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0、引言
    隨著我國谷物收獲機(jī)械的普及，收獲時節(jié)，大量的機(jī)收糧食會短時間內(nèi)集中上市，迫切需要及時干燥，以保證品質(zhì)，利于儲藏。谷物低溫干燥設(shè)備是解決這一問題的重要裝備。在裝備低溫烘干過程中，需適時在線測定受干燥谷物的水分含量，并根據(jù)水分含量，不斷地調(diào)節(jié)干燥機(jī)的熱風(fēng)溫度和熱風(fēng)流量，以保證谷物的干燥質(zhì)量。因此，實(shí)現(xiàn)干燥過程的谷物水分在線測定，并保證其自動化和連續(xù)化，是提高谷物干燥質(zhì)量和工作效率的關(guān)鍵所在。
    水分在線測定通常都是間接法，通過測定與水分相關(guān)物性參數(shù)的變化，尤其是電特性的變化而獲得被測物含水量的對應(yīng)值。電容法是眾多的谷物水分間接測定方法的一種，它根據(jù)谷物在不同含水量下，其介電常數(shù)不同，也即電容值不同的原理，通過測量不同含水量下的電容值來表示含水量的一種測量方法。該方法在線實(shí)現(xiàn)形式一電容式傳感元件多為圓筒型或平行極板型，結(jié)構(gòu)相對簡單、價格便宜，但其性能常常受到谷物的緊實(shí)程度、溫度和安裝方式等多種因素的影響，精度不高。本文研究使用PCB敷銅層加工成測量電容的極板，利用Ansys建模分析，研究一種邊緣電場電容式谷物水分傳感器；并對測定方法進(jìn)行研究，進(jìn)而設(shè)計出傳感器的硬件電路。
1、谷物的導(dǎo)電特性分析與測定方法研究
    完全干燥的谷物、種子、油料等介質(zhì)可視為絕緣體，其阻抗趨于無窮大。谷物、油料、藥品等含水介質(zhì)在外施幅值不變的中高頻率電信號作用下，其電導(dǎo)率隨激勵的頻率變化而變化。據(jù)相關(guān)資料，稻谷、小麥、大米等含水介質(zhì)的“阻抗一頻率”特性有：
    1)當(dāng)激勵信號的頻率較低時，介質(zhì)的阻抗隨頻率增加而急劇降低；在中間頻帶，阻抗值最小，隨頻率的變化較小；頻率繼續(xù)升高，阻抗值隨之緩慢增加，即：在一定頻率范圍內(nèi)，介質(zhì)的”阻抗一頻率”關(guān)系呈浴盆曲線狀。
    2）試料的品種不同，浴盆效應(yīng)的邊沿頻率也不
同，但各種谷物在100～250kHz范圍內(nèi)基本呈最低阻
抗?fàn)顟B(tài)，施加這一頻帶的激勵信號，可以獲得較大的
與含水介質(zhì)的水分含量成正比的電流檢測信號。
   3)谷物的阻抗與籽粒結(jié)構(gòu)有關(guān)，籽粒有殼體的谷物阻抗較大。稻谷有纖維素和礦物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)堅硬、高度木質(zhì)化的谷殼的阻抗值較大。小麥有纖維素和干纖維組成的皮層，其阻抗較稻谷小，但比只有果實(shí)的大米阻抗要大。
    由于谷物介質(zhì)的“阻抗一頻率”關(guān)系呈浴盆曲線狀，對傳感器施加100—250kHz的激勵信號，以獲得相應(yīng)響應(yīng)信號就可以測量出被測谷物的水分。
    在實(shí)際電路中，電容的測量方法主要有電橋法、諧振回路法、充放電法等。在軟件的處理上，可根據(jù)所測谷物含水率分布和所用單片機(jī)系統(tǒng)主頻選用頻率測量或周期測量。一般而言，測頻法在高頻端具有較高的測量精度，測周法在低頻端具有較高的測量精度。從輸入、輸出信號情況看，常用的測量方法有：一是施加固定頻率信號，測量響應(yīng)的信號強(qiáng)度計算出電容值或水分值；二是施加自激信號，測量響應(yīng)的頻率，從而計算出電容值或水分值。顯然后一種方法比較容易實(shí)現(xiàn)，但具有一定的測量誤差，此測量誤差可以通過分段標(biāo)定修正的方法進(jìn)行有效控制。本研究采用后一種方法，通過測量響應(yīng)頻率進(jìn)行水分的測量。
2、水分傳感器的功能和工作機(jī)理
   水分傳感器是水分在線測定儀的核心部件，其作為一個網(wǎng)絡(luò)從節(jié)點(diǎn)與基于CAN總線的主控節(jié)點(diǎn)組成了本文所研究的水分在線測定儀。這兩部分各自以單片機(jī)為核心。
    主控節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)對傳感器的控制與數(shù)據(jù)傳送，完成參數(shù)設(shè)置、品種選擇及向上級控制系統(tǒng)傳輸測定或狀態(tài)數(shù)據(jù)等；主控節(jié)點(diǎn)還可作為上位總控主機(jī)進(jìn)行控制策略的選擇及控制動作的實(shí)施等。
