水稻電阻抗譜分析及檢測頻率范圍的確定

宋　琦，盧澤民，孫衛紅，魏新華

(江蘇大學 a.現代農業裝備與技術教育部重點實驗室；b.食品與生物工程學院，江蘇 鎮江　212013)

0　引言

水稻含水率是糧食收購、儲運中衡量谷物品質主要的技術經濟指標。水分含量過高促使水稻中微生物生命活動旺盛，導致水稻發熱霉變。在我國，因水分檢測技術的不完善，每年都有大量水稻在運輸及儲藏過程中霉爛變質；水分含量過低，減少了水稻的質量、降低了水稻的品質，嚴重影響水稻種植的經濟收益[1-3]。水分含量過高或過低，都將造成巨大的損失，因而十分有必要對水稻水分含量進行監測。水稻水分檢測按測量原理不同分為電烘箱式、微波式、紅外式、中子式、核磁共振室、電阻式及電容式等[4-8]。電烘箱式、微波式、紅外式適合實驗室測試，不滿足在線測量的需求；中子式、核磁共振式雖檢測精度高，檢測范圍廣，但價格昂貴，性價比較低，無法推廣使用；電阻式及電容式因結構簡單、性價比高，是目前常用的水分在線檢測方法，但兩者均存在測量信號弱，實時性差等問題。為克服水稻的電阻或電容單獨測量導致的測量信號弱、實時性差等缺點，提高測量精度，可采用復阻抗測量原理[9-12]。

本文針對基于復阻抗測量原理的水稻水分檢測傳感器的設計核心—水稻阻抗譜進行研究，旨在獲得水稻的頻譜特性，從而為傳感器檢測頻率的選擇提供依據。

1　實驗原理

對于不同含水率的水稻，其阻抗特性不同，含水率與水稻的阻抗模負相關，因而可以通過測量水稻的阻抗模來確定水稻的含水率。用復阻抗測量原理測量水稻的含水率時，輸出阻抗值不僅與水稻含水率有關，還與被測物料的溫度、品種和緊實度有關[13-16]。

在水稻阻抗特性測量過程中，粉末狀水稻樣品散熱快，其溫度與當前環境溫度保持一致。為契合實際谷物烘干機測量環境條件，阻抗特性實驗在10月收獲季進行，因實驗環境溫度與收獲時一致，可忽略溫度對水稻輸出阻抗值的影響；再通過將粉末狀水稻樣品在自制電阻盒中均勻壓實來消除緊實度對阻抗值的影響。自制電阻盒如圖1所示。結構材料為聚四氟乙烯，電極材料為銅，平行電極尺寸6mm×8mm，電極間距10mm。

自制電阻盒在使用阻抗分析儀測量過程中等效電路模型如圖2所示。等效阻抗z為

(1)

式中R—自制電阻盒與水稻樣品等效電阻值；

C—自制電阻盒與水稻樣品等效電容值。

由式(1)可知，等效阻抗z的模|z|為

(2)

圖1　自制電阻盒

圖2　自制電阻盒等效電路模型

2　材料與方法

2.1材料

水稻品種選取為鎮稻十號，為收獲季節于田間使用收割機收獲，以與實際水稻烘干的作物條件保持一致，將其放置于保鮮冰箱中使用密封塑料袋進行密封保存，初始含水率為29.28%(濕基)。在水稻阻抗特性測量過程中，為使用于測量的不同含水率的水稻樣品與實際水稻烘干過程中的水稻情況保持一致，不同含水率的水稻樣品直接通過干燥過程中的水稻樣品取樣獲得。

2.2實驗設備

水稻阻抗測量系統主要由solartron阻抗分析儀1260A+1294、計算機、測試軟件SMaRT和自制電阻盒等組成，如圖3所示。

圖3　水稻阻抗測量系統

2.3實驗步驟

測試實驗開始前先對solartron阻抗分析儀1260A+1294進行為期1h的預熱；預熱完成后，設置掃頻測試頻率為1Hz～1MHz，對數掃描模式，掃描頻率點61個，使用配套的校準模塊對阻抗分析儀進行校準，校準完成后，開始實驗。步驟如下：

1)使用105℃恒溫烘箱法，對水稻樣品的含水率進行初始標定。

2)均勻選取200g水稻樣品放置于55℃恒溫干燥箱中進行干燥，每隔30～60min使用精密天平對水稻樣品質量進行測量，計算其當前水稻含水率(濕基)；并取5g樣品研磨處理，將粉末狀水稻樣品于自制電阻盒中均勻壓實，使用solartron 1260A+1294對其阻抗值進行掃頻測量并記錄。

3)重復步驟2)，直到谷物含水率(濕基)達到或低于其安全水分值14%。

4)使用105℃恒溫烘箱法，對干燥完成后的水稻樣品的含水率進行檢驗。

3　結果與分析

3.1頻率對水稻阻抗值的影響

對實驗數據進行統計處理，以頻率f為橫坐標、水稻阻抗模|z|為縱坐標，針對含水率12.67%、16.15%、18.02%、20.16%、23.57%、26.22%和29.28%的水稻樣品建立阻抗模-頻率圖，發現不同含水率的水稻樣品其阻抗模-頻率圖的圖形特征具有良好的一致性。選取其中4點進行對比，如圖4所示。

