（农业机械化工程专业论文）基于振动法的单籽粒谷物含水率测试研究.pdf

摘要 谷物含水率检测是粮食产业必不可少的法定检验步骤，同时，它也是一门涉及多种学科的综 合性领域。目前，人多数谷物含水率测试仪不是费时耗资，就是准确性和重复性差等。在本次的 毕业设计中，作者尝试了一种新的谷物含水率测试方法一振动法，目前，应用此种方法测量谷 物含水率未见报道。研究的过程中，在特制的实验装置上进行了大豆的振动特性与其含水率的相 关性试验，并得山了大豆的含水率与振动频率存在显著的对应关系。本文的主要内容可归纳如下： 1 ，分析了现代各种谷物含水率检测方法的基本原理，指出了各自的优缺点，并对未来谷物含 水率检测技术的发展趋势进行展望。 2 进行振动法谷物含水率检测装置的设计，并设计了外围具体的检测电路，对该电路进行了 仿真、制版和调试。 3 谷物含水率检测所用样品的制作，数据采集方案的设计和具体实施。 4 对试验所得数据进行预处理。 5 应用m a t l a b 软件，根据处理后的数据建立同归模型。分析并指出了各因素对谷物含水 率检测试验结果的影响。 6 指出了检测过程中的主要误差来源，进行了误善分析。 关键词：谷物含水率，水分检测，振动法，单片机，m a t l a b a b s t r a c t t h em e a s u r e m e n to fm o i s t u r ec o n 把n ti ng r a i ni ss 诅t u t o r y 谢na p p r o a c h ，孤di ti sa b s o l u t e l y n e c e s s a r y a t 廿1 es 锄et i m e ，i tj st h ea 1 1 一a m u n dc a t e g o r yr e l a t e dt om u l t i - s u b j e c t a tp r e s e n t ，m o s to f m o i s t u r ec o n t e n tt e s t e r sa r ee i t h e rt a ：k l n gt i m ea 1 1 du s i n gm o n e yo r b a d l yv e r a c 时a n dr c p e a t a b l l j u a n e wm e t 量l o do fm e a s u r i n gm o i s t u r ec o n t e n ti ng r a i ni sp u tf 0 删di nt h i sp 叩e r ，a n dt h i sm e t h o d a p p l i e dt om e 觚u n gg r a i nm o i s 眦c o n t e n ti s n tr 印0 r t e dn o w i n t h ec o u r s eo fs t u d y m 舀t l l ep e r t i n e n t t e s t so fg r a j nm o i s t u r ec o n t e n ta 1 1 dv i b r a t e dc h 盯a c t e r i s t i ca r ec a r r i e do u ti nt h es p e c i a la p p 打a m s ，蜘d t h er e s u ns h o w st h a te v i d e n tc o r r e s p o n d e n c eb e t 、v e e ng r a i nm o i s t u r ec o n t e n ta n dv i b r a t i o n 讹q u e n c yi s g a i n e d t h em a i np o i n t so f t h e m e s i sc o n c l u d ea sf o o w s ： 1 t h ep r i n c i p l e so fc u r r e n tg r a i nm o i s t u r ec o m e n tm e t h o d sa r ea n a l y z e da n dt 1 1 e i rm e r i t s 锄d d e f e c 忸a r ep o i n t e do u tf u n h e rm o r e ，t h e 廿e n do fd e v e l o p m e n ti nt e c l l l l o l o 鲥o fm e a s u r i n gm o i s t u r e c o m e m i n 罂a i na r eb m u g h t 舯a r d 2 t h ec h e c k e da n dm e 踮u r e d 印p a 舳si sm a d e ，a n dam e 鹪u r i n gc i r c u ni sd e s i g n e da r l de m u l a t e d n ep e 怖彻a n c eo f t l l ec i r c u i ti sp r a c 