基于电容式传感器的玉米水分测量技术研究

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摘要：在分析电容式玉米水分传感器结构的基础上，依据传感器电容变化与玉米介电常数的关系，设计了充放电式的检测电路，并详细分析了检测电路的不同工作模式。通过实验得到了玉米含水量与传感器电容值之间的关系，并用最小二乘法拟合得到了二元三次方程。

Abstract： We present the capacitance detection circuit which based on the structure analysis of capacitive corn moisture sensor and the relationship between capacitance of capacitive sensor and dielectric constant of corn. In addition， different operating modes of detection circuit are analyzed. The relationship between corn moisture content and sensor capacitance is obtained through experiment and binary cubic equation is obtained by the least square fitting method.

关键词：玉米水分；水分测量；电容式传感器；检测电路

Key words： corn moisture；moisture measurement；capacitive sensor；detection circuit

中图分类号：TM930.11 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）03-0194-02

0 引言

玉米水分含量是玉米细胞的必要组成部分，也是维持玉米细胞本身生命活动所必需的。因此，玉米水分含量既不能过高，也不能过低，要保持适宜。水分过高，重量加重，而且容易引起玉米发热、霉变和其他生化反应；水分过低，会破坏有机物质，损坏干物质，所以，玉米水分的检测是玉米安全存储的主要环节[1，2]。

传统的水分测量方法是烘箱法，这种方法准确度高，适用范围广，但是时间长，步骤繁琐，不宜现场使用。近年来，国内外研究各种间接检测方法以求取代传统烘箱法，主要包括电导法、电容法、射线法、中子法、微波法等，一般速度较快，易实现在线和现场检测[3]。其中电容法是水分检测的常用方法，它具有体积小以及检测速度快的优点，但其高水分时的重复测量精度还有待于提高。

1 电容式传感器测量原理

由于所测玉米为颗粒形状，装入容器中存在许多气隙，因而介电常数较小。但传感器的极板有效面积不能太小，因此设计中的电容传感器采用同轴的圆筒型电容传感器。采用这种传感器的另一目的是，它的电极是非对称的，即内极板被外极板所包络，这样可以十分有效地抑制人体感应。设计的电容式传感器如图1所示。

将被测玉米放入传感器两极板间的介质空腔，由于玉米含水量不同，从而使电容式传感器的相对介电常数发生变化，即引起了电容值变化，从而测出玉米的水分含量。

柱面高为L，内圆柱外表面半径为R1，外圆柱内表面半径为R2。当L>>R2-R1时，可忽略圆柱两端的边缘效应影响。

得到同芯柱型电容传感器的计算公式[4]为：

由上式可以看出，传感器电容的变化与玉米相对介电常数成线性关系，而相对介电常数随玉米的水分含量而改变，因此可得到玉米的水分含量。

2 测量电路

电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小，这就必须借助于测量电路测量出这一微小电容增量，并转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率[7，8]。电容转换电路有电容充放电式电路、调频电路、运算放大器式电路、普通交流电桥法、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等[9]。

本论文讨论的是利用传感器电容的充电和放电的原理，将电容转换为电压，根据测量的电压来得到传感器的电容[10]。

电容的充电过程：电压Vi对电容C进行充电，t是指充电的时间，RC的乘积是时间常数，充电方程为

该测量电路是利用传感器电容的充电和放电的原理，使输出信号随电容传感器的电容量变化而变化，经过差分运放电路、同相比例运放电路、低通滤波器可得到对应于传感器电容变化的直流电压信号。电容式传感器检测电路如图2所示，图3所示为电容充电时等效检测电路，图4所示为电容放电时等效检测电路。

3 实验与数据处理分析

实验是在室温下进行的，不考虑温度变化的影响。使用检测电路测量出了样品的电容值，并使用烘干法得到了样品的含水量，根据实验数据得到玉米含水量与电容值的关系曲线如图5所示。由曲线可以看出，随着玉米含水量的增加，其对应的电容值也随之增大。

根据实验得到的数据用最小二乘法拟合出电容x（nF）与玉米的水分含量y（%）的二元三次方程，如式（6）所示。

y=-0.000054149x3-0.0089798x2+0.63413x+11.4539

（6）

4 结论

本文准备了多组样品，并通过实验得到了样品的含水量及对应的电容值的关系曲线。由曲线可得出，根据测量电路测出的未知水分样品的电容值，可以得到样品的含水量，并且与实际烘干法测量的样品含水量相比误差很小。由此可以得出，本论文讨论的电容式传感器及其测量电路测量玉米水分的精确度比较高，适合玉米水分的精确测量。

参考文献：

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[3]翟宝峰，白媛.电容式粮食水分检测仪的设计[J].辽宁工学院学报，2003，23（1）：34-35.

[4]BABANKUMAR Bansod. Performance evaluation of digital grain moisture analyzer for Indian wheat[J].Journal of scientific &Industrial Research， 2011（70）：41-44.

[5]MAHMOUD Soltani. Use of dielectric properties in quality measurement of agricultural products[J].Nature and Science，2011（4）：57-61.

[6]黎章.基于AVR单片机的谷物水分检测系统[J].农机化研究，2010（6）：183-185.

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[8]陆静霞.基于电容式传感器的粮食水分测量仪的研究[J].农机化研究，2005（6）：122-123.

[9]王兆华.基于有源电桥的电容式传感器及其测量系统的研究[D].北京化工大学，2006.

[10]程卫丹，巴鹏，等.基于充放电原理的电容式液位传感器测量电路的设计[J].数字技术与应用，2010：122-125.