牛智有，劉芳宏，劉 鳴，任鄒弘，李 培

平行極板電容傳感器介電式顆粒飼料水分檢測(cè)儀設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

牛智有1,2，劉芳宏1，劉 鳴1，任鄒弘1，李 培1

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2. 農(nóng)業(yè)部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

為了實(shí)現(xiàn)顆粒飼料含水率的快速、無損檢測(cè)，設(shè)計(jì)了以STM32F103ZET6單片機(jī)為控制芯片的顆粒飼料水分檢測(cè)儀，采用平行極板電容傳感器、溫度傳感器、質(zhì)量傳感器和相應(yīng)的檢測(cè)電路分別檢測(cè)顆粒飼料樣品的電容、溫度和容積密度，經(jīng)過單片機(jī)進(jìn)行處理后實(shí)現(xiàn)顆粒飼料的含水率檢測(cè)，并在OLED顯示屏上顯示檢測(cè)結(jié)果。采用自制顆粒飼料水分檢測(cè)儀，分析了含水率、溫度、容積密度對(duì)顆粒飼料相對(duì)介電常數(shù)的影響規(guī)律，并建立了相對(duì)介電常數(shù)與含水率、溫度、容積密度之間的關(guān)系模型，模型的決定系數(shù)為0.996 8。同時(shí)對(duì)顆粒飼料水分檢測(cè)儀的檢測(cè)精度進(jìn)行了檢驗(yàn)，含水率實(shí)測(cè)值與儀器檢測(cè)值之間的決定系數(shù)為0.990 3。試驗(yàn)結(jié)果表明，與烘干法相比，所設(shè)計(jì)檢測(cè)儀的絕對(duì)測(cè)量誤差值在±0.6%以內(nèi)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。該研究為顆粒飼料水分快速、無損在線檢測(cè)提供一種新的方法和技術(shù)支撐。

無損檢測(cè)；含水率；傳感器；電容傳感器；顆粒飼料；檢測(cè)儀；介電特性

0 引 言

飼料是種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的重要聯(lián)結(jié)，在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中居于關(guān)鍵地位[1]。經(jīng)過四十多年的持續(xù)發(fā)展，中國成為世界上主要飼料生產(chǎn)大國之一，占世界總產(chǎn)量的20%[2]。顆粒飼料是飼料產(chǎn)品的主要物理形態(tài)，具有營養(yǎng)全面、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)[3-4]。含水率是顆粒飼料品質(zhì)的基本指標(biāo)，直接影響飼料產(chǎn)品的質(zhì)量及其貯藏性能。顆粒飼料的含水率過高，會(huì)使其容易發(fā)霉變質(zhì)，不利于保存，還會(huì)使?fàn)I養(yǎng)成分的含量相對(duì)減少，降低了顆粒飼料的能量；顆粒飼料的含水率過低，會(huì)影響飼料口味并造成過大的重量損失[5-6]。因此，在顆粒飼料的加工、儲(chǔ)存應(yīng)用中，含水率的檢測(cè)非常重要。

介電特性是表達(dá)不同生物體在不同環(huán)境中的差異性的物理參數(shù)之一，通過研究這一參數(shù)可以獲得豐富的生物信息[7-9]。介電特性的研究覆蓋了醫(yī)藥、地質(zhì)、農(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域，基于不同的研究目的，側(cè)重點(diǎn)也有所差異。陳曉敏等[10]利用阻抗分析儀分析了頻率為0.01～100 MHz下血液的介電參數(shù)與血液指標(biāo)的關(guān)系。結(jié)果表明，血沉與血液介電參數(shù)呈線性相關(guān)。宋文等[11]利用時(shí)域有限差分法模擬出4種不同介電特性差異的土壤層次的土體模型，再結(jié)合雷達(dá)電磁波實(shí)現(xiàn)對(duì)潮土區(qū)農(nóng)田土體構(gòu)型層次的無損探測(cè)。邊紅霞等[12]利用萬能試驗(yàn)機(jī)和平行板電極法測(cè)量了不同壓力下蘋果的介電參數(shù)。結(jié)果表明，蘋果的相對(duì)介電常數(shù)和損耗因數(shù)會(huì)隨著靜壓力的延長而增大，這為根據(jù)果品的介電特性快速評(píng)價(jià)其受傷程度提供了理論指導(dǎo)。

