陳 進(jìn)，王月紅，練 毅，汪樹(shù)青，劉新怡

（江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

0 引 言

糧食水分是影響糧食質(zhì)量的重要因素，也是糧食儲(chǔ)存、收購(gòu)、加工、運(yùn)輸環(huán)節(jié)中必須檢測(cè)的重要指標(biāo)[1-3]。隨著聯(lián)合收獲機(jī)智能化地不斷發(fā)展，智能收獲、測(cè)產(chǎn)已經(jīng)成為可能，在收獲過(guò)程中需對(duì)谷物含水率進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。只有將收獲到的谷物重量折算到固定含水率的谷物重量時(shí)，所檢測(cè)產(chǎn)量信息才更加精確，才能更加全面的分析出損失率產(chǎn)生的原因[4-6]。國(guó)外的聯(lián)合收獲機(jī)如紐荷蘭CX6000以及CX5000等機(jī)型均已安裝谷物含水率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[7]；國(guó)內(nèi)的聯(lián)合收獲機(jī)尚未實(shí)現(xiàn)含水率的實(shí)時(shí)檢監(jiān)測(cè)。然而，從國(guó)外引進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)成本較高，不利于普及。為此，對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)谷物含水率的在線監(jiān)測(cè)的研究具有重要意義。

現(xiàn)階段，谷物含水率的檢測(cè)方式主要有烘干法、電阻法、電容法、微波法、中子法等[8-10]。每種檢測(cè)方法各有利弊，綜合分析檢測(cè)精度、靈敏度、成本以及實(shí)現(xiàn)難度，電容式谷物傳感器的研制及使用較為普遍。電容式傳感器具有可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[11-14]。裘揆等[15]利用開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一種電容式谷物含水率檢測(cè)，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)谷物干燥過(guò)程中的檢測(cè)。陳光宇等[16]利用LC振蕩電路的原理，實(shí)現(xiàn)輸出頻率隨電容變化而變化，設(shè)計(jì)了一種高頻電容式含水率檢測(cè)，用于離線抽樣檢測(cè)。此電路較為復(fù)雜，且對(duì)工作環(huán)境要求較高，在聯(lián)合收獲機(jī)上的環(huán)境噪聲較多，振動(dòng)較大，此檢測(cè)方法不能在聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。方建卿[4]以CAV424芯片為核心所設(shè)計(jì)的聯(lián)合收割機(jī)含水率監(jiān)測(cè)裝置，每隔28 s完成1次谷物更新，更新速度較慢，谷物含水率的測(cè)量范圍為10%～25%。另外，CAV424的振蕩頻率較低，在低頻時(shí)，谷物的介電損耗較大，從而影響了測(cè)量的準(zhǔn)確性，降低了測(cè)量范圍。

為實(shí)現(xiàn)谷物含水率在聯(lián)合收獲機(jī)上進(jìn)行快速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高測(cè)量精度、增大測(cè)量范圍，本文根據(jù)電容式谷物含水率檢測(cè)原理設(shè)計(jì)高頻電容式谷物含水率在線監(jiān)測(cè)裝置。以10 MHz的高頻信號(hào)作為系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào)，對(duì)電容極板進(jìn)行充放電，通過(guò)信號(hào)處理電路實(shí)現(xiàn)含水率的測(cè)量，并利用COMSOL軟件進(jìn)行有限元分析對(duì)傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小邊緣效應(yīng)，提高系統(tǒng)的靈敏度及可靠性。

1 監(jiān)測(cè)原理及整體方案設(shè)計(jì)

1.1 電容傳感器監(jiān)測(cè)原理

電容式含水率傳感器的工作原理是將被測(cè)谷物放置在2個(gè)電容極板之間，由于水的相對(duì)介電常數(shù)為80左右，而干燥谷物的相對(duì)介電常數(shù)為2.5左右，當(dāng)谷物的含水率不同時(shí)，其相對(duì)介電常數(shù)εr會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致電容值發(fā)生變化，從而測(cè)出谷物的含水率[17-19]。因?yàn)樗竞托←湹男螤?、體積等基本屬性類(lèi)似，本文所設(shè)計(jì)的谷物含水率監(jiān)測(cè)裝置對(duì)二者均可適用。

