生物質傳感器的電路設計與田間測試

李海洲，于勁松

（上海理工大學醫療器械與食品學院，上海 200093）

使用生物質傳感器確定的數量數據可以得到更好的精確到點的作物密度圖。改良的作物密度圖有幾個方面的益處。首先，改進的地圖能夠使生產者做出更好的田間管理決策。生產者可以利用這些資料，獲得一個地質參考作物產量圖，該圖中能展示一塊田地中精確到點的生物質產量的區別[1]。對這方面的了解可以使生產者作出適當的改進，從而提高生產效率。第二，種子公司可以從這些數量傳感器受益，定量的得到作物植株的存活率。種子的萌發率、秸稈存活率和單株產量數據的獲得，有助于對農民和種子公司之間的糾紛進行仲裁。第三，傳感器確定的作物數量信息可以在與作物相關的其他領域的幫助研究人員[2]。例如，這些數據可能有助于植物育種專家評估大型生產田地的新品種。最后，估計得到的生物數量可用于進行生物質收集和做出處理決定。

玉米秸稈數量的傳感器的開發，主要有侵入式（機械）和非侵入式（電磁式）設計兩種。然而，那些具有穩定檢測精度的方法并沒有得到很好的開發。在產量變化范圍比較大的條件下，機械設計容易低估植株數量[3]。1995～1997這種機械傳感器得到了改進，并進行了田間測試。可以看出在計算的精確度方面，該傳感器得到了改進，但該傳感器對玉米數量產生了低估，在所有的操作條件下進行的測試中，平均低估水平在4.4%。前人的研究認為，電容設計的靈敏度低、感應距離不足的缺點，限制了低水分含量的玉米秸稈的檢測準確性[4－6]。比較了非侵入式和侵入式檢測方法的優點和缺點后，非侵入式的生物辨識技術是比較有效的，因為侵入式設計中機械部件的動態響應時間可能會限制運行速度。非侵入式的方法可以減少動態響應時間，并收集更多的信息，用于從背景噪音辨識出所需的生物量信息。

此外，非侵入式傳感器通常需要較少的維護，不易受到機械污垢的影響，并有較長的壽命。基于前人研究的成功經驗，以及電容式近距離傳感器在其他領域的普遍應用，選擇了電容式設計作為本研究的重點。

1 方法與設計

1.1 檢測模型設計

本研究中，玉米秸稈是生物質近距離傳感器的測試測試對象。周圍空氣和玉米秸稈之間的水分含量的差異是辨識秸稈一個重要參數。電容式傳感器設計的目的根據水分含量變化引起的介電常數的變化而產生一個電容變化的響應。文氏振蕩器[7]可以將頻率變化轉變為電容變化。基于頻率電壓轉換的鎖相環（PLL）技術，用來產生電壓信號，并由數據采集系統（DAQ）進行記錄。電路圖設計和數據采集系統設計如圖1所示。

圖1 電路圖設計和數據采集系統設計Fig.1 Functional diagram of sensor circuitry and data acquisition system

基于電容變化來檢測水分含量的非侵入式傳感技術是一種比較流行的技術，它具有成本低、所需維護少的優點。因為雙面設計（在該應用中）需要使兩個電極板嚴格排成直線，并且在兩個極板之間需要長的電線相連，這將會降低其性能、增加安裝的復雜性和提高成本，所以在研究中選擇了單面設計。為了簡化檢測模型的結構，研究過程中設計了一個固態電極模型。為了提高該設計的靈敏度，對該模型的幾何參數進行了研究。主要有以下幾個參數可能會影響固態電極設計的性能：電極寬度，電極間距，電極厚度和電極長度（見圖2）。

圖2 固態電極設計關鍵參數Fig.2 Critical parameter for solid electrode pattern

1.2 電路設計

檢測單元能夠將含水量信息轉換電容的信息。為了檢測和處理該電容變化需要設計相應的電路。在這項研究中，使用了一個振蕩器和頻率電壓轉換器將電容的變化轉化成了電壓的變化。電路和數據采集設計的功能圖如圖1所示。

文氏振蕩器用來將檢測元件的電容變化轉換成頻率的變化。文氏振蕩器（見圖3）是一種較常用的低頻振蕩器，它使用了一個簡單的電路輸出了一個正弦波。該文氏橋振蕩器的性能可以用數學增益分析進行描述[8]，它提供了穩定的振蕩頻率：在圖3中，C=C1=C2，R=R1=R2。