    傳感器節(jié)點(diǎn)則完成對應(yīng)數(shù)據(jù)的采集與傳輸?shù)裙δ堋Ｒ驕y量系統(tǒng)采用CAN總線組網(wǎng)，水分傳感器節(jié)點(diǎn)個數(shù)可根據(jù)需要增加或減少，所以這種方案還能方便應(yīng)用于大型糧庫等場所，完成多點(diǎn)位水分測定，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測與控制。
    在水分測定儀中，CAN總線網(wǎng)絡(luò)與各節(jié)點(diǎn)間均采取分別供電和光電隔離措施，以提高隔離效果。
  水分傳感器采用邊緣電場電容器作為水分傳感測量元件，并設(shè)計出“容／頻”轉(zhuǎn)換硬件電路，由單片機(jī)讀出與待測物料含水率對應(yīng)的脈沖數(shù)據(jù)；同時根據(jù)集成溫度傳感器采集的待測物料環(huán)境溫度的數(shù)據(jù)，通過軟件對測定水分?jǐn)?shù)據(jù)自動加以修正，得出表達(dá)當(dāng)前待測物料含水率的數(shù)據(jù)，儲于水分節(jié)點(diǎn)緩沖器中，便于及時發(fā)送給主控節(jié)點(diǎn)。
3、邊緣電場傳感元件電特性的Ansys分析
3.1邊緣電場技術(shù)
    由于在線測量的非破壞性和寬的響應(yīng)頻譜等特性要求，人們對物質(zhì)的物理特性測定普遍采用介電常數(shù)測定法。電容傳感器是最常用的一種介電常數(shù)傳感器，如果將平行極板電容傳感器的兩塊極板放在同一平面內(nèi)，就形成了一種新型電場泄漏型傳感器—邊緣電場電容式水分傳感器。工作時，其電力線及穿透谷物的電磁場呈現(xiàn)不平行分布。當(dāng)谷物水分發(fā)生變化時，會帶來介電常數(shù)的改變，在電場作用下，穿透谷物的磁場將發(fā)生相應(yīng)改變，亦即極板間電容值發(fā)生改變，通過測量極板間電容值，可間接測定谷物水分含量。使用這一技術(shù)，谷物只需流經(jīng)傳感元件的一側(cè)（或兩側(cè)）即可完成測量。一種測量電容元件的形式如圖l所示。
3.2傳感元件測量模型與電特性研究
    根據(jù)對物料與電容極板間的位置及組件單元分析結(jié)果，結(jié)合作為測量電容極板的PCB敷銅層尺寸及加載電場位置，設(shè)計出多種傳感器結(jié)構(gòu)方案，并進(jìn)行比較，最終選出一個應(yīng)用于本研究的最優(yōu)測量方案，其傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。
    在應(yīng)用Ansys軟件對其進(jìn)行有限元分析時，采用圖1申A-A剖面方向，將整體模型分為5個部分，即：谷物所對應(yīng)的電容空間用正方體模擬，改變該空間的介電常數(shù)以代表谷物含水量的變化；電極所附著PCB板用2mm厚長方體模擬，極板材料的介電常數(shù)為5左右，本文取其值為5；采用厚0.2mm，寬19mm，長100mm的兩個PCB敷銅片為電極建模實(shí)體；兩電極之間一個寬5mm的長方體作為電極邊緣之間空氣實(shí)體。
    通過Ansys分析得：
    1)在加載的直流電場強(qiáng)度不變時，設(shè)谷物空間的介電常數(shù)為5和80，谷物空間的磁場強(qiáng)度相差一個數(shù)量級。
    2)將直流5v電源加載于兩極板的上表面，其大部分電磁場的法向穿透能力可達(dá)10mm(PCB板厚度的5倍)以上。
    由于邊緣電場傳感器兩電極在一個平面內(nèi)，邊緣電場的場能量聚集在極板邊緣，靠近電極附近的地方能量最集中，其靈敏度與物料的空間位置和電力線的穿透深度有關(guān)。因邊緣電場傳感器具有邊緣電場傳感特性和雙邊敏感特性，設(shè)計不同電極間距和極板面積的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對不同物質(zhì)含水量的測量，并可做成不同的形狀以適應(yīng)安裝與使用要求。電極的距離越大，所施加的電壓越高，被穿透的谷物越多。但電極的距離過大，則易使信號減弱。由于信號的強(qiáng)弱與金屬極板的面積成正比，可通過增加面積等方法進(jìn)行綜合設(shè)計。因此，本設(shè)計采用電極板間距為5mm、兩極間加載電壓為5V，能滿足對稻麥等一般顆粒谷物水分的測量精度。
4、傳感器測量電路的硬件實(shí)現(xiàn)