在檢測(cè)過(guò)程中 2極板之間的谷物可視為由干燥谷物（固相）、水（液相）以及空氣（氣相）3部分組成的等效模型[4]。設(shè) 2極板之間干燥谷物的等效寬度為 W1、水的等效寬度為 W2、空氣的等效寬度為 W3[20]，則 2極板之間總的相對(duì)面積為：

式中H為平行板之間谷物有效長(zhǎng)度，m；1A、2A、3A分別表示極板所對(duì)應(yīng)3種物質(zhì)的等效相對(duì)面積，m2；A表示極板相對(duì)面積，m2。

設(shè)3種物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)分別為1ε、2ε、3ε，所對(duì)應(yīng)的等效電容分別為1C、2C、3C，則總的電容值C為：

根據(jù)平行板電容器的基本計(jì)算公式以及式（2）可得：

式中ε0為真空中的介電常數(shù)，ε0= 8 .85× 1 0-12F/m；D為00極板間距，m。

設(shè)干燥谷物的密度為ρ1，質(zhì)量為m1；水的密度為ρ2，質(zhì)量為 m2；空氣質(zhì)量可忽略不計(jì)。根據(jù)被測(cè)谷物含水率的定義可得谷物的含水率M為：

由于水的密度21ρ=，根據(jù)式（3）、（4）可得：

式中可看作為極板間谷物的孔隙比，用e表示。由于電容傳感器設(shè)計(jì)完成后 A、D為定值，令，則式（5）可表示為：

式中0K為極板結(jié)構(gòu)常數(shù)。

由式（6）可知，谷物含水率M與輸出電容C呈單值函數(shù)的關(guān)系。因此通過(guò)檢測(cè)出電容值的變化即可檢測(cè)出谷物含水率的變化。

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的谷物含水率監(jiān)測(cè)裝置以 STM32F103ZET6微控制器為核心，將電容值檢測(cè)電路輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)微控制器內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換后，通過(guò)相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，得到谷物含水率在顯示模塊ILI9341上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡中，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析，整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體方案框圖Fig.1 Overall scheme block diagram of monitoring system

激勵(lì)信號(hào)首先通過(guò)交流信號(hào)放大電路將其的幅值放大，放大后的激勵(lì)信號(hào)對(duì)電容極板進(jìn)行充放電，當(dāng)極板間谷物含水率不同時(shí)電容值不同，電容充放電時(shí)間也就不同，從而使輸出端信號(hào)的幅值不同。通過(guò)信號(hào)處理電路將傳感器的有用信號(hào)取出。再利用均方根轉(zhuǎn)換電路將信號(hào)處理后的交流信號(hào)為直流電壓信號(hào)，通過(guò)電壓信號(hào)反映出含水率的不同。最終根據(jù)檢測(cè)電壓變化與谷物含水率變化之間的關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)谷物含水率的測(cè)量。

2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 采樣裝置

本文所設(shè)計(jì)的谷物含水率監(jiān)測(cè)傳感器主要用于聯(lián)合收獲機(jī)上對(duì)谷物含水率進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，與谷物破碎率、含雜率檢測(cè)系統(tǒng)共用 1個(gè)采樣裝置，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化、簡(jiǎn)便化，采樣裝置如圖 2所示[21]。谷物采樣裝置安裝在升運(yùn)器的出糧口，使谷物連續(xù)地進(jìn)入采樣盒，保證了采集樣本的隨機(jī)性。采樣盒外側(cè)面下方固定有 1個(gè)推拉式電磁鐵，電磁鐵推拉桿與采樣盒的底板相連，如圖2b所示。為 t2，每次通電時(shí)長(zhǎng)為 t3，通電時(shí)處于棄樣狀態(tài)。采樣盒裝滿谷物需要時(shí)間為t1，需滿足 t2- t3＞ t1。電磁鐵周期性通斷電，控制底板周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，保證采樣盒周期性采樣棄樣。當(dāng)聯(lián)合收獲機(jī)不進(jìn)行谷物的收獲或者不需要對(duì)含水率進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，底板始終處于閉合狀態(tài)。

