一種基于射頻技術的糧食水分檢測儀介紹

張亞秋，陳中旭，牛立坤

（吉林大學，吉林 長春 130000）

我國人多地少，所以糧食的安全問題事關民生社稷，糧食所存在的問題一直以來都是國家關注的重點。因此，做好糧食干燥與存儲工作是非常必要的，我國糧食產量大，倉廩實，但是因為儲藏方法不完善，智能化程度不高導致了很多不必要的損失。現在已有的糧食含水率檢測方式可以分為兩類：直接測量水分法和間接測量水分法。傳統的糧食烘干方法有：電烘箱法、減壓法、紅外線加熱干燥法、微波加熱法、化學法等檢測周期較長，測量工序繁瑣，并不能適用于糧食水分的在線檢測。本文提到的傳感器就是利用玉米中水的介電常數來進行檢測。水的介電常數為80F·m-1，空氣介電常數為1F·m-1，植物組織的介電常數通常為2～4F·m-1，玉米的介電常數主要受其含水量的影響，根據Skaar C的研究，當溫度與測試信號頻率一定時，含水量增加，其介電常數也相應增加，介電常數和其含水量存在一定的線性相關性。

1 射頻測量原理

射頻式水分儀測量的原理與電磁波探測的原理類似，在射頻式傳感器中，電磁波是被約束在導體中進行傳播的。工作狀態下射頻源首先產生一個100MHZ的正弦波，正弦波在導體中以電磁波的方式來傳輸。在傳輸中，遇到檢測體，其阻抗就會發生變化，并產生反射信號，這時就可以用檢波電路來檢測反射的信號，其媒介特性可以通過入射信號與反射信號之間的波形差得到。

圖1 同軸電纜等效電路原理圖

由圖1可知，當射頻傳感器探測單元在同軸電纜傳輸的過程中，遇到不同的探測物體，探測物體所回饋的信號隨著探測物體的不同而變化。本水分傳感器中，100MHZ的有源晶振發出100MHz的正弦波，正弦波被傳至檢測體，當檢測單元與被檢測體沒有接觸時，其特性阻抗沒有改變，正弦波信號沒有變化，不產生反饋，當探測單元與其他被測物體接觸時，其特性阻抗就會發生變化，這時檢測單元就會有反饋信號傳輸，定義反饋信號振幅比上入射信號振幅為反射系數，數學表達式為：

2 檢測系統組成

該水分儀的系統組成主要由上位機，主控器單元，射頻傳感器組成，系統結構如圖2所示。

圖2 檢測系統框架

其中，上位機采用LabVIEW為開發軟件，LabVIEW是一種基于圖形化語言的程序開發環境，較其他計算機語言的顯著不同點是：其余語言都是基于文本產生的，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言，這樣直觀性邏輯性較強，便于以后的程序修改與拓展，編程語言較為簡單，容易操作。而后將STC89C52采集的水分值經過PC機處理與修正，在PC機上簡明扼要的顯示給用戶，而下位機的主要控制單元采用以STC89C52為核心的主要控制芯片。

3 試驗方法與結果分析

3.1 實驗標定

本次試驗采用偉科702玉米，為了得到玉米水分與射頻式水分儀的頻率的線性關系，首先進行重復標定實驗。為了標定實驗的精確性，在標定的同時，采用小梯度的標定間隔，以此保證獲得較好的線性擬合度，所以實驗選取的是含水率為12%～28%的梯度的偉科702玉米。試驗目的是對本次試驗的玉米的水分進行準確檢測，測量玉米含水率的操作規范嚴格遵循國家標準GB/T5497-1985《糧食、油料檢驗水分測定法》的相關規定進行絕干標定。通過LabVIEW的圖形化語句編程，將STC89C52得到的實時頻率值動過上位機的存儲系統存入Excel中，不同的玉米水分頻率值的采集周期為10h，將excle表中存儲的數據進行水分與頻率的標定處理，以此來獲得水分與頻率的擬合公式，進一步來進行計算（見圖3和圖4）。

圖3 數據存儲模塊

3.2 標定實驗數據處理

圖4 水分為14.66%的數據采集處理

本實驗通過下位機及其附屬電路將不同的水分轉換成不同的頻率輸出，標定實驗結果如圖5所示。

圖5 實驗標定射頻式水分儀含水率與頻率曲線

3.3 特征參數回歸模型的建立

根據標定實驗，將不同的玉米水分與所得到的頻率值進行線性擬合，得出初步的線性標定方程。線性方程如圖6所示。

圖6 射頻式水分儀含水率-頻率曲線（線性）

表1 試驗數據對比

由表1可知線性相關系數R2=0.9819，擬合方式的相關系數大于0.95，說明線性擬合的玉米含水率與采集到的頻率值曲線的相關性較好，可以用此公式進行頻率與水分計算。

3.4 實驗驗證

將射頻式水分儀安裝在自制的實驗臺上，將標定公式輸入上位機軟件，來進行試驗驗證（如圖7和圖8）。

圖7 自制實驗裝置

圖8 實驗數據對比

實驗結果表明，最大誤差0.8%，最小誤差0.2%，另外，溫度、密度、電路干擾也會對實驗有一定的影響，但最大誤差沒有超過1%，測量結果在可接受范圍之內。

4 結語

本文開發了一套基于射頻原理的糧食在線水分儀，制作了樣機和試驗臺，通過前期預實驗和對采集的頻率值與偉科702玉米的實際水分值進行了標定實驗，將標定公式與實驗采集通過上位機LABVIEW進行系統性的匯總與處理，初步對系統的性能進行了模擬試驗，達到了預期的實驗效果，表明該水分儀可以對糧食的含水率進行實時的在線監測，并且監測精確度和穩定性都已經符合國家標準，但是射頻式的水分儀開發還屬于初級階段，還有很多不足之處，比如不同玉米品種，玉米的緊實度，周圍的環境溫度和濕度，不同的季節，還有周圍是否存在電磁干擾等都存在或大或小的問題，需要進一步完善后推廣使用。