉米收获后的干燥成本等。
47.本发明在前述手持式含水率检测仪的基础上，还提供了一种全果含水率检测装置，其包括全果含水率检测装置主体，外壳和手持式含水率检测仪28，全果含水率检测装置主体如图6所示。当需对玉米各个方向进行含水率测量时，可将手持式含水率检测仪28安装在全果含水率检测装置主体上中。所述全果含水率检测装置主体包括横向位移机构、纵向位移机构、周向旋转机构、左侧安装架和右侧安装架。横向位移机构安装在纵向位移机构上，纵向位移机构安装在周向旋转机构上，周向旋转机构安装在左侧安装架和右侧安装架上。手持式含水率检测仪28安装在横向位移机构上。
48.横向位移机构如图6、7所示。所述横向位移机构包括横向驱动电机32、横向驱动电机支架31、联轴器25、横向丝杠26、横向滑块27。手持式含水率检测仪28安装在横向丝杠26上，横向丝杠26横向布置，横向滑块27可移动的安装在横向丝杠26上，横向驱动电机32安装在横向驱动电机支架31上，横向驱动电机32通过联轴器25与横向丝杠26第一端连接，可带动横向丝杆26转动，横向丝杠26可使横向滑块27做横向位移，从而带动手持式含水率检测仪28移动，可实现横向测量玉米。横向滑块27下部固定有一个弹性卡夹33，卡夹33为门字型
结构，包括卡夹横梁和横梁两侧的夹板，两个夹板之间的距离略大于手持式含水率检测仪壳体尾部的两个片状尾翼之间的距离。
49.纵向位移机构如图6、8、10所示。所述纵向位移机构包括纵向驱动电机23、纵向驱动电机支架37、锥齿轮36、纵向驱动端丝杠35、纵向驱动端滑块34、纵向驱动端轴承座38、纵向联轴器44、纵向支撑端滑块45、纵向支撑端丝杠46、纵向支撑端丝杠轴承座47、纵向支撑端电机55、纵向支撑端电机支架56。纵向驱动电机23安装在纵向驱动电机支架37上且位于横向驱动电机32上部，纵向驱动电机支架37安装在旋转驱动端圆盘24上，纵向驱动电机23的轴线与横向丝杠26的轴线空间垂直；纵向驱动电机23转轴安装有锥齿轮36，与纵向丝杠35顶端安装的锥齿轮36相互啮合，纵向驱动电机23带动锥齿轮36旋转，可通过一对锥齿轮36改变旋转方向，纵向驱动端丝杠35上部与锥齿轮36固定连接，下部与纵向驱动端轴承座38连接，纵向驱动端轴承座38安装在旋转驱动端圆盘24上；纵向驱动端滑块34可移动的安装在纵向驱动端丝杠35上，纵向驱动电机23旋转带动纵向驱动端滑块34的在纵向上的移动，纵向驱动端滑块34与横向驱动电机支架31通过螺栓连接；纵向支撑端丝杠46一端通过联轴器44与纵向支撑端电机55连接，纵向支撑端电机55通过纵向支撑端电机支架56固定于旋转支撑端圆盘43上，纵向支撑端丝杠46另一端由纵向支撑端丝杠轴承座47固定于旋转支撑端圆盘43上上，纵向支撑端滑块45可上下移动的安装在纵向支撑端丝杠46上，横向丝杠26第二端通过旋转支撑端连杆41与纵向支撑端滑块45连接，随纵向驱动端一起带动横向位移机构靠近或远离玉米。
50.周向旋转机构包括周向旋转驱动机构和周向旋转支撑机构，其中周向旋转驱动机构如图6、9所示。周向旋转驱动机构包括安装在左侧安装架的旋转驱动端圆形导轨21、旋转驱动电机22、旋转驱动端圆盘24、旋转驱动电机支架39、旋转驱动端圆盘滑块40、旋转驱动端连杆41。其中旋转驱动电机22固定于旋转驱动电机支架39上，旋转驱动电机支架39安装在左侧安装架上，旋转驱动电机22的主轴与旋转驱动连杆41一端固定，旋转驱动连杆41另一端连接旋转驱动端圆盘滑块40，旋转驱动端圆盘滑块40与旋转驱动端圆盘24连接，旋转驱动端圆形导轨21开有一圈燕尾槽，旋转驱动端圆盘滑块40为燕尾滑块，安装在旋转驱动端圆形导轨21上，当旋转驱动端圆盘滑块40在旋转驱动端圆形导轨21上滑动时，带动旋转驱动端圆盘24以及横纵向位移机构转动，从而实现对玉米的周向测量。