圖2 谷物采樣盒結(jié)構(gòu)及裝置安裝示意圖（mm）Fig.2 Schematic and installation diagram of grain collection device (mm)

采樣盒的長(zhǎng)、寬、高分別為140、40和90 mm，受采樣裝置的空間結(jié)構(gòu)限制，所設(shè)計(jì)的電容傳感器采用平板式結(jié)構(gòu)。

2.2 極板材料選擇

極板材料的優(yōu)劣對(duì)電容傳感器性能、重量等都有重要影響，極板材料應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性以及抗腐蝕性。平板式電容器極板一般有銅箔、鋁箔、銀箔等，這3種材料導(dǎo)電性能由高到低分別是銀箔、銅箔、鋁箔。用鋁箔作為極板材料時(shí)其純度需達(dá)到99.5%以上，對(duì)其表面光潔度、平整對(duì)的要求也較高，較難實(shí)現(xiàn)。雖然銅箔的導(dǎo)電性低于銀箔，但是其具有較好的延展性、易于焊接且價(jià)格相對(duì)較低。綜合考慮，采用銅箔作為本系統(tǒng)的極板材料。

2.3 基于COMCOL的平行板電容器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

平行板電容器在檢測(cè)過(guò)程中，電容器邊緣存在發(fā)散的電場(chǎng)現(xiàn)象，即在靠近邊緣的地方電場(chǎng)線呈彎曲狀，稱(chēng)為邊緣效應(yīng)[22]。邊緣效應(yīng)的存在不僅會(huì)使會(huì)使電容器的靈敏度降低，而且使輸出結(jié)果產(chǎn)生非線性。極板厚度、極板間距、相對(duì)面積是影響邊緣效應(yīng)的重要因素[22-25]。利用傳統(tǒng)經(jīng)典的電磁場(chǎng)理論很難精確具體地分析電容器所存在的邊緣場(chǎng)效應(yīng)，給傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化增加了一定的難度，本文借助有限元分析軟件 COMSOL Multiphysics（簡(jiǎn)稱(chēng)COMSOL）對(duì)電容極板以及其作業(yè)環(huán)境進(jìn)行模擬，得出邊緣場(chǎng)效應(yīng)與極板之間的關(guān)系，對(duì)傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[26]，減小邊緣效應(yīng)的產(chǎn)生。

2.3.1 建模與網(wǎng)絡(luò)劃分

利用COMSOL對(duì)電容極板以及工作環(huán)境構(gòu)建三維實(shí)體模型。在仿真過(guò)程中極板的厚度小于等于1 mm，自由分割四分體網(wǎng)格的方法在微小區(qū)域更易自動(dòng)生成較小的網(wǎng)絡(luò)，并且最大程度上保持了網(wǎng)格表面與三維模型表面的一致性，使求解精度更加接近于實(shí)際情況[27]。因此，本文采用自由分割四分體網(wǎng)格的方法對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，創(chuàng)建一系列有限元節(jié)點(diǎn)，得到的計(jì)算區(qū)域與網(wǎng)格如圖3所示。在仿真過(guò)程中，谷物被模擬成均勻分布的實(shí)體，其介電常數(shù)根據(jù)仿真時(shí)實(shí)際情況設(shè)定為1～50[26]，上下極板材料為銅箔。選用電流場(chǎng)（electric current）作為物理場(chǎng)，上極板加交流激勵(lì)，下極板接地。通過(guò)求解器中的電容計(jì)算，測(cè)得極板兩端的電容值。

