一种昆虫振动信号采集装置的制作方法

1.本发明涉及实验器具技术领域，特别涉及一种昆虫振动信号的放大及多通道采集装置。


背景技术：

2.昆虫之间的交流是保证它们生存和繁殖的关键因素，而振动信号是昆虫交流的方式之一。振动信号是指昆虫通过身体的运动或器官的震动，在基质（如植物、土壤、空气等）中产生的机械波，这些波可以被同种或异种的昆虫感知和解读，需要借助灵敏的仪器来采集。振动信号可以传达多种信息，如求偶、领域、危险、同伴等，也可以影响昆虫的行为和生理状态。昆虫振动信号的研究对于揭示昆虫的进化、适应、协作和竞争等机制，以及开发新型的昆虫控制方法，具有重要的意义。通过对采集的振动信号进行处理和回放，同时进行行为学观察，明确振动信号的作用和其与昆虫行为的关系，对开发非化学的病虫害防治技术有着重要的意义。
3.现有的昆虫振动信号的采集装置通常使用激光测振仪或加速度传感器，激光测振仪的采集精度高，但成本高昂，对环境的要求很高。加速度传感器的采集装置受限于微弱信号放大器和机械结构的设计，采集信号的误差较大，装置的架设调整复杂。同时，目前无论是采用何种技术的采集装置，均是单通道采集设备，在昆虫振动信号及昆虫行为研究中，反应出效率不足的问题。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的是提出一种昆虫振动信号的放大及多通道采集装置，旨在解决现有的采集设备为单通道，装置的架设和调整较为复杂，采集效率低的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明提出一种昆虫振动信号采集装置，其包括：多组信号采集系统，分别固定于各寄主植株，所述寄主植株中部设有靶标昆虫；多组信号回放系统，分别固定于各寄主植株；以及，信号处理系统，设置于实验台，所述信号处理系统包括信号编解码印刷电路板、通讯线路和单板计算机，各信号采集系统和各信号回放系统均通信连接所述信号编解码印刷电路板，所述通讯线路分别通信连接所述信号编解码印刷电路板和所述单板计算机。
6.可选地，各信号采集系统和各信号回放系统与所述信号编解码印刷电路板之间分别连接有信号屏蔽线。
7.可选地，所述信号采集系统包括固定夹持于寄主植株的植株茎杆上的第一夹持机构以及设于所述第一夹持机构上的磁电式速度传感器、前置放大印刷电路板、碳纤维探针，所述碳纤维探针用于接触植株茎杆。
8.可选地，所述第一夹持机构包括相互铰接的上夹头和下夹头，所述上夹头包括扭簧连接的上固定夹键和上固定附键，所述下夹头包括弹簧连接的下固定夹键和下固定附键。
9.可选地，所述第一夹持机构与所述植株茎杆的接触面覆盖有柔性材料，以保护植株茎杆并隔绝振动传导。
10.可选地，所述信号采集系统还包括使用紧压机构，所述紧压机构包括扭簧连接的紧压夹板和紧压夹键，所述紧压夹键与所述磁电式速度传感器相连接，所述紧压夹板与所述植株茎杆相接触，所述紧压夹板和所述紧压夹键之间设有调节活键，用以微调两者间的接触压力。
11.可选地，所述的前置放大印刷电路板包括前置微弱信号放大电路、可调增益放大电路、极性反转电源转换电路和线性三端稳压电路。
12.可选地，所述信号回放系统包括第二夹持机构以及设于所述第二夹持机构上且相互连接的微型换能器、振动探针，所述振动探针用于接触植株茎杆。
13.可选地，所述微型换能器沿水平方向可旋转设置，所述第二夹持机构设有固定锁孔以固定所述微型换能器的角度，以调节所述振动探针的接触压力。
14.可选地，所述信号编解码印刷电路板包括信号编解码器、抗混叠滤波电路、回放低通滤波电路、稳压电源电路、电源转换稳压电路和极性反转电源转换电路。
