專利名稱：基于壓力傳感器的糧倉儲糧數量檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種糧庫儲糧數量與分布的檢測方法，尤其是一種采用壓力傳感器實 現(xiàn)實時在線檢測糧庫儲糧數量的基于壓力傳感器的糧倉儲糧數量檢測方法，屬于檢測技術 領域。
背景技術：
糧食是國家的三大戰(zhàn)略資源之一，關系國計民生。保持相對充裕的糧食生產能力， 維持一定數量、品種和品質糧食的儲備，直接關系國家安全、社會穩(wěn)定與經濟發(fā)展，糧食安 全包括數量上供應保證，即數量安全的問題，還有隨環(huán)境污染與消費水平提高而日益重要 的質量安全問題。維持一定數量、品種和品質糧食的儲備，是保證國家糧食安全必不可少的 措施，確保糧食品質安全和糧食數量安全是貫穿我國糧食工作始終的生命線，始終是中國 政府關心的頭等大事。糧倉儲糧數量的在線監(jiān)測是確保糧食數量安全的關鍵手段，以保證國家糧食數量 的準確性和真實性。目前我國的糧食年產量已達5億噸左右，其中稻谷年產量達1.8億噸， 玉米年產量達1. 4億噸，小麥年產量達1億噸，據統(tǒng)計，我國目前共有各類糧庫27000余家， 其中國有大中型糧庫2000余家。為了實時準確地掌握我國國家糧食儲備數量，為我國政府 處理國際、國內問題和制定政策提供重要數據支持，長期以來，國家每年都要進行的清倉查 庫，這種糧倉儲糧數量監(jiān)測方式，不僅花費了大量的人力、物力，耗資巨大，每年都要數億元 資金，且很難保證國家糧食儲備數量檢測的準確性和實時性。因此國家糧食儲藏數量在線 監(jiān)測問題一直是國家糧食主管部門亟待解決的重要問題，迫切需要開發(fā)方便、快捷、準確地 在線及網絡化國家糧食儲藏數量監(jiān)測技術，研制相應的監(jiān)測系統(tǒng)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種檢測速度快、準確性高的基于壓力傳感器的糧倉儲糧數 量檢測方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明基于壓力傳感器的糧倉儲糧數量檢測方法步驟如下
(1)選定壓力傳感器、確定儲存糧食的種類和糧倉倉型；
(2)在糧倉的底面和側面分別布設壓力傳感器；
(3)確定模型系數?。ィ?若是有與所選壓力傳感器、糧食種類、糧倉倉型相同標定好的模型系數
則直接采 用，若是沒有則需根據公式ΡΤ,Ι+ Α+Λ 對該種類型檢測模型進行標定，求得模型系數
(4)根據糧倉底面壓力傳感器的輸出值計算糧倉 面的平均壓強 ，其中為糧堆底面?zhèn)鞲衅?，g(4)為ii傳感器的輸出值，測量并求得糧倉底面面積，并根據公式= 得出糧倉底面的壓力估計值Pp,其中，息為糧倉底面面積；
(5)根據糧倉側面壓力傳感器的輸出值計算出每行壓力傳感器的平均值ξ/%),再由側 面?zhèn)鞲衅鞯男虚g距h和糧倉底面的周長,求出側面壓力估計值~ =
(6)根據糧倉重量計算模型If=H^測得相應的數據，計算得出糧倉儲糧重量
If，其中￥ if Q為模型系數，矹、1^分別為糧倉底面、側面壓力估計值。進一步的，所述步驟(1)中糧倉倉型包括底面為矩形的平房倉、底面為圓形的淺圓 倉和深圓倉。進一步的，所述步驟(2)中底面壓力傳感器依糧倉地面積的大小設為8-12個，側 面壓力傳感器依糧倉裝糧高度設為4-10個。進一步的，所述步驟(2)中壓力傳感器的布設方式為平房倉底面?zhèn)鞲衅骶嗉Z倉 墻壁大于2米，按兩行布設，各行壓力傳感器均勻分布，行距為1. 5米；淺圓倉和深圓倉的 底面?zhèn)鞲衅骶嗉Z倉墻壁大于2米，壓力傳感器沿兩相互垂直的直徑方向均勻分布，間距為 1. 5米；各倉型側面壓力傳感器依裝糧高度沿上下均勻分布，行間距大于1. 5米，列間距大 于1. 5米，頂部壓力傳感器距糧堆頂部大于1米。進一步的，所述步驟(3)中檢測系統(tǒng)的標定首先選定若干個相同壓力傳感器、糧食 種類和糧倉倉型相同的糧倉，對于每個糧倉，安裝壓力傳感器，然后逐步進糧并攤平，則可
