專利名稱：基于昆蟲電荷測量的昆蟲探測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于昆蟲電荷測量的昆蟲探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對昆蟲帶電特性
的測量分析和統(tǒng)計，可以實現(xiàn)對昆蟲的探測定位和精確高效撲殺。
(二)
背景技術：
目前國內(nèi)外沒有基于昆蟲電荷測量的昆蟲探測系統(tǒng)。 目前主要是通過音頻或是近紅外光譜的原理來對昆蟲進行探測，但都是在研究階 段，沒有達到實用化的水平。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是基于非接觸式的昆蟲電荷測量來對昆蟲電荷進行采集，然后通過數(shù)字信
號處理系統(tǒng)對昆蟲電荷信號進行處理，獲得昆蟲的位置信息?？梢岳帽景l(fā)明過對植物根
莖等區(qū)域進行電場測量，對數(shù)據(jù)進行分析和處理，從而來判斷其內(nèi)部是否隱藏著害蟲，并且
確定其位置，在出入境口岸的有害昆蟲檢疫檢驗時也能發(fā)揮相當重要的作用。 本系統(tǒng)由非接觸昆蟲電荷傳感器、數(shù)字信號處理單元、主控及數(shù)據(jù)顯示傳輸單元、
數(shù)據(jù)接收和存儲單元、電源單元組成。 非接觸昆蟲電荷傳感器，由外殼，動作單元，電場測量單元，傳感器控制單元組成。 針對昆蟲帶電量小，電場弱的情況，應用電場動態(tài)感應原理實現(xiàn)對昆蟲電荷的測量，采用了 一種"睜閉眼"循環(huán)采樣的準靜電場測量裝置作為傳感器，所述的電場動態(tài)感應原理如下
—個帶電體周圍會分布著電場，在電場E中放置一塊金屬導體，導體表面就會產(chǎn) 生感應電荷，感生電荷密度為
o = e KE 式中￡為空氣中的介電常數(shù)(近似真空中的介電常數(shù))，K是由于導體放入引起 的電場畸變系數(shù)。如果金屬導體的面積為S，則感應電荷量為
q = o S = e KES 若感應導體對地的電容量為C，則產(chǎn)生的感應電壓U為
n ， ^ ￡腐 =工=-
c c 該金屬導體通過一個電阻接地就會有電流流過，在電場變化時，測出這個電流的
變化就可知道電場的變化。但在靜電場中，電場基本不變或變化極為緩慢，要測量這種電
場，必須使處在靜電場中的導體內(nèi)產(chǎn)生動態(tài)變化的電荷，為此可以采用某種方式對金屬導
體進行屏蔽和去屏蔽，從而產(chǎn)生動態(tài)的與電場相關的電流，從而測量得到電場，這就是電場
動態(tài)感應原理。
其中 所述的外殼為桶狀結構，起到機械保護的電磁屏蔽的作用。內(nèi)部放置動片、定片、 屏蔽隔板一、伺服電機、伺服電機控制電源線屏蔽管、電源線及數(shù)據(jù)線屏蔽管、測量電路、屏
4蔽隔板二、信號線屏蔽管、接地游絲、動片轉(zhuǎn)動軸、傳感器控制單元；并且本系統(tǒng)各個單元間 有屏蔽層，通過屏蔽線纜進行信號連接。外殼外面連接數(shù)字信號處理單元、主控及數(shù)據(jù)顯示 傳輸單元和電源單元。 所述的動作單元，由動片，伺服電機，接地游絲組成。動片為圓形，帶扇形開口，扇 形開口之間的未開口部分為同樣角度的扇形，即動片是由相同大小的扇形開口和同為相同 角度的扇形未開口部分相間隔均勻分布在圓周上。動片在伺服電機的帶動下進行左右擺 動，擺動角度為一個扇形開口的角度。伺服電機可以按照控制指令迅速的旋轉(zhuǎn)一定角度。
