一种玉米穗水分含量测量装置及玉米穗水分含量测量方法技术领域
本发明涉及农业技术领域，尤其涉及一种玉米穗水分含量测量装置及玉米穗水分
含量测量方法。
背景技术
水分含量是玉米育种过程中需要获取的重要性状参数。
目前玉米育种机构对玉米水分的测量都采取先脱粒，再进行水分测量的方式，该
种方式即无法保证获取玉米水分值的时效性，又不能实现玉米水分在体测量。当前有研究
者采用插针式探针测量玉米籽粒水分一定程度上实现了玉米穗水分测量，但测量准确度偏
低，更大的问题是破坏了玉米籽粒完整性，无法实现玉米穗水分的无损测量，难以在玉米育
种中广泛使用。
因此，需要提供一种可以解决上述问题的玉米穗水分含量测量装置及测量方法。
发明内容
本发明提供一种玉米穗水分含量测量装置及玉米穗水分含量测量方法，本发明中
通过所述测量电极直接与被测玉米穗表面接触后输出阻抗变化计算出与玉米穗水分含量
相关的电压值，通过所述电压值分析得到玉米穗水分含量，准确率高，而无需破坏了玉米籽
粒完整性，实现了玉米穗水分的快速、无损、准确测量。
第一方面，本发明提供一种玉米穗水分含量测量装置，所述玉米穗水分含量测量
装置的测量电路包括：高频信号振荡源、传输线、测量电极、第一检波电路、第二检波电路和
运算电路；所述高频信号振荡源、所述传输线和所述测量电极依次连接，所述第一检波电路
的一端和所述第二检波电路的一端分别连接在所述传输线的第一端和第二端，所述第一检
波电路的另一端和所述第二检波电路的另一端分别连接所述运算电路的两个输入端，所述
运算电路的输出端作为所述玉米穗水分含量测量装置的电压信号输出端；
所述测量电极与玉米穗表面接触，用于根据玉米穗的水分含量输出对应的输出阻
抗，并在接收到所述高频信号振荡源产生并传输的高频正弦波信号，且所述传输线的传输
线阻抗和测量电极的输出阻抗不匹配时产生高频反射信号，所述高频反射信号和所述高频
正弦波信号在所述传输线上产生行驻波；
所述高频信号振荡源，用于产生高频正弦波信号，并将所述高频正弦波信号通过
所述传输线传输到所述测量电极；
所述第一检波电路，用于检测所述传输线的第一端的行驻波的交流信号，将所述
传输线的第一端的行驻波的交流信号转换成直流信号，获取所述直流信号对应的第一电压
值，并将所述第一电压值传输给所述运算电路；
所述第二检波电路，用于检测所述传输线的第二端的行驻波的交流信号，将所述
传输线的第二端的行驻波的交流信号转换成直流信号，获取所述直流信号对应的第二电压
值，并将所述第二电压值传输给所述运算电路；
所述运算电路，用于根据所述第一电压值和所述第二电压值，计算所述传输线两
端的行驻波的压差值并输出。
优选的，所述测量电极包括：圆环形的第一电极载体、第一圆环电极、圆环形的电
极隔片、圆环形的第二电极载体和第二圆环电极；
所述第一电极载体的一端面上设有向所述第一电极载体的端面开口的圆环槽，所
述第一圆环电极安装在所述第一电极载体的圆环槽内，所述第二电极载体的一端面上设有
向所述第二电极载体的端面开口的圆环槽，所述第二圆环电极安装在所述第二电极载体的
圆环槽内，安装有所述第一圆环电极的所述第一电极载体和安装有所述第二圆环电极的所
述第二电极载体的圆环槽对置扣合，所述电极隔片设置在所述第一电极载体和所述第二电
极载体之间，隔绝开所述第一圆环电极和所述第二圆环电极，所述第一电极载体、第一圆环
电极、电极隔片、第二电极载体和第二圆环电极同心设置。
优选的，所述第一圆环电极的外径和所述第一电极载体的圆环槽的内径相等，所
述第二圆环电极的外径和所述第二电极载体的圆环槽的内径相等，所述电极隔片的外径和
所述第一电极载体的圆环槽的外径以及所述第二电极载体的圆环槽的外径相等。
优选的，所述装置还包括：基体和固定件；
所述基体为空心结构，所述基体的上端面上设有向所述基体的上端面开口的圆环
槽，所述固定件将所述测量电极固定在所述基体的圆环槽内，所述固定件和所述基体可拆