廿c a l l yt e s i e d 3 s a m p l e so fg r a i nf o rm o i s t u r em e 船u r e m e n ta r em a d e d a t aa c q u i s i t i o np m c e d u r e sa r ep l a i l e d a n de x e c u t c d 4 p r e t r e a 恤e n to f t | l ed a t ag a i n e di nt h et e s ti sg o n ea l o n g 5 r e g r e s s i o nm o d e li ss e tu pb a s e do nt h ed 砒am e rt r e 锄e n tb ym cs o f to fm a 丁l a b e a c h f 缸t o r sa r e 柚a l y s e da n dp o i n t e do u tt h ee f f e c tf o r t h er e s u no f t e s t 6 m 毹ns o u r c eo fe r r o ri sp o i n t e dd u r i n gc h e c k i n ga 1 1 dm e a s l l r i n 舀a i i de 圩o ra n a l y s i si sc a r r y m r o u g h ， k _ c yw o r d s ：m o i s t u r cc o n t e n to f g r a i n ，m o i s t u r em e a s u r e m e n t ，v i b r a t em e t l o d ，m c u ，m a t l a b i i 独创性声明 土8 8 2 3 9 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得黑龙江八一农垦大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：移豸移时间：d 伸于年占月，汐日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解黑龙江八一农垦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意黑龙江八一农垦大学可以用不同方式 在不同刊物上发表，传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 时问： 年月日 时间：年月日 第一章引言 1 1 本课题的研究目的和意义 粮食是人娄生存的物质基础，粮食质量的好坏是关系到国计民生的大事，而谷物作为粮食的 一个重要供应来源，其品质好坏也是至关重要的。谷物卜的水分是影响其质量的重要因素，它也 是国内外粮食部门严格控制的一项重要质量指标，随着科学技术的发展和人民生活水平的提高， 含水率的检测越来越引起征购、生产、加工、储藏、运输、贸易等各个环节的重视，它已经成为 科学研究与生产过程中的法定计量参数。 谷物是人类粮食和牲畜饲料的主要米源。近几年来谷物的单位面积产量正在迅速提高， 故对答物进行常规的质量指标钡试也变得越来越重要，而水分含量是谷物的一项重要质量指标， 其准确测量在谷物收购、生产、加上、储瓶、运输、贸易等方面都具有重要意义。 谷物舍有适量的水分，是其种了维持生命和保持其固有的色、气、昧、种_ j 品质和食用品 质所必须的，这种情况在储藏中称为临界水分( 按照闰家标准，烈龙扛省太部分地区谷物的临界 水分为：玉米1 45 ：大豆1 30 ；小麦1 4 0 ：水稻1 3 5 ) 。如果水分过高，则会浪费动力和 仓容，而且还会使谷物籽粒生命活动旺盛，消耗籽粒中储存的营养物质，促进粮堆内微生物和害 虫的生长和繁殖，引起粮堆发热、霉变和损耗等；如果水分过低，则会破坏有机质和损坏干物质， 从而降低谷物品质、减少谷物重量。所以谷物水分的测定是安全储粮的主要依据，又是谷物加工 _ _ l = 艺选择和技术参数配备的依据，同时还是谷物流通环节中以质论价的重要指标之一【1 j 。 在谷物的生产、加r 过程中，荇道工序的工艺原料、半成品和成品的水分含量都有一定的要 求，如果含水量不符台_ t 艺要求，不但影响产品的质量，而且还会影响出品率和增加动力消耗。 因此，谷物的含水率也是碾米、制粉和制油等工艺中所必须了解的技术数据。 对于收购、运输和贸易而言，谷物含水率的测试也足必不可少的步骤。在怛购和贸易的过程 中，含水率是评估其品质的重要指标。在运输的过程中，如果掌控不好件物的含水率，势必告i 起 其品质的f 降，甚至会发生霉变等不可挽同的纾济损失口j 。 据国家粮食储备局公布，我国粮食年产量达4 5 0 0 亿公斤，在收购、储藏、运输、贸易等过 程中，水分含量过高而造成的损失高下5 折合人民币2 0 0 亿元，可谓损失重大，因而实现柞 物水分的无损、快速检测尤为重要。 