聯合收獲機電容式稻谷含水率在線檢測裝置設計與試驗

王金武 湯天永 唐 漢 徐常塑 周文琪 王 奇

(東北農業大學工程學院，哈爾濱 150030)

0 引言

含水率是影響稻谷收獲品質和儲藏加工的重要指標，含水率過高易導致稻谷腐爛變質[1]。在收獲過程中進行稻谷含水率在線檢測，可以為稻谷后期的產量計算、交易價格和儲存加工方式等提供數據參考[2-4]。目前，國外John Deere公司生產的C440型聯合收獲機等均已安裝稻谷含水率在線檢測系統[5]，國內關于聯合收獲機稻谷含水率在線檢測系統研究仍處于試驗階段，系統應用較少。因此，自主研發稻谷含水率在線檢測系統對提高聯合收獲機信息化水平、保證稻谷儲藏質量具有重要意義。

目前，稻谷含水率快速檢測方法主要包括電阻法、電容法、微波法、紅外法、核磁共振法、中子法和射頻阻抗法等[6-8]。其中，電容法具有適應性強、可靠性高、動態響應好和結構簡單、易維護等優點[9-11]，國外聯合收獲機含水率在線檢測系統普遍采用電容法進行檢測[12-13]。在谷物升運器側面設計螺旋輸送式采樣機構，可循環檢測所收獲谷物的含水率，但檢測樣本直接取用收獲谷物，并未考慮檢測樣本含雜率對檢測精度的影響。文獻[14]以CAV424芯片為核心，設計了一種谷物水分在線監測傳感器，但傳感器監測范圍有限；文獻[15]設計了平行板結構的聯合收獲機含水率在線檢測裝置，用于水稻和小麥含水率的在線檢測，但檢測周期較長，實時性較差；文獻[16]設計了高頻電容式谷物含水率在線監測裝置，確定10 MHz的高頻信號為監測裝置的激勵信號，同時對電容傳感器極板的結構參數進行了仿真和優化，但并未考慮溫度等環境因素對監測結果的干擾，且對監測結果數據直接進行擬合分析，導致誤差較大。相關研究表明[17-18]，利用電容法檢測作物品質時，雜質對檢測結果產生的影響較大。采用電容法進行稻谷含水率檢測的相關研究[19-21]，均直接取用收獲的稻谷進行檢測，并未考慮檢測樣本含雜率對檢測精度的影響。

針對聯合收獲機稻谷含水率在線檢測中因樣本含雜率高而導致精度差的問題，本文搭建兼具二次篩分除雜功能的稻谷實時采樣臺架，基于采樣臺架采用電容法設計聯合收獲機稻谷含水率在線檢測系統，并進行溫度和含雜率影響試驗、采樣臺架性能試驗、室內標定與驗證試驗和田間驗證試驗，以期保證含水率在線檢測裝置的精度和穩定性。

1 檢測裝置整體設計

1.1 稻谷采樣臺架工作原理與結構設計

通過前期試驗研究可知，利用電容法檢測稻谷含水率時，樣本含雜率高，對系統中電容傳感器檢測值影響大，導致數據擬合的結果無法反映真實含水率，基于檢測樣本應具有低含雜或無含雜以提高系統精度的思想，搭建了兼具二次篩分除雜功能的采樣臺架，以保證檢測系統的精度。采樣臺架結構如圖1所示，主要由入料斗、篩孔分離筒、聚集器上段、機架、聚集器下段、信號檢測腔、排糧輪、棄樣電機、質量傳感器、采樣電機、螺旋輸送器等部件構成。

采樣臺架工作流程分為糧箱進糧、采樣臺架取樣、二次篩分除雜、信號檢測腔存糧待測、排糧輪勻速排糧5個階段，如圖2所示。本研究在糧箱進糧階段，完成采樣臺架安裝位置確定，根據糧箱內尺寸結構完成采樣臺架總體設計，保證檢測裝置有效采樣且樣本具有低含雜率，避免因樣本含雜率過高影響檢測精度。

