仓储粮食温度分布声学监测法

摘要

本发明是一种仓储粮食温度分布声学监测法，在被测区域周围设置声波发射/接收器，任一发射/接收器所发声波，通过粮食颗粒间隙中的空气通道，可被包括自身在内的所有发射/接收器接收。在一个检测周期内顺序启闭各发射/接收器，测出声波在粮食中沿各有效传播路径的传播时间；将被测区域划分成空间网格，用所获声波传播时间、三维声速场重建算法和粮食中声速与温度的关系，为每个网格重建出一温度并赋予网格中心，再用插值计算方法得到整个被测区域的温度分布；可显著提高储粮食温度监测空间分辨率，及时发现储粮中由于霉变、虫害、仓顶漏水等原因造成的热点，避免大面积粮食损失，且不影响仓内作业，适合于粮仓中散装粮食温度分布在线监测。

主权项

1.一种仓储粮食温度分布声学监测法，其特征在于：该方法由以下步骤构成：步骤（1）、在被测区域周围布置声波发射/接收器：将N，N>=20个声波发射/收发器设置在横截面为矩形或正方形的被测区域的周围，围合成一长方体或正方体，长方体或正方体的每个顶点上设置一个声波发射/收发器，每条棱边上至少均匀设置3个声波发射/收发器，即每条棱边上相邻两个声波发射/接收器的间距相等；任一声波发射/接收器所发出的声波，通过粮食颗粒间隙中的空气通道，可被包括自身在内的所有的声波发射/接收器接收；步骤（2）、测量声波在粮食中沿各有效传播路径的传播时间：在一个检测周期内顺序启闭各声波发射/接收器，第i，i依次为1，2，…，N个声波发射/接收器发射声波时，其余N-1个声波发射/接收器均不发射声波，包括i在内的所有N个声波发射/接收器均接收此声波并转换为电信号，这些电信号经信号调理器和数据采集卡后进入计算机；任意两个声波发射/接收器，只要它们不位于同一条棱边上，即可形成一条有效的声波传播路径，用结合小波抑噪的互相关时延估计法，测量出声波在粮食中沿各有效传播路径的传播时间；结合小波抑噪的互相关时延估计法可以表示为：其中f_i(k)、f_j(k)分别表示小波抑噪后的第i、j个声波发射/接收器输出的电信号，R(n)为它们的互相关函数，N_sample为采样点数，可根据所需要的测量精度设定，若n=D时R(n)取得最大值，则D就是声波在i、j声波发射/接收器所构成的传播路径上的传播时间；步骤（3）、确定粮食中声速与温度的关系：声波在粮食中是通过粮食颗粒孔隙中的气体传播的，粮食中声速c与粮食温度T的关系：$c=\frac{z\sqrt{T}}{\tau }---\left(1\right)$其中z为气体组成成分决定的常数，对空气而言，其值为20.045，τ为粮食孔隙影响因子，与声波频率、气体的热力学参数，粮食颗粒的平均间隙有关，当粮食颗粒间所含气体及声波传播时间测量系统所采用的声波频率确定后，τ主要取决于粮食颗粒间的平均间隙；堆粮中粮食深度较浅时，在粮食自重的作用下，粮食颗粒间的平均间隙随粮食深度的增加而减小，但当粮食深度超过0.5m时，粮食颗粒间的平均间隙不再随粮食深度变化而变化，τ可视为定值，实际测量中τ值可事先标定；步骤（4）、重建三维粮食温度分布：将被测长方体或正方体区域均匀地划分成M，M≥10×10×10=1000个空间网格，用(x_m,y_m,z_m)表示第m，m=1,2,…,M个空间网格中心点坐标，被测区域声速倒数的分布f(x,y,z)用M个基函数的线性组合表示为：$f(x,y,z)=\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}{ϵ}_m{\phi }_m(x,y,z),{\phi }_m(x,y,z)=e^{-\theta \sqrt{{(x-x_m)}^2+{(y-y_m)}^2+{(z-z_m)}^2}---\left(2\right)}$其中θ为基函数的形状参数，ε_m为待定系数，则声波在第k条有效传播路径上的传播时间为：$t_k=\underset{p_k}{\int }f(x,y,z)\mathrm{ds}=\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}{a}_{\mathrm{km}}{ϵ}_m,a_{\mathrm{km}}=\underset{p_k}{\int }{\phi }_m(x,y,z)\mathrm{ds},k=\mathrm{1,2},...,K---\left(3\right)$其中p_k表示第k条传播路径，ds表示声波路径的积分微元，K为有效声波路径数；定义：A＝(a_km)_{k＝1,…,K,m＝1,…,M},t＝(t₁,…,t_K)^T,X＝(ε₁,…,ε_M)，则有t=AX；其中矢量X描述声速分布，t为步骤（2）中得到的各有效传播路径上的声波传播时间，A为重建矩阵，当声波发射/接收器位置和被测区域的网格划分确定后，矩阵A便可计算获得；获得矩阵A后，描述声速分布的向量X可表示为:$X=\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}\frac{{\sigma }_j^2}{{\sigma }_j^2+\lambda }\frac{u_j^{T}t}{{\sigma }_j}{v}_j---\left(4\right)$其中σ_j为矩阵A的奇异值，且σ₁≥σ₂≥...≥σ_M，u_j和v_j分别是矩阵A的左、右奇异值向量，λ为正则化参数；获得描述声速分布的向量X后，利用步骤（3）中确定的粮食中声速与温度的关系式，可为M，M>=1000个空间网格各重建出一个温度值并赋予网格中心，再用插值运算的方法，获得整个被测区域的温度分布，实现粮食中三维温度场准确地、高空间分辨率监测。