近一十年来，国内外研究、生产了丹种水分快速检测仪，以求取代耗时费电、不宜现场使 用的传统烘箱干燥法”j ，但由_ 丁品种的差别、成分的变化、粒型的不同以及谷物的温度对其产生 的影响，都构成谷物导电特性和介电特性的影响因素，对水分快速检测的准确性与重复性造成影 响。因此现在的水分测试仪不是费时耗资，就娃准确性和重复性荠等。故当务之急是寻求一种 新的科学方法，考虑兼顾快速、准确、适应性强的特性，设计种既能够实现实验室测量又能实 现在线测量的价格便宜的谷物含水率测试仪。 长期以米，谷物和种子收购现场的水分检测直不能摆脱人丁检测的感官判别方法，所以， 谷物水分榆测对十国民经济发展和人民生活水平提高有着重要的意义，它能够产生巨大的经济效 益。 单籽粒彳 物含水率的振动法测试作为一种新的水分测试方法具有重要的实际意义。该水分测 单籽粒谷物含水率的振动法测试作为一种新的水分测试方法具有重耍的实际意义。该水分测 试方法耗资少，操作简单、易行，是一种谷物含水率的无损检测方法。 1 2 国内外谷物水分检测水平、测量方法及发展趋势 1 2 1 国内外谷物水分检测水平 上个世纪六十年代以来，世界各国对谷物水分检测技术的发展都十分重视。随着水分检测新 技术和新方法的不断产生，先进的水分检测仪正在箨个行业推广和应用。目前具有较先进的检测 技术并占有较大水分仪份额的国外研究机构与生产机构有：日本k e t t 研究所、日本津岛制造所、 美国的d e n v e r 公司，其中，日本k e t t 研究所研制的将小型红外烘箱与电子天平结为一体的 f d - 6 2 0 型水分快速测定仪、将红外与杠杆式双盘天平结为一体的f 1 b 型水分快速测定仪、以被 测物作为电容介质的量杯式p m 一5 0 1 3 型水分快速测定仪等产品已经成为广泛应用的定型产品。 国内水分检测技术的研究起步较晚，七十年代前基本采用烘干失重法和化学法，八十年代 初才开始研究新型的水分检测方法，我国还从八十年代中期开始不定期举办水分检测技术研讨 会。目前，我国已经形成定型产品的科研机构和生产单位有：湖南仪器仪表总厂、武汉无线电二 厂、上海天平仪表厂、山东青州无线电二厂、成都无线电三厂、湖南毅格可以发展有限公司等。 其中湖南毅格可以发展有限公司生产的l s k 1 型、上海天平仪表厂生产的m y - l 型、武汉无线电 二厂生产的l s k c 4 型等快速水分测定仪占有较大的市场份额【4 “。 1 2 2 谷物水分测量方法概述 谷物水分的检测方法概括起来可分为无损检测和有损检测两大类。无损检测是指在不破坏待 测物原来的状态、化学性质等前提下，即保持材料的完整性、连续性和其他物理性能，通过粮食 本身的电磁学、声学、光学、热学性质测其含水率。反之，有损检测则是指在测量的过程中，待 测物粉碎或发生了化学变化，致使其不能在保持原有的形状、结构或组分1 6 】。在这两类检测方法 中，无损检测方法更经济、快捷，发展也最为迅速是当今世界水分检测的主流【”。 1 2 2 1 谷物水分无损检测的主要方法 谷物水分无损检测方法主要有直接干燥法、电容法、介电损失角法、复阻抗分离电容法、摩 擦阻力法、中子法、红外线加热干燥法、核磁共振法、微波加热法、高频阻抗法、射线法、声学 法等。 直接干燥法、电容法 直接干燥法是指将待测样晶置于烘箱中，根据a s a e 标准，在1 3 0 的温度下保持1 9 小时， 测量前后的质量差即为其水分含量。 电容法是根据水分的介电常数远远大于粮食中其它成分的介电常数( 水为8 1 ，粮食约为2 5 ) ，水分含量的变化势必引起电容量的变化，故通过测量与样品中水分变化相对应的电容变化即 可知其含水率“”。电容法采用的是非接触检测，可靠性高，简便经济，易维护，适合于检测高 2 黑龙江八一农垦大学硕十学位论文第一章引言 含水量。前苏联谷物水分仪中，采用电容法检测的占4 3 ，我国也有一些单位研制电容水分仪， 例如吉林j 二业大学、哈尔滨_ t 业大学等研制的水分仪。 这两种方法的测量原理都非常简单，技术相对来说也比较成熟，但也都存在一定的不足之处， 直接干燥法测量周期较长，人为干扰因素很多，并且不能进行在线测量：电容法受温度、紧实度、 品种的影响较大，在精度和重复性等方面雉以达到国家规定的标准。目前，不可能建立一个规范 的数学模型，随着人工智能和数据融合技术的发展，为数据的综合处理提供了新的途径，目前也 取得了一些可喜的成果”j 。 红外线加热干燥法、微波加热法：介电损失角法、复阻抗分离电容法 红外线加热干燥法、微波加热法 红外线加热干燥法是利用红外线加热样品使其失水，从而达到测量含水率的目的口。 微波加热法是利用微波炉的磁控管所产生的2 4 5 0 捌j 或9 1 5 a 卿担的超高频率微波快速震 荡谷物中的水分子，使分子相互碰撞、摩擦，进而去除谷物中的水分口“。与传统的干燥法相比 这两种方法缩短了测量周期、减少了能耗，并且采用了新技术实现水分检测，其中，红外线加热 干燥法不需加热介质，提高了热能利用率；加热器结构紧凑，不需辅助锅炉及管道系统，减少了 基建费用；加热均匀，避免了结焦，提高了测量精度。微波加热法操作方便，并可同时测量多种 样品，但它存在温层效应、棱角效应，造成微波的不均匀，从而影响测量精度口“。 