15.本发明的技术方案中，通过所述信号处理系统的信号编解码印刷电路板实现了多通道的同时采集，极大地提升了信号采集与回放的效率；并通过单板计算机上设置的程序，可以方便快速地控制信号的采集、处理与回放，并支持灵活的二次开发。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
17.图1是本发明提供的昆虫振动信号采集装置一实施例的立体结构图；图2是图1中信号采集系统的立体结构图；图3是图1中信号采集系统另一视角的立体结构图；图4是图1中信号回放系统的立体结构图；图5是前置放大印刷电路板的电路图；图6是信号编解码印刷电路板的电路图。
18.图中：1-信号采集系统，2-靶标昆虫，3-信号回放系统，4-寄主植株，5-实验台，6-信号屏蔽线，7-信号编解码印刷电路板，8-通讯线路，9-单板计算机，10-植株茎杆，11-磁电式速度传感器，12-旋转活键，13-前置放大印刷电路板，14-上固定夹键，15-上固定附键，16-调节活键，17-紧压夹键，18-紧压夹板，19-下固定夹键，20-下固定附键，21-碳纤维探针，22-微弱信号线，23-前置微弱信号放大电路，24-可调增益放大电路，25极性反转电源转换电路，26-线性三端稳压电路，27-固定锁孔，28-上固定附键，29-上固定夹键，30-振动探针，31微型换能器，32-下固定附键，33-下固定夹键，34-回放低通滤波电路，35-抗混叠滤波电路，36-信号编解码器，37-稳压电源电路，38-电源转换稳压电路，39-极性反转电源转换电路。
19.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
20.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
21.为了更好地描述和说明本技术的实施例，可参考一幅或多幅附图，但用于描述附图的附加细节或示例不应当被认为是对本技术的发明创造、目前所描述的实施例或优选方式中任何一者的范围的限制。
22.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示所指的装置必须具有特定的方位或以特定的方位操作，因此不能理解为对本发明的限制。
23.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。
24.现有的昆虫振动信号的采集装置通常使用激光测振仪或加速度传感器，激光测振仪的采集精度高，但成本高昂，对环境的要求很高。加速度传感器的采集装置受限于微弱信号放大器和机械结构的设计，采集信号的误差较大，装置的架设调整复杂。同时，目前无论是采用何种技术的采集装置，均是单通道采集设备，在昆虫振动信号及昆虫行为研究中，反应出效率不足的问题。
25.鉴于此，本发明提出一种昆虫振动信号的放大及多通道采集装置，图1-6为本发明提供的昆虫振动信号采集装置一实施例，请参阅图1-6，昆虫振动信号采集装置包括分别固定于各寄主植株4的多组信号采集系统1和多组信号回放系统3、以及设置于实验台的信号处理系统，寄主植株4的中部设有靶标昆虫，各信号采集系统1和各组信号回放系统3均固定于寄主植株4上靶标昆虫附近（距离《15cm）。信号处理系统包括信号编解码印刷电路板7、通讯线路8和单板计算机9，各信号采集系统1和各信号回放系统3均通信连接信号编解码印刷电路板7，通讯线路8分别通信连接信号编解码印刷电路板7和单板计算机9。
26.本发明的技术方案中，通过信号处理系统的信号编解码印刷电路板7实现了多通道的同时采集，极大地提升了信号采集与回放的效率；并通过单板计算机9上设置的程序，可以方便快速地控制信号的采集、处理与回放，并支持灵活的二次开发。