以計算出一組糧倉糧食重量w，糧倉底面的壓力估計值J^以及側面估計壓力值|^的實驗數 據，可表示為數據元組 <變^>。進一步的，所述步驟(3)中還進一步估算通風設備的體積和糧食的比重，根據此比 重計算通風設備所占空間的糧食重量Prf,并將樣本數據集數據修正為< F+IrffiH >,利 用所有糧倉的樣本數據，通過多元線形回歸，則可確定檢測系統(tǒng)的系數％ fy夤。進一步的，所述步驟(6)中糧倉重量計算模型進一步修正為妒=,^+,^+^-·, 其中,i為糧倉通風設備所占空間的糧食重量。本發(fā)明的基于壓力傳感器的糧倉儲糧數量檢測方法，針對糧倉壓力分布的隨機性 特點，利用具有一定數量和一定分布的壓力傳感器，根據壓力傳感器的壓強檢測值的平均 值計算糧倉儲糧數量，保證了糧倉儲糧數量的可檢測性以檢測方法的簡便性和準確性；并 且綜合考慮糧倉糧食出入庫的實際情況，給出了壓力傳感器的布置方式，給出了基于壓力 傳感器糧倉底面、側面壓力平均值的糧倉儲糧數量的計算模型，使得本發(fā)明的檢測方法測 量精度高、實用性強、檢測成本低，可以滿足在線實時檢測全國糧庫儲糧數量與分布的實際 需求，為實時準確地掌握我國國家糧食儲糧數量提供技術手段，為保障我國糧食安全服務。


圖1是糧堆受力情況示意圖2是本發(fā)明實施例的平房倉底面?zhèn)鞲衅鞑贾檬疽鈭D； 圖3是本發(fā)明實施例的圓形倉底面?zhèn)鞲衅鞯牟贾檬疽鈭D； 圖4是本發(fā)明實施例的糧倉側面?zhèn)鞲衅鞯牟贾檬疽?圖5是本發(fā)明實施例的流程圖。
具體實施例方式國家糧食儲藏數量檢測系統(tǒng)的核心在于如何方便、快捷、準確地獲取糧庫中各糧 倉中儲糧數量，并有效檢測儲糧數量的變化。由于糧食價格便宜、數量大等特點，因此要求 儲糧數量的檢測設備成本低、價格便宜，檢測速度快、準確性高等?；谶@些要求，本發(fā)明提 出的基于壓力傳感器的糧倉儲糧數量檢測方法，為實時準確地掌握我國國家糧食儲備數量 提供技術手段，為糧食管理部門的管理和科學決策服務。目前比較常用的糧倉有平房倉、淺圓倉、深圓倉等，具有不同形狀和不同的大小。 糧食入倉后，糧堆的形狀為不同尺寸的規(guī)則立方體，大致上可分為長方體和圓柱體等。根據 糧堆和糧倉內表面壓力關系，可以將糧堆的受力情況簡化為圖1所示?；诩Z堆受力關系，可以得出
糧堆重量；Pjl為糧堆底面壓力；4為糧堆側面摩擦力。糧堆底面壓力Pjl的計
其中，i 算公式為
其中，j
^為糧堆底面；為糧堆底面Jji中的壓強分布。糧堆側面摩擦力■的計算公式
(3)
其中為糧堆底面；為糧堆側面Jfl中的壓強分布；/s為糧堆與糧倉側面的摩擦系 數。從而有
從上式可以看出，糧堆重量檢測的關鍵在于獲得糧倉底面與側面壓強分布以及糧堆和 糧倉側面的摩擦系數。從理論上講，糧倉底面與側面壓強分布應具有一定的規(guī)律性，由于側 面摩擦力的作用，越接近側面，底面的壓強會變小，從糧堆底面到糧堆頂面，側面壓強會逐 漸變小。但由于糧食流動性的有限性、糧食入倉方式以及糧堆與壓力傳感器接觸應力的影 響，從而糧倉底面與側面壓強分布具有明顯隨機性，這為糧倉儲糧數量檢測造成了困難。因 此，糧倉儲糧數量檢測的關鍵問題在于如何解決糧倉底面與側面壓力分布的隨機性。
針對糧倉底面與側面壓強分布具有明顯隨機性的問題，本發(fā)明提出了根據壓力傳 感器的壓力檢測值的平均值計算糧倉儲糧數量的思想，從而保證了糧倉儲糧數量的可檢測 性以及檢測方法的簡便性與準確性?；谶@種思想，綜合考慮糧倉糧食出入庫的實際情況， 提出了壓力傳感器的布置模型與壓力傳感器的布置方法。提出了基于壓力傳感器糧倉地 面、側面壓力平均值的糧倉儲糧數量的計算模型與系統(tǒng)標定方法。具體發(fā)明內容如下
