基于駐波比原理的鮮玉米含水量快速檢測方法研究*

理蘇磊， 高紅菊， 馮 磊， 李 俐， 梁 棟

(中國農(nóng)業(yè)大學 信息與電氣工程學院，北京 100083)

0 引 言

玉米是我國主要的農(nóng)作物之一，玉米的含水量直觀反映了作物的水分狀況，是玉米生長狀況的重要指標。研究其水分含量可更加方便、實時的掌握玉米的生長狀況，從而對其生長過程和以后的存儲、加工等實現(xiàn)更精準的檢測與控制[1]。

傳統(tǒng)的測量玉米水分方法有烘箱法、微波法等[2]，這些方法雖然測量準確，但操作起來費力、費時，只適宜于實驗室使用，不利于現(xiàn)場快速檢測。近年來，農(nóng)業(yè)物料的介電特性得到廣泛應用，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，通過測量玉米的物理性質(zhì)，可間接得知玉米含水量，常用的方法包括：電容法、電導法、介電常數(shù)法等。本文采用的駐波比法就是通過測量玉米的介電常數(shù)變化間接得到玉米含水量的方法之一。

一般水的介電常數(shù)為80 F·m-1，空氣的介電常數(shù)為1 F·m-1，而植物組織的介電常數(shù)通常為2～4 F·m-1。玉米的介電常數(shù)主要受其含水量的影響。根據(jù)Skaar C的研究[3]，當溫度與測試信號頻率一定時，含水量增加，其介電常數(shù)也相應增加，介電常數(shù)和其含水量存在一定的線性相關(guān)性。由駐波比原理知，介電常數(shù)可由測量電壓測得，本實驗利用含水量與電壓差進行回歸分析，得到一種標定方程，利用方程可間接計算出玉米含水量。

1 駐波比法測量原理

用駐波比法測量玉米水分含量的裝置如圖1所示，該裝置由100 MHz高頻信號源、同軸傳輸線和雙針平行不銹鋼探針等組成[4]。

圖1 駐波比原理結(jié)構(gòu)圖

高頻信號源產(chǎn)生的高頻電磁波沿同軸傳輸線傳送到探針處，由于探針的阻抗與同軸傳輸線的阻抗不同，一部分信號被反射回信號源，在傳輸線上，入射波和反射波的疊加形成駐波，使得傳輸線上各點的電壓幅值發(fā)生變化。由駐波比原理知，取傳輸線兩端A,B兩點的差動信號作為輸出，可得

(1)

式中A為信號的幅值，ZL為長度為L的探針的阻抗，ZC為同軸傳輸線SYV—50—3的特征阻抗，50 Ω。在信號源幅值A和傳輸線阻抗ZC已知的情況下，傳輸線兩端A,B間的電壓差UAB只與探針阻抗ZL有關(guān)，而探針阻抗ZL為

(2)

式中L為探針的長度，D為兩探針間距，r為探針半徑，ε為被測玉米的介電常數(shù)，c為電磁波在被測物中的傳播速度。

由上式可知,在測試頻率f和探針幾何參數(shù)D,r及L確定的情況下，探針阻抗ZL的大小取決于介電常數(shù)ε的變化。當含水量不同時，被測物的介電性質(zhì)也隨之發(fā)生變化，進而探針阻抗改變并形成了不同的駐波比，這樣傳輸線上各點電壓幅值就會不一樣。因此,通過測量同軸傳輸線上不同兩點電壓幅值差，可達到測量玉米水分的目的。

2 實驗參數(shù)的選擇

測試頻率的選擇對測量的結(jié)果有很大的影響，由于是初次借助該方法用來測量玉米水分含量，綜合其他基于駐波比法測量含水量的研究[4～6]，本文選用100 MHz正弦波作為測試信號。信號源采用OX3276B定制恒溫晶體振蕩器，供電電壓為+5×(1±5 %)V，標稱頻率為100 MHz。

雙針探頭[6]可以看作平行線結(jié)構(gòu)的傳輸線，探針阻抗與探針直徑呈反比，直徑較小的探針具有更高的阻抗，從而使其具有更好的輸出特性，同時，直徑較小的探針也更適合玉米顆粒(圖2)。本文根據(jù)玉米粒的結(jié)構(gòu)特點，采用長10 mm，直徑0.7 mm，間距8 mm的平行雙針探頭。

圖2 探針和玉米粒結(jié)構(gòu)示意圖

3 實驗方法與結(jié)果分析

3.1 實驗方法

本文選用中糯301玉米品種，2粒為1組，使用精度為0.001 g的天平測量每組的質(zhì)量，并記錄。將探針完全浸入玉米粒中(玉米選用玉米棒中部形狀完整、籽粒飽滿的顆粒作為實驗樣品)，利用DS1202CA數(shù)字示波器測量同軸傳輸線兩端各自的峰峰值，計算出該組2個點電壓差(差壓值為3次所測的平均值)；再將該組測試樣品放入烘箱進行105 ℃恒溫恒重烘干處理，烘至玉米粒質(zhì)量不再降低為止，得到該組樣品的實際含水量。

烘干法測量玉米水分含量的公式如下

(3)