圖4　29.28%、23.57%、18.02%、12.67%　　含水率水稻的阻抗模-頻率對比圖

由圖4可知：隨著水稻含水率的減小，水稻阻抗模范圍逐漸增大，且其圖形拐點處由平滑逐漸尖銳，但阻抗模|z|隨頻率f的增大而減小，其圖形特征均滿足式(2)。為了更為清晰地觀察不同含水率水稻的阻抗模-頻率特性，以頻率f為橫坐標，以阻抗模|z|為縱坐標，建立對數坐標系下的阻抗模-頻率圖，如圖5所示。

圖5　不同含水率水稻的阻抗模-頻率圖

由圖5可知：隨著頻率f的增大，不同含水率水稻阻抗模|z|間距逐漸縮小并產生重合。當頻率f為1～50Hz時，含水率高于20%的水稻樣品，阻抗模|z|隨頻率f的增大而減小；含水率低于20%的水稻樣品，在總體趨勢上阻抗模|z|仍隨頻率f的增大而減小，但會產生一定幅度的上下波動。當頻率f為50～50kHz時，不同含水率的水稻樣品，阻抗模|z|均隨頻率f的增大而減小，且在對數坐標系下阻抗模|z|對頻率f的斜率隨頻率f的增大而逐漸減小，頻率f越大。阻抗模|z|減小的速率越快，水稻含水率越高，阻抗模|z|對頻率f的斜率隨頻率f增大的變化幅度越大。當頻率f為50k～1MHz時，不同含水率的水稻樣品阻抗模|z|均隨頻率f的增大而減小，且在對數坐標系下，阻抗模|z|與頻率f呈線性關系。

3.2含水率對水稻阻抗值的影響

由3.1可知，頻率對水稻阻抗模的影響按其頻段區域特征可劃分為1～50Hz、50～50kHz和50k～1MHz等3個頻率段分別進行研究。當頻率較低時，低含水率水稻阻抗模|z|隨頻率f的增大會產生一定幅度的上下波動，導致檢測性能不穩定，因而不對頻段1～50Hz上含水率對水稻阻抗模的影響進行研究。

選取50～50kHz上0.5k、1k、2kHz頻率點和50k～1MHz上50k、100k、200kHz頻率點，對含水率對水稻阻抗模的影響進行研究，建立阻抗模-含水率圖，如圖6、圖7所示。

圖6　0.5k、1k、2kHz阻抗模-含水率圖

圖7　50k、100k、200kHz阻抗模-含水率圖

如圖6可知：當頻率為0.5k、1k、2kHz時，隨著含水率M的增大，水稻阻抗模|z|單調遞減。由圖7可知：當頻率為50k、100k、200kHz時，隨著含水率M的增大，水稻阻抗模|z|上下波動，并出現多個波峰及波谷。

由圖6、圖7可知：水稻阻抗模|z|隨含水率M變化的趨勢具有頻段區域特征，其減小或波動的幅度逐漸減小，趨勢具有良好的一致性。

3.3檢測頻率范圍

本文旨在通過水稻的頻譜特性，為傳感器檢測頻率范圍的確定選擇提供依據。由圖7可知：在頻段50kHz～1MHz上，阻抗模與含水率之間無映射關系，不滿足傳感器設計的基本要求。因此，在頻段50Hz～50kHz上對檢測頻率范圍進行確定。

100Hz～10kHz上不同含水率水稻的阻抗模-頻率圖如圖8所示。

圖8　100Hz～10kHz上不同含水率水稻的阻抗模-頻率圖

由圖8可知：頻率f在100Hz附近時，含水率12.67%的水稻阻抗模|z|仍有小幅度的波動，不滿足傳感器設計穩定性的要求，為保證其檢測穩定性，確定最佳檢測頻率下限為200Hz；當頻率大于2kHz時，含水率20.16%水稻的阻抗模超過18.02%水稻的阻抗模并逐漸與含水率16.15%水稻的阻抗模重合，因含水率M與阻抗模|z|之間需單值對應，確定最佳檢測頻率上限為2kHz。由以上分析可知，水稻含水率的檢測頻率范圍為200Hz～2kHz。

以1kHz為例，使用MatLab對水稻阻抗模-含水率曲線進行擬合，如圖9所示。其擬合方程為R2=0.9796，則

Z(M)=(2.859e+10)M3-(1.793e+10)M2+(3.168e+9)M-(1.035e+08)

(3)

圖9　1kHz擬合曲線

4　結論

1)隨著頻率的增大，不同含水率水稻阻抗模逐漸減小且阻抗模間距逐漸縮小并產生重合。其中，含水率低于20%的水稻在低頻段1Hz～50Hz上頻率增加的過程中會產生一定幅度的波動。

2)含水率對水稻阻抗模的影響具有頻段區域特征，在頻段50Hz～50kHz和50kHz～1MHz上，其減小或波動的幅度逐漸減小，趨勢具有良好的一致性。

3)本研究通過對水稻阻抗譜進行分析，確定水稻含水率的檢測頻率范圍為200Hz～2kHz，為基于復阻抗測量原理的水稻水分傳感器的設計提供了重要的實驗依據。

4)含水率低于20%的水稻在低頻段1Hz～50Hz上，雖在總體趨勢上隨頻率的增大而減小，但會產生一定幅度的上下波動；在50Hz時，含水率小于等于23.57%水稻的阻抗模會產生一個明顯的波谷尖峰；當頻率高于2kHz時，不同含水率水稻開始產生一定交叉重合，且在高于50kHz時，該現象大范圍的出現，并保持一定的規律性。以上問題，都有待于進行進一步的理論分析及實驗研究。

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