27.请参阅图1-3，本发明的一实施例中，信号采集系统1包括磁电式速度传感器11、调节活键12、前置放大印刷电路板13、上固定夹键14、上固定附键15、调节活键16、紧压夹键17、紧压夹板18、下固定夹键19、下固定附键20、碳纤维探针21和微弱信号线22。磁电式速度传感器11与紧压夹键17通过螺丝螺母硬连接，紧压夹键17、紧压夹板18、上固定夹键14和下固定夹键19之间通过套筒方式连接。上固定附键15和下固定附键20通过套筒分别连接至上固定夹键14和下固定夹键19，通过弹簧提供夹持力，夹持处有柔性材料覆盖。调节活键16通过直螺纹方式连接，通过旋转可以进行紧固压力的微调。磁电式速度传感器11与碳纤维探针21采用硬连接，由碳纤维探针21接触植株茎杆10，接触面贴有金属贴片以保证良好的振动传递效果。前置放大印刷电路板13通过旋转活键12固定于上下固定夹键，磁电式速度传
感器11的输出通过微弱信号线22连接至前置放大印刷电路板13。
28.第一夹持机构的上固定夹键14、下固定夹键19、上固定附键15和下固定附键20通过弹簧提供夹持力，将信号采集系统1固定于植株上，磁电式速度传感器11通过紧压机构的紧压夹板18和紧压夹键17保持碳纤维探针21的接触压力，并通过压力调节活键12进行压力的微调。碳纤维探针21位于磁电式速度传感器11的侧面，与传感器中的线圈连接，并与粘贴在寄主植株4侧面的金属贴片垂直接触。探针保护壳在未使用时固定于传感器前端，包覆碳纤维探针21的前端空间，布置信号采集系统1时将探针保护壳沿传感器前向划出。磁电式速度传感器11的四个输出端口使用四条微弱信号线分别连接至前置放大印刷电路板13信号输入端的四个预留接口，前置放大印刷电路板13信号输出端连接至信号处理系统的信号输入端。
29.请参阅图5，本发明的一实施例中，前置放大印刷电路板13上设有前置微弱信号放大电路23、可调增益放大电路24、极性反转电源转换电路25和线性三端稳压电路26，线性三端稳压电路26的电源输入端使用供电线与信号处理系统的的poe供电输出端连接。输入信号连接至前置微弱信号放大电路23，输入信号被放大后进入可调增益放大电路24，可进行增益的调整以适应不同昆虫或不同电平的信号。线性三端稳压电路26为系统提供稳压正电源，极性反转电源转换电路25为系统提供负电源。
30.实验时，通过昆虫身体主要是腹部振动发出的、可以沿固体介质传播信号的昆虫置于寄主植株4上，其产生的振动由碳纤维探针21所接收，探针与植株茎杆10间的金属贴片保证优良的传导效率。碳纤维探针21将振动传递至磁电式速度传感器11，并由传感器转换为电流信号，电流信号共两路四端口，由微弱信号线传导至前置放大印刷电路板13。前置放大印刷电路板13所集成的前置微弱信号放大电路23与可调增益放大电路24将电流信号转换为电压信号同时进行信号的放大，放大后的信号通过信号线连接至信号处理系统的信号输入端。
31.请参阅图4，本发明的一实施例中，所述信号回放系统包括第二夹持机构以及设于第二夹持机构上且相互连接的微型换能器31、振动探针30。第二夹持机构包括固定锁孔27、上固定附键28、上固定夹键29、下固定附键32、下固定夹键33。上固定附键28和下固定附键32通过套筒分别连接至上固定夹键29和下固定夹键33，通过弹簧提供夹持力，夹持处有柔性材料覆盖。微型换能器31通过套筒方式安装在上固定夹键29和下固定夹键33之间，可在水平方向进行旋转，固定锁孔27为直螺纹方式，用于固定旋转角度。信号处理系统将需要回放的信号通过信号线传导至微型换能器31，微型换能器31将电信号转换为振动信号，并通过振动探针30传导至寄主植株。