式中m1為烘干前該組玉米和托盤的質(zhì)量，m2為烘干后該組玉米和托盤的質(zhì)量，m3為托盤的質(zhì)量。

3.2 可行性分析

為了驗證本實驗方法的可行性，選取同時期同品種的4株玉米作為實驗樣本，并標記為1#～4#，分別對該4組樣本從2013年5月10日～2013年5月11日進行實時監(jiān)測輸出電壓差。每天早、中、晚各記錄一次，數(shù)據(jù)如圖3所示。

由圖3可看出：當樣品水分含量高時，其介電常數(shù)相應較大，測得的電壓差也相對較高；反之，亦然，表明了整個實驗結(jié)果基本走勢是正確的、合理的，說明采用該方法測量玉米水分含量是切實可行的。

3.3 標定實驗

由于初次利用該方法測量玉米水分，考慮到其實驗特點，另取同種樣品若干，每間隔數(shù)小時后對其進行一次測量，以得到不同梯度的水分含量。對烘干法得到的玉米含水量與測得的輸出電壓差進行線性擬合，得到兩者關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 輸出電壓差與玉米含水量之間的關(guān)系

由此得到玉米水分含量與輸出電壓差的標定方程

y=0.142x+0.187 7.

(4)

其相關(guān)系數(shù)為

R2=0.906 2.

由圖4和標定方程可知，測得的電壓差與玉米水分含量之間存在較好的線性相關(guān)性。根據(jù)標定方程可計算出本次實驗的非線性誤差和靈敏度。

1)非線性誤差

規(guī)定條件下是傳感器校準曲線與擬合直線間的最大偏差(Δmax)與滿量程輸出(YFS)的百分比，該值越小，表明線性特性越好，其公式如下

Ef=Δmax/YFS×100 %.

(5)

因此,可得所設計傳感器的非線性誤差為

=±1.519 %.

(6)

由于標定方程是由所測得數(shù)據(jù)擬合得到的，這些數(shù)據(jù)不可能全部落在擬合直線上。所以,非線性誤差總是存在的，本實驗結(jié)果非線性誤差為±1.519 %，誤差較小，且在合理范圍內(nèi)。

2)靈敏度

靈敏度是系統(tǒng)輸出的變量對系統(tǒng)特性或參數(shù)變化的敏感程度。靈敏度的高低反映系統(tǒng)在特性或參數(shù)改變時偏離標準狀態(tài)的程度。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)知，本實驗的靈敏度為

(7)

本次實驗中選取的玉米含水量為45 %～75 %，測得電壓差為2～3.8 V，所得靈敏度尚屬良好，若選取玉米水分范圍更廣，可得更低靈敏度，線性度更高。

3.4 實驗驗證

另取20組玉米實驗樣品，測得其電壓差，根據(jù)已得的標定方程計算得到該組傳感器測量值，之后，再用烘干法測量該組的實際含水量，將兩者數(shù)據(jù)進行對比，以驗證所得標定方程的適用性。

表1 測量值與烘干法之間的誤差

上表給出了測量值與烘干法存在的誤差，最大誤差是2.7 %，最小誤差是-0.3 %。本實驗的擬合曲線是用探針在整個玉米棒上選取其中2粒測得的，而實際烘干時是分別從玉米棒上對其單獨烘干得到的。另外，溫度漂移、系統(tǒng)誤差、測量環(huán)境也會對結(jié)果造成一定的影響，這些難免都會影響總的誤差，但其最大誤差不超過±3 %，測量的平均誤差為-1.15 %，測量結(jié)果在可接受范圍之內(nèi)。

4 結(jié)束語

本文從電磁波與介質(zhì)相互作用的基本原理出發(fā)，首次利用駐波比原理測量玉米水分含量，通過對測得的電壓值與烘干法所得水分值進行擬合，得到標定方程，再通過反復實驗將測得電壓值代入標定方程得到的值與烘干法所得值進行對比。

實驗結(jié)果得知，測量輸出電壓差與玉米水分含量之間有較好的線性相關(guān)性，誤差不超過±3 %，相關(guān)系數(shù)為0.906 2，經(jīng)過實驗驗證，平均誤差為-1.15 %，測量的玉米水分范圍為45 %～75 %。實驗表明:利用基于駐波比原理間接的快速檢測玉米水分含量的方法是可行的。

參考文獻:

[1] 孫 健，周展明，唐懷建．國內(nèi)外糧食水分快速檢測方法的研究[J]．糧食儲藏，2007(3):46-49.

[2] 楊 軍，楊衛(wèi)民．玉米水分測定方法的比較[J]．糧食儲藏，2003(2):46-54.

[3] Skaar C.Dielectric properties of wood at several radio frequencie-s[J].Tech Publ N Y st Coll,1948,69:36.

[4] 趙燕東，王一鳴．基于駐波率原理的土壤水分測量方法的研究[J]．農(nóng)業(yè)機械學報，2002，33(4):109-111.

[5] 王海蘭，白陳祥，趙燕東．喬木莖體水分傳感器探針結(jié)構(gòu)實驗[J]．農(nóng)業(yè)機械學報，2009，40(1):176-179.

[6] 孫宇瑞．土壤探針阻抗計算方法的理論分析與實驗研究[J]．土壤學報，2002，39(1):120-126.