非接觸式物料水分傳感器

咸婉婷，張 憲，劉其中

(1.中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江哈爾濱150001;2.中國人民解放軍第二炮兵部隊駐黑龍江軍代室，黑龍江哈爾濱150001)

0 引言

對固體物料，如，化學藥品、煙草、糧食、彈藥、土壤等的水分含量的測量，是工農業生產中重要的測量工作之一［1］。目前，該類測量多采用烘干法、瓶筒法、化學法、近紅外反射法、放射法等方法，其中，烘干法、瓶筒法和化學法不能實現在線測量;近紅外反射法可實現在線測量，但是受到被測物料表面粗糙度影響較大，精度低，且只能測量表層含水量;放射法因中子法和γ射線法存在成本高、有射線泄露危險的缺點，在發達國家已經被禁用［2］。因此，尋求一種固體物料水分含量在線測量的解決方案迫在眉睫。

新型的傳感技術是實現物料含水量在線監測和測量的快捷可行的途徑。頻域反射法是介電測量法的一種，通過測量物料的介電常數來測定其體積含水量，解決了現有方法的不可在線測量、成本高、精度低等問題［3］。本文通過對電容式探頭和振蕩電路的特殊設計，實現了頻域反射法在物料水分測量中的應用，同時解決了常規頻域反射原理存在的抗干擾性差的問題，采用非接觸式測量方法，避免了含水物料中的水、水汽對測量電路和傳感器探頭的影響。經標定和測試表明:該傳感器水分含量測量結果準確，響應速度快，可應用于糧食、土壤、彈藥等多種固體物料的水分測量中，為固體物料水分在線測量提供了良好的解決方案。

1 工作原理

物理學中認為“所有非金屬，甚至一定條件下的金屬，都屬于電介質”，固體物料同樣是電介質，含水的固體物料其相對介電常數實質上是針對“固、液、氣”三相混合物而言的。20世紀80年代開始，介電物理學研究針對固體顆粒狀物料的作為電介質的頻率特性進行了大量實驗。頻域反射法就是利用電磁脈沖原理，根據電磁波在物料中的傳播頻率來測量其表觀介電常數，從而得到容積含水量。

本文所設計的傳感器采用電容式探頭，由一對電極平行排列的圓形金屬環組成一個電容器，其間的含水物料充當電介質，電容器與振蕩器組成一個調諧電路。應用100 MHz正弦信號，通過傳輸線到達探頭，探頭阻抗與介電常數相關聯，物料含水量不同，其發生共振的頻率不同。

電磁波作用在含水物料上時，會使物料內部產生極化和磁化，電容式探頭通過電磁波的相位、速度變化等來測量物料的介電常數。電磁波與物料作用測含水量的基本測量參數是電磁波速c和傳播相位因子β。

電磁波與媒質作用后，相位和速度變化均與媒質的介電常數相關，在電導率較小，而電磁波頻率較高的情況下，電磁波波速可表示為

式中 μ為磁導率，ε為介電常數。傳播相位因子

式中 ω為電磁場的角頻率。

含水物料磁導率變化并不明顯，而水的介電常數為75～81，固體顆粒狀物料的介電常數通常為2～5，在電容法測量中加入對損耗角的測量，即可實現對電磁波幅度衰減的測量。

2 傳感器設計與實現

2.1 電容式探頭設計

電容式探頭由3個平行排列的黃銅金屬環組成，這3個金屬環相當于電容器的極板。將金屬環套接在探測器承載件上，3個金屬環的電極分別與探測器電路相連。該探頭結構與金屬環邊緣場效應磁場分布方式如圖1所示。

圖1 電容式探頭結構示意圖Fig 1 Structure diagram of capacitive probe

探頭金屬環中，外側2個環連接振蕩電路的參考端，3個金屬圓環共同與壓控振蕩器組成一個調諧電路。其中，中間的電極屬敏感端，兩側的電極是不敏感端，同時也作為敏感端的保護端，它們共同作用，縮小了邊緣場效應的影響范圍，提高了傳感器的抗干擾性。該結構電容式探頭的電容經實測與調整，純水介質中達到10 pF的容量。

2.2 電路設計

傳感器電路要完成對振蕩部分的激發和維持，還要完成傳感器數據的拾取與換算，并發送至采集器。它可分為LC振蕩電路模塊、數據采集模塊、CPU處理模塊和數據通信模塊。

1)LC振蕩電路模塊

LC振蕩電路模塊可以看成電容傳感器的水分/頻率轉換電路，是電路設計中的關鍵技術。

在高頻電場作用下，多個電極構成一個電抗元件，其電特性既可能是呈電容特性，也可能呈電感特性。據多方面的資料表明，傳感器的阻抗在1～280 MHz范圍內是呈現容抗特性，其后隨著測量頻率的升高轉變為感抗特性，傳感器工作頻率范圍跨越這一頻帶，因此，傳感器的輸入—輸出特性將會呈現多值性。

本文將一個電容網絡補償引入電路設計，圖2給出了振蕩電路模塊的詳細電路，其中，核心芯片是一個高頻壓控振蕩器MC1648。該芯片工作上限頻率225 MHz，工作電源5～7 V。對于圖2所示電路，振蕩頻率實為并聯LC諧振頻率，即