農(nóng)業(yè)物料的介電特性主要應(yīng)用于新鮮度檢測(cè)[13-14]、分級(jí)篩選[15-16]、品種檢測(cè)[17-18]、含水率預(yù)測(cè)[19-21]等領(lǐng)域。其中，基于介電特性的農(nóng)業(yè)物料含水率預(yù)測(cè)是一種常見的、應(yīng)用廣泛的檢測(cè)方法[22]。不同含水率的農(nóng)業(yè)物料的介電特性不同，根據(jù)這一原理，國內(nèi)外學(xué)者普遍采用通過測(cè)量農(nóng)業(yè)物料的介電參數(shù)，建立與對(duì)應(yīng)含水率的數(shù)學(xué)模型，從而達(dá)到預(yù)測(cè)農(nóng)業(yè)物料水分的目的[23-25]。但是，僅考慮含水率對(duì)農(nóng)業(yè)物料介電特性的影響，會(huì)降低數(shù)學(xué)模型精度，影響預(yù)測(cè)效果。因此，需要考慮溫度、容積密度、含水率等因素對(duì)農(nóng)業(yè)物料介電特性的影響。將這些因素融合處理，可以提高對(duì)農(nóng)業(yè)物料含水率的檢測(cè)精度[26-28]。

顆粒飼料含水率測(cè)定方法主要是烘干法。該方法雖然測(cè)量精度高，結(jié)果穩(wěn)定，但測(cè)定過程繁瑣，費(fèi)工耗時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)快速、無損測(cè)量[29]。目前，市場(chǎng)上已有的水分檢測(cè)儀多適用于谷類作物及其他經(jīng)濟(jì)作物，尚未有專門用于測(cè)量顆粒飼料含水率的檢測(cè)儀[30-33]。因此，為了實(shí)現(xiàn)顆粒飼料含水率的快速、無損檢測(cè)，本文利用顆粒飼料的介電特性，研制一種基于介電特性的便攜式顆粒飼料水分測(cè)定裝置，旨在為顆粒飼料水分快速、無損在線檢測(cè)提供一種新的方法和技術(shù)支撐。

1 顆粒飼料水分檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

1.1 總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與檢測(cè)原理

顆粒飼料水分檢測(cè)儀總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包含電容傳感器、溫度溫度傳感器、質(zhì)量傳感器和電路板保護(hù)殼等。電路板保護(hù)殼使用Creo4.0軟件設(shè)計(jì)，尺寸為110 mm×110 mm×27 mm，用3D打印技術(shù)制作，耗材采用光敏樹脂；溫度傳感器放置在電容傳感器內(nèi)，而電容傳感器置于質(zhì)量傳感器上，質(zhì)量傳感器固定在電路板保護(hù)殼上。

圖1 顆粒飼料水分檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示主要包括單片機(jī)控制模塊、電容傳感器、質(zhì)量傳感器、溫度傳感器、電源模塊、顯示模塊、按鍵電路等。

圖2 顆粒飼料水分檢測(cè)系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖

將被測(cè)顆粒飼料樣品裝入料筒，樣品的電容值由電容傳感器及電容檢測(cè)電路檢測(cè)到，并直接以數(shù)字信號(hào)發(fā)送至單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi)部通過運(yùn)算將電容值轉(zhuǎn)換成相對(duì)介電常數(shù)；同時(shí)，質(zhì)量傳感器檢測(cè)到顆粒飼料樣品的質(zhì)量，將質(zhì)量信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換電路發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi)部通過運(yùn)算將質(zhì)量轉(zhuǎn)換成容積密度；溫度傳感器直接測(cè)量到被測(cè)顆粒飼料樣品的溫度，并將測(cè)量結(jié)果直接以數(shù)字量的形式發(fā)送給單片機(jī)。單片機(jī)內(nèi)部將得到的相對(duì)介電常數(shù)、容積密度、溫度進(jìn)行處理，通過建立的水分預(yù)測(cè)模型計(jì)算，實(shí)現(xiàn)測(cè)試顆粒飼料樣品的水分測(cè)試，并將含水率數(shù)值顯示在顯示屏上。表1為顆粒飼料水分檢測(cè)儀檢測(cè)性能參數(shù)。

