張紅霞宮恩良/.山東協(xié)和學(xué)院 .山東奧太電氣有限公司

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電容式水分傳感器及其測量電路的研究

張紅霞1宮恩良2/1.山東協(xié)和學(xué)院 2.山東奧太電氣有限公司

【摘 要】針對玉米顆粒粒徑大，在測量時產(chǎn)生的縫隙大，不容易精確測量等問題，本文研究電容法測玉米水分，并設(shè)計了電容傳感器及直流充放電檢測電路，低漂移、測量精度高。從而提高了測量效率，降低損耗。

【關(guān)鍵詞】電容式；水分傳感器；測量電路

引言

玉米水分含量是影響玉米安全運輸、儲藏等的主要因素，也是用于飼料、食用及工業(yè)中必不可少的測量部分。國內(nèi)外學(xué)者研究多種檢測玉米水分的方法，包括電容法、干燥法、化學(xué)法、電測法、近紅外線法、中子法、核磁共振法、聲學(xué)法等[1-2]。在諸多玉米水分測量方法中，電容法以其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于在線測量等優(yōu)點成為水分檢測的主要方法。

近年來許多國家的研究人員非常重視玉米水分測量技術(shù)的發(fā)展，隨著玉米水分測量的方法不斷產(chǎn)生，先進(jìn)的水分測量方法和儀器正在被推廣和使用。目前，國內(nèi)對于測量水分的方法和測量系統(tǒng)處于剛開始的階段，主要是從理論上對水分測量系統(tǒng)進(jìn)行分析。近幾年來，出現(xiàn)各種轉(zhuǎn)換電路的谷物水分測量系統(tǒng)，由于采用的轉(zhuǎn)換電路的不同，測量出來的水分也有區(qū)別。另外，國內(nèi)專門對玉米水分檢測的儀器幾乎沒有，而影響玉米水分的因素有種類、空隙、溫度、轉(zhuǎn)換電路的電壓差、容積密度、環(huán)境的相對濕度[3]，還有操作人員的操作方法等，而目前的水分檢測系統(tǒng)雖然能夠檢測玉米的水分，但是大部分都沒有充分考慮這些因素，導(dǎo)致檢測精度不是很理想、重復(fù)率不高。

1.電容式水分傳感器

1.1圓柱形電容傳感器

結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，由內(nèi)外兩個同軸電極組成。

圖1　電容式傳感器結(jié)構(gòu)圖

傳感器電容計算方法為：設(shè)兩個極板各帶電荷+q和-q，則每單位長度所帶電荷的絕對值[4]為：

離開軸線距離為s處的電場強(qiáng)度為：

兩極板間的電勢差為：

傳感器電容為：

裝入玉米前后電容變化量為[5]：，即：

可見ΔC是R1和R2的函數(shù)，若要ΔC變化最大，令

本文設(shè)計的圓柱型電容式傳感器柱面高為13cm，內(nèi)圓柱外表面直徑為3.6cm，外圓柱內(nèi)表面直徑為7.6cm。

1.2電容值與水分含量之間的關(guān)系

當(dāng)玉米的相對介電常數(shù)變化Δrε時，電容的變化量為：

2.直流充放電測量電路

電容式傳感器把被測玉米水分的變化ΔM轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)電容的變化ΔC[6]，而電容值以及電容變化值都十分微小，為了使這一微小電容增量能被傳輸、放大、運算、處理、指示、記錄和控制，得到所需的測量結(jié)果即玉米水分值，還需用測量電路將電路參數(shù)ΔC進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓、電流、頻率等參數(shù)。測量電路包括調(diào)制型電路和脈沖型電路。直流充放電檢測電路具有低漂移，可自動檢測，測量精度高，開關(guān)工作頻率高，幾乎不受被測電容的漏電阻的影響等優(yōu)點。

圖2　原理圖

如圖2所示為原理，由一個周期為T的對稱方波時鐘脈沖來決定兩個CMOS開關(guān)K1和K2的接通和斷開。

當(dāng)對稱方波時鐘脈沖為高電平時K1通K2斷，電源E對傳感器電容Cx充電，充電時間為，當(dāng)對稱方波時鐘脈沖為低電平時K1斷K2通，傳感器電容Cx上的電荷Q= CxE釋放，因為傳感器電容一端接地，另一端接放大器的反相端，傳感器電容上的電荷Q= CxE全部釋放掉，在時鐘脈沖的控制下，充放電過程也是以周期T重復(fù)進(jìn)行。因而平均電流為：

該電流被轉(zhuǎn)換成電壓并通過Cf而平滑，最后得到一個直流輸出電壓為：

3.結(jié)語

根據(jù)電容法測量玉米水分的原理，設(shè)計圓柱形電容式水分傳感器，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，詳細(xì)分析傳感器電容值的計算方法以及電容值與玉米水分之間的關(guān)系，得出電容值的變化與水分的變化呈線性關(guān)系，設(shè)計的電容式傳感器理論上可行，由于電容值和變化值很小，又詳細(xì)分析直流充放電檢測電路的工作原理、輸出量與輸入電容之間的關(guān)系具有低漂移、測量精度高等優(yōu)點。

參考文獻(xiàn)：

[1]Mahmoud Soltani.Use of dielectic properties in quality measurement of agricultural products[J].Nature and Science，2011，9(4)，57-60.

[2]康忠偉.基于時域傳輸技術(shù)的谷物含水率測試技術(shù)研究[D].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，2011:2，100-105.

[3]劉嫣紅，毛志懷，楊柳.電容式谷物水分傳感器測量的影響因素研究[J].中國科技論文在線，2008:1-7.

[4]楊榮輝.電容式糧食水分儀的研究[D].沈陽工業(yè)大學(xué)，2003:9-10.

[5]翟寶峰，白媛.電容式糧食水分檢測儀的設(shè)計[J].遼寧工學(xué)院學(xué)報，2003，3(1):34-35.

[6]付鶴翔.基于單片機(jī)的便攜式糧食水分測定儀的研究[D].西北農(nóng)林科技大學(xué)，2011:19-20.

山東協(xié)和學(xué)院科技計劃項目（編號：XHXY201508）；山東省軟科學(xué)研究計劃項目（編號：2015RKB01370）。

張紅霞（1985-），女，山東單縣人，碩士，助教，研究方向為：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

作者簡介：

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