基于电容式传感器的粮食水分测量仪的研究[1]

基于电容式传感器的粮食水分测量仪的研究

陆静霞

（南京农业大学 工学院，南京 210031）

摘 要：长期以来，在农业生产中的粮食水分检测一直以手搓、嘴咬、眼观为主要的判别方法，受人为主观因素影响很大。为了实现国家粮食收购过程中的统一化和标准化，设计出一套用于现场的粮食水分快速检测仪是十分必要的。为此，介绍了一种测量粮食水分的电容式传感器的结构，设计了适合该种传感器的检测电路，分析了该电路的原理，给出了实验检测数据。实验结果表明，此测量仪具有较高的准确性和较好的重复性。

关键词：食品工业；粮食水分测量仪；设计；电容式传感器；检测电路

中图分类号：TS210.7 文献标识码：A 文章编号：1003─188X(2005)06─0122─02

1 引言

目前，粮食水分检测技术总体上分为直接法和间接法。直接法是一种基准法，通过热干燥后直接测出粮食中的绝对含水量，检测准确度高，不会改变样品的性质，但不适用于现场和在线检测；间接法是通过测量与水分变化相关的物理量来得到水分含量。由于影响粮食水分检测的因素（温度、粒度、品种等）较多，所以设计时要使输出信号有效地反映水分特性。基于电容式传感器的粮食水分测量仪是测量效果较好的水分检测装置，具有结构简单、成本低、准确度高、能够在线测量等优点。

图1 圆筒型电容式传感器结构

Fig.1 Structure of cylinder capacitive sensor

RARB

2RB 2RA

介质空腔外电级

L

内电极

2 电容式传感器结构

电容式传感器是将被测物非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。它具有分辨率高、可进行非接触测量，并能在高温、低温和强辐射等环境中工作的优点。随着集成电路电子技术和计算机技术的发展，电容式传感器将成为一种前景广阔的传感器。

电容式传感器采用同轴圆筒，由两个同心金属圆柱筒面组成。设两圆柱面的长度为L，半径分别为RA和RB，如图1所示。当L>>（RB—RA）时,则可将两端边缘处电场不均匀性的影响忽略。这样，圆筒形电容器的电容为

2πεC=•

ln(RB/RA)

将被测粮食放入传感器两极板间的介质空腔，由于粮食含水量不同，从而使电容式传感器的相对介电常数发生变化，即引起了电容值变化。在设计中，为了得到最大的电容变化量，取RB=eRA以提高传感器的灵敏度；另外，应使电极厚度充分小，以削弱边缘效应。

本次设计采用厚度为0.2mm的紫铜做为电容式传感器的两个极板，RA=16mm，RB=80mm，L=100mm。在极板外面加装金属屏蔽罩，减少外界寄生电压的干扰。

3 检测电路

电容检测电路采用脉冲宽度调制电路，该电路是利用传感器电容的充放电原理使电路输出脉冲的占空比随电容传感器的电容量变化而变化，通过低通滤波器得到对应于被测量变化的直流信号，如图2所示。它由比较器A1、A2、双稳态触发器、电容充放电回路及低通滤波器所组成。其中，Cx为电容传感器。脉冲宽度调制电路具有线性输出、无需解调器即能获得直流输出的特点。

式中 ε—介质的介电常数。

收稿日期：2005-03-29

作者简介：陆静霞（1969-）,女，江苏靖江人，讲师，在读硕士，

(E-mail)lujingxia@pk.njau.edu.cn。

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2005年11月 农 机 化 研 究 第6期 UR

图2 电容式传感器检测电路

Fig.2 Capacitive sensor detect circuit Q

A1 R 双稳

A

态触

发器 Q B

A2 S VD1RI CxR2 CVD2

F

低通

滤波器

差很大，直接影响测量结果。

(2) 样品含水率不均匀。样品含水率不均匀使得在数据采样时，同一样品的检测结果会相差较大。

U0

(3) 环境误差。环境误差是由于环境因素影响检测结果而产生的误差，如环境温度、湿度、灰尘、电磁干扰、机械振动等，使检测系统产生检测误差。

(4) 数据处理误差。数据处理误差包括数值化误差、计算误差等。

表1 测量数据表（小麦，温度为20℃） Tab.1 Measurement data list（wheat，20℃） 标定水分/% 9.3 实测水分/% 9.32 9.51 9.59 9.83 误差 /% 0.2 0.1 -0.1 0.3 标定水分 /% 10.2 10.3 10.6 11.1 实测水分/% 10.25 10.33 10.60 11.08 误差/% 0.50.30 0.2G

4 粮食水分测量仪的电路组成

粮食水分测量仪的电路组成，如图3所示。

图3 粮食水分测量仪的结构框图

Fig.3 Construction diagram of grain’s moisture detector

电 容 式 传 感 器 检 测 放 大 电 路 A/D 转 换 器 单 片 机 显示器打印机9.5 9.6 9.8 6 结束语

由于影响水分测量的因素较多，测量时应综合分析处理各种因素。在数据处理方面，采用人工智能和数据融合技术，提高水分检测技术对数据的综合处理能力，这样才能提高水分测量仪的检测准确度。其次，有必要开发数字式的、快速的粮食入库在线检测系统，这对提高工作效率、减轻劳动强度、节省人力、实现粮库自动化管理具有重要的意义。 参考文献：

为了验证此测量方案的可行性及该测量装置的

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版社,1998.98-100.

[2] 梁 森,黄杭美,阮智利.自动检测与转换技术[M].

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[3] 贾伯年,俞 朴.传感器技术[M].南京:东南大学出

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[4] 翟宝峰,梁清华.检测粮食水分用的电容式传感器

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[5] 翟宝峰,王 昊.电容式粮食水分检测中的影响因

素分析[J].辽宁工学院学报,2002,22(5):1-3.

电容式传感器是将被测粮食介质水分的变化转换为电容量变化，电容量变化经检测放大电路放大、数模转换后传送到单片机系统，通过计算机对数据进行处理分析再输出。

5 实验结果

准确度，采用传统的烘干法为标准值，得出用这种测量装置测量的粮食水分含量与标准值之间的误差。取小麦作为粮食样本，实验测量的数据如表1所示。

通过以上测量数据可看出,所设计的粮食水分测量仪测量结果符合粮食水分检测数据采样的要求。误差产生的主要原因：

(1) 人为误差。人为操作决定了样品在传感器中的堆积情况，所以样品每次装入的空隙度可能相

Study on Grain’s Moisture Detector Based on Capacitive Sensor

LU Jing-xia

(College of Engineering, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210031, China)

Abstract: For a long time, detecting grain’s moisture has depended in twisting, biting, and observing as the major judgment method. It was influenced by personal subjective factor greatly. It is necessary to develop a grain’s moisture detector used in work field in order to realize the normalization and standardization of the measurement in the process of purchasing grain in our country. For this reason, this paper introduces the configuration and the principle of capacitive sensor used in measuring grain’s moisture, analyzes the principle of the circuit, and give the measuring data. The results indicate that it has higher accuracy and better repeatability. Key words: food industry; grain’s moisture detector; design; capacitive sensor; detection circuit.

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