圖3 文氏振蕩器電路原理Fig.3 Circuit schematic of a Wien-Bridge oscillator

在傳感器系統設計，文氏振蕩器電路中的檢測元件是電容C1和C2（見圖4）。目標電容是C3，C4，C5和C6，它們受C7的影響。把秸稈接地可以減少C7的值并防止電荷在秸稈上集聚。后面的實驗結果顯示，沒有接地的秸稈之后，信號的強度會降低。幸運的是，在收割條件下秸稈是天然接地的。圖4a顯示了檢測單元、玉米秸稈和大地之間的的相互作用關系。檢測單元（C3，C4，C5和C6）中的各個電極之間以及玉米秸稈之間也會產生電容。

圖4 包含檢測元件和玉米秸稈的文氏振蕩器電路Fig.4 Circuit schematic of a Wien-Bridge oscillator including the detection elements and corn stalk

玉米秸稈是一種介電常數高于周圍空氣的絕緣材料，其介電常數的大小取決于秸稈水分含量。當秸稈接近檢測單元時，電容C1、C2、C3、C4、C5和C6的值會增加。電容的變化會影響到振蕩器電路并產生相應的頻率變化。電容的變化率（C有秸稈/C無秸稈）比相應的電容值更重要，因為它表征了傳感器的靈敏度[9]。

試驗中使用了一個商用的鎖相環集成電路來做為頻率電壓轉換器。PLL是一個輸出信號的同步電路，同時對于頻率和相位來說它是個參考信號[10]。在鎖相環鎖定之后，振蕩器的輸出信號和參考信號之間的相位差將是零或保持不變。這意味著鎖相環可以跟蹤輸入頻率的變化，并且鎖相環輸出電壓與輸入頻率是成比例變化的，它也就是振蕩器的輸出。試驗中，使用了一個通用運算放大器（運放）來放大鎖相環輸出、提供阻抗匹配、進行電壓偏移調整、提供與數據采集系統的全量程輸入范圍匹配，以提高數字信號的分辨率。

1.3 田間試驗設計

田間測試實驗中使用了一個Case－IH 2344收割機以及一個附屬的Case－IH 1063型6行玉米割臺。傳感器安裝在了最右邊的收割行。在傳感器的數據輸出端連接了一個12位的數據采集單元（DAQ）（美國國家儀器，USB－6008），該采集單元由位于收割機駕駛室的便攜式計算機控制。一個多芯屏蔽線用于給傳感器系統供電，并將傳感器的數據輸出口與數據采集系統連接在一起。數據采集系統與便攜式計算機之間用一個3 m長的USB線來連接。數據采集卡的采樣頻率設定在10 KS·s－1，電壓輸入范圍為±5 V。試驗中用LabVIEW進行數據記錄和輸出波形（電壓的大小與時間）。

每個測試樣本（見圖5）是一個長約9.1 m（30英尺）的行段。除了兩端的各15個秸稈，以及中間的兩個秸稈保留以外，樣本行內的其他秸稈均要砍掉，為中間的兩個基準秸稈留下空隙。在收獲前，從中間這兩個秸稈中隨機挑選一個砍掉，作為秸稈含水率的參考標準。

圖5 田間測試樣本布置Fig.5 Field test subsample schematic

2 結果與分析

2.1 檢測模型的測試結果

最初的固態接地電極的優化是通過建模和實驗室實驗完成的。結果表明對檢測單元的整體性能影響最大的兩個設計參數：接地電極寬度和電極間距。模擬及實驗室實驗結果如圖6～8所示。當寬度小于40 mm時，接地電極寬度對電容變化有著很強的積極影響；但當寬度大于50 mm時，就會產生負面的影響（見圖7）。在對電極間距的考察中發現了類似的趨勢（見圖8）。為了平衡性能和設計尺寸，選擇了下面的檢測單元設計參數：正極寬2 mm，電極間距20 mm，接地電極寬50 mm，電極長度100 mm。

圖6 不同接地電極寬度和電極間距條件下固態電極的模擬電容變化Fig.6 Modeled capacitance change for solid electrode pattern at different ground electrode widths and inter‐electrode gaps

圖7 不同接地電極寬度條件下固態電極的實測電容變化Fig.7 Measured capacitance change for different ground electrode widths

圖8 不同電極間距條件下固態電極的實測電容變化Fig.8 Measured capacitance change for different inter‐electrode gaps

選擇了最終的設計參數之后，使用了橡膠稈（ε=5）來代替秸稈對檢測單元的性能進行了模擬，以確定其性能特點。在一系列的標本-傳感器間距范圍的輸出電容的變化如圖9所示。位置1和5分別是正、負極邊緣，位置2到位置4均勻地分布在該模型的寬度方向上。這些結果表明，該固態電極在正極附近（位置1）是最敏感的。