采樣臺架的入料斗設計為二次料斗形式，以減小稻谷結拱現象出現[22-24]；采用螺旋輸送器與篩孔分離筒配合的形式，進行樣本的輸送和二次篩分除雜；為了保證信號檢測腔內稻谷快速充滿且防止物料過多造成堵塞現象，在篩孔分離筒下方設計兩段形式的物料聚集器，上段收集篩分的稻谷，下段與信號檢測腔連接，信號檢測腔側面安裝電容傳感器，下方設有排樣口，同時設計勻速排糧輪，以此更新信號檢測腔內稻谷，保證檢測數據的實時性和物料密度的穩定性。

采樣臺架程序控制流程如圖3所示。采樣臺架開始工作時，質量傳感器和采樣電機工作，質量傳感器檢測當前時刻t信號檢測腔內稻谷樣本質量m(t)；當m(t)>M1(M1為稻谷完全填充信號檢測腔內電容傳感器時的質量)時，棄樣電機開始工作，開始擬合分析含水率；當m(t)>M2(M2為稻谷充滿信號檢測腔時的質量)時，若檢測到終止命令(i=1)，采樣臺架停止運行，程序結束，若未檢測到終止命令，采樣電機停止工作，直到m(t)

1.2 稻谷含水率檢測原理

電容法檢測稻谷含水率是利用水和稻谷具有不同的介電特性，當含水率不同的稻谷充滿信號檢測腔內電容傳感器時，傳感器檢測的電容不同。

當稻谷在信號檢測腔中的質量達到開始擬合分析含水率的條件時，傳感器輸出電容C為

(1)

式中S——極板相對面積，m2

ε0——真空介質的介電常數，F/m

εr——極板間物料相對介電常數

d——極板間距，m

極板間的介質包括干燥的稻谷、水分和空氣，則總體積V和物料的相對介電常數可表示為

V=V1+V2+V3

(2)

(3)

式中V1——干燥稻谷在極板間的體積，m3

V2——水分在極板間的體積，m3

V3——空氣在極板間的體積，m3

ε1——干燥稻谷的相對介電常數

ε2——水分的相對介電常數

ε3——空氣的相對介電常數

將式(3)代入式(1)，則

(4)

e=V3/V

式中e——極板間稻谷孔隙比

根據含水率的定義可知，稻谷含水率ω為

(5)

式中ρ1——干燥稻谷密度，kg/m3

ρ2——水分密度，kg/m3

電容傳感器設計完成后，S、e、d均為定值，同時ρ1、ρ2、ε0、ε1、ε2、ε3為已知值，因此令

(6)

(7)

(8)

(9)

根據式(4)～(9)可得

(10)

式中K1、K2、K3、K4——傳感器結構常數

由式(10)可知，根據電容C可計算稻谷含水率ω，但在電容傳感器工作時，相對介電常數ε1、ε2、ε3易受溫度的影響。因此，本研究以電容傳感器檢測稻谷電容為主，溫度傳感器檢測溫度進行數據偏差校核，由2種傳感器檢測值共同完成稻谷含水率在線擬合分析。

1.3 檢測裝置總體方案設計

檢測裝置包括采樣臺架和檢測系統兩部分。其中采樣臺架內含采樣電機(86步進電機)、棄樣電機(57步進電機)、2臺HB860型步進電機驅動器和HX711型質量傳感器以及相關控制電路；檢測系統主要包括STM32開發板(內含STM32F103C8T6微控制器)、電容傳感器、AD7746電容數字轉換芯片、AD8515運算放大器、DHT22型溫濕度傳感器、24 V直流電源、LM2596S型可調直流降壓穩壓器、I/O傳感器擴展板、上位機CP2102通信芯片TTL轉USB模塊、64GB USB閃存驅動器和上位機監控界面以及相關控制電路，檢測裝置結構框圖如圖4所示。

檢測裝置開始工作時，收獲稻谷經聯合收獲機糧箱進糧口，部分落入入料斗，通過采樣電機帶動螺旋輸送器進行采樣，稻谷經篩孔分離筒，進行二次篩分除雜，篩分后的稻谷經聚集器，自由下落至信號檢測腔內電容傳感器極板間，電容傳感器、質量傳感器和溫濕度傳感器檢測到信號檢測腔內稻谷數據信息后，數據信息經STM32開發板傳輸至上位機，上位機根據傳感器檢測的電容和溫度擬合分析出檢測樣本的含水率示值，進行數據顯示、儲存，以便后續分析。同時可通過上位機操控裝置各工作部件，檢測后的稻谷堆積在排樣口，棄樣電機驅動排糧輪勻速轉動，逐漸排出稻谷至糧箱，完成一個工作周期。其工作原理如圖5所示。

