針刺式谷物含水率檢測儀設計

汪 安 吳 揚 劉 權

(安徽農業大學工學院，安徽 合肥 230031)

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針刺式谷物含水率檢測儀設計

汪 安 吳 揚 劉 權

(安徽農業大學工學院，安徽 合肥 230031)

為了提高谷物含水率在線檢測的精確度和速度，更好地滿足烘干機械在線檢測的要求，設計了一種直接刺入谷物籽粒的對稱針形含水率檢測傳感器；并配合高精度檢測電路與優化算法，設計了相應的系統檢測裝置。試驗結果顯示，該裝置對稻谷含水率的測量誤差不大于1%，單次測量響應時間小于2 s。通過簡單的參數設定，該裝置即可應用于不同種類谷物的水分檢測。該檢測方法的提出為谷物含水率在線測量提供了新的解決方案。

電阻式；傳感器; 含水率； 谷物

糧食含水率作為評價糧食品質的一項重要指標，其檢測結果的準確性、快速性對糧食的安全存儲、運輸等有十分重要的影響[1]。儲藏糧食的水分含量過高，極易造成糧食變質，威脅儲糧的安全性; 反之，如果糧食的水分含量太低，則容易造成有機質的損壞，從而使糧食營養價值下降。目前，國內外糧食含水率檢測方法中常用的主要有電阻法、電容法、中子法、紅外法、微波法等方法[2-3]。其中基于電阻法的糧食含水率測量方式由于結構相對簡單、精確度較高，在糧食含水率測量儀表中應用非常廣泛；但現有的電阻式含水率檢測法使用的大多是體積式測量，或擠壓式測量。這些方法容易受到待測物料溫度、容積密度或籽粒大小不均等因素的影響，造成測量誤差較大，且難以實現在線測量[4-5]。

針對傳統電阻式測量方式存在的缺陷，設計了新型對稱針刺式傳感器，將敏感元件直接刺入糧食籽粒內部，有效地抑制谷物外殼(稻谷尤為明顯)、容積密度和顆粒大小不均等因素對測量精度的影響。配合高靈敏度和精確度的測量電路與合理的統計算法，實現糧食含水率的精確測量。試驗結果顯示，此檢測儀的測量誤差小于1%。此項設計非常適合應用到谷物烘干機械上，通過對谷物水分的實時測量，自動調節進風的溫度和強度，提高谷物烘干機械的自動化程度與糧食烘干的品質；此項技術對稻谷含水率的有效測量范圍為10%～28%。

1 糧食含水率電阻法測量原理

含水率在正常范圍內的各種糧食，其阻抗不能忽略[6]。常溫下，干燥谷物的電阻率一般大于3×107Ω/cm，可以被認為是絕緣的；而含水率為25%的谷物的電阻率大約為2×103Ω/cm，由此可以看出高含水率谷物的電阻率比干燥谷物要低很多。試驗[7]研究表明，谷物水分與電阻之間存在顯性函數關系。

谷物的電阻特性表現為[8]：① 谷物濕基在正常含水率范圍內，電阻值的對數與含水率呈線性關系；② 在上述含水率范圍內，阻值變化范圍很大，特別在低含水率下，其阻值急劇上升；③ 溫度對阻值的影響非常明顯，在-10～+50 ℃條件下溫升1 ℃對電阻的影響相當于其含水率增大0.1%。由此看出，用電阻法測量水分要注重解決阻值大、溫度影響顯著這兩個關鍵問題[9]。因此實時的溫度補償及其數據融合處理是干燥過程中谷物水分測量的合理方案。

試驗時，準備含水率不同的谷物樣本，這樣谷物電阻率都會不同，根據電阻和電阻率的對應關系，可以根據測得的不同電阻值來計算相應谷物的含水率。

1.1 針刺式傳感器設計

此谷物含水率檢測裝置傳感器部分結構示意圖見圖1。該檢測裝置由對稱的探針(即電阻傳感器)、氣動執行機構和信號線等部件組成。探針材料兼顧導電性、硬度、耐腐蝕、防銹等特性，選用YG8型鎢鋼，對稱雙針式結構。為了利于探針刺入谷物顆粒內部并確保兩探頭間距為1 mm的固定值，將探頭固定在有由氣動系統推動的一體化的活塞上，測量時由單片機控制電磁閥來驅動探針的收放。溫度傳感器選用DS18B20。其測溫范圍為-55～125 ℃，在-10～85 ℃時，精度為±0.5 ℃。除探針外所有機械結構均做接地處理。