圖3 電容極板網(wǎng)格劃分Fig.3 Grid division of capoacitor plate

2.3.2 邊緣效應(yīng)仿真分析

引起邊緣效應(yīng)的因素主要有極板厚度、極板間距、相對(duì)面積，采用控制變量法分別改變極板相對(duì)面積A、極板間距D以及極板厚度h，得到仿真電容值C。根據(jù)平行板電容器理論公式，計(jì)算出電容的理論值 C0，仿真電容值C與理論值C0的比值之間的關(guān)系C/C0即可反映出邊緣效應(yīng)的程度。由于稻粒的長(zhǎng)度為6～10 mm[28-29]，為了防止稻?？ㄔ?極板之間，極板間距應(yīng)大于等于10 mm，因此在控制變量中極板間距D取值為10 mm。隨著極板厚度的增加，其邊緣散射電場(chǎng)線寬度越寬（及邊緣效應(yīng)的影響較大）[23]，綜合考慮邊緣效應(yīng)以及極板的強(qiáng)度，選用厚度h為0.1 mm的銅箔作為極板進(jìn)行仿真試驗(yàn)。由于采樣盒與含雜、破碎率檢測(cè)系統(tǒng)共用，在確保含雜、破碎率檢測(cè)系統(tǒng)能夠正常檢測(cè)情況下，選取相對(duì)面積為3 000 mm2的極板進(jìn)行仿真。

極板相對(duì)面積A、極板間距D以及極板厚度h和C/C0之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 極板結(jié)構(gòu)參數(shù)與邊緣效應(yīng)之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between plate structure parameters and edge effect

由圖 4可知：當(dāng)極板間距、極板厚度一定時(shí)，邊緣效應(yīng)與極板的相對(duì)面積呈負(fù)相關(guān)；當(dāng)極板相對(duì)面積、極板厚度一定時(shí)，邊緣效應(yīng)隨著極板間距的增大而增大；當(dāng)極板相對(duì)面積、極板間距一定時(shí)，邊緣效應(yīng)與極板的厚度呈正相關(guān)。

2.3.3 電容極板參數(shù)優(yōu)化

由于影響電容邊緣效應(yīng)的因素較多，為了得到主次因素及合理水平，選取極板厚度h、極板間距D、相對(duì)面積A為試驗(yàn)因素，以仿真電容值與理論電容值的比值C/C0（下稱(chēng)電容比值）以及靈敏度S為試驗(yàn)指標(biāo)，選用L9（34）正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)仿真。試驗(yàn)因素水平如表 1所示。正交試驗(yàn)方案如表2所示。

表1 試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels of experiments

表2 正交試驗(yàn)方案Table 2 Orthogonal test scheme

對(duì)每個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行仿真時(shí)，選用水稻籽粒作為研究對(duì)象，其介電常數(shù)通過(guò)參數(shù)化掃描使其值在 1～50進(jìn)行變化[26]，每個(gè)試驗(yàn)得到50個(gè)仿真電容值Cx，其次計(jì)算不同的電容的理論值C0x。由于電容的邊緣場(chǎng)效應(yīng)與谷物的介電常數(shù)無(wú)關(guān)，因此每個(gè)試驗(yàn)的 Cx/C0x（x=1，2，3，…，50）相同，記錄下每組試驗(yàn)的Cx/C0x，即正交試驗(yàn)的試驗(yàn)指標(biāo)之一。利用每組試驗(yàn)隨介電常數(shù)變化所得到的50個(gè)電容值Cx繪制出水稻籽粒介電常數(shù)-電容值曲線圖，如圖5所示。

根據(jù)靈敏度計(jì)算公式k =Δy Δx 可知，曲線斜率可表示為靈敏度。對(duì)圖5中的每條曲線做一元線性回歸分析，得到不同參數(shù)的回歸方程，根據(jù)回歸方程的參數(shù)可以用來(lái)衡量每個(gè)試驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的靈敏度。

正交試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。為了評(píng)價(jià)3個(gè)因素電容傳感器的影響，尋找主要因素以及最佳結(jié)構(gòu)方案，對(duì)正交試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了方差分析，如表4。

圖5 電容與水稻籽粒介電常數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between capacitance and rice grain dielectric constant

表3 試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results

表4 電容比值-靈敏度方差分析Table 4 Analysis of variance for capacitance ratio and sensitivity