2 稻谷含水率檢測系統設計

2.1 硬件設計

2.1.1降壓穩壓電源模塊

本系統采用24 V直流鋰電池為系統供電，系統各模塊需要的工作電壓不同，因此需將電源電壓進行調節，選用LM2596S型降壓穩壓電源模塊，將輸入電壓24 V降至5 V為控制器供電，以滿足系統要求，電路如圖6所示。

2.1.2電容傳感器模塊

電容傳感器采用雙圓形平行板結構。極板材料選用密度小的鋁箔，以減小傳感器的質量；同時為了減小電容傳感器的邊緣效應，在電容傳感器極板I外，設計保護極板，其具體結構如圖7所示。由于電容傳感器極板間距越小、極板厚度越薄、極板相對面積越大，電容傳感器的邊緣效應減小得越顯著[25-27]，同時考慮到稻谷流通性、傳感器強度和體積等問題，最終電容傳感器極板間距設計為20 mm，極板厚度設計為0.5 mm，極板Ⅰ直徑設計為80 mm，極板Ⅱ直徑設計為110 mm，保護極板內徑設計為90 mm，外徑設計為110 mm，極板Ⅰ、極板Ⅱ和保護極板均采用屏蔽線連接電路。

電容傳感器是檢測系統的核心部件，在對稻谷電容檢測時，需要響應速度快、準確率高、穩定性強的電路，最終確定AD7746作為本系統的電容數字轉換芯片進行電路連接。在電容轉換期間，電容傳感器Cx連接在激勵源和Σ-Δ調制器之間，由激勵源對Cx發送方波激勵信號，Σ-Δ調制器連續采集流過Cx的電荷且由數字濾波器處理，輸出的數據經校核調整后，即可通過串行接口讀取最終結果數據，數據采集原理簡化框圖如圖8所示。

為擴大含水率檢測范圍，將電容數字轉換芯片AD7746在原有量程(±4 pF)基礎上擴大25倍，以增加其檢測范圍，電路如圖9所示。

2.1.3溫度傳感器模塊

檢測系統的溫度由溫濕度傳感器進行檢測，采用DHT22型數字溫濕度傳感器，其具有響應速度快、抗干擾能力強等優點，為單線制串行接口，電路如圖10所示。

2.1.4質量傳感器模塊

檢測裝置的質量是通過質量傳感器檢測，質量傳感器選用應變式電阻傳感器(量程為5 kg，精度為±1 g)。其具有響應速度快，精準度高的優點，為防止外界環境干擾，應變式電阻傳感器通過HX711芯片將模擬信號擴大一倍后，再轉換成數字信號被控制器接收，這樣傳輸數據可防止產生過大的誤差，電路如圖11所示。

2.1.5步進電機模塊

檢測裝置采樣和棄樣分別通過步進電機控制螺旋輸送器和排糧輪實現；采樣和棄樣均使用HB860型驅動器對步進電機進行驅動，其中采樣電機選用86步進電機，棄樣電機選用57步進電機，模塊采用24 V直流電源供電，通過控制使能信號、方向信號和脈沖信號的方式，改變步進電機的工作狀態，電路如圖12所示。

2.1.6上位機通信模塊

為了將各模塊檢測到的數據信息傳至上位機且能通過上位機控制各個模塊，故需將控制器與上位機建立通信，選用CP2102芯片構成的TTL轉USB模塊，以滿足控制器與上位機通信，電路如圖13所示。

2.2 軟件設計

檢測裝置以STM32F103C8T6微控制器單元為核心實現稻谷含水率在線檢測，下位機程序代碼在Keil_uVision5軟件上用C語言編寫并燒錄，實現系統各模塊、寄存器和串口初始化設置以及傳感器數據采集與預處理，具有良好的移植性和靈活的擴展性。