(1)壓力傳感器布置模型
由于糧食價格便宜、數量大等特點，要求儲糧數量的檢測設備成本低、價格便宜，且檢 測速度快、準確性高等。基于這種要求，同時考慮儲糧數量的檢測誤差為3%以下的一般要 求，根據實驗結果，依糧倉底面積的大小，底面壓力傳感器數為8-12個為妥。依糧倉裝糧高
5度，側面壓力傳感器數為4-10個為妥。平房倉底面?zhèn)鞲衅鞯牟贾每刹捎脠D2所示兩行布置方式。圖中，實線框為糧倉地 面形狀示意圖，實圓為壓力傳感器示意圖，傳感器距墻距離dl、d2、d3應大于2米，行距d4 為1. 5米左右，各行壓力傳感器均勻分布，間距d5應大于1. 5米。淺圓倉、深圓倉的底面?zhèn)鞲衅鞑贾每刹捎脠D3所示方式，傳感器距墻距離d6應大 于2米，壓力傳感器沿兩相互垂直的直徑方向均勻分布，間距d7應大于1. 5米。平房倉以及淺圓倉、深圓倉的側面壓力傳感器布置可采用圖4所示方式，壓力傳 感器按分左右兩列多行布置，列間距d8應大于1. 5米，各行依裝糧高度沿上下均勻分布，行 間距h應大于1. 5米，且頂部壓力傳感器J1、J2距糧堆頂部應大于1米。(2)糧倉儲糧數量的計算模型
根據上面的壓力傳感器布置，對底面所有壓力傳感器的壓強輸出值求平均，則糧倉底 面的平均壓強為
其中，si為糧堆底面?zhèn)鞲衅?，fM)為傳感器的輸出值,
值為
%糧倉底面的壓力估計
其中分別為糧倉
其中，爲為糧倉底面面積，對于底面為長方形的糧倉，與
底面的長和寬。對于圓形倉，
,其中ρ·為圓形底面的半徑。側面壓力估計值采用逐層平均計算法。如圖4所示，假設側面?zhèn)鞲衅鞯男?br> 間距為 !。對于兩列布置的每層兩個側面壓力傳感器，可計算出每層壓力傳感器的平均值 Ι^ 。例如，對于圖3-4所示的兩列4行的8個壓力傳感器，第f層有兩個傳感器h、h’則
該層壓力傳感器的平均值幻
。因此，每層的側面平均摩擦力估計值為
(7)
倉，
其中,Cj為糧倉底面面積的周長，對于底面為長方形的糧倉，Cj^di+Iy),對于圓形 其中D為圓形倉底面的直徑。因此，側面摩擦力估計值為
對于(8)式，令
為側面壓力估計值，則有
由(4)式、(6)式、(10)式和實際試驗結果，得出本發(fā)明的糧倉重量計算模型為 W=SlPaM1Fr^ai(Il)
其中，％ % 為模型系數，與糧倉存儲糧食種類、壓力傳感器類型等特性有關，可通 過下節(jié)所提出的系統(tǒng)標定方法確定。
此外，對于糧倉儲量高度小于3-4米的糧倉，可不考慮側面壓力的影響，此時(11) 式可簡化為
(3)系統(tǒng)標定方法
對于(11)式和(12)式中的系數％ f %可通過如下系統(tǒng)標定方法確定。對于不同廠家的不同傳感器、不同的糧食種類以及不同的倉型以及不同的糧倉底 面積與側面積比例，需要分別標定。對于給定的傳感器、糧食種類以及具體的倉型，可通過 如下方法標定。選擇若干個設有相同壓力傳感器、儲存相同種類的糧食，相同倉型的糧倉，對于每 個糧倉，安裝壓力傳感器，然后逐步進糧并攤平，則可以獲得一組糧倉糧食重量,、糧倉底 面的壓力估計值以及側面估計壓力值的實驗數據，可表示為數據元組< :H>,具體 計算公式見式(6 )和式(9 )，從而構成(11)式和(12 )式模型建模的樣本數據集。由于糧倉的糧堆中埋有通風等設備，為了保證所獲得模型參數的通用性，在系統(tǒng) 標定中，應估算通風等設備的體積和糧食的比重，根據此體積和糧食的比重，計算通風等設 備所占空間的糧食重量Prs,并將樣本數據集數據修正為利用所獲得的樣本 數據，通過多元線形回歸，則可確定(11)式和(12)式中的系數％ if iJ3 對于不同廠家的不同傳感器、不同的糧食種類、不同的倉型以及不同的糧倉底面 積與側面積比例，對系統(tǒng)進行適用范圍分類并標定，并建立系統(tǒng)參數表，以便于標定參數的 重復使用。本發(fā)明所提出的基于壓力傳感器的糧倉儲糧數量檢測方法實施例的流程圖如圖5 所示，具體步驟如下
