黃　滔，趙春宇，朱成剛，黃震宇

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上?！?00240)

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同面弧面電容式種子水分傳感器的研究

黃滔，趙春宇，朱成剛，黃震宇

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240)

摘要：種子烘干機的關(guān)鍵在于利用種子水分傳感器來實現(xiàn)種子含水率的在線無損檢測，優(yōu)化種子水分傳感器的結(jié)構(gòu)，提高傳感器的測量性能，對提升種子烘干機的烘干質(zhì)量和工作效能具有重要作用。為此，研究了一種同面弧面電容式種子水分傳感器，結(jié)合COMSOL有限元仿真軟件，采用數(shù)值求解的方法計算傳感器的電容值，著重考察傳感器的極板尺寸、極板間距對傳感器性能的影響，以此實現(xiàn)對傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，并試制傳感器原型進(jìn)行試驗驗證。初步試驗結(jié)果表明：根據(jù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計的電容傳感器在測量精度上有所提高，在0~20%的含水率范圍內(nèi)以1%的絕對精度實現(xiàn)對蔬菜種子含水率的測量，符合實際應(yīng)用要求，驗證了檢測方法的可靠性。

關(guān)鍵詞：種子烘干機；水分傳感器；電容傳感器；同面弧面電極；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0引言

通過烘干機對種子進(jìn)行烘干處理，實現(xiàn)對種子含水率的檢測和控制，是種子加工過程中的重要環(huán)節(jié)。其能夠改善種子的質(zhì)量和生命活力，直接關(guān)系到種子在貯藏期間的安全穩(wěn)定和后續(xù)的分選、包衣等加工處理工作。在烘干機中設(shè)計種子水分在線測量傳感器，可及時準(zhǔn)確地控制去濕量，提高烘干機的工作效率，確保種子的烘干質(zhì)量。

種子水分的在線檢測是烘干機研制中的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)烘干法測量時間較長，不適合在線檢測，電阻法需要將種子碾碎，屬于有損檢測，其他諸如微波法、紅外線法、核磁共振法等對工作環(huán)境要求較高[1]。電容式種子水分傳感器基于種子的介電特性和含水率之間的關(guān)系測定種子水分，具有無損、成本低、測量速度快的優(yōu)點，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計可實現(xiàn)種子水分的在線無損檢測。

目前，電容式種子水分傳感器多采用平行極板結(jié)構(gòu)或同軸圓筒結(jié)構(gòu)。由于極板被安裝在相對的不同平面上，測量結(jié)果受種子分布尤其是種子和極板間隙的影響很大，導(dǎo)致測量精度較低、重復(fù)性較差，

一般需要加裝稱重模塊對結(jié)果進(jìn)行補償，增加了傳感器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度[2]。針對上述結(jié)構(gòu)的電容式傳感器的缺點，本文研究了一種同面弧面結(jié)構(gòu)的電容式種子水分傳感器，結(jié)合COMSOL有限元仿真軟件對傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并通過試驗驗證檢測方法的可靠性。

1傳感器機構(gòu)及原理

1.1　機構(gòu)設(shè)計

圖1為同面弧面電容式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。整體采用回轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計，由內(nèi)外兩個同心圓筒構(gòu)成環(huán)形腔體，內(nèi)筒壁上等間距地安裝4塊隔板，形成4個隔艙，對應(yīng)4個工位。工作時內(nèi)筒由電機驅(qū)動逆時針旋轉(zhuǎn)，隔板推動種子進(jìn)入3號測量工位，測量電容值。

(a)　整體機構(gòu)　　　　　　　 　(b)　極板布置

電容傳感器極板采用同面弧面方式布置在3號工位對應(yīng)的外筒內(nèi)壁上，包括1個驅(qū)動電極板和2個感應(yīng)電極板，其相對位置如圖1(b)所示。驅(qū)動電極位于圓筒正下方，兩個感應(yīng)電極圍繞驅(qū)動電極對稱分布。相比傳統(tǒng)的將極板分別布置在內(nèi)外圓筒壁上的異面方式[3]，同面弧面布置方式避免了測量電路與旋轉(zhuǎn)部件(內(nèi)圓筒)的接線，另一方也極大程度上減小了極板和種子間隙及極板對準(zhǔn)誤差對測量精度的影響。

1.2　檢測原理

同面弧面電容式種子水分傳感器的檢測原理：在驅(qū)動電極板上施加激勵，感應(yīng)電極接地，則驅(qū)動電極和兩個感應(yīng)電極構(gòu)成了兩個并聯(lián)的電容器C1、C2，不考慮寄生電容的影響，則總電容值為C=C1+C2。覆蓋在極板上種子的含水率變化時，其介電常數(shù)發(fā)生變化進(jìn)而使電容值發(fā)生變化，通過檢測電容值變化和含水率變化之間的關(guān)系，即可實現(xiàn)種子水分的測量。

