非接觸式物料水分傳感器

咸婉婷，張 憲，劉其中

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，黑龍江哈爾濱150001;2.中國(guó)人民解放軍第二炮兵部隊(duì)駐黑龍江軍代室，黑龍江哈爾濱150001)

0 引言

對(duì)固體物料，如，化學(xué)藥品、煙草、糧食、彈藥、土壤等的水分含量的測(cè)量，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的測(cè)量工作之一［1］。目前，該類(lèi)測(cè)量多采用烘干法、瓶筒法、化學(xué)法、近紅外反射法、放射法等方法，其中，烘干法、瓶筒法和化學(xué)法不能實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量;近紅外反射法可實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，但是受到被測(cè)物料表面粗糙度影響較大，精度低，且只能測(cè)量表層含水量;放射法因中子法和γ射線法存在成本高、有射線泄露危險(xiǎn)的缺點(diǎn)，在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)被禁用［2］。因此，尋求一種固體物料水分含量在線測(cè)量的解決方案迫在眉睫。

新型的傳感技術(shù)是實(shí)現(xiàn)物料含水量在線監(jiān)測(cè)和測(cè)量的快捷可行的途徑。頻域反射法是介電測(cè)量法的一種，通過(guò)測(cè)量物料的介電常數(shù)來(lái)測(cè)定其體積含水量，解決了現(xiàn)有方法的不可在線測(cè)量、成本高、精度低等問(wèn)題［3］。本文通過(guò)對(duì)電容式探頭和振蕩電路的特殊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了頻域反射法在物料水分測(cè)量中的應(yīng)用，同時(shí)解決了常規(guī)頻域反射原理存在的抗干擾性差的問(wèn)題，采用非接觸式測(cè)量方法，避免了含水物料中的水、水汽對(duì)測(cè)量電路和傳感器探頭的影響。經(jīng)標(biāo)定和測(cè)試表明:該傳感器水分含量測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，響應(yīng)速度快，可應(yīng)用于糧食、土壤、彈藥等多種固體物料的水分測(cè)量中，為固體物料水分在線測(cè)量提供了良好的解決方案。

1 工作原理

物理學(xué)中認(rèn)為“所有非金屬，甚至一定條件下的金屬，都屬于電介質(zhì)”，固體物料同樣是電介質(zhì)，含水的固體物料其相對(duì)介電常數(shù)實(shí)質(zhì)上是針對(duì)“固、液、氣”三相混合物而言的。20世紀(jì)80年代開(kāi)始，介電物理學(xué)研究針對(duì)固體顆粒狀物料的作為電介質(zhì)的頻率特性進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。頻域反射法就是利用電磁脈沖原理，根據(jù)電磁波在物料中的傳播頻率來(lái)測(cè)量其表觀介電常數(shù)，從而得到容積含水量。

本文所設(shè)計(jì)的傳感器采用電容式探頭，由一對(duì)電極平行排列的圓形金屬環(huán)組成一個(gè)電容器，其間的含水物料充當(dāng)電介質(zhì)，電容器與振蕩器組成一個(gè)調(diào)諧電路。應(yīng)用100 MHz正弦信號(hào)，通過(guò)傳輸線到達(dá)探頭，探頭阻抗與介電常數(shù)相關(guān)聯(lián)，物料含水量不同，其發(fā)生共振的頻率不同。

電磁波作用在含水物料上時(shí)，會(huì)使物料內(nèi)部產(chǎn)生極化和磁化，電容式探頭通過(guò)電磁波的相位、速度變化等來(lái)測(cè)量物料的介電常數(shù)。電磁波與物料作用測(cè)含水量的基本測(cè)量參數(shù)是電磁波速c和傳播相位因子β。

電磁波與媒質(zhì)作用后，相位和速度變化均與媒質(zhì)的介電常數(shù)相關(guān)，在電導(dǎo)率較小，而電磁波頻率較高的情況下，電磁波波速可表示為

式中 μ為磁導(dǎo)率，ε為介電常數(shù)。傳播相位因子

式中 ω為電磁場(chǎng)的角頻率。

含水物料磁導(dǎo)率變化并不明顯，而水的介電常數(shù)為75～81，固體顆粒狀物料的介電常數(shù)通常為2～5，在電容法測(cè)量中加入對(duì)損耗角的測(cè)量，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波幅度衰減的測(cè)量。