卸连接。
优选的，所述固定件和所述基体螺纹连接。
优选的，在所述基体的圆环槽的侧壁上开设有用于引出所述第一圆环电极和所述
第二圆环电极的引线的引线孔。
优选的，所述测量电路还包括：滤波电路、放大电路和A/D转换电路；
所述运算电路、所述滤波电路、所述放大电路和所述A/D转换电路依次连接，用于
将所述运算电路输出的所述传输线两端的行驻波的压差值滤波、放大后转换成数字信号输
出。
优选的，所述第一检波电路包括：第一二极管、第一电容、第一电阻、第三电容和第
三电阻；
所述第一二极管的阳极连接所述传输线的第一端，所述第一二极管的阴极连接所
述第一电容的第一端，所述第三电容的第一端连接所述第三电阻的第一端，所述第一电阻
连接在所述第一电容的第一端和所述第三电容的第一端之间，所述第一电容的第二端、所
述第三电容的第二端和所述第三电阻的第二端接地，所述第三电阻的第一端连接所述运算
电路的第一输入端；
所述第二检波电路包括：第二二极管、第二电容、第二电阻、第四电容和第四电阻；
所述第二二极管的阳极连接所述传输线的第二端，所述第二二极管的阴极连接所
述第二电容的第一端，所述第四电容的第一端连接所述第四电阻的第一端，所述第二电阻
连接在所述第二电容的第一端和所述第四电容的第一端之间，所述第二电容的第二端、所
述第四电容的第二端和所述第四电阻的第二端接地，所述第四电阻的第一端连接所述运算
电路的第二输入端。
优选的，所述运算电路包括：第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻和运算放大
器；
所述第五电阻和所述第七电阻相连形成分压电路，所述第五电阻和所述第七电阻
的连接点连接在所述运算放大器的第一输入端，所述第六电阻和所述第八电阻相连形成分
压电路，所述第六电阻和所述第八电阻的连接点连接在所述运算放大器的第二输入端，所
述运算放大器的输出端为所述玉米穗水分含量测量装置的电压信号输出端。
第二方面，本发明还提供一种玉米穗水分含量测量方法，包括：
所述测量电极与玉米穗表面接触，根据玉米穗的水分含量输出对应的输出阻抗，
并在接收到所述高频信号振荡源产生并传输的高频正弦波信号，且所述传输线的传输线阻
抗和测量电极的输出阻抗不匹配时产生高频反射信号，所述高频反射信号和所述高频正弦
波信号在所述传输线上产生行驻波；
所述高频信号振荡源产生高频正弦波信号，并将所述高频正弦波信号通过所述传
输线传输到所述测量电极；
所述第一检波电路检测所述传输线的第一端的行驻波的交流信号，将所述传输线
的第一端的行驻波的交流信号转换成直流信号，获取所述直流信号对应的第一电压值，并
将所述第一电压值传输给所述运算电路；
所述第二检波电路检测所述传输线的第二端的行驻波的交流信号，将所述传输线
的第二端的行驻波的交流信号转换成直流信号，获取所述直流信号对应的第二电压值，并
将所述第二电压值传输给所述运算电路；
所述运算电路根据所述第一电压值和所述第二电压值，计算所述传输线两端的行
驻波的压差值并输出。
由上述技术方案可知，本发明中所述测量电极直接与被测玉米穗表面接触，所述
测量电极输出阻抗变化反映出玉米籽粒水分变化，所述玉米穗水分含量测量装置输出与玉
米穗水分含量相关的电压值(即：所述传输线两端的行驻波的压差值)，通过所述电压值即
可分析得到玉米穗水分含量，准确率高，而无需破坏玉米籽粒完整性，实现了玉米穗水分的
快速、无损、准确测量。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种玉米穗水分含量测量装置的测量电路的原理框
图；
图2为本发明一实施例提供的测量电极的爆炸图；
图3为玉米穗放入玉米穗水分含量测量装置中的一种结构示意图；
图4为本发明测量电路的一种具体电路图；
图5为本发明一实施例提供的一种玉米穗水分含量测量方法的流程图；