所述的電場測量單元，由定片，測量電路組成。定片為敷銅板結構，其表面的敷銅 部分是作為感應電荷的金屬導體來用，敷銅部分形狀與動片的扇形開口相對應。所述的測 量電路由硬件信號保持系統(tǒng)、高阻抗跟隨級，固定增益和可控增益放大級、濾波級、緩沖輸 出級、電壓信號差分傳輸部分組成。 所述的傳感器控制單元，控制伺服電機和測量電路的同步工作，對電場測量單元 的信號進行采樣，電場強度與電荷量的對應轉(zhuǎn)化和對數(shù)字信號處理單元的數(shù)據(jù)傳輸。
所述的動片固定在動片轉(zhuǎn)動軸上，動片轉(zhuǎn)動軸穿過定片和屏蔽隔板一上的開口連 接到伺服電機上，在伺服電機的上部與接地游絲相連接。伺服電機固定在屏蔽隔板二上面， 并且通過伺服電機控制電源線屏蔽管與傳感器控制單元相連接。定片通過高絕緣物體固定 在屏蔽隔板一上面，并且通過信號線屏蔽管把信號傳遞給測量電路，測量電路與傳感器控 制單元共同放置在外殼與屏蔽隔板二構成的密封腔里。測量電路與傳感器控制單元通過穿 過外殼的電源線及數(shù)據(jù)線屏蔽管與外面的數(shù)字信號處理單元，主控及數(shù)據(jù)顯示傳輸單元連 接。 數(shù)字信號處理單元，是該發(fā)明的主要部分，通過對測量得到的電荷信號進行小波 分析，提取昆蟲的特征信號進行模式匹配和比對分析，并且通過對信號幅度強弱以及特征 頻率的變化分析得到昆蟲的位置信息。 本裝置對昆蟲電荷信號的處理應用了小波分析 在對昆蟲電荷信號進行處理過程中，如果某函數(shù)V (t)滿足以下條件 c^r^^， 則小波定義如下<formula>formula see original document page 5</formula> 由上面的定義可見，連續(xù)小波xj/ +^(^^)的作用與6^01~變換中的函數(shù)
g(t-"e—J"t相類似，參數(shù)b與參數(shù)t都起平移作用。本質(zhì)不同的是參數(shù)a與參數(shù)"，后 者的變化不改變"窗口"的g(t)的大小與形狀，而前者的變化不僅改變連續(xù)小波的頻譜結 構，而且也會改變其窗口的大小與形狀。這是因為由傅立葉變換的基本關系式(1)可見，隨 著a的減小，Va，b(t)的頻譜就向高頻方向移動，而Va，b(t)的寬度則越來越小。這就滿 足了信號頻率高相應的窗口應該小，因而它在時間域上的分辨率亦高的要求。從濾波的角 度來看，顯然Va，b(t)是一帶通濾波器，當a取不同的值時，能得到一組帶通濾波器及帶通 濾波器組。通過小波變換，可以將信號分解成不同的頻段，在低頻部分有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率，在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率，比較適合 對低頻多噪聲的昆蟲電荷信號進行處理。 當通過小波分析提取出昆蟲的特征電荷信號后，通過對該特征信號的強弱和頻率 偏移進行分析，可以對昆蟲的位置進行計算，從而得到昆蟲的位置信息。 主控及數(shù)據(jù)顯示傳輸單元，對非接觸昆蟲電荷傳感器的數(shù)據(jù)與數(shù)字信號處理單元 進行接口控制，并且進行無線數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)顯示部分對數(shù)字信號處理單元處理完的數(shù)據(jù) 在顯示屏上顯示。 數(shù)據(jù)接收和存儲單元，對無線發(fā)送的數(shù)據(jù)進行接收，并且在數(shù)據(jù)庫中進行存儲。 電源單元，提供系統(tǒng)所需的各電壓軌的電源，并且保正電流和紋波及諧波參數(shù)滿