介电损失角法、复阻抗分离电容法 粮食的电特性主要包括电阻特性和电容特性。当施加交流激励信号时，其电抗则包括容抗和 阻抗。据研究表明，谷物含水率不同，介电损失角也不同，并且旱单值分段线性关系。通过介电 损失角方法测量水分解决了容抗和阻抗共生问题，该方法经济实用、测量精度较高，尤为重要的 是在测量高水分时仍能获得较好的精度和重复性口。2 6 】。复阻抗分离电容法从另一途径解决容抗 和阻抗的共生问题通过复阻抗分离电路的设计，有效消除电阻参量的影响，而只保留电容参 量的变化，这种方法对提高电容式水分计测量精度具有重要意义。 高频阻抗法、摩擦阻力法、声学法 高频阻抗法是依据在敏感频带( 1 0 0 尼您- 2 5 0 世眈) 施以外加电场的情况f ，谷物水分与其交 流阻抗呈现对数关系这一理论来测量其水分的2 。2 ”。 谷物的动态摩擦阻力与含水率成线性关系，含水率高，摩擦阻力大【2 9 】。这种方法具有干扰 因素少、干扰强度低微、传感技术稳定可靠、标定方便、调整灵活、寿命长、价格低、便于实瑚 自动控制等优点。 h a “e n s t e i n 和b m s e w n z 于1 9 8 6 年研究了流动谷物碰撞噪声的测营方法。研究表明，谷物籽 粒的弹性和振动特性取决于粮食水分含量，谷物籽粒碰撞物体表面而产生振动，发出声音。不同 水分的谷物在流动过程中碰撞物体表面时所产生的声压不同，通过测量谷物在流动过程中碰撞物 体表面时所生产的声压来测定谷物水分含量i ”。”。声学法测量重复性好，但该方法中噪声信号 的屏蔽是一个难题【3 2 】，如果改用采集其振动信号来测量水分含量则有望避免噪声的引入，但由 于试验过程中存在诸多其它干扰因素，所以该方法也有待于进一步研究。 黑龙江八一农垦大学硕士学位论文 第一章引言 这三种测量方法是目前有待于进一步发展的、很有潜力的三种方法。摩擦阻力法与声学法在 理论上都有望实现在线测量，只是目前干扰因素较多，有些问题还需要进一步探讨。高频阻抗法 已经开发出了一种智能插杆式快速水分测定仪，产品已经通过粮油行业的测试检验并在粮油系统 推广使用，并被评为国家级重点新产品。 核磁共振法、射线法、中子法 核磁共振方法同样可用于水分测量。此方法的实质是在一定的条件下，由于原子核自旋重新 取向使谷物在某一确定的频率上吸收电磁场的能量，吸收能量的多少与试样中所含的核子数目成 比例，基丁此开发其检测方法【3 。该方法检测迅速、精度高、测量范围宽，还可区分自由水和 结合水，其不足之处是仪器昂贵，保养费用大，需精确标定。 射线法包括近红外光谱法和微波吸收法两种。 近红外线反射光谱( n i r s ) 是在1 9 6 4 年应用于谷物水分测定的p 。由于不同的分子对不同 波长的近红外光吸收特性不同，当用近红外光( 波长为1 9 4 0 n m ) 照射样品时，射入样品层的近 红外光与样品相互作用，经过多次吸收、反射、结合内散，与最后从样品层中射出的光强度不同， 这种现象称为漫反射。漫反射光的强度与样品的成分含量有关，并且服从朗伯一比尔定律。具体 方法有反射法、透射法、反射透射复合式，用于谷物水分检测主要是反射式，该方法测量快速、 简单、连续检测、检测范围大、准确度高、稳定性好，且无需对谷物进行烘干，只需在仪器前流 动即可检测，但仅属于表面测量技术，很难反映整个物料的体积水分( 内部水分) ，测量精度受 谷物籽粒的人小、形状、厚度、密度影响p ”j 。 微波吸收法始丁1 9 世纪4 0 年代，微波为3 0 0 z e 出3 0 0 g 舷之间的电磁波。它是利用粮 食中的水分对微波能量的吸收或微波空腔谐振频率、相位等参数随水分的变化来间接测量水分含 量的p “”j 。优点：非接触测量、能检测水分含最的绝对值、灵敏度高、速度快、安全、不损坏 物料、可在线连续测量、测量信号易于联机数字化、可视化等。缺点：检测下限不够低，如谐振 腔端口阻抗匹配不良，易引起驻波干扰，而且测量值与物料的成分有关不同品种需单独标定。 近年来，全固态高可靠性微波功率源、1 0 g 出专门波段的使用以及参数测量技术的应用，已经 有效地消除了物料厚度、密度、成分、形状等对测量结果产生影响1 4 ”。 中子式水分仪白4 0 年代由美国研究成功以来，世界各国也相继研制出各种用途的中子水分仪 并商品化。它主要是依据中子源产生的快中子在谷物内运动时与谷物中的氢原子核碰撞而减速， 而谷物中的氢原子含量是随着水分含量的变化而变化的，故而通过计量慢中子探测器中产生的电 压脉冲个数就可知谷物的水分含量1 4 2 “j 。中子式水分仪按照检测原理可分为中子减速扩散法、 中子减速透射法、中子衰减法和中子散射法：按照检测装置构造可分为固定式、手提式和取样式 三种，其中，固定式主要用于谷物水分的在线检测。中子水分仪是一种较先进的在线检测水分仪， 具有线性度高、高水分段时仪器灵敏度高，冰冻状态谷物水分仍然可测，不破坏谷物结构、不影 响谷物正常运行状态等优点。缺点在丁_ 氢的散射特性不稳定，理论尚未完善，需要人工标定，而 且谷物密度和测量体积大小对其精度影响也较大”“。 这儿种方法的测量原理很相似，都是依据谷物的吸收特性，根据损失来计算谷物的含水率。 