2有限元分析

傳感器的極板尺寸、極板間距對傳感器的信號強度、信號靈敏度及測量精度等有直接影響，因此優(yōu)化設(shè)計傳感器的結(jié)構(gòu)十分必要。同面弧面電容式傳感器的極板所產(chǎn)生的電場呈散射狀，且極板上下分布著介電常數(shù)不同的介質(zhì)，利用傳統(tǒng)的電磁場理論很難得到精確的解析解，給傳感器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計帶來了困難。因此，本文利用有限元分析軟件COMSOL，對傳感器進(jìn)行仿真和數(shù)值計算。

2.1　COMSOL建模

利用COMSOL對同面弧面電容式傳感器的極板進(jìn)行建模[4]，構(gòu)建三維實體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。對幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行三角形網(wǎng)格劃分，創(chuàng)建一系列的有限元節(jié)點，其中靠近極板部分劃分的網(wǎng)格尺寸較小。種子被視為分布均勻的實體，其介電常數(shù)εr設(shè)定在1~52范圍內(nèi)，仿真時根據(jù)需求靈活設(shè)定。物理場選為Electric Currents,電極材料設(shè)為導(dǎo)電性能良好的銅，感應(yīng)電極接地，對驅(qū)動電極施加低頻交流激勵。此外，將傳感器模型置于足夠大的空氣域中，保證對邊緣電場的準(zhǔn)確求解。

圖2　COMSOL建模和網(wǎng)格劃分

通過改變極板寬度、極板間距，共生成15種極板結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示。本文將從穿透深度、電場分布、信號強度及信號靈敏度等方面對仿真作說明。

表1　傳感器極板結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2　穿透深度

利用COMSOL對介質(zhì)層厚度h進(jìn)行參數(shù)化掃描，掃描范圍為3~51mm，計算電容值。圖3給出了介質(zhì)層厚度和電容之間的變化關(guān)系，對應(yīng)的極板結(jié)構(gòu)參數(shù)編號為5、10、15，種子介電常數(shù)εr=5.7。

由圖3可知：電容值C隨著介質(zhì)層厚度h的增大而增大，最終趨于一個穩(wěn)定值，用C(∞)表示。定義σh來衡量電容值的變化情況，有

(1)

圖3　介質(zhì)層厚度對電容值的影響

取σh=1%對應(yīng)的介質(zhì)層厚度為電場的穿透深度，記為p，據(jù)此求得不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的電場穿透深度。圖4給出了極板中心距d2和穿透深度p之間的關(guān)系曲線。

圖4　極板中心距對電場穿透深度的影響

對于傳感器的設(shè)計，介質(zhì)層厚度h要盡量大于電場的穿透深度p，以減少介質(zhì)層厚度的不確定變化對測量重復(fù)性的影響：一方面可通過增大內(nèi)外圓筒間距來實現(xiàn)，存在的問題是可能導(dǎo)致直流電機的輸出扭矩增大，或增加傳感器的尺寸，不利于小型化；另一方面，可合理設(shè)計極板的結(jié)構(gòu)參數(shù)，適當(dāng)減小穿透深度。由圖4可知：電場穿透深度隨著極板中心距的減小而減小，在極板中心距一定的情況下，改變驅(qū)動極板的寬度對穿透深度影響不大。因此在設(shè)計電極極板時，可通過減小極板間距來獲得相對較小的穿透深度。

2.3　電場分布

對于同面電容器而言，由于電場成散射狀，測量區(qū)域內(nèi)的電場線為不均勻分布。利用COMSOL繪制電場強度的等值線。圖5給出了結(jié)構(gòu)參數(shù)11和15的對應(yīng)的等值線分布圖。其中，介質(zhì)層厚度h=35mm，種子介電常數(shù)εr=5.7。

(a)　結(jié)構(gòu)參數(shù)11 　　　　　　　　(b)　結(jié)構(gòu)參數(shù)15

由圖5可知：電場強度沿著圓弧半徑向圓心方向逐漸遞減，對于不同的極板結(jié)構(gòu)參數(shù)，電場線分布具有較大的差異。為了衡量電場分布的不均勻性，對截面上的電場強度求其標(biāo)準(zhǔn)差，如表2所示。

表2　不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下電場強度標(biāo)準(zhǔn)差

在實際測量中，種子中的水分不是理想的均勻分布，水分分布的不確定性對測量重復(fù)性有一定的影響。為了減小這種影響，在傳感器設(shè)計過程中要盡量減小電容極板間電場分布的不均勻。根據(jù)表2可知：減小極板間距，電場強度的標(biāo)準(zhǔn)差隨之增大，這意味著電場的不均勻性增加，因此極板間距不可設(shè)計得過小。

2.4　信號強度、靈敏度、線性度

利用COMSOL對種子介電常數(shù)εr進(jìn)行參數(shù)化掃描，掃描范圍為1~52，觀察電容值的變化。圖6給出了不同極板寬度下種子介電常數(shù)和電容值之間的變化關(guān)系。

(a)　改變感應(yīng)電極寬度(wd=33.38mm)

(b)　改變驅(qū)動電極寬度(ws=27.82mm)

