技术领域
[0001] 本
发明属于森林防火技术领域，特别涉及一森林可燃物干燥指数测定技术领域，具体为一种可燃物含水率的测量装置及测量方法。
背景技术
[0002] 林区火灾发生可能性及林火燃烧蔓延状况等与林区地表可燃物干燥程度有着密切关系，地表可燃物主要由
枯枝落叶长时间累计而成，其干燥程度最直接的体现方式就是含水率。落叶
质量含水率一般指的是落叶中水分质量与落叶干质量的百分比值。目前林区地表落叶质量含水率通常采用烘干称重法得到：通过林业工作人员手动
采样、称鲜重、烘干再秤干重计算，这种方法需要人工深入林区，采集不同时间和地点的落叶样本，带回实验室进行烘干然后计算得出。这种方法虽然操作简单，测量
精度高，这种方法具有周期长、需要人工参与、耗时费
力，不能现场实时得出结果的缺点，不适于未来智慧林业、信息林业的发展要求，与林区火险预警的实时性需求相距甚远。
[0003] 在森林火灾监测领域，目前技术比较成熟，多采用火源探测和视频监控技术。该类技术手段仅限于火灾发生后的及时发现与监测，对于火灾发生前的火险预警和发展趋势监测上。
[0004] 因此，如何提供一种可燃物含水率的测量装置，以解决现有测量技术中测量含水率费时费力，自动化程度低等
缺陷，已成为本领域从业者亟待解决的技术问题。
发明内容
[0005] 鉴于以上所述
现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可燃物含水率的测量装置及测量方法，用于解决现有技术中测量含水率费时费力，自动化程度低的问题。
[0006] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种可燃物含水率的测量装置，所述可燃物含水率的测量装置包括：容置部，具有一用于容置可燃物的容置腔且所述容置腔顶部具有开口；红外
传感器，设置于所述容置部上方且所述红外传感器发射的红外光线通过所述开口竖直照射于所述可燃物；重量传感器，设置于所述容置部底部，用于对所述可燃物称重；
控制器，分别与所述红外传感器和所述重量传感器相连，用于控制所述红外传感器和所述重量传感器运行并对所述红外传感器输出的红外
信号和所述重量传感器输出的称重信号进行处理，获取所述可燃物的含水率。
[0007] 于本发明的一
实施例中，所述容置部外面罩设有
保护罩，所述红外传感器装设于所述保护罩顶部。
[0008] 于本发明的一实施例中，所述保护罩包括环绕所述容置部并与所述容置部之间具有一定间隙的罩体和盖于所述罩体顶部的顶盖；所述红外传感器装设于所述顶盖的内表面。
[0009] 于本发明的一实施例中，所述罩体的
侧壁和/或底部设置有通
风孔隙。
[0010] 于本发明的一实施例中，所述容置部的侧壁和/或底部设置有
通风孔隙。
[0011] 于本发明的一实施例中，所述红外传感器包括：具有开口的壳体，设置于所述壳体内部并通过所述开口收发红外线的红外传感单元；其中，所述红外传感单元包括：至少一个红外补光灯，用于发射一定
波长红外线；窄带滤波片，用以对经所述可燃物吸收后反射的红外线进行滤波；红外敏感元件，用于感应所述窄带滤波片滤波后的红外线并生成对应的红外线信号。
[0012] 于本发明的一实施例中，所述窄带滤波片贴覆于所述红外敏感元件底端的中央区域。
[0013] 于本发明的一实施例中，所述红外传感器还包括设置于所述壳体的开口处用以密封所述壳体的透明保护盖。
[0014] 于本发明的一实施例中，所述红外传感器还包括设置于所述壳体上用于采集所述可燃物红外图像的摄像头。
[0015] 于本发明的一实施例中，所述红外传感器还包括设置于所述壳体顶端，用以挂载所述壳体的挂件。
[0016] 为实现上述目的，本发明还提供一种可燃物含水率的测量方法，所述可燃物含水率的测量方法包括：获取红外光线竖直照射于所述可燃物后经所述可燃物反射后的红外信号并获取对所述可燃物进行称重的称重信号；对所述红外信号和所述称重信号进行处理，获取所述可燃物的含水率。
[0017] 如上所述，本发明所述的可燃物含水率的测量装置及测量方法，具有以下有益效果：
[0018] 本发明的可燃物含水率的测量装置新颖，可非
接触、快捷、准确的测量可燃物的含水率，可应用于森林地区各种
植物凋落物的含水率测量，为森林火险等级分类提供可靠的依据。
附图说明
[0019] 图1显示为本发明的可燃物含水率的测量装置的整体示意图。
[0020] 图2显示为本发明的可燃物含水率的测量装置
中红外传感器的剖面结构示意图。
[0021] 图3显示为本发明的可燃物含水率的测量方法的流程示意图。