在这几种方法中，红外式水分仪是目前应用比较广泛的一种。 4 黑龙江八一农垦大学碗士学位论文 第一章引言 1 2 2 2 谷物水分有损检测的主要方法 谷物水分有损检测方法主要有：烘箱法、快速失重法、减压干燥法、直流电阻法、甲苯蒸馏 法、卡尔费休法、压力法等。 烘箱法”7 】 1 0 5 恒重法 用比水沸点略高的温度( 1 0 5 2 ) 使经过粉碎的定量式样中的水分全部汽化蒸发，根据所 失水分的质量来计算水分含量。此种方法是当今水分检测最常用的标准方法之一。 定温定时烘干法 该方法又称( 1 3 0 2 ) 电烘箱法，原理为在一定规格的烘盒内称取经过粉碎的一定质量试 样，在规定加热温度的烘箱内，烘干一定时间，烘干前屙质量差卸为水分含量。 双烘法 双烘法主要用于测量高含水量谷物。当谷物含水量超过1 8 ，玉米水分超过1 6 ，大豆、 甘薯片水分超过1 4 ，油料水分在1 3 以上时，均须采用双烘法。测量时，先称取整粒试样2 0 3 0 克，放入1 0 5 烘箱中烘干( 3 0 分钟) ，取出冷却称重，然后粉碎，再用1 0 5 恒重法进行烘干 测量。 隧道式烘箱法 隧道式烘箱法也是定温定时法的一种，它将象限秤与烘箱结合起来，烘干试样厉无需冷却， 可直接用象限秤称量，并可在象限秤上直接读出试样的水分含量。该方法规定谷类水分的温度为 ( 1 6 0 2 ) ，时间为2 0 分钟；油料和豆类的温度为( 1 3 0 2 ) ，时间为3 0 分钟。 快速失重法、减压干燥法、直流电阻法 快速失重法h 8 1 该方法是电烘箱法的发展，与经典电烘箱法的主要区别是烘干温度不同。快速失重法是在物 料的极限失重温度下烘干物料。快速失重式水分仪是物料称重、温度控制、水分值计算、数据显 示、打印、报警等全部由微型计算机控制的自动测水装置，可以测量一切粉体物料，在粮食水分 测量中目前主要用来测量玉米水分。 减压干燥称重法4 9 j 它是利用真空处理技术、微小定量测定技术和数据处理技术来测定水分的。它不受被测物料 形状影响，无须特殊预处理，操作简便，可靠性高，并可检测微量水分。 直流电阻法口o 】 干燥粮食的直流电阻很大，而水的电阻很小，被测样品的含水量变化，势必引起其导电能力 的变化，含水量越高，电阻越小，通过测量样品的电阻，即可间接测定含水量。由丁二被测样品的 电阻较大，影响检测取样，必须降低电阻以获得更大的取样信号，因此，该方法一般要求将样品 粉碎后进行测营。 黑龙江八一农垦人学硕士学位论立第一章引占 甲苯蒸馏法、卡尔费休法、压力法 甲苯蒸馏法 这是一种较常用的化学测水方法。它是利用与水分不相溶的溶剂( 甲苯、二甲苯) 组成沸点较 低的二元共沸体系，将试样中的水分蒸馏出来。测量精度比一般干燥法略高，主要用于油脂中水 分测量。由于这种方法容器壁易附着蒸馏山来的水分，所以会造成一定的误差。 卡尔费休法 卡尔费休( k a f lf i s c h e r ) 法是一种经典的水分测定方法，应用十分广泛。它是利用甲醇和 吡啶存在的情况下，水与碘和砸硫酸发生定虽化学反应，从而根据碘的消耗量即可测出水分含最。 号尔费休法水分计根据测量原理分为容量法和库仑法两大类，都需耍用水分标准物质进行标 定。前者标定卡尔费休试剂的滴定度，后者直接对仪器进行标定。该法主要i j 于微量水分的测 量，检测精度很高，但试剂的成本昂贵，安装麻烦，电路复杂。卡尔费休法已经被许多国家和 专业机构纳为标准分析方法用于校准其它原理的水分测定仪。 压力法 水与碳化钙发生化学反应生成乙炔，在一定条件下，乙炔气体的压力与其含水量呈线性关系。 中国建筑科学研究院赵敦忠利用这一原理，发明了一种新的水分分析仪( 已取得发明专利权) 。 该仪器由压力传感器采集压力数据，用单片机进行程序控制、数据处理分析结果可直接打印输 出。仪器通用性强，适用于建材、地矿、化工、农业等领域。 这三种方法都是依据化学反麻来进行谷物水分测定的。在这几种方法中，压力法处于研究阶 段，卡尔费休法已经作为某些国家的标准方法。甲苯蒸馏法由于误差较人，所以目前应用不是 很多。 l _ 3 谷物水分测量方法中存在的问题及发展趋势 综观谷物水分测定方法各有千秋，表1 - l 即为与各种谷物水分测量方法相对应的部分代表仪 器主要性能一览表5 1 “”。 6 表1 1谷物水分测量方法硬代表仪器特性一览表 _ _ _ _ _ - _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。- _ _ _ _ _ - _ i - - _ 。_ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - - 一 测量 原理 代表 仪器 测量测量 精度时间裂銮 主要影响因素 町否 在线 测量 通过上表可以看出各种水分测量方法人都干扰因素较多，尤其是品种的影响，但是这样的 局面有望通过多传感器数据融合技术来解决，而且单片机技术的引入也将使时时在线动态测量的 精度得到了进一步的提高。现将谷物水分测量方法中存在的问题归纳如下： 1 传统的烘干失重法精度虽然很高，但是普遍存在操作麻烦、测量周期长等缺点。 2 ，在各种电测方法中，谷物的品种、紧实度、形状和温度等对测量结果影响较大，使得测量 精度低、重复性差。 