(1)選定具體廠家的壓力傳感器，確定儲存糧食的種類和糧倉的類型。(2)針對不同倉型，根據圖2-圖4，安裝壓力傳感器，糧堆底面壓力傳感器數為 8-12個，側面壓力傳感器數為4-10個。平房倉底面?zhèn)鞲衅鞯牟贾貌捎脠D2所示方式，傳感 器距墻距離dl、d2、d3應大于2米，行距d4為1. 5米左右，各行壓力傳感器均勻分布，間 距d5應大于1. 5米。淺圓倉、深圓倉傳感器的底面?zhèn)鞲衅鞑贾貌捎脠D3所示方式，傳感器距 墻距離d6應大于2米，壓力傳感器沿兩相互垂直的直徑方向均勻分布，間距d7應大于1. 5 米。平房倉以及淺圓倉、深圓倉的側面壓力傳感器布置采用圖4所示，壓力傳感器按分左右 兩列多行布置，列間距d8應大于1. 5米，各行依裝糧高度沿上下均勻分布，行間距h應大于 ι. 5米，且頂部壓力傳感器Λ、Λ距糧堆頂部應大于ι米。(3)如果對于給定的傳感器、糧食種類以及糧倉倉型，若是有標定好的模型系數 則直接采用，若沒有標定好的模型系數，則選擇若干個糧倉，對于每個糧倉，采用逐步進糧 并攤平，獲得一組糧倉糧食重量,、糧倉底面的壓力估計值I以及側面估計壓力值^的實 驗數據具體計算方法見式(6)和式(9)。估算通風等設備的體積和糧食的比重， 根據此體積和糧食的比重，計算通風等設備所占空間的糧食重量》t并將實驗數據修正為
利用獲得糧倉的實驗數據，通過多元線形回歸，確定(11)式和(12)式中的系
數％ Sf Λ_。
7
對于不同廠家的不同傳感器、不同的糧食種類、不同的倉型以及根據糧倉的糧堆 底面積與側面積比例，對系統(tǒng)進行適用范圍分類并標定，并建立系統(tǒng)參數表，以便于標定參 數的重復使用。(4)根據糧倉底面壓力傳感器的輸出值^si)計算糧倉底面的平均壓強
其中為糧堆底面?zhèn)鞲衅鳛椤禨i傳感器的輸出值 .. = υ測量并求得
糧倉底面面積，并根據公式~ = 得出糧倉底面的壓力估計值其中，4(為糧倉底面 面積。(5)根據糧倉側面壓力傳感器的輸出值計算出每行壓力傳感器的平均值再
由側面?zhèn)鞲衅鞯男虚g距h和糧倉底面的周長『，求出側面壓力估計值(6)根據測得的通風等設備的體積和糧食的比重，計算通風等設備所占空間的糧 食重量并利用下式
所示模型進行糧倉儲糧數量的計算。
8
權利要求
一種糧倉儲糧數量檢測方法，其特征在于，該方法步驟如下(1)選定壓力傳感器、確定儲存糧食的種類和糧倉倉型；(2)在糧倉的底面和側面分別布設壓力傳感器；(3)確定模型系數，若是有與所選壓力傳感器、糧食種類、糧倉倉型相同標定好的模型系數則直接采用，若是沒有則需根據公式對該種類型檢測模型進行標定，求得模型系數；(4)根據糧倉底面壓力傳感器的輸出值計算糧倉底面的平均壓強，其中為糧堆底面?zhèn)鞲衅?，為傳感器的輸出值，，測量并求得糧倉底面面積，并根據公式得出糧倉底面的壓力估計值，其中，為糧倉底面面積；(5)根據糧倉側面壓力傳感器的輸出值計算出每行壓力傳感器的平均值，再由側面?zhèn)鞲衅鞯男虚g距h和糧倉底面的周長，求出側面壓力估計值；(6)根據糧倉重量計算模型，測得相應的數據，計算得出糧倉儲糧重量，其中為模型系數，、分別為糧倉底面、側面壓力估計值。