图6为本发明实施例得到的两种玉米品种标定关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施
例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为本发明一实施例提供的一种玉米穗水分含量测量装置的测量电路的原理框
图。
如图1所示的一种玉米穗水分含量测量装置，所述玉米穗水分含量测量装置的测
量电路包括：高频信号振荡源101、传输线102、测量电极103、第一检波电路104、第二检波电
路105和运算电路106；所述高频信号振荡源101、所述传输线102和所述测量电极103依次连
接，所述第一检波电路104的一端和所述第二检波电路105的一端分别连接在所述传输线
102的第一端和第二端，所述第一检波电路104的另一端和所述第二检波电路105的另一端
分别连接所述运算电路106的两个输入端，所述运算电路106的输出端作为所述玉米穗水分
含量测量装置的电压信号输出端；
所述测量电极103与玉米穗表面接触，用于根据玉米穗的水分含量输出对应的输
出阻抗，并在接收到所述高频信号振荡源101产生并传输的高频正弦波信号，且所述传输线
102的传输线阻抗和测量电极103的输出阻抗不匹配时产生高频反射信号，所述高频反射信
号和所述高频正弦波信号在所述传输线102上产生行驻波；
值得说明的是，所述测量电极103直接与被测玉米穗表面接触，所述测量电极输出
阻抗变化反映出玉米籽粒水分变化。
所述高频信号振荡源101，用于产生高频正弦波信号，并将所述高频正弦波信号通
过所述传输线102传输到所述测量电极103；
所述第一检波电路104，用于检测所述传输线102的第一端的行驻波的交流信号，
将所述传输线102的第一端的行驻波的交流信号转换成直流信号，获取所述直流信号对应
的第一电压值，并将所述第一电压值传输给所述运算电路106；
所述第二检波电路105，用于检测所述传输线102的第二端的行驻波的交流信号，
将所述传输线102的第二端的行驻波的交流信号转换成直流信号，获取所述直流信号对应
的第二电压值，并将所述第二电压值传输给所述运算电路106；
所述运算电路106，用于根据所述第一电压值和所述第二电压值，计算所述传输线
102两端的行驻波的压差值并输出。
值得说明的是，传输线两端的行驻波的压差值为传输线两端的行驻波幅值电压的
差值。
本发明实施例中所述测量电极103直接与被测玉米穗表面接触，所述测量电极输
出阻抗变化反映出玉米籽粒水分变化，所述玉米穗水分含量测量装置输出与玉米穗水分含
量相关的电压值(即：所述传输线102两端的行驻波的压差值)，通过所述电压值即可分析得
到玉米穗水分含量，准确率高，而无需破坏了玉米籽粒完整性，实现了玉米穗水分的快速、
无损、准确测量。
值得说明的是，玉米穗水分含量与测量电路输出电压值对应关系可以通过标定确
定。
如图2所示，作为一种优选实施例，所述测量电极103包括：圆环形的第一电极载体
202、第一圆环电极203、圆环形的电极隔片204、圆环形的第二电极载体和第二圆环电极；
所述第一电极载体202的一端面上设有向所述第一电极载体202的端面开口的圆
环槽，所述第一圆环电极203安装在所述第一电极载体202的圆环槽内，所述第二电极载体
的一端面上设有向所述第二电极载体的端面开口的圆环槽，所述第二圆环电极安装在所述
第二电极载体的圆环槽内，安装有所述第一圆环电极203的所述第一电极载体202和安装有
所述第二圆环电极的所述第二电极载体的圆环槽对置扣合，所述电极隔片204设置在所述
第一电极载体202和所述第二电极载体之间，隔绝开所述第一圆环电极203和所述第二圆环
电极，所述第一电极载体202、第一圆环电极203、电极隔片204、第二电极载体和第二圆环电
极同心设置。所述第二电极载体和第二圆环电极结合形成上测量电极205.