[0022] 元件标号说明
[0023] 100 可燃物含水率的测量装置
[0024] 110 容置部
[0025] 120 红外传感器
[0026] 121 壳体
[0027] 122 红外补光灯
[0028] 123 红外敏感元件
[0029] 124 窄带滤波片
[0030] 125 透明保护盖
[0031] 130 重量传感器
[0032] 140 控制器
[0033] 150 保护罩
[0034] 151 顶盖
[0035] S101～S102 步骤
具体实施方式
[0036] 以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本
说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
[0037] 请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0038] 本实施例的目的在于提供一种可燃物含水率的测量装置及测量方法，用于解决现有技术中测量含水率费时费力，自动化程度低的问题。以下将详细阐述本发明的一种可燃物含水率的测量装置及测量方法的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本发明的一种可燃物含水率的测量装置及测量方法。
[0039] 如图1所示，本实施例提供一种可燃物含水率的测量装置100，所述可燃物包括但不限于落叶、枯草。所述可燃物含水率的测量装置100包括：容置部110，红外传感器120，重量传感器130以及控制器140。
[0040] 以下对本实施例中的可燃物含水率的测量装置100进行详细说明。
[0041] 于本实施例中，所述容置部110用于盛装待测可燃物，所述容置部110具有一用于容置可燃物的容置腔且所述容置腔顶部具有开口。
[0042] 所述容置部110的上方没有
盖子，可装入满足测量要求的适量含水可燃物；所述容置部110的四周和下部有空隙，通风，允许雨水滴入和漏出，但是可燃物不能从内所述容置部110中漏出，所述容置部110的底部放置在称重传感器上。
[0043] 于本实施例中，所述容置部110的侧壁和/或底部设置有通风孔隙。
[0044] 于本实施例中，所述容置部110外面罩设有保护罩150，所述保护罩150将所述容置部110与外部其他物质阻隔开，避免干扰导致的测量误差。其中，所述红外传感器120装设于所述保护罩150顶部。
[0045] 具体地，所述保护罩150包括环绕所述容置部110并与所述容置部110之间具有一定间隙的罩体和盖于所述罩体顶部的顶盖。所述顶盖用于阻挡凋落物或者其他物质落入所述容置部110，避免干扰导致的测量误差。
[0046] 所述保护罩150的四周和下部有空隙，通风，允许雨水滴入和漏出，但是凋落物或者其他物质不能落入。具体地，于本实施例中，所述罩体的侧壁和/或底部设置有通风孔隙。
[0047] 于本实施例中，所述红外传感器120设置于所述容置部110上方且所述红外传感器120发射的红外光线通过所述开口竖直照射于所述可燃物。所述红外传感器120通过非接触方式测量所述可燃物的含水率。
[0048] 具体地，所述红外传感器120装设于所述顶盖的内表面。
[0049] 红外线是波长在0.75到1000微米波段的
电磁波，其中水分对
近红外波段的一些特定波长红外线有较强的吸收作用，例如1450nm波长和1940nm波长，所以水分含量不同的可燃物会对特定波长红外线有不同的吸收作用，所以利用这个原理，通过感应红外线透射或反射可燃物后的信号变化进而标定测量出可燃物的水分含量大小。
[0050] 所述红外传感器120对准所述容置部110中的待测可燃物进行测量。该红外传感器120可以发射红外
光源，测量经过所述容置部110中待测可燃物对红外光源吸收和反射后的红外信号，所述控制器140根据所述红外信号的强度来判断可燃物含水率。
[0051] 本实施例中，如图2所示，所述红外传感器120包括：具有开口的壳体21，设置于所述壳体21内部并通过所述开口收发红外线的红外传感单元；其中，所述红外传感单元包括：至少一个红外补光灯122，用于发射一定波长红外线；窄带滤波片124，用以对经所述可燃物吸收后反射的红外线进行滤波；红外敏感元件123，用于感应所述窄带滤波片124滤波后的红外线并生成对应的红外线信号。