上位機在Visual Studio 2017軟件用C#語言開發，分為3種模式：開始模式、停止模式和調試模式；上位機功能為監視、調控和記錄儲存各模塊工作狀態，系統程序處理流程如圖14所示(圖中k為模式選擇類型)，上位機監控界面如圖15所示。

3 試驗與結果分析

3.1 溫度和含雜率影響試驗

利用LCR電橋測試儀、恒溫恒濕箱和設計的電容傳感器，選用的稻谷含水率為11.6%，在測試頻率38 kHz下，測試不同溫度和含雜率對稻谷檢測電容與傳感器空載電容差值即電容差值的影響規律，如圖16所示。由圖16可知，含雜率升高時，電容差值單調遞減，且在含雜率大于1.5%時，稻谷的電容差值變化更加顯著；溫度升高時，電容差值單調遞增，且電容差值隨溫度升高變化更加顯著。其原因是：當含雜率升高，稻谷雜余多為莖稈[28-29]，信號檢測腔內樣本間隙隨含雜率升高而增大且逐漸顯著，使得物料相對介電常數減小；當溫度升高，會加速稻谷內自由水的布朗運動和加速極性分子的取向運動，進而使得物料相對介電常數增加[30-31]。在稻谷的不同含水率狀態下和LCR電橋測試儀不同測試頻率下，也有相同規律。

3.2 采樣臺架性能試驗

為檢驗采樣臺架二次篩分除雜性能，在螺旋輸送器以工作轉速100 r/min采樣時，探究采樣臺架篩分初始含雜率0.5%～4.5%之間稻谷的效果，結果如圖17所示。由圖17可知，采樣臺架篩分后的稻谷樣本含雜率均小于1.2%，由圖16可知，在稻谷樣本含雜率小于1.5%時，電容差值變化幅度較小，試驗說明采樣臺架能夠實現稻谷樣本的二次篩分除雜功能且能有效減小因檢測樣本含雜率過高而引起的檢測誤差，滿足傳感器精度要求和檢測質量需求。

3.3 室內標定與驗證試驗

3.3.1含水率模型建立

使用電子分析天平(精度0.01 g)稱取一定質量的黑粳8號稻谷樣品裝于塑料袋中，通過向稻谷中少量多次添加蒸餾水的方式配制含水率為8%～35%的待測樣品[32]。試驗時選取一份待測樣品進行檢測，用塑料膜密封信號檢測腔口，放入5℃的恒溫恒濕箱中，將溫度傳感器插入同樣裝滿待測樣品的備用信號檢測腔中，溫度達到5℃時，記錄數據；依次切換10、15、20、25、30、35℃溫度值，每個含水率和溫度下均重復3次，取平均值作為檢測結果；檢測完的水稻樣本迅速稱取3份，放入電熱鼓風干燥機在105℃干燥直至質量恒定，以3份稻谷含水率的平均值為試驗樣本的實際含水率。試驗中稻谷樣本的實際含水率為8.71%、12.53%、19.71%、22.17%、26.14%、29.16%和32.50%，試驗結果如表1所示。

表1 不同含水率和溫度下信號檢測腔內極板間稻谷電容差值Tab.1 Capacitance difference of paddy rice between plates in signal detection cavity under different moisture contents and temperatures pF

由表1可知，極板間電容差值隨含水率和溫度變化有明顯的變化規律。利用Design-Expert 10.0軟件對試驗數據進行多元回歸擬合，得到關于稻谷含水率與電容差值和溫度之間一階模型、二因素交互模型、二階模型和三階模型，各模型決定系數如表2所示。

表2 各模型決定系數Tab.2 Coefficient of determination of each model

由表2可知，在各模型中二階模型決定系數最大。所以采用二階模型作為稻谷含水率多元回歸擬合方程，該方程為

ω=1.930 31-9.322 94×10-3T+1.739 37ΔC+ 3.103 54×10-5T2+1.888 3×10-2ΔC2-1.681 4×10-3TΔC

(11)