表1 顆粒飼料水分檢測(cè)儀檢測(cè)性能參數(shù)表

1.2 信號(hào)檢測(cè)關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

1.2.1 電容傳感器模塊設(shè)計(jì)

采用平行極板式電容傳感器。它由2塊平行金屬板和之間的絕緣介質(zhì)組成，設(shè)置兩極板間的距離為40 mm。為了減小電容器的邊緣效應(yīng)，極板的有效面積越大越好，考慮到電容器的體積，取極板的長度為100 mm，寬為80 mm。同時(shí)，在極板的邊緣增加等位環(huán)和選取更薄的極板都有利于進(jìn)一步減弱邊緣效應(yīng)。極板采用導(dǎo)電性良好、溫度系數(shù)較小的紫銅，板厚1 mm。2個(gè)極板分別引出2條屏蔽線用于和電路板連接，并貼在由亞克力板制成的料筒外壁組成帶有電容傳感器的料筒，如圖3所示。

圖3 帶有電容傳感器的料筒

不同含水率的樣品其相對(duì)介電常數(shù)不同，而相對(duì)介電常數(shù)與電容之間存在線性關(guān)系[34]，因此可以通過測(cè)量樣品的電容間接得到其相對(duì)介電常數(shù)。與常見采用大量分布式電子元件搭建的檢測(cè)微小電容電路相比，本文采用數(shù)字電容轉(zhuǎn)換器AD7745芯片來進(jìn)行微小電容檢測(cè)，極大的簡(jiǎn)化了電路，增強(qiáng)了電容檢測(cè)的準(zhǔn)確、穩(wěn)定性[35-37]。

AD7745的默認(rèn)容性動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍為(±4.096) pF，為擴(kuò)大電容檢測(cè)范圍，就需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的電容檢測(cè)范圍擴(kuò)展電路，如圖4所示。電容檢測(cè)范圍擴(kuò)展電路中的運(yùn)算放大器 AD8515 用作低阻抗信號(hào)源，確保AD7745在開始采樣時(shí)，被檢測(cè)電容就已經(jīng)充滿電。C1、C33在電路中起去耦作用，C2在電路中起濾波作用。將電容傳感器引出的2根屏蔽線錫焊在Csens1和CIN（+）即可。

1.2.2 質(zhì)量檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

質(zhì)量檢測(cè)模塊包含質(zhì)量傳感器及相應(yīng)的測(cè)量電路。其功能是通過檢測(cè)出電容傳感器腔內(nèi)所盛顆粒飼料質(zhì)量，再根據(jù)電容傳感器腔內(nèi)體積來得到被測(cè)顆粒飼料的容積密度。

圖4 電容檢測(cè)范圍擴(kuò)展電路

質(zhì)量傳感器選取應(yīng)變式電阻傳感器，量程為5 kg，測(cè)量精度為±1 g。電阻應(yīng)變式質(zhì)量傳感器輸出的是mV級(jí)的電壓信號(hào)，這是一種較小的模擬電信號(hào)，由于外界信號(hào)干擾，單片機(jī)直接采集傳感器輸出電壓將產(chǎn)生較大的誤差，須經(jīng)過質(zhì)量檢測(cè)電路中的HX711芯片將模擬電信號(hào)放大一定的倍數(shù)后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號(hào)后，單片機(jī)才能夠接受、處理。質(zhì)量檢測(cè)電路如圖5所示。

圖5 質(zhì)量檢測(cè)電路

1.2.3 溫度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

溫度檢測(cè)模塊的作用是檢測(cè)出被測(cè)顆粒飼料樣品的溫度。溫度檢測(cè)模塊采用DS18B20單總線式數(shù)字溫度傳感器，其與單片機(jī)通信僅需一個(gè)I/O口，即可將顆粒飼料溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出。接口電路如圖6所示。