2 傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 電容式探頭設(shè)計(jì)

電容式探頭由3個(gè)平行排列的黃銅金屬環(huán)組成，這3個(gè)金屬環(huán)相當(dāng)于電容器的極板。將金屬環(huán)套接在探測(cè)器承載件上，3個(gè)金屬環(huán)的電極分別與探測(cè)器電路相連。該探頭結(jié)構(gòu)與金屬環(huán)邊緣場(chǎng)效應(yīng)磁場(chǎng)分布方式如圖1所示。

圖1 電容式探頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Structure diagram of capacitive probe

探頭金屬環(huán)中，外側(cè)2個(gè)環(huán)連接振蕩電路的參考端，3個(gè)金屬圓環(huán)共同與壓控振蕩器組成一個(gè)調(diào)諧電路。其中，中間的電極屬敏感端，兩側(cè)的電極是不敏感端，同時(shí)也作為敏感端的保護(hù)端，它們共同作用，縮小了邊緣場(chǎng)效應(yīng)的影響范圍，提高了傳感器的抗干擾性。該結(jié)構(gòu)電容式探頭的電容經(jīng)實(shí)測(cè)與調(diào)整，純水介質(zhì)中達(dá)到10 pF的容量。

2.2 電路設(shè)計(jì)

傳感器電路要完成對(duì)振蕩部分的激發(fā)和維持，還要完成傳感器數(shù)據(jù)的拾取與換算，并發(fā)送至采集器。它可分為L(zhǎng)C振蕩電路模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、CPU處理模塊和數(shù)據(jù)通信模塊。

1)LC振蕩電路模塊

LC振蕩電路模塊可以看成電容傳感器的水分/頻率轉(zhuǎn)換電路，是電路設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)。

在高頻電場(chǎng)作用下，多個(gè)電極構(gòu)成一個(gè)電抗元件，其電特性既可能是呈電容特性，也可能呈電感特性。據(jù)多方面的資料表明，傳感器的阻抗在1～280 MHz范圍內(nèi)是呈現(xiàn)容抗特性，其后隨著測(cè)量頻率的升高轉(zhuǎn)變?yōu)楦锌固匦?，傳感器工作頻率范圍跨越這一頻帶，因此，傳感器的輸入—輸出特性將會(huì)呈現(xiàn)多值性。

本文將一個(gè)電容網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償引入電路設(shè)計(jì)，圖2給出了振蕩電路模塊的詳細(xì)電路，其中，核心芯片是一個(gè)高頻壓控振蕩器MC1648。該芯片工作上限頻率225 MHz，工作電源5～7 V。對(duì)于圖2所示電路，振蕩頻率實(shí)為并聯(lián)LC諧振頻率，即

式中 L1為電感，Cs為電容。

含水電介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)隨著含水率的增加而單調(diào)增加，通過(guò)測(cè)量f的相對(duì)偏移變化，進(jìn)而得出水分變化。

圖2 振蕩電路原理圖Fig 3 Principle diagram of oscillating circuit

2)數(shù)據(jù)采集模塊

電容式探頭與壓控振蕩器組成的調(diào)諧電路的輸出頻率很高，根據(jù)傳輸和記錄高頻信號(hào)的需要，在單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理之前需要對(duì)調(diào)諧電路的輸出頻率進(jìn)行分頻，以取得在單片機(jī)處理范圍之內(nèi)的所需頻率。采用預(yù)分頻器和紋波計(jì)數(shù)器對(duì)調(diào)諧電路的輸出頻率進(jìn)行二次分頻，使單片機(jī)輸入端的頻率信號(hào)滿(mǎn)足要求。

3)CPU處理模塊

單片機(jī)是整個(gè)電路的核心，用于對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析、處理，輸出轉(zhuǎn)換后的水分值。單片機(jī)外接BDM接口，用于程序的燒錄與調(diào)試。