[0052] 所述红外补光灯122用以连续不断地发射红外线，照射到所述可燃物。所述红外补光灯122对称地设置于所述壳体21的两侧，也可以沿壳体21环状均匀设置若干个。当所述红外补光灯122发射的红外线照射在所述可燃物上时，所述可燃物会吸收和反射红外线。
[0053] 所述窄带滤波片124用以吸收经待测可燃物反射地、且波长为所述窄带滤波片124
指定的特定波长的红外线。在本实施例中，所述窄带滤波片124能通过1450nm波长和/或1940nm波长的特定波长的红外线，其他波段的红外线和可见光都会过滤掉，以达到排除干扰，降低噪声的效果。
[0054] 红外敏感元件123用以接收所述窄带滤波片124过滤的红外线，将过滤的红外线转换成红外线接收信号。在本实施例中，为了使红外敏感元件123均匀的接收所述窄带滤波片124过滤的红外线，将所述窄带滤波片124贴覆于所述红外敏感元件123底端的中央区域。
[0055] 于本实施例中，所述红外传感器120还包括设置于所述壳体21的开口处用以密封所述壳体21的透明保护盖125。所述透明保护盖125可以防止雾水进入红外传感器120的内部，损坏所述红外传感器120。
[0056] 于本实施例中，所述红外传感器120还包括设置于所述壳体21上用于采集所述可燃物红外图像的摄像头。所以本实施例中的红外传感器120还可以集成红外图像功能，对所述容置部110内部拍照来判断待测可燃物含水率状态。
[0057] 于本实施例中，所述红外传感器120还包括设置于所述壳体21顶端，用以挂载所述壳体21的挂件。
[0058] 所述红外传感器120电性连接的
电池用以为所述红外传感器120供电。由于所述可燃物含水率的测量装置100处于户外长期焐热值守的工作状态，
能源受限，故其功耗也有限制要求，所述电池的工作
电流控制在300mA以内。
[0059] 于本实施例中，所述重量传感器130设置于所述容置部110底部，用于对所述可燃物称重。
[0060] 具体地，所述称重传感器安装在所述罩体的底部上方和所述容置部110的底部的下方，通过测量所述容置部110及所述容置部110中盛装的含有一定水分的可燃物的重量，所述控制器140根据可燃物的重量变化来判断可燃物含水率。
[0061] 于本实施例中，所述控制器140分别与所述红外传感器120和所述重量传感器130相连，用于控制所述红外传感器120和所述重量传感器130运行并对所述红外传感器120输出的红外信号和所述重量传感器130输出的称重信号进行处理，获取所述可燃物的含水率。
[0062] 具体地，所述控制器140用于控制所述红外传感器120和所述重量传感器130的供电状态，所述红外传感器120和所述重量传感器130的初始化以及所述红外传感器120和所述重量传感器130的数据读取。所述控制器140对所述红外传感器120输出的红外信号和所述重量传感器130输出的称重信号进行处理，通过预置检测方式获取可燃物的含水率以及含水率变化趋势。
[0063] 所述控制器140可以对红外传感器120和称重传感器采集的数据进行分析处理，通过有线或者无线通讯上传至一远程
数据处理中心或一移动终端，远程数据处理中心或一移动终端通过有线或者无线通讯的方式对所述控制器140下达控制指令，对红外传感器120和称重传感器的状态进行初始化或者进行参数设置。
[0064] 为使本领域技术人员进一步理解本实施例中的可燃物含水率的测量装置100，以下对本实施例中的可燃物含水率的使用过程进行详细说明。
[0065] 将可燃物含水率的测量装置100安装好后，利用控制器140控制红外传感器120和称重传感器初始化，清零。取待测可燃物适量并搅拌均匀，取其中的一部分待测可燃物装入容置部110，取另一部分待测可燃物装入密闭容器内，特别情况下，该密闭容器可以是可以密封的塑料袋，目的是防止可燃物的水分挥发。利用控制器140控制红外传感器120和称重传感器读取当前测量数据。设红外传感器120读取数据为h0，称重传感器读取数据为w0；利用烘干称重法测量利用密闭容器采集的待测可燃物含水率，例如为x％；以烘干法测量值x％为参考，根据红外传感器120读数h0，对红外传感器120测量
算法进行矫正；以烘干法测量值x％为参考，根据称重传感器读数w0，计算安装在本发明装置的内容容器中的可燃物干重为：w0/(1+x％)。当可燃物含水率发生变化时，红外传感器120读数变为h1，根据红外信号测量含水率的预设算法，测量可燃物含水率为H％。当可燃物含水率发生变化时，称重传感器读数变为w1，根据重量信号测量可燃物含水率为：(((1+x％)*w1–w0)*100/w0)％。最后融合红外传感器120和称重传感器测量结果，获得可燃物含水率以及变化情况。