從表 4可知，在對(duì)電容比值方差分析中，h的F>F0.1(2,2)=9，表明極板厚度對(duì)電容比值的影響較為顯著；D和A的F

表5中，針對(duì)電容比值進(jìn)行極差分析時(shí)，A1和A2的平均響應(yīng)相同，所以有2組較優(yōu)的方案h1D3A2或h1D3A1。但是針對(duì)靈敏度進(jìn)行極差分析時(shí)，A2的平均響應(yīng)大于A1，其靈敏度相對(duì)較高。因此，最終選定最佳組合為h1D3A2，即極板厚度為0.15 mm，極板間距為20 mm，極板間相對(duì)面積為 3 000 mm2。極板實(shí)物如圖 6a所示，安裝位置如圖6b所示。

表5 電容比值-靈敏度正交試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of orthogonal experiments of capacitance ratio and sensitivity

圖6 極板結(jié)構(gòu)及安裝示意圖Fig.6 Plate structure and installation diagram

3 谷物含水率監(jiān)測(cè)裝置軟、硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 電容極板充放電電路設(shè)計(jì)

為了更加準(zhǔn)確地檢測(cè)出谷物含水率、簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)、降低成本，根據(jù)電容式谷物含水率檢測(cè)的原理，即隨著電容值的不同，激勵(lì)信號(hào)對(duì)電容極板進(jìn)行充放電后輸出信號(hào)的電壓值也就不同，對(duì)電容極板充放電電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。分別利用1、10和 100 Hz、1、10和 100 kHz、1、10和 100 MHz等不同頻率的信號(hào)源對(duì)電容器進(jìn)行充放電，電容值的變化范圍為5～95 pF，通過(guò)Multisim對(duì)電路進(jìn)行仿真試驗(yàn)。電容傳感器在電路中的等效模型如圖7a所示，由電容C32和電阻R31并聯(lián)構(gòu)成，C29為隔直電容，R33與 C32構(gòu)成一階 RC電路，從而使激勵(lì)信號(hào)對(duì)電容進(jìn)行周期性充放電。根據(jù)電路的分壓原理對(duì)圖7a進(jìn)行分析可得：

由于C32<

通過(guò)Multisim對(duì)電路進(jìn)行仿真，得到電容-電壓曲線關(guān)系如圖 7b所示，其中橫軸為電容 C32，縱軸為輸出電壓 U0。

圖7 Multisim仿真電路和不同晶振對(duì)電容充放電輸出曲線Fig.7 Multisim simulation circuit and output curve of charge and discharge of capacitor with different crystal oscillator

從圖7b中可以看出，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)小于1 MHz時(shí)，輸出電壓保持不變；當(dāng)激勵(lì)信號(hào)為大于1 MHz時(shí)，隨著電容值的增加，激勵(lì)信號(hào)對(duì)電容充放電后的輸出電壓減小。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)頻率為20、50和100 MHz時(shí)，電容值在0～20 pF時(shí)其輸出隨著輸入的變化較為明顯，但是隨著電容值的增大輸出電壓的變化率減小；當(dāng)激勵(lì)信號(hào)為小于等于8 MHz時(shí)，電容值在0～20 pF時(shí)其輸出隨輸入的變化趨勢(shì)相較10 MHz來(lái)說(shuō)不明顯。由于電容傳感器電容值的變化范圍在25～40 pF，因此本文中采用10 MHz的信號(hào)作為系統(tǒng)的高頻激勵(lì)信號(hào)。

3.1.2 均方根轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

激勵(lì)信號(hào)對(duì)電容極板充放電后其輸出波形為非正弦波，隨著谷物含水率的不同，充放電后波形的幅值相應(yīng)的發(fā)生變化。為了得到含水率與電壓變化之間的關(guān)系，采用均方根轉(zhuǎn)換電路將電容充放電后的非正弦波轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)輸出。