圖1 針式傳感器示意圖

測量時，谷物籽粒從谷物入口處落入，由氣壓驅動的固定滑塊推動谷物籽粒至對稱探針的中心線處；此時開啟電磁換向閥，活塞探針對稱的刺入谷物籽粒；待測量完成，探針收起，固定滑塊回歸原位，再啟動出風口的電磁閥，將谷物籽粒吹出，等待下一次測量。結構圖見圖2。

1. 氣壓缸 2. 活塞 3. 接線端子 4. 谷物入口 5. 出風口 6. 谷物固定滑塊

圖2 含水率檢測儀局部結構圖

Figure 2 Local structure diagram of moisture content detection instrument

1.2 電路系統設計

谷物含水率檢測裝置硬件電路的系統結構框圖見圖3。該系統主要由阻抗測量及處理、溫度檢測、存儲模塊、人機接口、氣壓控制單元和MCU(微控制器)組成。阻抗傳感器與溫度傳感器模塊分別完成對阻抗值和溫度的采集和轉換；人機界面的功能是含水率與各項運行狀態的實時顯示以及各項參數的設置；flash模塊是便于原始數據及運行狀態的存儲。主控芯片選用意法半導體公司的STM32F215RGT7型工業級微控制器。

1.3 阻抗檢測方法

本研究采用AD5934作為谷物阻抗的測量芯片，其內部集成了采樣率為250KSPS的12位獨立AD轉換器。芯片內的頻率發生器可以產生特定的頻率來激勵待測量的外部電阻，待測電阻上的響應信號經過ADC采樣，并通過蕊片上的DSP處理器，進行傅立葉變換，計算出谷物的阻抗值。作為一個蕊片上系統其本身就具有抗外界噪聲干擾和簡化測量電路的優點，而且這款芯片從測量原理、解調原理、添加校準點等方面提高了測量精度[10]，芯片本身的設計符合谷物含水率測量系統的測量范圍及精度等方面的基本要求。檢測電路見圖4。

圖3 硬件電路系統框圖

Zx為被測阻抗

MCU通過I2C總線控制AD5934的工作模式設置，測量流程以及讀取測量數據。

2 谷物含水率數學模型的建立

2.1 試驗材料

本試驗所用的材料為安徽合肥地區秋季收獲后的“兩優6188”水稻種子。從新收獲的水稻中隨機選取試驗樣品。

2.2 試驗方法

將選取的試驗樣品平均分成10份，每份含量100 g；將其中的9份放在85 ℃的干燥箱中，每隔10 min取出1份樣品，得到分別烘干時間為0～90 min的10份樣品，放置在密封塑料袋中，分別編號A、B、C、D、E、F、G、H、I、J。分別從10份樣品中取出15 g左右的原始稻谷樣品3份，放在105 ℃的熱風干燥箱中，直到質量恒定[11]。計算出3份樣品的含水率，并將其平均值作為這對應稻谷的當前含水率。測量結果顯示，所選取10份稻谷樣品的初始含水率為25.5%，23.5%，22.1%，20.9%，18.5%，16.7%，15.4%，14.0%，13.1%，12.3%。

分別從每份樣品中去20粒稻谷籽粒放在0 ℃的恒溫環境下3 min后，用本設計的糧食含水率檢測儀隨機測量其中的10粒，獲取其電阻值；去掉10個數據中的最大值與最小值，將剩下8個阻抗值的算術平均值作為最終的測量值，按式(1) 計算：

(1)

式中：

Rx——測量值，kΩ；

Ri——傳感器測得電阻平均值，kΩ；

Rmax——10次測量最大電阻值，kΩ；

Rmin——10次量最小電阻值，kΩ。

在10～70 ℃的溫度環境下重復上述試驗，得到不同含水率的稻谷在不同溫度下測量所得的電阻值見表1。

表1 不同含水率、溫度下水稻樣品籽粒的阻抗值

利用MATLAB R2009b 軟件對以上試驗所測得的數據進行多元回歸擬合。建立的描述稻谷含水率、其電阻值和對應溫度值的三元四次方程，見式(2)，多項式擬合曲面見圖5。

W=35.76-8.78×10-3×Z-6.119×10-3×T+2.29×10-6×Z2-1.897×10-7×Z×T-1.018×10-4×T2-2.689×10-10×Z3+4.018×10-10×Z2×T+5.572×10-8×Z×T2+1.015×10-14×Z4- 5.855×-14×Z3×T- 7.41×10-12×Z2×T2，

(2)

式中：

W——含水率，%；

圖5 多項式擬合曲面

R——電容，kΩ；

T——溫度，℃。

對式(2)進行方差和顯著性分析，Z×T、Z2×T、Z×T2、Z3×T和Z2×T2這五項對模型的影響顯著性不高。為了簡化模型，忽略此五項，得到簡化的含水率與阻抗和溫度的數學模型：