式中 L1為電感，Cs為電容。

含水電介質相對介電常數隨著含水率的增加而單調增加，通過測量f的相對偏移變化，進而得出水分變化。

圖2 振蕩電路原理圖Fig 3 Principle diagram of oscillating circuit

2)數據采集模塊

電容式探頭與壓控振蕩器組成的調諧電路的輸出頻率很高，根據傳輸和記錄高頻信號的需要，在單片機對輸入信號進行處理之前需要對調諧電路的輸出頻率進行分頻，以取得在單片機處理范圍之內的所需頻率。采用預分頻器和紋波計數器對調諧電路的輸出頻率進行二次分頻，使單片機輸入端的頻率信號滿足要求。

3)CPU處理模塊

單片機是整個電路的核心，用于對采集的信號進行分析、處理，輸出轉換后的水分值。單片機外接BDM接口，用于程序的燒錄與調試。

4)數據通信模塊

數據通信采用RS—485總線實現各探測器間和探測器與采集器間的數據傳輸。同時，為了方便對不同探測器進行識別，單獨設置一條數據傳輸線，在程序初始化時，由采集器對串接在一起的各探測器發送順序編號命令，通過向各傳感器順序寫入ID號進行排序，簡化了人工進行跳線標識排序的工作，減少了出錯的機率。

2.3 整體結構設計

為使傳感器完成測量任務，設計承載結構件搭載電容式探頭與電路。承載件采用PVC材質保證電容式探頭的容值和介電常數的零點不受影響，同時，電路承載件與探頭承載件均采用塑料螺釘連接。電路承載件上設置螺紋孔，電路板通過螺絲固定在承載件上。

頻域反射法測量介電常數屬于非接觸的測量方法，因此，可在承載件與探頭外設計套筒，以隔絕水和水汽，保證傳感器的正常工作，同時不影響介電常數測量結果。

傳感器整體結構如圖3所示。

圖3 傳感器結構圖Fig 3 Structure diagram of sensor

3 實驗測試

目前，國際上確定水分傳感器水分變化關系的方法通常有2種，即理想化樣本法和標準介電常數液體法。理想化樣本法的優點是用專門配置的不同含水率的樣本作為標定介質材料，所以，標定條件與真實情況更加接近，該方法主要缺點為含水物料樣本的質量密度很難做到各向均勻一致，特別是在非飽和情況下不可避免地會有空氣隙孔的隨機分布［5］。

另一種方法是采用多種已知相對介電常數的液體作為標準，即標準介電常數溶液替代法。本文除空氣之外，選用了10種液體作為參考的標準溶液，它們的相對介電常數分布在2～81之間，包括了從純干燥物料到純凈水的整個范圍內的介電特性。

由理論分析和實驗得出固體物料的含水量與傳感器輸出頻率的變化關系，是傳感器準確測量的前提。由于含水量與輸出頻率之間并不是線性的，因此，需要通過標定找出相應的擬合常數。

一般認為，頻域反射法的物料水分傳感器測量的是物料的容積含水量θ，輸出的是頻率信號。采用該方法的物料水分傳感器，其靜態數學模型可表示為

其中，f為頻率，A，B，C為需要確定的系數。

在對傳感器進行標定時，將傳感器在不同含水量系列，即不同介電常數的溶液中進行測試，測量其輸出頻率，可得到一組測量數據，再通過最小二乘法進行回歸分析擬合，確定其方程系數，即可得到傳感器的特性方程。

通過大量實驗，測得不同容積含水量下傳感器的輸出頻率，如表1所示，從而得出本文所設計的物料水分傳感器的回歸系數，并確定其傳感器特性方程

根據該方程，可將實際測得的頻率直接轉換為物料的容積含水量。經測試，非接觸式物料水分傳感器能夠完成水分測量，其準確度可達±4%。

表1 容積含水量與傳感器輸出頻率Tab 1 Volumetric moisture content and output frequency of sensor

4 結論

本文設計的非接觸式物料水分傳感器解決了基于頻域反射法物料水分在線測量的技術問題，并通過實驗完成了傳感器的標定及其特性方程的確定，實現了物料水分的在線測量。測試結果表明:非接觸式物料水分傳感器的準確度為±4%，傳感器具有結構緊湊和響應速度快的特點，達到了預期的設計效果。

［1］樊尚春，梁 虹.電容式固態含水率傳感器的模型［J］.儀器儀表學報，2005，25(S4):1022-1023.

［2］郭衛華，李 波，張新時，等.FDR系統在土壤水分連續動態監測中的應用［J］.干旱區研究，2003，20(4):247-251.

［3］滕召勝.插桿式智能水分傳感器設計［J］.傳感技術學報，1999(4):102-105.

［4］Stefaan D N，Georges H.Quantifying soil water effects on nitrogen mineralization from soil organic matter and from fresh crop residues［J］.Biology and Fertility of Soils，2002，35:379-386.

［5］克里切夫斯基 E C.水分檢測原理與裝置［M］.李福彬，譯.北京:中國計量出版社，1986.

［6］Bolvin H，Chambarel A，Chanzy A.Three-dimensional numerical modeling of a capacitance probe:Application to measurement interpretation［J］.Soil Sci Soc Am J，2004，68(2):440-446.