值得说明的是，电极隔片204用于避免上下测量电极短路以及调节测量深度。所述
上下测量电极主要指第一圆环电极203和第二圆环电极。
采用本发明实施例，可以将待测玉米穗插在圆环形测量电极103中，实现测量电极
103直接与被测玉米穗表面的稳定接触。
为了使圆环电极和电极载体良好的固定，作为一种优选实施例，所述第一圆环电
极203的外径和所述第一电极载体202的圆环槽的内径相等，所述第二圆环电极的外径和所
述第二电极载体的圆环槽的内径相等，为了使测量电极和基体201的圆环槽稳定配合，所述
电极隔片204的外径和所述第一电极载体202的圆环槽的外径以及所述第二电极载体的圆
环槽的外径相等。这样形成的测量电极103的除第一圆环电极203和第二圆环电极外的其他
部件均为等径结构，放在基体201的圆环槽内时结构比较稳定。
为了支撑和固定所述测量电极103，作为一种优选实施例，所述装置还包括：基体
201和固定件206；
所述基体201为空心结构，所述基体201的上端面上设有向所述基体201的上端面
开口的圆环槽，所述固定件206将所述测量电极103固定在所述基体201的圆环槽内，所述固
定件206和所述基体201可拆卸连接。为了易于实现、且安装拆卸方便，所述固定件206和所
述基体201可采用螺纹连接。
为了便于测量电极103和集成电路(所述测量电路的集成电路)的连接(一般集成
电路安装在基体201外)，在所述基体201的圆环槽的侧壁上开设有用于引出所述第一圆环
电极203和所述第二圆环电极的引线的引线孔207。图3中给出了玉米穗放入上述玉米穗水
分含量测量装置中的一种结构示意图,其中,玉米穗100放置在测量电极、基体和固定件组
成的测量体200内，集成电路300安装在测量体200的外壁上，并通过引线孔207和测量电极
连接。
再参照图1，为了对输出的信号进行滤波、放大并转换成可处理的数字信号，作为
一种优选实施例，所述测量电路还包括：滤波电路107、放大电路108和A/D转换电路109；
所述运算电路106、所述滤波电路107、所述放大电路108和所述A/D转换电路109依
次连接，用于将所述运算电路106输出的所述传输线102两端的行驻波的压差值滤波、放大
后转换成数字信号输出。
图4中公开了本发明测量电路的一种具体电路图，如图4所示的第一检波电路104
和第二检波电路105的具体电路为：所述第一检波电路104包括：第一二极管D1、第一电容
C1、第一电阻R1、第三电容C3和第三电阻R3；
所述第一二极管D1的阳极连接所述传输线102的第一端，所述第一二极管D1的阴
极连接所述第一电容C1的第一端，所述第三电容C3的第一端连接所述第三电阻R3的第一
端，所述第一电阻R1连接在所述第一电容C1的第一端和所述第三电容C3的第一端之间，所
述第一电容C1的第二端、所述第三电容C3的第二端和所述第三电阻R3的第二端接地，所述
第三电阻R3的第一端连接所述运算电路106的第一输入端；
所述第二检波电路105包括：第二二极管D2、第二电容C2、第二电阻R2、第四电容C4
和第四电阻R4；
所述第二二极管D2的阳极连接所述传输线102的第二端，所述第二二极管D2的阴
极连接所述第二电容C2的第一端，所述第四电容C4的第一端连接所述第四电阻R4的第一
端，所述第二电阻R2连接在所述第二电容C2的第一端和所述第四电容C4的第一端之间，所
述第二电容C2的第二端、所述第四电容C4的第二端和所述第四电阻R4的第二端接地，所述
第四电阻R4的第一端连接所述运算电路106的第二输入端。
如图4所示的运算电路106的具体电路为，所述运算电路106包括：第五电阻R5、第
六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8和第一运算放大器A1；
所述第五电阻R5和所述第七电阻R7相连形成分压电路，所述第五电阻R5和所述第
七电阻R7的连接点连接在所述第一运算放大器A1的第一输入端，所述第六电阻R6和所述第
八电阻R8相连形成分压电路，所述第六电阻R6和所述第八电阻R8的连接点连接在所述第一
运算放大器A1的第二输入端，所述第一运算放大器A1的输出端为所述玉米穗水分含量测量
装置的电压信号输出端。
图4中的高频信号振荡源101采用有源晶振OSC产生高频正弦波信号。
如图4所示的滤波电路107的具体电路为：滤波电路107包括第一电感L1和第五电
容C5，所述第一电感L1的第一端连接所述运算电路106的输出端，所述第一电感L1的第二端
连接所述第五电容C5的第一端，所述第五电容C5的第二端连接所述运算电路106中第七电
