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0、引言
    隨著我國谷物收獲機械的普及，收獲時節(jié)，大量的機收糧食會短時間內集中上市，迫切需要及時干燥，以保證品質，利于儲藏。谷物低溫干燥設備是解決這一問題的重要裝備。在裝備低溫烘干過程中，需適時在線測定受干燥谷物的水分含量，并根據(jù)水分含量，不斷地調節(jié)干燥機的熱風溫度和熱風流量，以保證谷物的干燥質量。因此，實現(xiàn)干燥過程的谷物水分在線測定，并保證其自動化和連續(xù)化，是提高谷物干燥質量和工作效率的關鍵所在。
    水分在線測定通常都是間接法，通過測定與水分相關物性參數(shù)的變化，尤其是電特性的變化而獲得被測物含水量的對應值。電容法是眾多的谷物水分間接測定方法的一種，它根據(jù)谷物在不同含水量下，其介電常數(shù)不同，也即電容值不同的原理，通過測量不同含水量下的電容值來表示含水量的一種測量方法。該方法在線實現(xiàn)形式一電容式傳感元件多為圓筒型或平行極板型，結構相對簡單、價格便宜，但其性能常常受到谷物的緊實程度、溫度和安裝方式等多種因素的影響，精度不高。本文研究使用PCB敷銅層加工成測量電容的極板，利用Ansys建模分析，研究一種邊緣電場電容式谷物水分傳感器；并對測定方法進行研究，進而設計出傳感器的硬件電路。
1、谷物的導電特性分析與測定方法研究
    完全干燥的谷物、種子、油料等介質可視為絕緣體，其阻抗趨于無窮大。谷物、油料、藥品等含水介質在外施幅值不變的中高頻率電信號作用下，其電導率隨激勵的頻率變化而變化。據(jù)相關資料，稻谷、小麥、大米等含水介質的“阻抗一頻率”特性有：
    1)當激勵信號的頻率較低時，介質的阻抗隨頻率增加而急劇降低；在中間頻帶，阻抗值最小，隨頻率的變化較小；頻率繼續(xù)升高，阻抗值隨之緩慢增加，即：在一定頻率范圍內，介質的”阻抗一頻率”關系呈浴盆曲線狀。
    2）試料的品種不同，浴盆效應的邊沿頻率也不
同，但各種谷物在100～250kHz范圍內基本呈最低阻
抗狀態(tài)，施加這一頻帶的激勵信號，可以獲得較大的
與含水介質的水分含量成正比的電流檢測信號。
   3)谷物的阻抗與籽粒結構有關，籽粒有殼體的谷物阻抗較大。稻谷有纖維素和礦物質構成的結構堅硬、高度木質化的谷殼的阻抗值較大。小麥有纖維素和干纖維組成的皮層，其阻抗較稻谷小，但比只有果實的大米阻抗要大。
    由于谷物介質的“阻抗一頻率”關系呈浴盆曲線狀，對傳感器施加100—250kHz的激勵信號，以獲得相應響應信號就可以測量出被測谷物的水分。
    在實際電路中，電容的測量方法主要有電橋法、諧振回路法、充放電法等。在軟件的處理上，可根據(jù)所測谷物含水率分布和所用單片機系統(tǒng)主頻選用頻率測量或周期測量。一般而言，測頻法在高頻端具有較高的測量精度，測周法在低頻端具有較高的測量精度。從輸入、輸出信號情況看，常用的測量方法有：一是施加固定頻率信號，測量響應的信號強度計算出電容值或水分值；二是施加自激信號，測量響應的頻率，從而計算出電容值或水分值。顯然后一種方法比較容易實現(xiàn)，但具有一定的測量誤差，此測量誤差可以通過分段標定修正的方法進行有效控制。本研究采用后一種方法，通過測量響應頻率進行水分的測量。
2、水分傳感器的功能和工作機理
   水分傳感器是水分在線測定儀的核心部件，其作為一個網絡從節(jié)點與基于CAN總線的主控節(jié)點組成了本文所研究的水分在線測定儀。這兩部分各自以單片機為核心。
    主控節(jié)點可以實現(xiàn)對傳感器的控制與數(shù)據(jù)傳送，完成參數(shù)設置、品種選擇及向上級控制系統(tǒng)傳輸測定或狀態(tài)數(shù)據(jù)等；主控節(jié)點還可作為上位總控主機進行控制策略的選擇及控制動作的實施等。