式中T——溫度，℃

ΔC——稻谷電容差值，pF

3.3.2含水率模型的驗證

為驗證模型的可靠性，隨機配備20份含水率8%～34%之間的稻谷，使稻谷自由下落填充檢測腔內電容傳感器，檢測系統進行檢測，結果與干燥法測量值進行對比，每組試驗檢測10次，取平均值作為試驗結果，結果如圖18所示。

由圖18可知，干燥法測量值與檢測系統檢測值之間呈線性相關，其決定系數為0.998 94，其中檢測系統最大誤差為0.42%，平均誤差為0.22%，檢測結果較穩定，試驗結果表明多元回歸擬合方程能夠描述稻谷含水率與電容差值和溫度之間的關系。

3.3.3在線檢測性能測試

為驗證裝置稻谷含水率在線檢測性能，選用當日收獲的黑粳8號稻谷樣本，不做任何處理進行試驗，稻谷含雜率在0.3%～4.7%之間，檢測裝置安裝如圖19所示。每組試驗檢測10次，取平均值作為試驗結果，與干燥法進行對比，結果如表3所示。

由表3可知，檢測裝置二次篩分除雜后的稻谷樣本含雜率不大于0.35%，平均相對誤差不大于1.25%，檢測結果較為穩定；試驗結果表明檢測裝置能夠較好地進行稻谷含水率在線檢測。

表3 裝置在線檢測試驗結果Tab.3 On-line detection experiment results of device

4 田間驗證試驗

為驗證在線檢測裝置的實用性與可靠性，2020年10月5日在黑龍江省慶安縣水稻試驗田進行水稻收獲田間試驗，如圖20所示，水稻品種為黑粳8號，其自然屬性如下：植株高度88 cm，千粒質量37.88 g，搭載機型選擇CF805N型全喂入聯合收獲機，割幅寬度為2 m，留茬高度15 cm，收獲水稻含雜率在0.3%～4.7%之間。將本研究的稻谷含水率在線檢測裝置安裝在糧箱內。為便于裝置檢測到含水率后及時與試驗真值數據比較，防止中間過程人為因素導致誤差過大，以PM-8188-A型水分測量儀3次測量平均值作為真值數據，試驗前對水分測量儀進行標定，保證其測量絕對誤差小于等于0.5%，重復測量誤差小于等于0.2%，試驗時5 m停機一次，記錄此次樣本含水率，取出樣本并與水分測量儀測量值進行比較，結果如表4所示。

表4 田間驗證試驗結果Tab.4 Field verification experiment results %

由表4可知，本研究的檢測裝置在田間作業時，檢測裝置相對誤差小于3%，滿足預設要求，田間試驗結果表明，本研究的稻谷含水率在線檢測裝置，可適用于田間作業。但與室內試驗相比，田間試驗相對誤差較大，其原因是田間試驗時的田間地表不平整、機械振動較大和檢測系統集成度低以及水分測量儀自身存在誤差等，可通過優化裝置減振性能和提高系統集成化等方法改善含水率檢測精度。

5 結論

(1)搭建了兼具二次篩分除雜功能的稻谷實時采樣臺架，基于采樣臺架采用電容法設計了聯合收獲機稻谷含水率在線檢測系統，闡明了采樣臺架與檢測系統的結構與工作原理。

(2)設計了檢測系統整體電路及外圍電路，編寫C語言控制程序，開發了檢測裝置上位機監控界面，實現了檢測過程中數據信號的監視、儲存和調控。

(3)研究了稻谷含雜率、溫度和電容差值之間的關系，進行了采樣臺架的性能試驗、室內標定與驗證試驗和田間驗證試驗。結果表明：含雜率升高時，電容差值單調遞減，且在含雜率大于1.5%時，稻谷的電容差值變化更加顯著；溫度升高時，電容差值單調遞增，且電容差值隨溫度升高變化更加顯著。采樣臺架篩分后的稻谷含雜率均小于1.2%。建立了稻谷含水率與電容差值、溫度的擬合模型，其決定系數為0.986 6，經驗證該模型能夠較好地描述稻谷含水率與電容差值、溫度之間關系，檢測系統最大誤差為0.42%，平均誤差為0.22%，檢測裝置平均相對誤差不大于1.25%。田間驗證試驗時檢測裝置的相對誤差小于3%。