阻R7的一端并接地。
如图4所示的放大电路108的具体电路为：放大电路108包括第九电阻R9、第十电阻
R10和第二运算放大器A2，所述第一电感L1的第二端(也即第五电容C5的第一端)连接所述
第二运算放大器A2的第一输入端，所述第九电阻R9和第十电阻R10连接形成分压电路连接
所述第二运算放大器A2的第二输入端，所述第二运算放大器A2的输出端作为放大电路108
的输出端，连接所述A/D转换电路109的输入端，A/D转换电路109可采用STC15W4K16S4芯片，
使用STC15W4K16S4内部A/D转换压差值，并通过STC15W4K16S4的串口输出转换得到的电压
值。
图4中为了清楚表示作为高频信号振荡源101的有源晶振的阻抗、输线的阻抗和测
量电极103的阻抗，用电阻Z0、第一电阻Z1和电阻ZL分别表示有源晶振的阻抗、传输线的阻
抗以及测量电极103的阻抗，第一电阻Z1所处的线表示传输线102。
图5为本发明一实施例提供的一种玉米穗水分含量测量方法的流程图。
如图5所示的一种玉米穗水分含量测量方法，包括：
S501、所述测量电极与玉米穗表面接触，根据玉米穗的水分含量输出对应的输出
阻抗，并在接收到所述高频信号振荡源产生并传输的高频正弦波信号，且所述传输线的传
输线阻抗和测量电极的输出阻抗不匹配时产生高频反射信号，所述高频反射信号和所述高
频正弦波信号在所述传输线上产生行驻波；
S502、所述高频信号振荡源产生高频正弦波信号，并将所述高频正弦波信号通过
所述传输线传输到所述测量电极；
S503、所述第一检波电路检测所述传输线的第一端的行驻波的交流信号，将所述
传输线的第一端的行驻波的交流信号转换成直流信号，获取所述直流信号对应的第一电压
值，并将所述第一电压值传输给所述运算电路；
S504、所述第二检波电路检测所述传输线的第二端的行驻波的交流信号，将所述
传输线的第二端的行驻波的交流信号转换成直流信号，获取所述直流信号对应的第二电压
值，并将所述第二电压值传输给所述运算电路；
S505、所述运算电路根据所述第一电压值和所述第二电压值，计算所述传输线两
端的行驻波的压差值并输出。
本发明实施例中所述测量电极直接与被测玉米穗表面接触，所述测量电极输出阻
抗变化反映出玉米籽粒水分变化，所述玉米穗水分含量测量装置输出与玉米穗水分含量相
关的电压值(即：所述传输线两端的行驻波的压差值)，通过所述电压值即可分析得到玉米
穗水分含量，准确率高，而无需破坏了玉米籽粒完整性，实现了玉米穗水分的快速、无损、准
确测量。
上述高频反射信号的电压值的表达式为
其中，Z(θ)是与玉米穗水分含量相关的测量电极的输出阻抗的阻抗值，为高频
正弦波信号的电压值；
步骤S501产生的行驻波的电压值V(1)的表达式为：
其中，为高频正弦波信号的电压值，l为沿传输线距离位置；β为相位常数；Г为
反射系数；
步骤S505中的传输线两端的行驻波的压差值ΔV(θ)的表达式为：
ΔV(θ)＝|V(a)|max-|V(b)|max
其中，|V(a)|max、|V(b)|max分别为第一检波电路、第二检波电路输出的直流信
号，理想状况下为正弦波信号的幅值，即所述第一电压值和第二电压值；所述压差值(ΔV
(θ))与玉米穗水分值(W)对应关系通过标定确定，选择一系列梯度水分值在10％-40％间的
玉米穗，用测量装置测量得到输出压差值(ΔV(θ))，选取所测玉米穗籽粒不少于90粒，使用
标准烘干法烘干，得到所测量玉米水分作为实际水分值(W)，通过曲线拟合获得标定公式：
W＝A*ΔV(θ)2+B*ΔV(θ)+C
其中，W为玉米穗的水分值，
ΔV(θ)为测量并输出的压差值，
A、B、C为标定系数；
图6为本发明实施例得到的两种玉米品种标定关系图，玉米品种一得到的标定参
数为A：.-1.908E-05，B：5.837E-03，C：-8.431E-02，玉米品种二得到的标定参数为A：-
2.149E-05，B：6.140E-03，C：-7.345E-02。
本领域普通技术人员可以理解：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而
非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员
应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者
全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发
明权利要求所限定的范围。