    傳感器節(jié)點則完成對應數(shù)據(jù)的采集與傳輸?shù)裙δ堋Ｒ驕y量系統(tǒng)采用CAN總線組網，水分傳感器節(jié)點個數(shù)可根據(jù)需要增加或減少，所以這種方案還能方便應用于大型糧庫等場所，完成多點位水分測定，并實現(xiàn)網絡化監(jiān)測與控制。
    在水分測定儀中，CAN總線網絡與各節(jié)點間均采取分別供電和光電隔離措施，以提高隔離效果。
  水分傳感器采用邊緣電場電容器作為水分傳感測量元件，并設計出“容／頻”轉換硬件電路，由單片機讀出與待測物料含水率對應的脈沖數(shù)據(jù)；同時根據(jù)集成溫度傳感器采集的待測物料環(huán)境溫度的數(shù)據(jù)，通過軟件對測定水分數(shù)據(jù)自動加以修正，得出表達當前待測物料含水率的數(shù)據(jù)，儲于水分節(jié)點緩沖器中，便于及時發(fā)送給主控節(jié)點。
3、邊緣電場傳感元件電特性的Ansys分析
3.1邊緣電場技術
    由于在線測量的非破壞性和寬的響應頻譜等特性要求，人們對物質的物理特性測定普遍采用介電常數(shù)測定法。電容傳感器是最常用的一種介電常數(shù)傳感器，如果將平行極板電容傳感器的兩塊極板放在同一平面內，就形成了一種新型電場泄漏型傳感器—邊緣電場電容式水分傳感器。工作時，其電力線及穿透谷物的電磁場呈現(xiàn)不平行分布。當谷物水分發(fā)生變化時，會帶來介電常數(shù)的改變，在電場作用下，穿透谷物的磁場將發(fā)生相應改變，亦即極板間電容值發(fā)生改變，通過測量極板間電容值，可間接測定谷物水分含量。使用這一技術，谷物只需流經傳感元件的一側（或兩側）即可完成測量。一種測量電容元件的形式如圖l所示。
3.2傳感元件測量模型與電特性研究
    根據(jù)對物料與電容極板間的位置及組件單元分析結果，結合作為測量電容極板的PCB敷銅層尺寸及加載電場位置，設計出多種傳感器結構方案，并進行比較，最終選出一個應用于本研究的最優(yōu)測量方案，其傳感器結構如圖2所示。
    在應用Ansys軟件對其進行有限元分析時，采用圖1申A-A剖面方向，將整體模型分為5個部分，即：谷物所對應的電容空間用正方體模擬，改變該空間的介電常數(shù)以代表谷物含水量的變化；電極所附著PCB板用2mm厚長方體模擬，極板材料的介電常數(shù)為5左右，本文取其值為5；采用厚0.2mm，寬19mm，長100mm的兩個PCB敷銅片為電極建模實體；兩電極之間一個寬5mm的長方體作為電極邊緣之間空氣實體。
    通過Ansys分析得：
    1)在加載的直流電場強度不變時，設谷物空間的介電常數(shù)為5和80，谷物空間的磁場強度相差一個數(shù)量級。
    2)將直流5v電源加載于兩極板的上表面，其大部分電磁場的法向穿透能力可達10mm(PCB板厚度的5倍)以上。
    由于邊緣電場傳感器兩電極在一個平面內，邊緣電場的場能量聚集在極板邊緣，靠近電極附近的地方能量最集中，其靈敏度與物料的空間位置和電力線的穿透深度有關。因邊緣電場傳感器具有邊緣電場傳感特性和雙邊敏感特性，設計不同電極間距和極板面積的結構參數(shù)，可以實現(xiàn)對不同物質含水量的測量，并可做成不同的形狀以適應安裝與使用要求。電極的距離越大，所施加的電壓越高，被穿透的谷物越多。但電極的距離過大，則易使信號減弱。由于信號的強弱與金屬極板的面積成正比，可通過增加面積等方法進行綜合設計。因此，本設計采用電極板間距為5mm、兩極間加載電壓為5V，能滿足對稻麥等一般顆粒谷物水分的測量精度。
4、傳感器測量電路的硬件實現(xiàn)