3 有些水分测试方法精度较高，但是存在测量范围窄、耗资大等缺点。 水分仪的种类虽然很多，但其市场潜力却不尽相同，随着计算机技术、原子技术、半导体技 术的飞速发展，为谷物水分无损检测技术的发展提供了广阔天地，为了实现全数字、实时在线测 量就必须要有快速无损检测技术作为保证。随着对无损检测技术的需要，无损检测仪器将逐步实 现标准化、通用化、系列化，随着大规模可编程逻辑器件和数字信号处理器应用的推广和成本的 7 降低，必将加速其在无损检测技术上的应用，不仅提高信号采集和处理速度，满足市场大量实时 性要求，也将缩短开发时间，增加硬件的功能和扩展性；随着计算机软件及硬件在无损检测技术 上的应用，将实现温度等重要检测因素的自动补偿，使检测仪器由过去的单一化向多t ! f 途发展， 适用于多种不同环境下的无损检测；互联网技术的迅猛发展，会为无损检测技术带来质的飞跃， 实现多用户共享和远程控制，避免人力、物力和财力的浪费。由此可预见，无损检测将是未来检 测技术的主导。单籽粒谷物含水率的振动法测试作为一种新的无损检测方法，有望能够改善谷物 水分测量中专用谷物水分测试仪的缺口，实现测量精度较高的专用谷物含水率测试仪。 1 4 本课题的研究内容和目标 本课题在研究谷物振动特性的基础上，以大豆作为研究对象，通过单籽粒谷物对板的撞击试 验，采集其振动信号，根据对振动频率、幅度的分析，从而找到谷物含水率与振动信号之间的关 系，并通过m a t l a b 软件建立较优的数学模型，具体研究内容如下： 1 研究谷物撞击测试板时的振动特性，从理论上分析谷物含水率与谷物撞击测试板时所产生 的频率之间的关系。 2 振动传感器和信号处理电路的硬件设计。 3 软件设计及仿真、调试。 4 建立谷物含水率一振动特性试验装置，在该试验装置上进行谷物振动特性试验。并采用不 同材料( 钢板、铁板和玻璃板) 的测试板，更改测试板的面积，并调节谷物的下落高度，得到多 组试验数据。 5 用压电式传感器检测谷物撞击测试板时的振动信号，并将该振动信号送入单片机中进行处 理并显示出来，将该试验数据记录备用。 6 将采集的数据进行处理，应用m a t i ，a b 软件对所得数据进行分析，得出谷物含水率与振 动信号之间的数学关系式，建立数学模型。 7 对试验中的影响因素进行分析，针对试验中的干扰因素提出相应解决对策。 8 黑龙江八一农垦大学硕士学位论文第二章谷物的振动特性研究 第二章谷物的振动特性研究 声压对谷物含水率的敏感性己于1 9 8 6 年由美国人b r u s e w 池提出。他的研究表明，谷物籽粒 的弹性和振动特性取决于谷物的水分含量。当谷物籽粒碰撞一物体表面时产生振动，发出声音， 不同含水率的谷物在流动过程中碰撞物体表面时所产生的声压级不同。该方法自提出以来，一直 处于研究阶段。随后，美国农业工程协会和英国农业丁程协会的学报先后发表了数篇相关文章 m ”】。国内的一些学报上也发表了相关文章，对谷物流动碰撞噪声机理、测最方法、装置机构 及一些影响闶素做了研究【”j 。研究表明，谷物籽粒之间相且碰撞与谷物碰撞一物体表面有相 同的效果，并且所产生的声压级与谷物含水率成线性统计关系，但声压级的大小还与谷物的下落 高度、流量传声器的距离及环境温度有关，在此方面虽然已经取得了初步的研究成果，但要适廊 在线测量，必须解决各种冈素的影响和非有用的声音信号噪声的屏蔽问题。由于应用此种方 法大都使用传声器收集声音信号，而传声器对所收集的信号不具有选择性，这就决定了不可避免 的噪声的引入，使测量出现误差。本课题就是根据目前研究的现状，提出了使用压电式传感器贴 在测试板的背面，用其来接收谷物撞击测试板时的振动信号，通过对不同含水率的谷物撞击测试 板所产生的振动频率不同的特点来分析谷物含水率与振动频率之间的关系。这就避免了使用传声 器，减少了测量时噪声所带来的误差。 2 1 谷物中的水分 谷物中的水分按其物理性质可分为游离水( 自由水) 和结合水( 结晶水) 。游离水是通过物 理吸附作用凝聚在谷物颗粒内部的毛细管内和分子间隙中的水分。游离水具有普通水的一般性 质，能作为溶剂，摄氏零度时能结冰，是物质进行生化反应的介质，对谷物的质量有着重要的影 响。游离水在物质内很不稳定，与谷物的其他成分结台很弱，在1 0 0 以下加热容易蒸发，并且 能在温、湿度的影响下自由出入，故又称为自由水，谷物水分就是指游离水的含最。结合水则是 通过化学作用吸附在谷物细胞内或谷物分子结构中的水分。结合水的性质稳定，不易散失，在温 度为零f2 0 到3 0 时也不会结冰，它不能做溶剂，不能参与物质内部的生化反应，若想排除 结合水则需要较多的能量。在常温下，谷物中的结合水不易发生变化，生理活性很弱，较为稳定。 而谷物含水率是指谷物试样中水分的质量占试样质量的百分比( 湿基水分) 。一切正常的谷物水 分含量的大小是在一定范围之内的，但是，谷物由丁其成熟程度、收获的迟早以及气候条件( 温 度、湿度) 等对它的影响，使其水分含量是一个变化的数值。 2 2 谷物振动特性理论分析口4 “1 1 9 8 6 年美国人b r i l s e w 沱提出，谷物籽粒的弹性和振动特性取决丁谷物的水分含_ 最。