本文選擇型號(hào)為 AD8361的均方根響應(yīng)檢測(cè)芯片進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換。AD8361采用單電源供電，工作電流為1.1 mA，功耗小。芯片采用雙平方電路比較轉(zhuǎn)換技術(shù)和激光修正技術(shù)，測(cè)量線性度較高，可將頻率為2.5 GHz、幅值為 700 mV以下任意波形的信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)輸出，內(nèi)部含有一個(gè)放大倍數(shù)為7.5倍的放大電路，提高輸出信號(hào)的幅值。AD8361的電路連接圖如圖8所示。

圖8 均方根轉(zhuǎn)換電路Fig.8 RMS conversion circuit

圖8 中C31、C33、C35為去耦電容，其作用是降低電源噪聲，防止供電電源產(chǎn)生抖動(dòng)，影響電路的穩(wěn)定性。電阻R32和電容C34構(gòu)成一階高通濾波器對(duì)AD8361的輸入信號(hào)進(jìn)行濾波處理，提高信號(hào)的可靠性，高通濾波器的截止頻率為8 MHz。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)谷物含水率的實(shí)時(shí)測(cè)量與存儲(chǔ)，將電容傳感器對(duì)的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò) A/D轉(zhuǎn)換口 PB0送入STM32F103ZET6微處理器，利用STM32芯片內(nèi)部自帶的ADC模塊將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并根據(jù)傳感器檢測(cè)到的電壓信號(hào)與實(shí)際谷物含水率之間的關(guān)系模型，計(jì)算出當(dāng)前的谷物含水率。

在 ILI9341觸摸彩屏上設(shè)計(jì)了“實(shí)時(shí)顯示”、“數(shù)據(jù)查詢(xún)”觸摸按鍵，可以根據(jù)需求進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取。實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)顯示”功能時(shí)，利用STM32的定時(shí)/計(jì)數(shù)功能，設(shè)定時(shí)間間隔，每過(guò)1 s將數(shù)據(jù)處理后的谷物含水率送入ILI9341觸摸彩屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡中。實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)查詢(xún)”功能時(shí)，通過(guò)讀取先前存儲(chǔ)在SD卡中的數(shù)據(jù)并在ILI9341觸摸彩上顯示出來(lái)。程序流程和觸摸屏界面如圖9所示。

圖9 軟件設(shè)計(jì)流程圖及人機(jī)交互界面Fig.9 Software design flow chart and human-computer interaction interface

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 激勵(lì)信號(hào)驗(yàn)證試驗(yàn)

通過(guò)Multisim對(duì)電路進(jìn)行仿真試驗(yàn)可知，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)頻率大于1 MHz時(shí)，其對(duì)電容進(jìn)行充放電輸出電壓隨電容值的變化較為明顯，本文將利用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的作為信號(hào)源，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行分析。

由于函數(shù)信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的信號(hào)頻率最高為20 MHz，因此，試驗(yàn)中分別采用1、10、20 MHz頻率信號(hào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電容器進(jìn)行充放電，并針對(duì)不同頻率的信號(hào)對(duì)信號(hào)處理電路的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行改變，測(cè)得輸出電壓信號(hào)。試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同晶振信號(hào)激勵(lì)對(duì)電容充放電試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Test results of charge and discharge of capacitor with different crystal oscillator

由圖10可以看出，10和20 MHz的激勵(lì)信號(hào)對(duì)電容進(jìn)行充放電時(shí)輸出電壓的變化率較大。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)為10 MHz時(shí)，輸出曲線的分辨率相對(duì)較高，能夠更加準(zhǔn)確地檢測(cè)出谷物含水率。因此，本文采用頻率為 10 MHz的高頻信號(hào)作為系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào)源。

通過(guò)MATLAB軟件對(duì)10 MHz頻率的曲線進(jìn)行擬合，擬合的函數(shù)關(guān)系式為：

式中x表示電容值，pF；y表示輸出電壓幅度，V；其中決定系數(shù)R2=0.9969。

4.2 傳感器標(biāo)定與測(cè)量范圍分析

4.2.1 傳感器的標(biāo)定

為了得到含水率測(cè)量電路輸出電壓與含水率之間的關(guān)系，采用 105 ℃標(biāo)準(zhǔn)烘干法測(cè)得水稻籽粒含水率對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定[30]。分別將浸泡0、1、2、3、4、5 h的水稻籽粒放入烘箱中進(jìn)行烘干處理，根據(jù)烘干前后的質(zhì)量差得到其含水率，烘干前通過(guò)傳感器測(cè)得每組試樣的電壓值，每組試樣所測(cè)得的數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 標(biāo)定數(shù)據(jù)Table 6 Calibration datas