32.请参阅图6，信号编解码印刷电路板包括回放低通滤波电路34、抗混叠滤波电路35、信号编解码器36、稳压电源电路37、电源转换稳压电路38、极性反转电源转换电路39。单板计算机9通过通讯线路8连接至信号编解码器36的i2s接口，信号编解码器36提供8通道的输入和6通道的输出。输入的采集信号先经过抗混叠滤波电路35后输入信号编解码器，避免采样信号出现频率的混叠。输出的回放信号经过回放低通滤波电路34后进行输出，对dac输出的信号进行平滑化，避免输出信号出现高频的延拓。稳压电源电路37提供印刷电路板所需的稳压电源，电源转换稳压电路38提供3.3v的辅助电源，极性反转电源转换电路39提供器件所需的负电源。
33.需要说明的是，本实施例中的磁电式速度传感器选用at-3600l，单板计算机中央处理器选用rk3588。
34.和现有装置相比，本发明有如下优点：1. 设计开发的印刷电路板针对振动信号进行优化，具有高精度、低噪声的特点，同时可调增益放大电路使系统能够适应各种昆虫的振动信号。
35.2. 信号采集系统中通过紧压夹板与紧压夹键固定碳纤维探针，并通过调节活键实现探针的压力微调，保证探针压力在最佳区间内，提高信号采集的准确性。信号回放系统的微型换能器能在水平方向旋转，并通过固定锁孔进行固定，使得振动探针与植株茎杆保持良好的接触，提高回放信号传导的可靠性。
36.3. 信号采集系统与信号回放系统小巧轻便，机械结构简单有效，在寄主植株上的安装与调节快速且方便，极大地提升了装置的易用程度与效率。
37.4. 可通过信号处理系统对采集得到的昆虫振动信号进行编辑与处理，并将处理后信号通过信号回放系统回放至寄主植株，用于探究某些特异性信号与昆虫行为的关系。
38.5. 信号处理系统通过多通道音频编解码器实现了多通道的同时采集，极大地提升了信号采集与回放的效率。通过单板计算机上应用程序的开发，可以方便快速地控制信号的采集、处理与回放，并支持灵活的二次开发。
39.本发明的工作过程如下：使用本发明采集装置进行采集时，首先将茎杆侧面贴有金属贴片的寄主植株置于实验台上，将靶标昆虫置于寄主植株茎杆上。
40.当需要对昆虫的振动信号进行采集时，需要安装信号采集系统1。打开上固定附键15和下固定附键20，将信号采集系统1固定于植株茎杆10上，松开调节活键12，将碳纤维探针21对准金属铁片，将紧压夹板18与磁电式速度传感器11贴紧植株茎杆10，旋转调节活键12微调压力至碳纤维探针21微微弯曲。将前置放大印刷电路板13的信号线和电源线接至信号编解码印刷电路板7，并将信号编解码印刷电路板7通过通讯线路8与单板计算机9进行连接，由单板计算机9控制信号的采集。
41.当需要对昆虫进行信号回放时，需要安装信号回放系统3。打开上固定附键28和下固定附键32，将信号回放系统3固定于植株茎杆上。松开固定锁孔27后，将微型换能器31进行旋转，至振动探针30与植株茎杆形成良好接触后，锁定固定锁孔27。将微型换能器31的信号线连接至信号编解码印刷电路板7的回放信号输出端，由单板计算机9控制信号的回放。回放时，微型换能器31将电信号转换为振动信号，通过振动探针30将振动信号传导至试验植株茎杆。
42.信号处理系统的单板计算机9上配置了信号编解码驱动，并开发了用于昆虫振动信号采集和回放的应用。除了控制信号的采集和回放外，还提供了振动信号的保存、处理、剪辑等功能，并支持灵活的二次开发，以适应不同的采集或回放需求。
43.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
44.以上实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在