研究表 明，当谷物籽粒碰撞物体表面时产生相应振动，不同含水率的谷物碰撞同一物体表面所产生的振 动频率却不同。通过对不同含水率谷物所产生的振动分析可以直接得到含水率与振动频率之间的 关系。 振动法谷物水分测试采用弹性薄板作为撞击对象，使用压电传感器检测振动信号。其结构原 9 黑龙江八一农垦大学硕士学位论文 第一章谷物的振动特性研究 理如图2 1 所示： 图2 1 振动法谷物水分测试试验装置结构原理图 试验中所使用的测试板为弹性薄板，弹性薄板是厚度远小于其它两尺寸的扁平形弹性体。平 行丁薄板的上下面，且平分其厚度的底面称为中面。 薄板承受垂直于扳面的横向荷重时，便发生挠曲，并且在其平面内有张力产生。但当弹性薄 板满足下述条件时，计算弹性薄板的问题和计算梁的问题完全相同。 1 板的厚度远小于其它二尺度。 2 板的挠度与板的厚度相比非常小。 3 板平面内的张力可忽略不计，作用在板的平面内的荷重所引起的应力，沿板的厚度均匀分 布。 同时，按照线性平板理论，尚假定： 4 在挠曲前中面的法线在变形后仍为挠曲中面曲线。即变形前位于与板的中间面相垂直的任 意直线上所有的点，在扳变形后仍位于与板的弹性曲面正交的直线上。 5 板的各水平层间的正应力与横截面内的应力相比是非常微小的，可以忽略不计。 上述即为弹性薄板小挠度问题的基本假设。 边界条件 用古典理论来解决板的计算问题，归结为寻求这样一个函数：既要满足基本微分方程，还要 求在板的周边满足某些静力条件或运动条件。 1 嘲定边无挠度。 若x = 口端固定，固定边相当于在y 轴上，有 ( w ) 。= o ；( 竽) 。= o 2 在自由边上，板的弯矩、扭矩和剪力均等于o 。 假设x = 0 为自由边，则在它的边缘上，板的弯矩、扭矩和剪力均等于0 。 的基本方程是四阶偏微分方程，在任边界上只能满足两个边界条件。实际上 的扭矩都可以变换为等效剪力，和原来的剪力合并成为一个条什，即 ( 肘，) 。：o ；( _ ) ：。：( 姨+ 竺至) 。：o 砂 w = 、呱x ，y ，f ) ，质点的坐标为( x ，y ) 根据弹性薄板振动分析的一般方法，具体步骤如下： 1 求解固有振动 1 0 ( 2 - 1 ) 但是，弹性曲面 薄板任一边界上 ( 2 - 2 ) 有阻尼条件下的薄板衰减振动基本方程 。 v 2 v 2 w v 2c 卦力争= g ( 2 - 3 ) 式中，。= 西尚为板的圆柱刚度或抗弯刚度；w 为振动位移；z 为阻尼系数；p 为 弹性薄板的质量密度；厅为板的厚度：g 为外界作用力，本试验中，g 为谷物的冲击力。 悬臂板的边界条件： x ：o 时，渺：里：o 出 ( 2 _ 4 a ) 警+ y 等= 窘坤卅等= 。 c z 4 “， 删一吼等+ v 警= 等坤叫罴= 。 协a c ， 式中，y 为泊松比。 求解固有振动时，相当于g = o ，即： 。卜w v 2c 针肋害= 。 设方程( 2 5 ) 的解为 w ( x ，y ，f ) = ( x ，y ) 丁( f ) 将( 2 - 6 ) 代入( 2 - 5 ) ，得振型方程： 与孚加一寿耐 加 7 1 。，壬 即： f v 2 v 2 一口4 缈= o l r + 2 z ，+ 国2 丁= o 式中，口4 ：国2 丛 故有阻尼条件f 的固有振动和无阻尼情况是一样的。 ( 2 - 5 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 黑舵江八一农垦大学硕士学位论文第二章谷物的振动特性研究 振型的变分方程为 占“k 时叫叫 警等一c 器，2 卜2 卜方= 。 ， 设( 2 - 9 ) 的解为 阡7 ( z ，y ) = “( x ) l ( y ) ( 2 - l o ) ( 1 ) 求匕( y ) 由于( y ) 不需要满足任何的位移边界条件，一般可取自由一自由单向板的第n 阶振型函 数( 梁函数) ，即 k ( y ) = ( c 厅口。y + c o s 口。y ) 一口。( s 向口。j ，+ s i n 口。j ，)( 2 - 1 1 ) 热铲字= 譬：。 d n = o 9 8 2 5 ，h = 3 c ( 曲) 。一c o s ( ( 曲) 。，行4 s ( 曲) 。一s i n ( 动) 。 ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 ) 求“( x ) 将式( 2 - l0 ) 代入变分方程( 2 - 9 ) 经变分运算，可得“( x ) 应满足的常微分方程： k 筹一2 k 。叫】警七4 珈= o c掰(zx。 及自然边界条件： 箬坻州。窘小叫k + 划知 另外，“ ) 还应该满足位移边界条件： x ：0 ：“：坐：0 蕊 式中， ，沪r 2 咖，：。：c ( 譬) 。砂； “砂 ( 2 - 1 6 ) k = r l 争 。= rc 争，2 咖 常微分方程( 2 1 4 ) 满足边界条什( 2 1 6 ) 的一般解为 1 2 r，、i 式中 口0 p t 吣剐卜等 佗1 8 1 ( 2 1 9 ) 将解( 2 1 8 ) 代入边界条件( 2 一1 5 ) ，可得关于系数a 、b 的二阶线性方程组，由其系数行列式为零可 得频率方程： ( a 6 ) 4 一山。