根據(jù)圖6對仿真結(jié)果做一元線性回歸，得到不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對應(yīng)的回歸方程，并利用回歸方程的回歸系數(shù)和決定系數(shù)來衡量信號的靈敏度和線性度。根據(jù)擬合結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的情況下，電容值和介電常數(shù)之間呈線性關(guān)系(決定系數(shù)為1)，增加感應(yīng)電極和驅(qū)動電極的寬度，減小極板間距，可提高信號強度和信號靈敏度。

3試驗及結(jié)果

3.1　試驗設(shè)計

傳感器測量電路以基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103系列微控制器為核心，采用高精度的集成式電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片AD7746測量電容值，根據(jù)電容值的實際測量范圍設(shè)計相應(yīng)的量程擴展電路[5]，保證在所需的測量范圍內(nèi)實現(xiàn)電容值的準(zhǔn)確測量；利用STM32主控制器對AD7746進(jìn)行編程控制，讀取內(nèi)部寄存器來獲取電容測量信號，并完成信號的處理計算工作。傳感器原型如圖7所示。

圖7　傳感器原型

試驗種子品種選為上海青種子，在0~20%濕基含水率范圍內(nèi)按一定的梯度制備不同含水率的試驗樣品。用105℃標(biāo)準(zhǔn)烘干法[6]測定樣品種子的含水率，作為種子含水率標(biāo)準(zhǔn)值。制作標(biāo)準(zhǔn)平行板電容器，測定樣品介電常數(shù)[7]，用于計算電容仿真值，用同面弧面電容式傳感器測量不同試驗樣品的電容值，每組樣品連續(xù)進(jìn)行4次測量，取4次測定值的算術(shù)平均值作為測量結(jié)果。

3.2　實測和仿真的比較

圖8給出了同面弧面電容式傳感器的實際測量結(jié)果和仿真結(jié)果的比較。由于寄生電容的存在，實際測量值大于仿真值；但寄生電容值的變化在較小的范圍內(nèi)，二者的變化趨勢較為吻合，因此利用有限元仿真來優(yōu)化電容傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)是可行的。

圖8　仿真結(jié)果和試驗結(jié)果的比較

3.3　測量重復(fù)性和精度

對于種子含水率和電容測量值進(jìn)行線性擬合，得到種子含水率與電容值之間的線性回歸方程為

Mp=0.679C-8.216

(2)

其中，C為電容值(pF)；Mp為種子濕基含水率(%)。

以式(2)作為上海青種子含水率的預(yù)測模型，隨機配備不同的試驗樣品作為測試集，檢驗?zāi)Ｐ偷目煽啃?，初步試驗結(jié)果表明測量結(jié)果的絕對誤差小于1%，重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差小于0.5。

4結(jié)論

1) 同面弧面電容式種子水分傳感器通過整體的回轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計和基于變電介式電容的含水率測量原理，在機械結(jié)構(gòu)和響應(yīng)速度上保證了種子水分在線測量的要求。

2) 采用同面弧面的方式布置電容極板，相比異面相對的布置方式，有效地減小了極板間種子分布不均勻、極板對準(zhǔn)誤差對測量重復(fù)性的影響。

3) 利用有限元仿真得到了優(yōu)化的極板結(jié)構(gòu)參數(shù)，仿真表明：增大極板面積，減小極板間距，可增加電容傳感器的信號強度和信號靈敏度，并減小電場的穿透深度，但同時會增加電場分布的不均性。

4)仿真結(jié)果和試驗結(jié)果較為吻合，利用有限元仿真的方法對傳感器的設(shè)計具有指導(dǎo)意義。所設(shè)計的種子水分傳感器具有良好的線性度，測量精度符合電容法水分測定儀的通用標(biāo)準(zhǔn)[8]，滿足實際應(yīng)用要求，驗證了檢測方法的可靠性。

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Study on Uniplanar Cambered Capacitive Sensor of Seed Moisture Content

Huang Tao, Zhao Chunyu, Zhu Chenggang, Huang Zhenyu

(School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240, China)

Abstract：An online and nondestructive sensor of seed moisture content is key part of a seed dryer. Optimizing the sensor’s structure is of great importance to improving the dryer’s performance and efficiency. In this paper, a capacitive sensor of uniplanar cambered electrode structure is studied. By using the commercial software COMSOL, a simulation based on finite element method is conducted to analyze the relationship between the electrode structure parameters and the sensor’s characteristics, which mainly focuses on the size of electrode and the gap between polar plates. The sensor prototype is fabricated for the preliminary test. The result indicates that the senor of optimized structure achieves accuracy of ±1% in the range of 0%~20%, which meets demand for application in seed dryer and validates the reliability of the measurement method.

Key words：seed dryer; moisture content sensor; capacitive sensor; uniplanar cambered electrode; structure optimization

中圖分類號：S237

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0252-05

作者簡介：黃滔(1991-)，男，河南光山人，碩士研究生，(E-mail)huangtao@sjtu.edu.cn。通訊作者：趙春宇(1971-)，男，哈爾濱人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)zhaocy@sjtu.edu.cn。

基金項目：國家“863計劃”項目(2012AA0A505)

收稿日期：2015-10-28