不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种昆虫振动信号采集装置，其特征在于，所述采集装置包括：多组信号采集系统（1），分别固定于各寄主植株（4），所述寄主植株（4）中部设有靶标昆虫（2）；多组信号回放系统（3），分别固定于各寄主植株（4）；以及，信号处理系统，设置于实验台（5），所述信号处理系统包括信号编解码印刷电路板（7）、通讯线路（8）和单板计算机（9），各信号采集系统（1）和各信号回放系统（3）均通信连接所述信号编解码印刷电路板（7），所述通讯线路（8）分别通信连接所述信号编解码印刷电路板（7）和所述单板计算机（9）。2.如权利要求1中所述的昆虫振动信号采集装置，其特征在于，各信号采集系统（1）和各信号回放系统（3）与所述信号编解码印刷电路板（7）之间分别连接有信号屏蔽线（6）。3.如权利要求1中所述的昆虫振动信号采集装置，其特征在于，所述信号采集系统（1）包括固定夹持于寄主植株（4）的植株茎杆（10）上的第一夹持机构以及设于所述第一夹持机构上的磁电式速度传感器（11）、前置放大印刷电路板（13）、碳纤维探针（21），所述碳纤维探针（21）用于接触植株茎杆（10）。4.如权利要求3中所述的昆虫振动信号采集装置，其特征在于，所述第一夹持机构包括相互铰接的上夹头和下夹头，所述上夹头包括扭簧连接的上固定夹键（14）和上固定附键（15），所述下夹头包括弹簧连接的下固定夹键（19）和下固定附键（20）。5.如权利要求3中所述的昆虫振动信号采集装置，其特征在于，所述第一夹持机构与所述植株茎杆（10）的接触面覆盖有柔性材料，以保护植株茎杆并隔绝振动传导。6.如权利要求3中所述的昆虫振动信号采集装置，其特征在于，所述信号采集系统（1）还包括使用紧压机构，所述紧压机构包括扭簧连接的紧压夹板（18）和紧压夹键（17），所述紧压夹键（17）与所述磁电式速度传感器（11）相连接，所述紧压夹板（18）与所述植株茎杆（10）相接触，所述紧压夹板（18）和所述紧压夹键（17）之间设有调节活键（16），用以微调两者间的接触压力。7.如权利要求3中所述的昆虫振动信号采集装置，其特征在于，所述的前置放大印刷电路板（13）包括前置微弱信号放大电路（23）、可调增益放大电路（24）、极性反转电源转换电路（25）和线性三端稳压电路（26）。8.如权利要求1中所述的昆虫振动信号采集装置，其特征在于，所述信号回放系统（3）包括第二夹持机构以及设于所述第二夹持机构上且相互连接的微型换能器（31）、振动探针（30），所述振动探针（30）用于接触植株茎杆（10）。9.如权利要求8中所述的昆虫振动信号采集装置，其特征在于，所述微型换能器（31）沿水平方向可旋转设置，所述第二夹持机构设有固定锁孔（27）以固定所述微型换能器（31）的角度，以调节所述振动探针（30）的接触压力。10.如权利要求1中所述的昆虫振动信号采集装置，其特征在于，所述信号编解码印刷电路板（7）包括信号编解码器（36）、抗混叠滤波电路（35）、回放低通滤波电路（34）、稳压电源电路（37）、电源转换稳压电路（38）和极性反转电源转换电路（39）。

技术总结
本发明公开了一种昆虫振动信号采集装置，所述采集装置包括分别固定于各寄主植株的多组信号采集系统和多组信号回放系统，以及设置于实验台的信号处理系统，所述寄主植株中部设有靶标昆虫，所述信号处理系统包括信号编解码印刷电路板、通讯线路和单板计算机，各信号采集系统和各信号回放系统均通信连接所述信号编解码印刷电路板，所述通讯线路分别通信连接所述信号编解码印刷电路板和所述单板计算机。本发明的技术方案中，通过所述信号处理系统的信号编解码印刷电路板实现了多通道的同时采集，极大地提升了信号采集与回放的效率；并通过单板计算机上设置的程序，可以方便快速地控制信号的采集、处理与回放，并支持灵活的二次开发。开发。开发。


技术研发人员：冯泽霖 魏琪 叶忠儒 尤彦辰 姚青
受保护的技术使用者：中国水稻研究所
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/9/20