W= 35.76-8.78×10-3×Z-6.119×10-3×T+2.29×10-6×Z2-1.018×10-4×T2-2.689×10-10×Z3+1.015×10-14×Z4，

(3)

其SSE(誤差平方和)為1.792、R-square(復相關系數)為0.998 8、RMSE(均方根誤差)為0.162 3。

2.3 模型的驗證

為驗證簡化后的數學模型的準確性，隨機從的不同干燥程度的稻谷樣品中選出5 份水分含量在10%～28%的樣品，分別檢測不同溫度下(0～70 ℃)的電阻值。將溫度值和含水率代入式(3)計算出阻抗值，作為計算值，以本設計的測量儀測得的阻抗值作為測量值，結果見圖6。由圖6可知，通過簡化模型所計算出的電阻值相對于實際測量的電阻值的點較為均勻，并且緊密地分布函數y=x的兩側，其R-square為0.980 5，RMSE為1.29，這說明通過式(3)所計算得出的電阻值能較好地反映實際測量電阻值。

圖6 計算所得阻抗值與實際測量阻抗的比較

3 試驗驗證

3.1 試驗條件與測試方法

根據式(3)，編寫對應的谷物含水率的計算程序。仍以新收獲稻谷為試驗對象，用取樣烘干稱重法(同2.2)測得每份樣品的實際含水率，選取含水率在10.0%～28.0%的樣品5 份(分別為13.4%，16.1%，17.7%，19.9%，23.7%)。將某一含水率下的樣品密封放置在恒溫干燥箱內，將溫度設置在0～70 ℃的任一溫度下，放置5 min，待稻谷籽粒溫度恒定后，用自制的含水率檢測儀測量其中的10顆籽粒，從顯示屏上讀取并記錄當前的測量結果。對于每份的樣品，均勻地選取0～70 ℃下的5 個溫度點。用本設計的測量儀測得的含水率與烘干法得到的含水率對比，分析其測量誤差與可靠性。并對50 ℃下，稻谷含水率在10.0%～28.0%，含水率間隔分別為0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%的樣品進行測量，分析儀表的靈敏度。

3.2 測試結果分析

采用本設計的含水率測量裝置測得稻谷的含水率和采用烘干法測得稻谷的實際含水率的對比結果見圖7。采用自制設備測量的含水率相對于谷物實測含水率的坐標點比較均勻地分散在直線y=x的兩側，擬合度為0.988 4，說明設備測量的含水率準確度較高。絕對誤差平均值為0.96%，響應時間不大于2 s。試驗結果表明，本文所設計的谷物含水率測量裝置能滿足谷物干燥過程中對含水率測量的要求。

圖7 稻谷含水率測量值與實際值的比較

4 結論

(1) 本研究基于谷物含水率與阻抗的相關性設計了以STM32F215為控制器，具有溫度補償機制的針刺式谷物含水率在線檢測儀。以水稻“兩優6188”籽粒為試驗對象，研究了含水率(12.3%～25.5%)和溫度(0～70 ℃)對水稻籽粒阻抗的影響，建立了以阻抗值和溫度值為自變量，以谷物的含水率為因變量的三元四次方程，并驗證了其準確性、合理性以及依據電阻值和溫度值計算得出稻谷含水率的精確度。

試驗表明，在0～70 ℃下，對于含水率在10%～28%的稻谷，其絕對誤差為0.96%，小于1%，靈敏度為0.3%，響應時間小于2 s；證明了此谷物含水率檢測裝置的準確性和可靠性。

(2) 本試驗以水稻為試驗樣本，但是此項技術同樣也可方便地應用于其它種類谷物的含水率測量，如大豆、玉米等。

(3) 接下來將通過更為合理結構設計，以提高谷物含水率檢測的速度和自動化程度，以期更好地實現實時在線檢測。

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Design of needle-typed moisture content detecting instrument of grains

WANG AnWUYangLIUQuan

(EngineeringCollegaofAnhuiAgricultureUniversity,Hefei,Anhui230031,China)

In order to enhance the speed and precision of grain moisture content measurement, and to satisfy the need of online detection of drying machinery, a new symmetric needle typed moisture content sensor which direct thrust into the grain was proposed, which was cooperated with high precision testing circuit and optimization algorithm, and the corresponding new equipment was designed. The trial results indicated that the error of paddy moisture content measurement was no more than 1% and the response time was less than 2 s. Through simple parameters setting, this equipment could be applied to measure moisture content of other grains. Through this new method, a new online measurement scheme was put forward.

impedance; sensor; moisture content; grain

汪安(1991—)，男，安徽農業大學在讀碩士研究生。

E-mail:wangan@ahau.edu.cn

2016—06—13