根據(jù)表 6對(duì)測(cè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合得電壓與含水率的關(guān)系為：

式中M為谷物含水率，%；U為電壓值，V；其中決定系數(shù)R2=0.990 7。根據(jù)式（10）對(duì)軟件程序中電壓與含水率之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行編寫(xiě)，以使谷物含水率實(shí)時(shí)顯示。

4.2.2 傳感器測(cè)量范圍分析

為了傳感器的測(cè)量范圍，通過(guò)浸泡不同時(shí)長(zhǎng)的谷物獲得不同的含水率；利用所設(shè)計(jì)的傳感器對(duì)不同含水率的谷物進(jìn)行電壓檢測(cè)，檢測(cè)值為橫軸；同時(shí)采用105℃烘干法測(cè)量每組谷物的實(shí)際含水率，將測(cè)量值作為縱軸；根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的谷物含水率與輸出電壓曲線圖如圖11所示。

圖11 谷物含水率與輸出電壓圖Fig.11 Diagram of relationship between grain moisture content and output voltage

如圖11所示，當(dāng)谷物含水率大于10%小于30%時(shí)，傳感器的輸出電壓隨谷物含水率的變化與所擬合的曲線基本一致。當(dāng)谷物含水率大于30%小于10%時(shí)，隨著含水率的變化，傳感器的輸出電壓不發(fā)生改變。因此本文所設(shè)計(jì)的含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的含水率檢測(cè)范圍為 10%～30%。檢測(cè)范圍相較于文獻(xiàn)[4]的10%～25%提升了5%。

4.3 室內(nèi)靜態(tài)試驗(yàn)與結(jié)果分析

測(cè)量精度是驗(yàn)證傳感器性能的重要特征參數(shù)之一，通過(guò)所設(shè)計(jì)的含水率檢測(cè)裝置和 105 ℃烘干法對(duì)不同含水率的谷物進(jìn)行室內(nèi)靜態(tài)試驗(yàn)。檢測(cè)的環(huán)境溫濕度為：溫度25.0 ℃，濕度33%RH。以105 ℃烘干法測(cè)得的含水率為 12.33%、15.74%、18.61%、21.50%和 25.47%的 5組水稻籽粒作為試驗(yàn)對(duì)象，利用含水率檢測(cè)裝置進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測(cè)，并與 105 ℃烘干法測(cè)得的值進(jìn)行比較。每組試驗(yàn)重復(fù)10次，取平均值，結(jié)果如表7所示。

表7 水稻籽粒含水率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Table 7 Test datas of grain moisture content

從表7可知，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的平均相對(duì)誤差在1%以?xún)?nèi)，監(jiān)測(cè)結(jié)果較為穩(wěn)定；但當(dāng)谷物含水率較低時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最大相對(duì)誤差較??；當(dāng)含水率較高時(shí)，最大相對(duì)誤差相對(duì)較大；然而，當(dāng)含水率大于 20%時(shí)，谷物含水率監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)到的最大相對(duì)誤差基本保持不變。本測(cè)量?jī)x的最大相對(duì)誤差為 1.57%，可監(jiān)測(cè)的含水率最小變化在0.01%。相較于文獻(xiàn)4相對(duì)測(cè)量誤差降低了21.5%。

由于浸泡后的谷物表面為“濕潤(rùn)”狀態(tài)，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中其表面的水分會(huì)“附著”在容器或者電容極板上從而引起誤差；其次，在使用所研制的傳感器進(jìn)行測(cè)量與烘干法檢驗(yàn)過(guò)程中存在時(shí)間差，導(dǎo)致部分水分的流失引起誤差。