一2 v 。，3 。 t ，：。一v ( t ，：。+ 三i ，。) + ( 口6 ) 4 一i ，。+ ( 1 一y ) 2 t ，：。2 + p ：。叫厶地) 2 警c o s 譬+ 心。叫厶u 。) 帆( 2 - 2 0 ) v z 也。z 缉警! 兰兰剑 ( c 协) 4 一j 4 。 上述两式中 冲警s i n 譬= odd 厶= 警。= 警；小等 p ：- ， 将求得的 。，以。，l ，。代入式( 2 - 1 9 ) ，求得，成 将t ，2 。，也。，山。，鼠代入频率方程式( 2 - 2 0 ) ，求出固有频率。 再将所求得的也。，以。， 。，屈代入关于a ，b 的线性方程组中，求出a ， 然后将a ，b 代同到式( 2 - 1 8 ) ，得到甜( z ) ，最终将得到的“ ) 和匕( y ) 代入式( 2 1 0 ) 振型。 2 球解自由振动( 无载方程满足初始条件解) 对应于每个国。有一个7 二( f ) 方程： 学帆2 z 掣+ 2 啪) _ o 设( 2 2 2 ) 的解为 乙。( r ) = “ 对于试验中所用弹性薄板为小阻尼情况，故 k ( f ) ：e b 。石“+ 6 胛s i n 石一 式中， 况：乒莩 b 的值。 即的固有 ( 2 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) 盟。 n 上风 一 坠。 妇 。一 ，叶卜 业。 瞄 则齐次方程的全解为： w ( w ，f ) ：宝宝。一詈2 b 舢c 。s 石一十6 一i n 石一 帆。( w ) ( 2 - 2 6 ) 3 强迫振动解( 有载方程满足初始条件解) 发强迫振动基本方程( 2 0 ) 的解为 “x ，_ y ，r ) = ( f y 。( x ，y ) 代入( 2 - 3 ) ，由于振型f 吃。已经满足 v 2 v 2 既。= 。2 譬既。 则解代入( 2 3 ) 后变为 掣+ 驷。一掣帆2 驯= 锣 广义质量 广义力 m 矿n 胛0 d s ( 2 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) 只。( r ) = m ( t y ，f 峨。凼 ( 2 - 3 1 ) 方程( 2 3 1 ) 类同一般有阻尼单自由度系统方程，其非齐次方程的特解为 ) = 壶“1 h 吲f ) s i n 讪 瓦砜珲 计入相应齐次方程得一般解，并代入式( 2 2 7 ) ，则有全解 ( 2 - 3 2 ) ( 2 - 3 3 ) w ( w 力：宝妻”“2 b o s _ 耐峨。i n 瓦，】 + 壶p “、”“咖i n 讪h 胁w ) 、( 2 - 3 4 ) 由于在本试验中，测试板受到作用时间很短、冲量为l 的冲击作用，则有： g ( x ，y ，f ) = g o ( x ，_ y ) ( ，)( 2 3 5 ) 1 4 黑龙江八一农垦大学硕士学位论文第二章谷物的振动特性研究 肿，= z ；， 陆s s ， 吼( 工，_ y ) 为谷物的重力，故 m ：! 墅1 0 0 m m ，= m g + m ： ( 2 - 3 7 ) 吼( x ，y ) = g = m ：g 上式中m 。为谷物的含水率，m s 为水分质量，m g 为干谷物质量，m ：为谷物的总质量。 通过前两个方程消去m s 与m ：两个变量，从而得到g o ( x ，y ) 的表达式为： 纵w ，= 嵩g 驯归譬。 ( 2 - 3 8 ) 1 i 弦k 石。h 垡。i n 赢山 丁， 2 。 。 w。工，y，。：耋喜。一；一。k。，。荔。，+。in五。，+!j三；!；l；兰：；!二!竺二。 h 卜“+ 譬s i n 葫卜n。：删 e 1 h 卜“h ，十鲁s i n 础棚 啉力 z 删 。缸卜一+ 譬s i n 叫”功 5 黑龙扛八一农垦大学硕士学位论文 第二章谷物的振动特性研究 对上式进行整理可得： 哪力：卧厢咖而斛仍， + 喾。 h 争”。 c 障函垤，卜w m ，” e j q m 2 ( r 、雨s i n 瞄m ” i 铷 厣 斌r ( 卜丁) 嘞 | + 仍) 1 ) ( x ，y ) ，o r ) 由上式可以看出，在， r 时，前面的项都和f 1 8 5 2 ) ，高度对试验结果的影响较弱：3 种板材的对比 中，铁板的振动特性是最明显的，其次是玻璃板，最后为钢板：对于同种板材的不同规格的对比 中，对有重复板材的钢板和玻璃板进行了内部比较，得出了在测试板长度不变的条件下，测试板 越宽其振动频率越低。 3 通过对每个测试板在3 个高度下的拟合模型的误差分析可知，铁板和钢板的拟合效果较好， 玻璃板的拟合误差稍丈。 应用振动法测量谷物的含水率以前未见报道，故其属于一种新的水分测定方法。试验中的影 响冈素较多，由于毕业设计时间有限，有些想法及在设计中发现的问题不能继续解决，唯有希望 能够在今后的工作中得以完成。但是，本课题的研究也为进一步的探索奠定了基础，为谷物含水 率的测定提