394098dest_path_image002.jpg,2010102401677100001dest_path_image003.jpg,2010102401677100001dest_path_image005.jpg,462417dest_path_image003.jpg,dest_path_image007.jpg,dest_path_image009.jpg,dest_path_image011.jpg,428099dest_path_image007.jpg,dest_path_image012.jpg,dest_path_image014.jpg,dest_path_image016.jpg,dest_path_image018.jpg,dest_path_image020.jpg,dest_path_image022.jpg,dest_path_image024.jpg,dest_path_image026.jpg,327791dest_path_image005.jpg,dest_path_image028.jpg,517464dest_path_image029.jpg,823811dest_path_image018.jpg,389922dest_path_image031.jpg
2.根據權利要求1所述的糧倉儲糧數量檢測方法，其特征在于所述步驟(1)中糧倉倉 型包括底面為矩形的平房倉、底面為圓形的淺圓倉和深圓倉。
3.根據權利要求2所述的糧倉儲糧數量檢測方法，其特征在于所述步驟(2)中底面壓 力傳感器依糧倉地面積的大小設為8-12個，側面壓力傳感器依糧倉裝糧高度設為4-10個。
4.根據權利要求3所述的糧倉儲糧數量檢測方法，其特征在于，所述步驟(2)中壓力傳 感器的布設方式為平房倉底面?zhèn)鞲衅骶嗉Z倉墻壁大于2米，按兩行布設，各行壓力傳感器均 勻分布，行距為1. 5米；淺圓倉和深圓倉的底面?zhèn)鞲衅骶嗉Z倉墻壁大于2米，壓力傳感器沿兩 相互垂直的直徑方向均勻分布，間距為1. 5米；各倉型側面壓力傳感器依裝糧高度沿上下均 勻分布，行間距大于1. 5米，列間距大于1. 5米，頂部壓力傳感器距糧堆頂部大于1米。
5.根據權利要求4所述的糧倉儲糧數量檢測方法，其特征在于所述步驟(3)中檢測系 統(tǒng)的標定首先選定若干個相同壓力傳感器、糧食種類和糧倉倉型相同的糧倉，對于每個糧 倉，安裝壓力傳感器，然后逐步進糧并攤平，則可以計算出一組糧倉糧食重量W，糧倉底面的壓力估計以及側面估計壓力值4·的實驗數據，可表示為數據元組< ^Λ·>。
6.根據權利要求5所述的糧倉儲糧數量檢測方法，其特征在于所述步驟(3)中還進一 步估算通風設備的體積和糧食的比重，根據此比重計算通風設備所占空間的糧食重量并將樣本數據集數據修正為cif + i^iH^利用所有糧倉的樣本數據，通過多元線形回歸，則可確定檢測系統(tǒng)的系數％ %黿。
7.根據權利要求6所述的糧倉儲糧數量檢測方法，其特征在于所述步驟(6)中糧倉重 量計算模型進一步修正為,i^+S^+L其中為糧倉通風設備所占空間的糧食重量。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于壓力傳感器的糧倉儲糧數量檢測方法，屬于檢測技術領域；本發(fā)明的檢測方法根據不同類型壓力傳感器的布置方式，利用壓力傳感器輸出值計算糧倉底面和側面的壓力值，并根據建立的模型進行糧倉儲糧數量的計算；本發(fā)明的檢測方法測量精度高、實用性強、檢測成本低，可以滿足在線實時檢測全國糧庫儲糧數量與分布的實際需求，為實時準確地掌握我國國家糧食儲糧數量提供技術手段，為保障我國糧食安全服務。
文檔編號G01G17/00GK101907481SQ20101024016
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月29日 優(yōu)先權日2010年7月29日
發(fā)明者傅洪亮, 劉揚, 張元 , 張德賢, 楊衛(wèi)東, 楊鐵軍, 梁義濤, 樊超, 王珂, 王高平 申請人:河南工業(yè)大學