51.周向旋转支撑机构如图6、10所示。周向旋转支撑机构包括旋转支撑端连杆42、旋转支撑端圆盘滑块29、旋转支撑端圆形导轨30、旋转支撑端圆盘。右侧安装架安装有旋转支撑端圆形导轨30，旋转支撑端圆形导轨30与旋转驱动端圆形导轨21等径同轴心，结构形状相同，旋转支撑端圆盘滑块29与旋转支撑端圆盘43连接，旋转支撑端圆形导轨30开有一圈燕尾槽，旋转支撑端圆盘滑块29为燕尾滑块，安装在旋转支撑端圆形导轨30上，旋转支撑端圆盘滑块29通过固定于其上的旋转支撑端连杆42与横向丝杠26第二端固定连接。在周向旋转驱动机构的驱动下，旋转驱动电机22通过横向丝杠26带动旋转支撑端圆盘滑块29在旋转驱动端圆形导轨21上滑动，实现横、纵向位移机构的周向转动。
52.全果检测装置外壳及附件结构如图11所示。所述装置外壳包括外壳壳体48、弹性合页52、通道开关门53。通道开关门53包括三个门扇，通过弹性合页52安装在外壳右侧壁的圆形门洞处，三个门扇构成圆形门，用于封闭门洞，圆形门中心为一小圆孔。全果测量装置主体安装在壳体48中，全果测量装置主体的左侧安装架安装在外壳左侧壁上，全果测量装
置主体的右侧安装架安装在外壳右侧壁上。
53.玉米可通过通道开关门53进入装置，开关门53的开启闭合由合页52实现，玉米可将开关门53顶开，并在进入装置后，通道开关门53自动闭合。装置附件包括单片机51、摄像头50、驱动器49，安装在装置外壳48上。单片机51用以编程控制驱动器49、摄像头50工作。单片机51可将摄像头拍摄的画面通过无线通信装置发送给上位机，用以观察装置手持式含水率检测仪28的移动位置，使手持式含水率检测仪的移动更便利。在手持式含水率检测仪到达观测位置时，可通过单片机51控制摄像头50关闭，避免摄像头50的近红外光线影响光谱检测效果。驱动器用以驱动电机转动，实现手持式含水率检测仪28在横向、纵向、周向的移动。
54.装置外壳形状如图12所示，装置外壳顶盖处开有推拉式观察窗54，可进行装置内部元件的更换以及非测量阶段的观察。在实际测量过程中，除通道开关门53外，装置处于全封闭状态，形成密闭暗室。
55.本发明的具体工作流程如下：测量田间玉米植株上的玉米含水率时，将手持式含水率检测仪水平放置在玉米上，轻压检测仪，使橡胶密封圈6紧密接触玉米，点击手持式含水率测量仪上的工作按钮5(工作按钮设置在控制装置主体上，可从检测仪壳体的开孔露出)，完成对含水率的扫描测量，含水率数据实时显示在上位机19界面并将数据存储至检测云端20，上位机软件19还可以进行历史数据的分析、绘制、导出等。上位机19不与检测云端20进行连接时，根据其建立好的玉米含水率预测模型实时显示含水率。当上位机19联网，建立与检测云端20的连接时，检测得到的含水率数据具有更高的精确性。
56.当需对玉米全果进行全方位测量时，将手持式含水率检测仪28的卡槽4安装至全果检测装置卡夹33上，由于卡夹33具有弹性可将检测仪28牢固的固定，将玉米对准通道开关门53，玉米将开关门53顶开直至完全进入全果穗检测装置，开关门53闭合，玉米皮堵住圆形门中心的小圆孔，外壳壳体形成密闭暗室。通过摄像头50观测暗室内玉米的位置，通过单片机51分别控制三个电机工作，使手持式含水率检测仪28围绕玉米在横向、纵向、周向上的移动，当手持式含水率检测仪28开始工作时，单片机51控制摄像头50关闭，以免影响光谱传感器的测量精度。
57.本发明提供的玉米含水率检测仪可直接测量玉米的含水率，无需进行脱粒处理，含水率数据可实时显示在相应的上位机软件，提高了含水率测量效率。针对不同的测量需求设计了手持式含水率测量仪与全果含水率测量装置，只需将核心控制装置更换即可，适应性广，可操作性强。
58.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明的说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明保护范围内。