    傳感器測量電路由傳感器元件及測量與轉(zhuǎn)換電路、待測物料環(huán)境溫度檢測電路、單片機(jī)、CAN總線接口電路和看門狗控制電路等構(gòu)成。其硬件組成原理框圖如圖3所示。
    本研究在測量與轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計中采用以SE556芯片為核心的振蕩電路，結(jié)合電容的充放電進(jìn)行”容，頻”方波轉(zhuǎn)換（如圖4所示）。理論上，振蕩電路輸出的方波頻率代表著電容的值，因此，通過單片機(jī)的計數(shù)器測量出振蕩電路的輸出頻率就可間接得到電容值，進(jìn)而得到所測谷物含水率。
   根據(jù)器件的特性，輸出方波的上升沿和下降沿一般為100~200ns．因此，必須取五倍以上的上升和下降沿寬度之和，才能得到一個較為穩(wěn)定的方波脈沖，這就使得器件輸出方波的頻率小于6MHz，并控制在浴盆底部范圍。為了讓被測電路具有這樣的特性，圖4中的RA應(yīng)在lk—lOOk范圍內(nèi)；當(dāng)vcc-5v時，最大總電阻R=RA+RB≤3.4Mn；當(dāng)vcc=15v時，其最大值為10MΩ。
   在測量過程中，防止器件單側(cè)工作增加的系統(tǒng)誤差，采用雙回路測量取差法，即：組建兩組電容測量電路，其中一組電路的電容為待測電容，另一組電路的電容為精密己知電容。將兩組電容測量電路測得的值進(jìn)行處理，從而有效減少系統(tǒng)誤差，較精確地測出電容的變化值。
  考慮到溫度對測量結(jié)果的影響，在水分傳感器中還設(shè)有測溫電路，輸出頻率和溫度信號都送入單片機(jī)，通過數(shù)據(jù)處理，補(bǔ)償谷物溫度對其含水率測量的影響，從而得到較精確的測量結(jié)果。
5、傳感器標(biāo)定和溫度系數(shù)修正
    由于谷物儲藏安全含水率為14%左右，而谷物收獲時的含水率一般在16%—25%左右，陰雨天會更高一些。根據(jù)中小籽粒谷物品質(zhì)要求，其低溫干燥熱風(fēng)最高溫度小于55℃，且不同種類的谷物最高受熱溫度也不同。因此，傳感器能在9%—20%含水率范圍內(nèi)、干燥溫度在+100℃ ~+500℃范圍內(nèi)進(jìn)行較精確的測量，并將被干燥谷物的含水率控制在12%~15%之間，即可滿足要求。
    影響谷物介電常數(shù)（電容值）的因素主要有谷物品種、含水率和溫度。用電容傳感器測定谷物含水量時，還需消除材料穿透電場及環(huán)境等因素的影響。
6、系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程
    實(shí)際測量時的數(shù)據(jù)處理過程：單片機(jī)接收水分傳感器和溫度傳感器發(fā)出的被測谷物在干燥溫度下代表電容數(shù)據(jù)的脈沖數(shù)和被測谷物當(dāng)前溫度值；由軟件調(diào)用標(biāo)定數(shù)據(jù)庫中被測谷物的標(biāo)定系數(shù)并將脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)溫度下的含水率；由軟件調(diào)用溫度修正數(shù)據(jù)庫中被測谷物在該溫度下的修正系數(shù)并對被測谷物標(biāo)準(zhǔn)溫度下的含水率進(jìn)行修正，得出較精確的被測谷物實(shí)時含水率；單片機(jī)通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)將較精確的被測谷物實(shí)時含水率數(shù)據(jù)傳送到主控節(jié)點(diǎn)。
   作為在線水分傳感器，若本傳感器用于谷物干燥機(jī)，則將較精確的被測谷物實(shí)時含水率數(shù)據(jù)傳送到谷物干燥機(jī)控制器中作為干燥控制的依據(jù)；若本傳感器用于大型糧庫等場所，則將較精確的被測谷物實(shí)時含水率數(shù)據(jù)傳送到大型糧庫等場所的主控機(jī)，完成多點(diǎn)位水分測定，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測與控制。
7、結(jié)束語
    本文研究使用PCB敷銅層加工成測量電容的極板，通過Ansys建模分析，確定了邊緣電場電容式谷物水分傳感元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)；分析并確定了一種測量方法，設(shè)計出邊緣電場電容式谷物水分傳感器、測量與接口電路，使設(shè)備便于安裝、提高抗干擾能力、減少系統(tǒng)誤差，從而提高谷物水分在線測量精度。