圖6 DS18B20 接口電路圖

1.2.4 信號(hào)處理與顯示模塊設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電容、質(zhì)量、溫度等數(shù)據(jù)信號(hào)的采集與處理，單片機(jī)的控制模塊設(shè)計(jì)以STM32最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)，主要包括STM32F103ZET6芯片、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、下載電路等?？刂聘鞴δ苣K實(shí)現(xiàn)操作者意圖。顯示模塊主要采用OLED顯示屏，大小為27 mm×26 mm，通過8080并行方式與單片機(jī)通信，用于顯示顆粒飼料的溫度、相對(duì)介電常數(shù)、容積密度、含水率等。鍵盤采用4個(gè)獨(dú)立式按鍵，用來實(shí)現(xiàn)不同的顯示要求。

1.3 系統(tǒng)檢測(cè)流程

系統(tǒng)檢測(cè)主程序流程如圖7所示，主要包含電容采集子程序、質(zhì)量采集子程序、溫度采集子程序，含水率計(jì)算子程序、按鍵識(shí)別子程序、OLED顯示子程序及各主要芯片的初始化。含水率計(jì)算子程序是軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，直接關(guān)系到含水率的檢測(cè)精度。主要實(shí)現(xiàn)的功能是，將轉(zhuǎn)換后的相對(duì)介電常數(shù)和容積密度和采集到的溫度值代入到后續(xù)試驗(yàn)得到的相對(duì)介電常數(shù)與主要影響因素的關(guān)系式求解含水率。按鍵識(shí)別子程序主要實(shí)現(xiàn)按鍵識(shí)別、被按鍵功能子程序調(diào)用等功能。OLED顯示子程序負(fù)責(zé)被測(cè)顆粒飼料樣品相對(duì)介電常數(shù)、容積密度、溫度、含水率顯示。

圖7 系統(tǒng)檢測(cè)主程序流程圖

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用顆粒飼料來自湖北省某大型飼料企業(yè)所生產(chǎn)的豬顆粒飼料，直徑為3.5 mm。試驗(yàn)前，用篩網(wǎng)篩掉破粒和碎粒，選用顆粒完好、形狀大小較均勻的顆粒飼料，裝入到密封袋保存。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備與方法

試驗(yàn)在自主設(shè)計(jì)的顆粒飼料水分檢測(cè)儀上進(jìn)行。采用烘干法（GB/T6435-2014）測(cè)定顆粒飼料的初始水分。所用儀器包括DHG-9240A型電熱鼓風(fēng)干燥箱（武漢市環(huán)試檢測(cè)設(shè)備有限公司）和AUY220型電子分析天平（日本島津?qū)嶒?yàn)器材有限公司）。試驗(yàn)樣品的初始含水率為11.8%。

為了獲得不同含水率顆粒飼料樣品，使用BT45A10型電子天平（深圳博途電子科技有限公司）稱取3份初始含水率的顆粒飼料樣品，每份約為1 000 g。將3份樣品平攤在托盤中，放入到35 ℃、濕度為80%的RGS-250B型人工氣候培養(yǎng)箱（上海市坤天儀器有限公司）內(nèi)。在高溫、高濕的環(huán)境下，低水分的顆粒飼料會(huì)自動(dòng)吸收空氣中的水分。通過控制顆粒飼料放置在高溫、高濕的人工氣候箱內(nèi)的時(shí)間長短，就可以獲得不同高含水率的顆粒飼料樣品。為了得到1組低含水率顆粒飼料樣品，取1 000 g初始含水率的顆粒飼料平攤在托盤中，放入到105 ℃干燥箱內(nèi)，烘干10 min，即可獲得低含水率的顆粒飼料樣品。直接從顆粒飼料樣品原樣中稱取1 000 g用于試驗(yàn)。試驗(yàn)前，通過烘干法測(cè)量得到9.0%、11.8%、14.2%、15.7%、18.0%的顆粒飼料樣品。

