電容式水分傳感器及其測量電路的研究

張紅霞宮恩良/.山東協和學院 .山東奧太電氣有限公司

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電容式水分傳感器及其測量電路的研究

張紅霞1宮恩良2/1.山東協和學院 2.山東奧太電氣有限公司

【摘 要】針對玉米顆粒粒徑大，在測量時產生的縫隙大，不容易精確測量等問題，本文研究電容法測玉米水分，并設計了電容傳感器及直流充放電檢測電路，低漂移、測量精度高。從而提高了測量效率，降低損耗。

【關鍵詞】電容式；水分傳感器；測量電路

引言

玉米水分含量是影響玉米安全運輸、儲藏等的主要因素，也是用于飼料、食用及工業中必不可少的測量部分。國內外學者研究多種檢測玉米水分的方法，包括電容法、干燥法、化學法、電測法、近紅外線法、中子法、核磁共振法、聲學法等[1-2]。在諸多玉米水分測量方法中，電容法以其結構簡單、成本低、易于在線測量等優點成為水分檢測的主要方法。

近年來許多國家的研究人員非常重視玉米水分測量技術的發展，隨著玉米水分測量的方法不斷產生，先進的水分測量方法和儀器正在被推廣和使用。目前，國內對于測量水分的方法和測量系統處于剛開始的階段，主要是從理論上對水分測量系統進行分析。近幾年來，出現各種轉換電路的谷物水分測量系統，由于采用的轉換電路的不同，測量出來的水分也有區別。另外，國內專門對玉米水分檢測的儀器幾乎沒有，而影響玉米水分的因素有種類、空隙、溫度、轉換電路的電壓差、容積密度、環境的相對濕度[3]，還有操作人員的操作方法等，而目前的水分檢測系統雖然能夠檢測玉米的水分，但是大部分都沒有充分考慮這些因素，導致檢測精度不是很理想、重復率不高。

1.電容式水分傳感器

1.1圓柱形電容傳感器

結構圖如圖1所示，由內外兩個同軸電極組成。

圖1　電容式傳感器結構圖

傳感器電容計算方法為：設兩個極板各帶電荷+q和-q，則每單位長度所帶電荷的絕對值[4]為：

離開軸線距離為s處的電場強度為：

兩極板間的電勢差為：

傳感器電容為：

裝入玉米前后電容變化量為[5]：，即：

可見ΔC是R1和R2的函數，若要ΔC變化最大，令

本文設計的圓柱型電容式傳感器柱面高為13cm，內圓柱外表面直徑為3.6cm，外圓柱內表面直徑為7.6cm。

1.2電容值與水分含量之間的關系

當玉米的相對介電常數變化Δrε時，電容的變化量為：

2.直流充放電測量電路

電容式傳感器把被測玉米水分的變化ΔM轉換成電路參數電容的變化ΔC[6]，而電容值以及電容變化值都十分微小，為了使這一微小電容增量能被傳輸、放大、運算、處理、指示、記錄和控制，得到所需的測量結果即玉米水分值，還需用測量電路將電路參數ΔC進一步轉換成電壓、電流、頻率等參數。測量電路包括調制型電路和脈沖型電路。直流充放電檢測電路具有低漂移，可自動檢測，測量精度高，開關工作頻率高，幾乎不受被測電容的漏電阻的影響等優點。

圖2　原理圖

如圖2所示為原理，由一個周期為T的對稱方波時鐘脈沖來決定兩個CMOS開關K1和K2的接通和斷開。

當對稱方波時鐘脈沖為高電平時K1通K2斷，電源E對傳感器電容Cx充電，充電時間為，當對稱方波時鐘脈沖為低電平時K1斷K2通，傳感器電容Cx上的電荷Q= CxE釋放，因為傳感器電容一端接地，另一端接放大器的反相端，傳感器電容上的電荷Q= CxE全部釋放掉，在時鐘脈沖的控制下，充放電過程也是以周期T重復進行。因而平均電流為：

該電流被轉換成電壓并通過Cf而平滑，最后得到一個直流輸出電壓為：

3.結語

根據電容法測量玉米水分的原理，設計圓柱形電容式水分傳感器，對其結構進行優化設計，詳細分析傳感器電容值的計算方法以及電容值與玉米水分之間的關系，得出電容值的變化與水分的變化呈線性關系，設計的電容式傳感器理論上可行，由于電容值和變化值很小，又詳細分析直流充放電檢測電路的工作原理、輸出量與輸入電容之間的關系具有低漂移、測量精度高等優點。

參考文獻：

[1]Mahmoud Soltani.Use of dielectic properties in quality measurement of agricultural products[J].Nature and Science，2011，9(4)，57-60.

[2]康忠偉.基于時域傳輸技術的谷物含水率測試技術研究[D].黑龍江八一農墾大學，2011:2，100-105.

[3]劉嫣紅，毛志懷，楊柳.電容式谷物水分傳感器測量的影響因素研究[J].中國科技論文在線，2008:1-7.

[4]楊榮輝.電容式糧食水分儀的研究[D].沈陽工業大學，2003:9-10.

[5]翟寶峰，白媛.電容式糧食水分檢測儀的設計[J].遼寧工學院學報，2003，3(1):34-35.

[6]付鶴翔.基于單片機的便攜式糧食水分測定儀的研究[D].西北農林科技大學，2011:19-20.

山東協和學院科技計劃項目（編號：XHXY201508）；山東省軟科學研究計劃項目（編號：2015RKB01370）。

張紅霞（1985-），女，山東單縣人，碩士，助教，研究方向為：物聯網應用。

作者簡介：

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