足系統(tǒng)需要，為標準電路構成。 該發(fā)明的創(chuàng)新點 l基于電荷測量的對昆蟲探測方式. 2對昆蟲電荷的非接觸式測量原理。 3非接觸式昆蟲電荷傳感器的擺動式設計。 4對昆蟲電荷信號的小波分析及定位計算。
(四)


下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。
圖2是本發(fā)明系統(tǒng)結構圖。
圖3是本發(fā)明信號鏈圖。 圖1中1.非接觸昆蟲電荷傳感器，2.數(shù)字信號處理單元，3.主控及數(shù)據(jù)顯示傳輸 單元，4.發(fā)射天線，5.接收天線，6.數(shù)據(jù)接收和存儲單元，7.電源單元。
圖2中2.數(shù)字信號處理單元，3.主控及數(shù)據(jù)顯示傳輸單元，7.電源單元，8.定 片，9.屏蔽隔板一，IO.伺服電機，ll.伺服電機控制電源線屏蔽管，12.傳感器控制單元， 13.電源線及數(shù)據(jù)線屏蔽管，14.測量電路，15.屏蔽隔板二，16.信號線屏蔽管，17.接地游 絲，18.動片轉(zhuǎn)動軸，19.外殼，20.動片。 圖3中2.數(shù)字信號處理單元，3.主控及數(shù)據(jù)顯示傳輸單元，4.發(fā)射天線，12.傳感 器控制單元，21.硬件信號保持電路，22.高阻抗跟隨級，23.固定增益和可控增益放大級， 24.濾波級，25.緩沖輸出級，26.電壓信號差分傳輸，27.控制信號通道。
(五)
具體實施例方式
基于昆蟲電荷測量的昆蟲探測系統(tǒng)如圖1所示，由非接觸昆蟲電荷傳感器1、數(shù)字 信號處理單元2、主控及數(shù)據(jù)顯示傳輸單元3、數(shù)據(jù)接收和存儲單元6、電源單元7組成。所 述非接觸昆蟲電荷傳感器1 、數(shù)字信號處理單元2、主控及數(shù)據(jù)顯示傳輸單元3、發(fā)射天線4、 電源單元7之間通過屏蔽電纜連接。在發(fā)射天線4與接收天線5之間是無線數(shù)據(jù)傳輸，接 收天線5與數(shù)據(jù)接收和存儲單元6之間是屏蔽電纜連接。 非接觸昆蟲電荷傳感器1中動片20固定在動片轉(zhuǎn)動軸18上，動片轉(zhuǎn)動軸18穿過 定片8和屏蔽隔板9上的開口連接到伺服電機10上，在伺服電機10的上部與接地游絲17
6相連接。伺服電機10固定在屏蔽隔板二 15上面，并且通過伺服電機控制電源線屏蔽管11
與傳感器控制單元12相連接。定片8通過高絕緣物體固定在屏蔽隔板一 9上面，并且通過
信號線屏蔽管16把信號傳遞給測量電路14，測量電路14與傳感器控制單元12共同放置
在外殼19與隔板二 15構成的密封腔里。測量電路14與傳感器控制單元12通過穿過外殼
19的電源線及數(shù)據(jù)線屏蔽管13和外面的主控及數(shù)據(jù)顯示傳輸單元3相連接。 非接觸昆蟲電荷傳感器1 ，可以通過機械斬波把昆蟲的電荷信號調(diào)制為交流信號