圖9 沿檢測元件寬度方向上不同傳感器-秸稈間距和位置的模擬電容變化Fig.9 Modeled capacitance change at different sensorto-stalk distances and positions along the width of the detection element

2.2 電路建模和實驗室測試

試驗中首先利用Pspice（商用電路建模套件）對文氏橋振蕩器進行了仿真設計，然后在實驗室中制作了它的原型。在模擬和實驗測試過程中，檢測單元的電容均設定為1.3 pF，該電容是經過優化得到的電容值。在選擇基本操作頻率時，只對電阻（R1和R2）進行了調整。試驗中使用一個毫安級的熱噪聲電流來啟動振蕩器。PSPICE模擬為制作振蕩器的物理原型提供了概念的指導。試驗中，將振蕩器以及電阻R1和R2的電位器制作在了印刷電路板上。確定其他電阻值時，R1和R2的值可以通過電位器進行調整，調整范圍是從10到250 kΩ。振蕩頻率使用通用計數器進行測量。試驗中，通過不斷調整電阻值來確定基本操作頻率。

模擬與實驗結果如圖10和11所示。實驗結果表明，當R1值增加時，振蕩器基礎工作頻率會減少。但是，改變R2的值對基礎工作頻率的影響不大。對這兩個數值來說，關注的是PSPICE模擬輸出和印刷電路板的測量輸出之間的差異。例如，當R1和R2為50 kΩ時，測量和模擬結果分別為152和950 kHz。

圖10 R1對振蕩器頻率影響的模擬和測試結果Fig.10 Modeled and measured effect of R1on the oscillation frequency

圖11 R2對振蕩器頻率影響的模擬和測試結果Fig.11 Modeled and measured effect of R2on oscillation frequency

結果的不同可能是由于在PCB板上與傳感器低電容共同存在的寄生電容造成的。由于傳感器的電容小于1.5 pF，所以復雜的電路板布局引入的寄生電容對傳感器電容來說是不能忽略的。寄生電容具有不可測量和不穩定的特點。寄生電容的產生會導致非常復雜的電容相互作用。對PSpice模型來說，當寄生電容不能忽略不計時，它就不能準確地反映實際電路的情況。

考慮到模擬與實測結果之間的巨大差距，以及該模型并不能夠準確地反映實際電路特性，研究中專注于用測量結果來完成振蕩器的設計。因此，R1和R2的最佳值是通過實驗確定的。試驗中研究了針對R1和R2的一個二維測試矩陣是，R1和R2的值設定在10，25，50，100，150，200和250 kΩ。振蕩器和檢測單元附著在了一個靜態測試結構上，將傳感器－樣品間距設置為2 cm，使用一個介電常數為8的橡膠桿作為測試樣本。針對R1和R2各個組合，試驗中測試了有樣本和無樣本的基本頻率，并對振蕩器頻率的相對變化進行了計算。

對應于R1和R2的振蕩器的輸出頻率變化如圖12所示。顏色較深的表示靈敏度高的區域。試驗中確定了三個相對敏感的區域（區域1，2，3）。1區只代表了一個局部的最大值，而不是全局的。2區代表的振蕩器穩定的區域是值得商榷的。實驗測試的該區域的頻率具有較大的漂移。因此，選擇3區作為R1和R2的最佳組合。實驗室測試中，對R1和R2的值做了進一步修正，以確定最佳的操作參數。最終，R1和R2的值分別為43和169 kΩ。該文氏振蕩器的基本輸出頻率是245 kHz。

圖 12 R1和R2的傳感器靈敏度-橡膠桿（ε=8）、傳感器-樣本間距=2 cmFig.12 Sensor sensitivity with R1and R2-rubber rod(ε=8)and 2 cm sensor-specimen distance

本設計中使用的鎖相環是一個74HCT4046通用鎖相環集成電路。通過對兩個外部電容（C11和C12）和三個外部電阻（R11，R12和R13）進行篩選，最終確定了該鎖相環電路的操作參數。首先確定了電路的中心頻率和偏移頻率。選擇的中心頻率要與振蕩器的基本輸出頻率（245 kHz）相匹配，中心頻率的值是通過對外部電阻R11進行選擇確定的。偏移頻率是由預期秸稈水分含量對振蕩器輸出的影響決定的。測試結果表明，高水分含量的秸稈（水分含量=85%）對振蕩器輸出頻率產生了9 kHz變化影響。設置多于兩個的安全系數，以確保操作頻帶寬度能夠包含所有可能的振蕩器的輸出頻率和基線漂移情況。因此，選擇了20 kHz的偏移頻率，它相當于40 kHz的工作頻段寬度。偏移頻率是通過選擇外部電阻R12的適合值確定的。外部元件（R11，R12和C11）近似值，是通過鎖相環數據表中針對5 V電源電壓的電壓控制振蕩器（VCO）曲線來確定的。其中C11的值為10 nF；在電阻R11和R12的阻值約為100和50 kΩ時，獲得了需要的中心頻率和偏移頻率。