4)數(shù)據(jù)通信模塊

數(shù)據(jù)通信采用RS—485總線實(shí)現(xiàn)各探測(cè)器間和探測(cè)器與采集器間的數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，為了方便對(duì)不同探測(cè)器進(jìn)行識(shí)別，單獨(dú)設(shè)置一條數(shù)據(jù)傳輸線，在程序初始化時(shí)，由采集器對(duì)串接在一起的各探測(cè)器發(fā)送順序編號(hào)命令，通過(guò)向各傳感器順序?qū)懭隝D號(hào)進(jìn)行排序，簡(jiǎn)化了人工進(jìn)行跳線標(biāo)識(shí)排序的工作，減少了出錯(cuò)的機(jī)率。

2.3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為使傳感器完成測(cè)量任務(wù)，設(shè)計(jì)承載結(jié)構(gòu)件搭載電容式探頭與電路。承載件采用PVC材質(zhì)保證電容式探頭的容值和介電常數(shù)的零點(diǎn)不受影響，同時(shí)，電路承載件與探頭承載件均采用塑料螺釘連接。電路承載件上設(shè)置螺紋孔，電路板通過(guò)螺絲固定在承載件上。

頻域反射法測(cè)量介電常數(shù)屬于非接觸的測(cè)量方法，因此，可在承載件與探頭外設(shè)計(jì)套筒，以隔絕水和水汽，保證傳感器的正常工作，同時(shí)不影響介電常數(shù)測(cè)量結(jié)果。

傳感器整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig 3 Structure diagram of sensor

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

目前，國(guó)際上確定水分傳感器水分變化關(guān)系的方法通常有2種，即理想化樣本法和標(biāo)準(zhǔn)介電常數(shù)液體法。理想化樣本法的優(yōu)點(diǎn)是用專(zhuān)門(mén)配置的不同含水率的樣本作為標(biāo)定介質(zhì)材料，所以，標(biāo)定條件與真實(shí)情況更加接近，該方法主要缺點(diǎn)為含水物料樣本的質(zhì)量密度很難做到各向均勻一致，特別是在非飽和情況下不可避免地會(huì)有空氣隙孔的隨機(jī)分布［5］。

另一種方法是采用多種已知相對(duì)介電常數(shù)的液體作為標(biāo)準(zhǔn)，即標(biāo)準(zhǔn)介電常數(shù)溶液替代法。本文除空氣之外，選用了10種液體作為參考的標(biāo)準(zhǔn)溶液，它們的相對(duì)介電常數(shù)分布在2～81之間，包括了從純干燥物料到純凈水的整個(gè)范圍內(nèi)的介電特性。

由理論分析和實(shí)驗(yàn)得出固體物料的含水量與傳感器輸出頻率的變化關(guān)系，是傳感器準(zhǔn)確測(cè)量的前提。由于含水量與輸出頻率之間并不是線性的，因此，需要通過(guò)標(biāo)定找出相應(yīng)的擬合常數(shù)。

一般認(rèn)為，頻域反射法的物料水分傳感器測(cè)量的是物料的容積含水量θ，輸出的是頻率信號(hào)。采用該方法的物料水分傳感器，其靜態(tài)數(shù)學(xué)模型可表示為

其中，f為頻率，A，B，C為需要確定的系數(shù)。

在對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，將傳感器在不同含水量系列，即不同介電常數(shù)的溶液中進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量其輸出頻率，可得到一組測(cè)量數(shù)據(jù)，再通過(guò)最小二乘法進(jìn)行回歸分析擬合，確定其方程系數(shù)，即可得到傳感器的特性方程。

通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，測(cè)得不同容積含水量下傳感器的輸出頻率，如表1所示，從而得出本文所設(shè)計(jì)的物料水分傳感器的回歸系數(shù)，并確定其傳感器特性方程

根據(jù)該方程，可將實(shí)際測(cè)得的頻率直接轉(zhuǎn)換為物料的容積含水量。經(jīng)測(cè)試，非接觸式物料水分傳感器能夠完成水分測(cè)量，其準(zhǔn)確度可達(dá)±4%。

表1 容積含水量與傳感器輸出頻率Tab 1 Volumetric moisture content and output frequency of sensor

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的非接觸式物料水分傳感器解決了基于頻域反射法物料水分在線測(cè)量的技術(shù)問(wèn)題，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)完成了傳感器的標(biāo)定及其特性方程的確定，實(shí)現(xiàn)了物料水分的在線測(cè)量。測(cè)試結(jié)果表明:非接觸式物料水分傳感器的準(zhǔn)確度為±4%，傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊和響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

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