進行非接觸的測量，并且通過特殊設計提高了測量靈敏度和信噪比。 其信號鏈如圖3所示，非接觸昆蟲電荷傳感器1接收的信號經(jīng)過機械斬波的交流 調(diào)制電荷信號，傳送給硬件信號保持電路21，然后傳遞給高阻抗跟隨級22，經(jīng)過緩沖后把 信號傳遞給固定增益和可控增益放大級23，進行增益放大，其控制信號來自傳感器控制單 元6，然后把電壓信號經(jīng)濾波級24濾波后，經(jīng)緩沖輸出級25和電壓信號差分傳輸26，至傳 感器控制單元12，然后傳遞給數(shù)字信號處理單元2，數(shù)字信號處理單元2對信號進行處理和 分析后，把結果傳遞給主控及數(shù)據(jù)顯示傳輸單元3，然后由其顯示，并且經(jīng)過發(fā)射天線4把 數(shù)據(jù)無線發(fā)送給裝有接收天線5的數(shù)據(jù)接收和存儲單元6進行完整的數(shù)據(jù)備份和存儲。
該傳感器工作模式電場的測量分四步進行，按照"睜眼"-"睜閉過渡"-"閉 眼"-"閉睜過渡"四種狀態(tài)進行循環(huán)來完成一次測量。 當處在"睜眼"狀態(tài)時，定片8上的敷銅部分被暴露在外界電場下，在敷銅部分感 應出相應的電荷，將定片8與測量電路14接通，測量電路14部分的硬件信號保持系統(tǒng)22獲 得感應電荷，斷開定片8與測量電路14的連接，將定片8接地，"睜眼"狀態(tài)結束，轉(zhuǎn)入"睜 閉過渡"狀態(tài)。 在"睜閉過渡"狀態(tài)，此時動片20在伺服電機10帶動下轉(zhuǎn)過一個扇形開口的角度，
擋在對應的定片8上時，外界電場被屏蔽，定片8無法感應電荷，進入"閉眼"狀態(tài)。 在"閉眼"狀態(tài)時，整個測量系統(tǒng)處在電磁屏蔽的狀態(tài)下，測量電路14對保存在硬
件信號保持電路21的信號，通過高阻抗跟隨級22進行輸入輸出阻抗的變換，然后由固定增
益和可控增益放大級23進行信號的放大，再經(jīng)過濾波級24進行濾波，然后信號由緩沖輸出
級25驅(qū)動，經(jīng)過電壓信號差分傳輸部分26傳出到傳感器控制單元12來進一步處理。測得
電場后，轉(zhuǎn)入"閉睜過渡"狀態(tài)。 在"閉睜過渡"狀態(tài)時，定片8與地的連接斷開，動片20逆向擺動，定片8的敷銅 部分重新暴露在電場下，重新感應電荷，然后回到"睜眼"狀態(tài)。至此一個測量循環(huán)完成，可 以轉(zhuǎn)入下一個測量循環(huán)。 在這種工作模式下，動片20是利用接地游絲17來完成的電路接地，接地游絲17 跟鐘表內(nèi)的游絲類似，在其彈性形變范圍內(nèi)變形時，壽命極其長，并且接地是屬于金屬線路 接地，非?？煽浚軌虮苊怆娝⒔拥氐膲勖?，接地不平滑的缺點。 數(shù)字信號處理單元2，是該發(fā)明的一個主要單元，是通過對測量得到的電荷信號進 行小波分析，提取昆蟲的特征信號進行模式匹配和比對分析，并且通過對信號幅度強弱以 及特征頻率的變化分析，經(jīng)過解一組針對昆蟲電荷特征建立的電荷源位置模型的微分方程 組的形式，得到昆蟲的位置信息。具體的細節(jié)有以下幾點 (1)在信號處理中，將信號分別通過低通和高通濾波器分解為輪廓信息和細節(jié) 信息，即利用正交小波基函數(shù)的多尺度特性將信號在不同尺度下展開并加以比較，以確定
7不同尺度的昆蟲電荷信號的特征。該過程中，由低通濾波器可得到大尺度信息，即低頻信 息——信號輪廓信息，由高通濾波器可得到小尺度信息，即信號高頻信息——噪聲及突變 信息。 (2)利用小波分解重構法濾除基線漂移，在昆蟲電荷信號中基線漂移的主要成分 為緩變趨勢分量，在小波分解中會直接顯現(xiàn)于某較大的尺度下，只要在重構過程中將這一
尺度下的分量直接置o，就可濾除基線漂移。這種方法同時還可將測量中引入的直流分量一