外部元件的最終值是通過試驗確定的，試驗中使用了一個可編程的電源（安捷倫E3631A）和一個通用計數器。可編程的電源作為VCO的輸入，C11的值設為10 nF。可編程的電源供應器設置為VCC的1/2（2.5 V），以生產VCO的輸出引腳中心頻率。VCO的輸出使用通用計數器進行測量，并通過調整R11的值來獲得目標輸出頻率。電源電壓從Vmin（0.9 V）變化到Vmax（4.1 V），并通過調整R12的值來獲得所需的偏移頻率（20 kHz）。C11、R11和R12的最終值分別為10 nF，100 kΩ和33 kΩ時。

PLL的動態特性（鎖定時間、PLL帶寬及、穩定性）決定于它的低通濾波器（C12和R13）。低通濾波元件的初始值是用飛利浦公司的PLL設計軟件設計的。在軟件設計時作了幾個假設：秸稈出現的頻率是18 Hz，每個秸稈的通過時間是5.5 ms，假設玉米秸稈直徑為1 cm（非常小的秸稈直徑），聯合收割機的收割速度為6.5 km·h－1（非常高收割速度），和平均秸稈間距10 cm（典型間距為15 cm）。秸稈出現的頻率18 Hz，每個秸稈的通過時間5.5 ms是玉米收獲時一個合理的極限值。實際上，傳感器的反應時間大大低于5.5 ms。對該設計來說，鎖定時間設定為 2，阻尼系數（ξ）約為 0.7（0.4＜ξ＜1）。低通濾波器最終的元件值，是在連接了振蕩器和PLL電路后，在信噪比分析的基礎上通過實驗確定的。峰與峰之間的噪聲值約為80 mV，信號值通常高于1 V。因此，在實驗室試驗中最終的信噪比是大于10的。低通濾波器中C12和R13最終參數值為1 200 pF和200 kΩ。

2.3 田間測試結果

田間試驗的目標是收集具有代表性的收割工況的數據。在預試驗中，秸稈水分含量（MC）和傳感器－秸稈間距被確定為影響傳感器性能的關鍵因素。收獲之前要對每個樣本中每個秸稈的位置進行記錄。每個秸稈位置被精確記錄到0.1英尺（～3 cm）。并排的秸稈或雙秸稈之間的空隙也被記錄了下來。莖的直徑大于2.6 cm和小于1.5 cm的使用卡鉗進行了測量和記錄。實驗結果如圖13所示。

圖13 田間預試驗傳感器的典型輸出信號Fig.13 Typical sensor output signal from the field test

收獲前記錄了每個秸稈的位置，因此圖5中的每個秸稈可以與圖13中的每個峰相對應。可見該傳感器可以有效地鑒定秸稈的存在。這為下一步使用該生物質傳感器繪制精確到點的作物密度圖打下了良好的基礎。

3結論

這項研究的具體目標是開發、制作和測試檢測玉米秸稈的電容式近距離傳感器。在這項研究中所取得的成果的基礎上，可得出以下結論：

固態電極的檢測單元設計參數：正極寬2 mm，電極間距20 mm，接地電極寬50 mm，電極長度100 mm；固態電極在正極附近是最敏感的。

通過對電路建模和實驗室測試發現：對PSpice模型來說，當伴生電容不能忽略不計時，它就不能準確地反映實際電路的情況。振蕩器的設計中對R1和R2進行了優化研究，確定R1和R2的最佳操作參數分別為43和169 kΩ，此時該文氏振蕩器的基本輸出頻率是245 kHz。

此外，試驗中還對鎖相環的電路操作參數進行了篩選。最終鎖相環電路中兩個外部電容（C11和C12）和三個外部電阻（R11，R12和R13）的最佳操作參數為10 nF、1 200 pF、100 kΩ、50 kΩ和200 kΩ。

同時，田間測試的結果顯示，該傳感器可以有效地鑒定玉米秸稈的存在。

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