4.4 田間在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文提出的谷物含水率監(jiān)測(cè)裝置的可行性與可靠性，2017年8月28日在黑龍江省嫩江市多寶山鎮(zhèn)建邊農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行了小麥?zhǔn)斋@試驗(yàn)（如圖 12所示），小麥品種為克春11號(hào)，其自然屬性如下：高度62 cm，千粒質(zhì)量41.58g，草谷比0.95%，每公頃產(chǎn)量5001 kg。聯(lián)合收獲機(jī)為雷沃重工股份有限公司研制的試驗(yàn)樣機(jī) GV5，其割幅寬度為 4.25 m，留茬高度為 18 cm，清選損失率為0.057%，含雜率為1.59%，破碎率為0.076%。將研制的谷物含水率傳感器安裝在圖 2所設(shè)計(jì)的采樣盒上，并將采樣盒安裝在聯(lián)合收獲機(jī)的糧箱上部（圖2c）。試驗(yàn)時(shí)，使底板處于閉合狀態(tài)，每隔10 m進(jìn)行1次含水率的在線監(jiān)測(cè)；聯(lián)合收獲機(jī)的前進(jìn)速度為1 m/s，每完成10 m作業(yè)后停機(jī)，并人工將采樣盒中的小麥籽粒收集在密封容器中，便于后續(xù)采用 105 ℃烘干法檢測(cè)谷物含水率，與監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比；試驗(yàn)重復(fù)8次，結(jié)果如表8所示。

圖12 田間作業(yè)圖Fig.12 Field word diagram

表8 田間試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Results of field experiments

田間試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的含水率監(jiān)測(cè)裝置也可適用于小麥籽粒。

通過(guò)表 8所示的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，測(cè)量結(jié)果的最大相對(duì)誤差為 2.07%，符合項(xiàng)目預(yù)設(shè)（≤5%）要求。與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果相比，田間試驗(yàn)的相對(duì)誤差較大，其原因是田間試驗(yàn)時(shí)環(huán)境因素惡劣、振動(dòng)較大?？赏ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)減震裝置，減小采樣盒的振動(dòng)；通過(guò)提高監(jiān)測(cè)裝置的密封性與隔熱性減小環(huán)境對(duì)電子元器件的影響。

5 結(jié) 論

1）本文利用COMSOL有限元分析方法，針對(duì)電容極板的厚度、極板間距、相對(duì)面積進(jìn)行了三因素三水平的正交試驗(yàn)優(yōu)化仿真，結(jié)果表明三因素對(duì)靈敏度的影響不顯著對(duì)邊緣效應(yīng)的影響較為顯著，其中，影響邊緣效應(yīng)的主次因素為極板的厚度>極板間距>相對(duì)面積。最終選取極板厚度為0.15 mm，極板間距為20 mm，極板間相對(duì)面積為3 000 mm2。

2）本文根據(jù)電容檢測(cè)的基本原理，通過(guò)Multisim電路仿真，利用不同頻率的激勵(lì)信號(hào)對(duì)電容進(jìn)行充放電，得到電容與輸出電壓之間的關(guān)系。仿真結(jié)果表明，輸出電壓隨著電容值的增加而減少；特別地，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)頻率為10 MHz時(shí)，輸出電壓隨電容值得變化較為明顯，易于更加精確的檢測(cè)出其相對(duì)變化。因此，本文中采用10 MHz的信號(hào)作為系統(tǒng)的高頻激勵(lì)信號(hào)。

3）研制的谷物含水率監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行了室內(nèi)靜態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)以及田間在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，室內(nèi)靜態(tài)試驗(yàn)的最大相對(duì)誤差為 1.57%，田間在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)的最大相對(duì)誤差為2.07%。

本文所設(shè)計(jì)的谷物含水率在線監(jiān)測(cè)裝置為聯(lián)合收獲機(jī)的智能測(cè)產(chǎn)提供了可靠的計(jì)算參數(shù)，進(jìn)一步提高了測(cè)產(chǎn)精度。與此同時(shí)，在一定程度上有效指導(dǎo)收獲過(guò)程，減小谷物損失率。

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