試驗(yàn)時(shí)，先將5種不同含水率的樣品放入到35 ℃的烘箱內(nèi)升溫，待樣品升到35 ℃取出試驗(yàn)，把各個(gè)含水率下的樣品以無壓實(shí)、輕壓實(shí)、重壓實(shí)裝入顆粒飼料水分檢測(cè)儀的電容傳感器中。無壓實(shí)狀態(tài)是將顆粒飼料樣品以自由落體方式裝滿電容傳感器。輕壓實(shí)和重壓實(shí)是對(duì)裝填中的樣品通過振動(dòng)和加壓來改變?nèi)萜鲀?nèi)的樣品質(zhì)量，從而改變?nèi)莘e密度。不同含水率、壓實(shí)度下的容積密度如表2所示。

表2 各含水率下顆粒飼料的容積密度值

將裝滿顆粒飼料樣品的檢測(cè)儀放置到人工氣候培養(yǎng)箱內(nèi)，調(diào)節(jié)人工氣候培養(yǎng)箱的溫度，當(dāng)顆粒飼料樣品溫度分別降到30、25、20、15、10 ℃時(shí)，通過OLED顯示屏記錄相應(yīng)的相對(duì)介電常數(shù)。

2.3 結(jié)果與分析

2.3.1 介電常數(shù)影響因素分析

圖8為無壓實(shí)狀態(tài)下，含水率和溫度對(duì)顆粒飼料相對(duì)介電常數(shù)的影響規(guī)律。由圖8可以看出，在含水率增加或溫度升高的條件下，顆粒飼料的相對(duì)介電常數(shù)均呈單調(diào)遞增的趨勢(shì)。在高含水率和高溫下，顆粒飼料的相對(duì)介電常數(shù)變化的更為明顯。這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是因?yàn)樵诔叵拢南鄬?duì)介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒飼料，水在飼料體積中占的比例越大，則相對(duì)介電常數(shù)就會(huì)越大。當(dāng)溫度升高時(shí)，會(huì)加速飼料內(nèi)自由水的布朗運(yùn)動(dòng)和加速極性分子的取向運(yùn)動(dòng)，從而也會(huì)使得相對(duì)介電常數(shù)增加[38]。在輕壓實(shí)、重壓實(shí)狀態(tài)下也有相同的規(guī)律。

圖9為室溫20 ℃下，容積密度對(duì)不同含水率顆粒飼料樣品相對(duì)介電常數(shù)的影響。由圖9可以看出，在各個(gè)含水率下，顆粒飼料的相對(duì)介電常數(shù)皆隨著容積密度的增大而增大。這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是因?yàn)轭w粒飼料的容積密度越大，意味著單位體積內(nèi)可以容納更多的顆粒飼料，可以存儲(chǔ)更多的電場(chǎng)能，從而使相對(duì)介電常數(shù)增加。該規(guī)律也被發(fā)現(xiàn)于其他測(cè)試溫度下。

圖8 顆粒飼料含水率和溫度對(duì)相對(duì)介電常數(shù)的影響

圖9 20 ℃下容積密度對(duì)顆粒飼料相對(duì)介電常數(shù)的影響

2.3.2 介電常數(shù)模型建立與驗(yàn)證

由2.3.1研究結(jié)果可以看出，顆粒飼料的相對(duì)介電常數(shù)在不同的含水率、溫度、容積密度下，有著明顯的變化規(guī)律。因此，在建立模型時(shí)要充分考慮含水率、溫度、容積密度對(duì)顆粒飼料相對(duì)介電常數(shù)的影響。使用Design-Expert10軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合[39]，得到關(guān)于顆粒飼料相對(duì)介電常數(shù)與含水率、溫度、容積密度之間的一階模型、2因素交互模型、二階模型、三階模型，各模型決定系數(shù)見表3。

表3 各模型決定系數(shù)

由表3可以看出，在各個(gè)模型中，三階模型的決定系數(shù)和預(yù)測(cè)決定系數(shù)最大。所以，采用三階模型，該模型的擬合回歸方程見式（1）