[0066] 具体地，根据红外传感器获取测量可燃物含水率为H％，根据重量信号测量可燃物含水率为：W％＝(((1+x％)*w1–w0)*100/w0)％，以烘干法测量值x％为参考，分别获取根据红外传感器获取测量可燃物含水率的可信度和根据重量信号测量可燃物含水率的可信度，若红外传感器获取测量可燃物含水率的可信度大于根据重量信号测量可燃物含水率的可信度，则确定根据红外传感器获取测量可燃物含水率为最终的可燃物含水率，若红外传感器获取测量可燃物含水率的可信度小于根据重量信号测量可燃物含水率的可信度，则确定根据重量信号测量可燃物含水率为最终的可燃物含水率。若红外传感器获取测量可燃物含水率的可信度的差值在预设范围内(相差不大，例如可信度分别为70％和75％)，则确定根据红外传感器获取测量可燃物含水率和根据重量信号测量可燃物含水率的均值为最终的可燃物含水率。
[0067] 其中，本领域技术人员可以采用现有技术中利用红外信号测量含水率的方法，本实施例提供一种根据红外信号测量含水率的预设算法如下：
[0068] 1、对所述红外传感器120传输到控制器140中的红外数据信号进行滤波处理。例如，所述滤波处理采用模糊控制滤波处理。在本实施例中，为了去除与可燃物相关的红外数据信号中干扰噪声及突变点，需对与可燃物相关的红外数据信号进行模糊控制滤波处理。在本实施例中，假设第i个与可燃物相关的红外数据信号用X(i)表示，与可燃物相关的红外数据信号X(i)有n个数据点，则X(i)＝S(i)+N(i)，其中，S(i)为第i个有用的与可燃物相关的红外数据信号，N(i)为第i个噪声信号。对有用的与可燃物相关的红外数据信号进行模糊控制滤波处理，即通过模糊控制滤波处理形成，其中，a∈[0，1]，a为模糊控制参数。凡是能够将与可燃物相关的红外数据信号中干扰噪声及突变点去掉的滤波方法都适用于本发明。
[0069] 2，计算经过模糊控制滤波处理后的数据信号的、用于判断数据信号是否有效的峰度系数，以分析出有效的数据信号。在本实施例中，计算所述峰度系数的计算公式为：
[0070]
[0071] 其中，K为峰度系数，μ为经过模糊控制滤波处理后的数据信号S1(i)的信号平均值， σ为经过模糊控制滤波处理后的数据信号S1(i)的方差平方值，在本实施例中，当所述峰度系数小于预设峰值
阈值时，表示经过模
糊控制滤波处理后的数据信号S1(i)足够平坦，则认为该经过模糊控制滤波处理后的数据信号S1(i)为有效信号。当所述峰度系数大于等于预设峰值阈值时，表示经过模糊控制滤波处理后的数据信号S1(i)陡峭，则认为该经过模糊控制滤波处理后的数据信号S1(i)为无效信号。
[0072] 3，计算有效的数据信号的、用于表示与落叶相关的数据信号
能量值特征的能量值数据序列，并计算用于判断落叶含水率的特征值的能量值数据序列的均值。在本实施例中，通过对有效的数据信号S1(i)使用固定采样点进行局部能量值计算，以获取有效的数据信号的、用于表示与落叶相关的数据信号能量值特征的能量值数据序列M(i)，即其中，I(i)为卷积核模板。在本实施例中，在计算出与落叶相关的数
据信号能量值特征的能量值数据序列M(i)之后，再计算用于判断落叶含水率的特征值的能量值数据序列的均值EM，即
[0073] 4、利于预先建立的可燃物含水率与能量值数据序列的均值对应关系的先验数据模型，查找与所计算的能量值数据序列的均值一一对应的可燃物含水率，以获取与可燃物含水率W。在本实施例中，所述先验数据模型是根据预先采集的可燃物制作不同含水率测定的标准数据，所建立的数据模型。
[0074] 此外。如图3所示，本实施例还提供一种可燃物含水率的测量方法，所述可燃物含水率的测量方法包括以下步骤：步骤S101，获取红外光线竖直照射于所述可燃物后经所述可燃物反射后的红外信号并获取对所述可燃物进行称重的称重信号。步骤S102，对所述红外信号和所述称重信号进行处理，获取所述可燃物的含水率。所述可燃物含水率的测量方法的原理与上述可燃物含水率的测量装置相同，在此不再赘述。
[0075] 综上所述，本发明的可燃物含水率的测量装置新颖，可非接触、快捷、准确的测量可燃物的含水率，可应用于森林地区各种植物凋落物的含水率测量，为森林火险等级分类提供可靠的依据。所以本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0076] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的
权利要求所涵盖。