并去除，而且對于信號的形式及變化不敏感。 (3)處理過程中通過閾值法濾除工頻干擾，工頻干擾是由50Hz及其諧波構成的一 種干擾。該方法是基于幅值較大的系數(shù)由重要信息產(chǎn)生這一基本假設來濾波，即信號產(chǎn) 生的小波系數(shù)其幅值較大，但數(shù)目較少，而由噪聲產(chǎn)生的小波系數(shù)幅值較小。其濾波算法如 下 (a)計算含噪聲信號的正交小波變換選擇合適的小波和小波分解層數(shù)j，將含噪 信號進行小波分解至j層，得到相應的小波分解系數(shù)。
(b)對分解得到的小波系數(shù)進行閾值處理。 主控及數(shù)據(jù)顯示傳輸單元3，對非接觸昆蟲電荷傳感器1的數(shù)據(jù)與數(shù)字信號處理 單元2進行接口控制，并且進行無線數(shù)據(jù)傳輸，對數(shù)字信號處理單元2處理完的數(shù)據(jù)在顯示 屏上顯示。 發(fā)射天線4，對數(shù)據(jù)進行無線發(fā)射。
接收天線5，對數(shù)據(jù)進行無線接收。 數(shù)據(jù)接收和存儲單元6，對無線發(fā)送的數(shù)據(jù)進行接收，并且在數(shù)據(jù)庫中進行存儲。
電源單元7，提供系統(tǒng)所需的各電壓軌的電源，并且保正電流和紋波及諧波參數(shù)滿 足系統(tǒng)需要，為標準電路構成。
權利要求
一種基于昆蟲電荷測量的昆蟲探測系統(tǒng)，其特征在于本系統(tǒng)由非接觸昆蟲電荷傳感器、數(shù)字信號處理單元、主控及數(shù)據(jù)顯示傳輸單元、數(shù)據(jù)接收和存儲單元、電源單元組成；非接觸昆蟲電荷傳感器通過屏蔽電纜連接主控及數(shù)據(jù)顯示傳輸單元，主控及數(shù)據(jù)顯示傳輸單元通過屏蔽電纜連接數(shù)字信號處理單元和電源單元；主控及數(shù)據(jù)顯示傳輸單元通過無線數(shù)據(jù)傳輸方式連接數(shù)據(jù)接收和存儲單元。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于昆蟲電荷測量的昆蟲探測系統(tǒng)，其特征在于所述的非接 觸昆蟲電荷傳感器由外殼，動作單元，電場測量單元，傳感器控制單元組成；各個單元間有 屏蔽層，通過屏蔽線纜進行信號連接。
3. 根據(jù)權利要求2所述的基于昆蟲電荷測量的昆蟲探測系統(tǒng)，其特征在于所述的動作 單元，由動片，伺服電機，接地游絲組成；動片在伺服電機的帶動下進行左右擺動，擺動角度 為一個扇形開口的角度；伺服電機可以按照控制指令迅速的旋轉(zhuǎn)一定角度。
4. 根據(jù)權利要求2所述的基于昆蟲電荷測量的昆蟲探測系統(tǒng)，其特征在于所述的電場 測量單元，由定片，測量電路組成；所述的定片為敷銅板結構，其表面的敷銅部分是作為感 應電荷的金屬導體來用，敷銅部分形狀與動片的扇形開口相對應；所述的測量電路由硬件 信號保持系統(tǒng)、高阻抗跟隨級，固定增益和可控增益放大級、濾波級、緩沖輸出級、電壓信號 差分傳輸部分組成。
5. 根據(jù)權利要求2所述的基于昆蟲電荷測量的昆蟲探測系統(tǒng)，其特征在于所述的傳感 器控制單元，控制伺服電機和測量電路的同步工作，對電場測量單元的信號進行采樣，電場 強度與電荷量的對應轉(zhuǎn)化和對數(shù)字信號處理單元的數(shù)據(jù)傳輸。