式中′為相對(duì)介電常數(shù)；為溫度，℃；為容積密度，kg/m3；為含水率，%。

為驗(yàn)證式（1）模型的可靠性，隨機(jī)配制12份含水率在9%～18%之間的顆粒飼料樣品，以任意方式裝滿電容傳感器內(nèi)，容積密度在577.1～633.3 kg/m3，測(cè)量在10～30 ℃下的實(shí)際相對(duì)介電常數(shù)。把容積密度、溫度、含水率代入式（1）得到預(yù)測(cè)相對(duì)介電常數(shù)。

以橫坐標(biāo)為實(shí)際相對(duì)介電常數(shù)，縱坐標(biāo)為預(yù)測(cè)相對(duì)介電常數(shù)。采用一元線性回歸的方法，得到實(shí)際相對(duì)介電常數(shù)與預(yù)測(cè)相對(duì)介電常數(shù)之間的相關(guān)圖，如圖10所示。

圖10 實(shí)際相對(duì)介電常數(shù)與預(yù)測(cè)相對(duì)介電常數(shù)相關(guān)圖

由圖10可以看出，實(shí)際相對(duì)介電常數(shù)與預(yù)測(cè)相對(duì)介電常數(shù)之間有很好的線性相關(guān)性，其決定系數(shù)2為0.992 9。表明式（1）能較好的描述相對(duì)介電常數(shù)與容積密度、溫度、含水率的關(guān)系。

2.3.3 水分檢測(cè)儀檢測(cè)精度驗(yàn)證

將顆粒飼料樣品的含水率作為未知量，溫度、容積密度、相對(duì)介電常數(shù)作為已知量，對(duì)式（1）進(jìn)行移項(xiàng)變形，得到式（2）。

在水分檢測(cè)儀檢測(cè)到顆粒飼料樣品的相對(duì)介電常數(shù)、溫度值、容積密度的情況下，方程就變?yōu)橐粋€(gè)關(guān)于含水率的一元三次方程，采用二分迭代法編寫含水率計(jì)算的子程序，解出方程的根就是含水率的計(jì)算值。

為了檢驗(yàn)顆粒飼料水分檢測(cè)儀測(cè)量含水率的準(zhǔn)確性，以湖北省某飼料企業(yè)生產(chǎn)的豬顆粒飼料為對(duì)象，制成6組不同含水率的樣品，通過烘干法測(cè)量得到的實(shí)測(cè)值，分別為10.0%、11.6%、13.1%、14.8%、16.8%、17.6%。將不同含水率的樣品分成3份，以任意方式裝滿本文所設(shè)計(jì)的顆粒飼料水分檢測(cè)儀，在30、25、20、15、10 ℃下，通過水分檢測(cè)儀的OLED顯示屏讀取含水率檢測(cè)值。

以橫坐標(biāo)為含水率實(shí)測(cè)值，縱坐標(biāo)為含水率的檢測(cè)值。采用一元線性回歸的方法，得到含水率實(shí)測(cè)值與含水率檢測(cè)值之間的相關(guān)圖，如圖11所示。

圖11 顆粒飼料水分檢測(cè)儀含水率檢測(cè)值與烘干法含水率測(cè)量值相關(guān)圖

由圖11可以看出，含水率實(shí)測(cè)值與含水率檢測(cè)值之間有很好的線性相關(guān)性，其決定系數(shù)為0.990 3。在含水率為9%～18%范圍內(nèi)，本儀器的水分檢測(cè)誤差在±0.6%以內(nèi)，含水率檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間小于5 s。

3 結(jié) 論

1）采用平行極板電容傳感器、溫度傳感器、質(zhì)量傳感器和相應(yīng)的檢測(cè)電路等設(shè)計(jì)了顆粒飼料水分檢測(cè)儀的硬件系統(tǒng)；采用C語言編寫了系統(tǒng)軟件。