    傳感器測量電路由傳感器元件及測量與轉換電路、待測物料環(huán)境溫度檢測電路、單片機、CAN總線接口電路和看門狗控制電路等構成。其硬件組成原理框圖如圖3所示。
    本研究在測量與轉換電路的設計中采用以SE556芯片為核心的振蕩電路，結合電容的充放電進行”容，頻”方波轉換（如圖4所示）。理論上，振蕩電路輸出的方波頻率代表著電容的值，因此，通過單片機的計數(shù)器測量出振蕩電路的輸出頻率就可間接得到電容值，進而得到所測谷物含水率。
   根據(jù)器件的特性，輸出方波的上升沿和下降沿一般為100~200ns．因此，必須取五倍以上的上升和下降沿寬度之和，才能得到一個較為穩(wěn)定的方波脈沖，這就使得器件輸出方波的頻率小于6MHz，并控制在浴盆底部范圍。為了讓被測電路具有這樣的特性，圖4中的RA應在lk—lOOk范圍內；當vcc-5v時，最大總電阻R=RA+RB≤3.4Mn；當vcc=15v時，其最大值為10MΩ。
   在測量過程中，防止器件單側工作增加的系統(tǒng)誤差，采用雙回路測量取差法，即：組建兩組電容測量電路，其中一組電路的電容為待測電容，另一組電路的電容為精密己知電容。將兩組電容測量電路測得的值進行處理，從而有效減少系統(tǒng)誤差，較精確地測出電容的變化值。
  考慮到溫度對測量結果的影響，在水分傳感器中還設有測溫電路，輸出頻率和溫度信號都送入單片機，通過數(shù)據(jù)處理，補償谷物溫度對其含水率測量的影響，從而得到較精確的測量結果。
5、傳感器標定和溫度系數(shù)修正
    由于谷物儲藏安全含水率為14%左右，而谷物收獲時的含水率一般在16%—25%左右，陰雨天會更高一些。根據(jù)中小籽粒谷物品質要求，其低溫干燥熱風最高溫度小于55℃，且不同種類的谷物最高受熱溫度也不同。因此，傳感器能在9%—20%含水率范圍內、干燥溫度在+100℃ ~+500℃范圍內進行較精確的測量，并將被干燥谷物的含水率控制在12%~15%之間，即可滿足要求。
    影響谷物介電常數(shù)（電容值）的因素主要有谷物品種、含水率和溫度。用電容傳感器測定谷物含水量時，還需消除材料穿透電場及環(huán)境等因素的影響。
6、系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程
    實際測量時的數(shù)據(jù)處理過程：單片機接收水分傳感器和溫度傳感器發(fā)出的被測谷物在干燥溫度下代表電容數(shù)據(jù)的脈沖數(shù)和被測谷物當前溫度值；由軟件調用標定數(shù)據(jù)庫中被測谷物的標定系數(shù)并將脈沖數(shù)轉換成標準溫度下的含水率；由軟件調用溫度修正數(shù)據(jù)庫中被測谷物在該溫度下的修正系數(shù)并對被測谷物標準溫度下的含水率進行修正，得出較精確的被測谷物實時含水率；單片機通過CAN總線網絡將較精確的被測谷物實時含水率數(shù)據(jù)傳送到主控節(jié)點。
   作為在線水分傳感器，若本傳感器用于谷物干燥機，則將較精確的被測谷物實時含水率數(shù)據(jù)傳送到谷物干燥機控制器中作為干燥控制的依據(jù)；若本傳感器用于大型糧庫等場所，則將較精確的被測谷物實時含水率數(shù)據(jù)傳送到大型糧庫等場所的主控機，完成多點位水分測定，并實現(xiàn)網絡化監(jiān)測與控制。
7、結束語
    本文研究使用PCB敷銅層加工成測量電容的極板，通過Ansys建模分析，確定了邊緣電場電容式谷物水分傳感元件的結構參數(shù)；分析并確定了一種測量方法，設計出邊緣電場電容式谷物水分傳感器、測量與接口電路，使設備便于安裝、提高抗干擾能力、減少系統(tǒng)誤差，從而提高谷物水分在線測量精度。