6. 根據(jù)權利要求2或3或4或5所述的基于昆蟲電荷測量的昆蟲探測系統(tǒng)，其特征在 于所述的外殼為桶狀結構，內(nèi)部放置動片、定片、屏蔽隔板一、伺服電機、伺服電機控制電源 線屏蔽管、電源線及數(shù)據(jù)線屏蔽管、測量電路、屏蔽隔板二、信號線屏蔽管、接地游絲、動片 轉(zhuǎn)動軸、傳感器控制單元；動片為圓形，帶扇形開口，扇形開口之間的未開口部分為同樣角 度的扇形，即動片是由相同大小的扇形開口和同為相同角度的扇形未開口部分相間隔均勻 分布在圓周上；所述的動片固定在動片轉(zhuǎn)動軸上，動片轉(zhuǎn)動軸穿過定片和屏蔽隔板一上的 開口連接到伺服電機上，在伺服電機的上部與接地游絲相連接；伺服電機固定在屏蔽隔板 二上面，并且通過伺服電機控制電源線屏蔽管與傳感器控制單元相連接；定片通過高絕緣 物體固定在屏蔽隔板一上面，并且通過信號線屏蔽管把信號傳遞給測量電路，測量電路與 傳感器控制單元共同放置在外殼與屏蔽隔板二構成的密封腔里；測量電路與傳感器控制單 元通過穿過外殼的電源線及數(shù)據(jù)線屏蔽管與外面的數(shù)字信號處理單元、主控及數(shù)據(jù)顯示傳 輸單元連接。
7. 根據(jù)權利要求1所述的基于昆蟲電荷測量的昆蟲探測系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)字 信號處理單元通過對測量得到的昆蟲電荷信號進行小波分析，提取昆蟲的特征信號進行模 式匹配和比對分析，并且通過對信號強弱的變化，得到昆蟲的位置信息。
8. 根據(jù)權利要求1所述的基于昆蟲電荷測量的昆蟲探測系統(tǒng)，其特征在于所述的主控 及數(shù)據(jù)顯示傳輸單元對非接觸昆蟲電荷傳感器的工作進行控制，并且對非接觸昆蟲電荷傳 感器的數(shù)據(jù)與數(shù)字信號處理單元進行接口控制，對數(shù)字信號處理單元處理完的數(shù)據(jù)在顯示 屏上顯示，并且進行無線數(shù)據(jù)傳輸。
9. 根據(jù)權利要求1所述的基于昆蟲電荷測量的昆蟲探測系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)據(jù)接收和存儲單元對無線發(fā)送的數(shù)據(jù)進行接收，并且在數(shù)據(jù)庫中進行存儲。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于昆蟲電荷測量的昆蟲探測系統(tǒng)，由非接觸昆蟲電荷傳感器、數(shù)字信號處理單元、主控及數(shù)據(jù)顯示傳輸單元、數(shù)據(jù)接收和存儲單元、電源單元組成。該系統(tǒng)通過對昆蟲電荷進行采集，然后通過數(shù)字信號處理系統(tǒng)對昆蟲電荷信號進行處理，提取昆蟲的特征信號進行模式匹配和比對分析，并且通過對信號強弱的變化，獲得昆蟲的位置信息，可以實現(xiàn)對昆蟲的探測定位和精確高效撲殺。利用本發(fā)明可以對植物根莖等區(qū)域進行電場測量，對數(shù)據(jù)進行分析和處理，從而來判斷其內(nèi)部是否隱藏著害蟲，并且確定其位置，在出入境口岸的有害昆蟲檢疫檢驗時也能發(fā)揮相當重要的作用。
文檔編號G01V3/08GK101710186SQ200910229980
公開日2010年5月19日 申請日期2009年11月23日 優(yōu)先權日2009年11月23日
發(fā)明者侯加林, 唐凱, 張琪, 王震 申請人:山東農(nóng)業(yè)大學