2）測(cè)量了含水率在9%～18%，溫度在10～30 ℃，容積密度在558.3～662.5 kg/m3內(nèi)顆粒飼料樣品的相對(duì)介電常數(shù)，研究顆粒飼料相對(duì)介電常數(shù)與容積密度、溫度、含水率之間的關(guān)系，建立顆粒飼料含水率預(yù)測(cè)模型。結(jié)果表明，顆粒飼料相對(duì)介電常數(shù)隨容積密度、溫度、含水率的增大而增大；所建立的含水率預(yù)測(cè)模型的決定系數(shù)為0.996 8。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，該模型能夠較好的描述相對(duì)介電常數(shù)與容積密度、溫度、含水率的關(guān)系。

3）對(duì)顆粒飼料水分檢測(cè)儀的性能進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，含水率在9%～18%，溫度在10～30 ℃，容積密度在577.1～633.3 kg/m3，與烘干法相比本檢測(cè)儀的絕對(duì)測(cè)量誤差值在±0.6%以內(nèi)，含水率檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間小于5 s。

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Design of dielectric pellet feed moisture detector based on parallel plate capacitance sensor

Niu Zhiyou1,2, Liu Fanghong1, Liu Ming1, Ren Zouhong1, Li Pei1

(1.,,430070,; 2.430070,)

The moisture content of pellet feed directly affects the quality of pellet feed. At present, the drying method is widely used for the detection of moisture in pellet feed. The shortcomings of this method are long detection time and single detection means. In order to increase the pellet feed moisture detection method and realize the non-destructive detection of pellet feed moisture, the STM32F103ZET6 single-chip microcomputer was used as the control chip for the pellet feed moisture detector, which mainly included the capacitance detection module, the temperature detection module and the weight detection module. The capacitance detection module uses parallel plate capacitance sensor and range expansion detection circuit with a digital capacitor converter AD7745 chip as the core. The weight detection module uses a strain resistance sensor and an A/D conversion circuit whose core is HX711 chip. The temperature detection module uses DS18B20 temperature sensor. After the initialization of each module, the capacitance, weight and temperature of the tested sample were sequentially collected, and the capacitance and weight therein were converted into relative permittivity and bulk density. The obtained relative permittivity, bulk density, and temperature were substituted into a moisture content calculation subroutine based on the binary iterative method to obtain a moisture content detection value of the sample and the detection result was displayed on the OLED display. The self-made pellet feed moisture detector was used to analyze the influence of moisture content (9%~18%), temperature (10~30 ℃) and bulk density (558.3~662.5 kg/m3) on the relative permittivity of pellet feed. The prediction model between relative permittivity and moisture content, temperature and bulk density was established. 12 samples of pellet feed with moisture content ranging from 9% to 18% were randomly prepared. The actual relative permittivity at different temperatures was measured by filling the capacitance sensor in any way. Then, the bulk density, temperature, and moisture content were substituted into the established model to obtain the predicted relative permittivity. The actual relative permittivity was compared with the predicted relative permittivity to verify the prediction effect of the established model. The detection accuracy of the dielectric pellet feed moisture detector based on the parallel plate capacitive sensor was tested. The results showed that the relative permittivity of pellet feed increased with the increase of temperature, moisture content and bulk density. The determination coefficient of the established relative permittivity and moisture content, temperature and bulk density model was 0.996 8. There was a good linear correlation between the measured relative permittivity and the predicted relative permittivity, the coefficient of determination was 0.992 9, indicating that the established model could describe the relative permittivity and bulk density, temperature and moisture content relationship well; The coefficient of determination between the measured value of the moisture content of the pellet feed and the detected value of the designed detector was 0.990 3. Compared with the drying method, the absolute measurement error of the measured value and the detected value was within ±0.6%. The research provides a new method and technical support for fast and non-destructive on-line detection of pellet feed moisture content.

nondestructive detection; moisture content; sensor; capacitance sensor; pellet feeds; detector; dielectric properties

牛智有，劉芳宏，劉 鳴，任鄒弘，李 培. 平行極板電容傳感器介電式顆粒飼料水分檢測(cè)儀設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(18)：36－43.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.005 http://www.tcsae.org

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2019-05-10

2019-08-28

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（2662018PY081）

牛智有，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：從事農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)與裝備。Email：nzhy@mail.hzau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.005

S237

A

1002-6819(2019)-18-0036-08