電容式微含水量檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龐 磊,楊 錄,郝建亮

（中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

電容式微含水量檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龐 磊,楊 錄,郝建亮

（中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

針對在線檢測火藥含水量的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)平板電容水分檢測傳感器，利用水的相對介電常數(shù)遠(yuǎn)大于被檢物料的相對介電常數(shù)的原理，構(gòu)建和電容傳感器相關(guān)的交流電橋和測量電路，并設(shè)計(jì)自補(bǔ)償電路，使得橋路輸入為零時(shí)輸出也為零。由于所測含水量范圍為0.5%～3.5%，測量準(zhǔn)確度為0.1%，為提高系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度，分別對影響含水量的溫度、濕度和重量容積比加以考慮，建立多參數(shù)校正的水分在線檢測系統(tǒng)。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測量精度高，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

微量水分檢測；電容式傳感器；電橋平衡電路；數(shù)據(jù)采集與處理

0 引 言

水是日常生活中必不可少的物質(zhì)，但是如果將它與工程聯(lián)系起來，含水量的多少對物質(zhì)的性質(zhì)至關(guān)重要。如礦物質(zhì)、茶葉、糧食、藥品、食品以及化學(xué)物質(zhì)等在生產(chǎn)、儲藏和運(yùn)輸過程中對水分含量都有嚴(yán)格的要求，并將其限制在一定的范圍內(nèi)，對于藥品和火藥更是如此[1]。通過對多種水分測量方法的分析對比，結(jié)合實(shí)際檢測條件和環(huán)境，最終選用電容式傳感器測量火藥的含水量。利用水的相對介電常數(shù)遠(yuǎn)大于被檢物料介電常數(shù)的原理，通過測量電容的變化測出物料的含水量。由于電容的變化不易直接測量，因此通過測量電路將電容的變化轉(zhuǎn)換成容易測量的電壓的變化，最終達(dá)到對物料含水量的測定[2]。

1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)檢測原理框圖如圖1所示，主要由信號采集模塊、信號調(diào)理模塊、單片機(jī)控制模塊、通信模塊、顯示模塊組成。其中信號采集模塊包括電容傳感器、稱

重傳感器、溫濕度傳感器，主要完成水分檢測相關(guān)參數(shù)的采集。

1.1 傳感器的選擇與設(shè)計(jì)

考慮到被測物料的體積會(huì)隨含水量增加而增加，而裝載物料的電容傳感器體積固定不變，因此物料的質(zhì)量作為含水量計(jì)算的一個(gè)參數(shù)。本系統(tǒng)選用準(zhǔn)確度為0.1 g、量程為2 kg的懸臂梁式稱重傳感器，可將稱重值通過串口發(fā)送給單片機(jī)，然后發(fā)送到上位機(jī)。溫度、濕度也會(huì)對系統(tǒng)的測量帶來影響，因此選用瑞士羅卓尼克公司生產(chǎn)的HC2-P05型插入式溫濕度傳感器來測量物料的溫度、濕度。該傳感器探頭主要適用于散裝粉末、小顆粒物的測量，同時(shí)具備功耗小、精度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于本測量系統(tǒng)[3]。

電容傳感器為自制的兩個(gè)平板變介電常數(shù)傳感器，其結(jié)構(gòu)為20cm×30cm×3cm，空載電容為401pF[4]。在設(shè)計(jì)時(shí)遵循以下原則：

（1）在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能提高傳感器的電容，既能降低其輸出阻抗，又能提高傳感器的靈敏度。

（2）為防止極板間擊穿，在電容極板表面噴涂絕緣效果較好的聚四氟乙烯。

（3）為克服極板與周圍物體之間的寄生電容，將傳感器及其引出線采用屏蔽的方法，并將屏蔽線接入大地。

（4）為使電容傳感器兩極板之間的距離不受溫度的影響，在制作時(shí)要選用相應(yīng)線膨脹系數(shù)的材料，減小它的零點(diǎn)漂移。

1.2 自平衡電路設(shè)計(jì)

由于制作工藝水平的限制，交流電橋無法達(dá)到絕對平衡，即輸入為零時(shí)，輸出不為零。一般情況下，這個(gè)不平衡信號要比有用信號大的多，當(dāng)不平衡信號經(jīng)過后續(xù)放大電路后，系統(tǒng)無法識別有用信號和不平衡信號，從而直接影響了整個(gè)系統(tǒng)的性能，為抑制該不平衡信號，設(shè)計(jì)了自平衡電路，使用的方法是合成一個(gè)與不平衡信號大小一樣的補(bǔ)償信號將其抵消[5]。這個(gè)補(bǔ)償信號由單片機(jī)控制D/A芯片生成。自平衡電路框圖如圖2所示。

假設(shè)不平衡信號為Asin（ωt+φ），則需產(chǎn)生一個(gè)幅值相位相等的正弦信號與該信號做差即可抑制該不平衡信號，使輸入為零時(shí)輸出也為零。所需補(bǔ)償信號可通過向量合成的方法產(chǎn)生，即：

式中幅值和相位為固定值；設(shè)α=Acosφ，β=Asinφ即α，β為定值。因此在每次調(diào)平衡時(shí)只需通過單片機(jī)控制D/A給定α，β值即可實(shí)現(xiàn)輸出信號調(diào)平。自平衡電路原理如圖3所示，a、b、c、d由DDS芯片AD9854產(chǎn)生，其中：

圖3中VDAX和VDAY是由D/A產(chǎn)生的α和β信號，α與sin（wt）、β與cos（wt）通過AD835乘法器后，再經(jīng)過求和電路就可以得到與不平衡信號相抵消的合成補(bǔ)償信號VOA2，將VOA2和電橋信號做差即可實(shí)現(xiàn)平衡。圖4中通道1為電橋輸出信號，通道2為合成的補(bǔ)償信號，由4圖可以看出二者相位、幅值基本一致。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要完成單片機(jī)控制各個(gè)模塊進(jìn)行正常有序的運(yùn)行，主要有串口通信模塊、自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)模塊、激勵(lì)信號產(chǎn)生模塊、A/D和D/A模塊。上位機(jī)由VC++編寫，主要完成與單片機(jī)的通信和測量結(jié)果顯示，具體通信協(xié)議如表1所示。

單片機(jī)程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示。由于溫濕度傳感器和稱重傳感器數(shù)據(jù)均需通過串口發(fā)送到上位機(jī)，因此串口通信采用數(shù)控模擬開關(guān)CD4052實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的順序傳輸。

2.2 自平衡算法設(shè)計(jì)

在水分檢測系統(tǒng)中，電橋信號經(jīng)過相敏檢波及濾波后，分為X和Y方向輸出Vx和Vy，其中系統(tǒng)信號輸出為雙極性信號2V，而大多數(shù)D/A芯片為單極性，因此在系統(tǒng)的輸出端加2V偏置，以滿足D/A芯片的動(dòng)態(tài)輸出范圍。單片機(jī)在收到調(diào)平衡命令時(shí)，會(huì)根據(jù)A/D采樣結(jié)果調(diào)節(jié)D/A輸出，使系統(tǒng)最終達(dá)到平衡狀態(tài)。具體設(shè)計(jì)算法如圖6所示，其中閾值范圍為[-10mV，+10mV]，使用十六進(jìn)制采樣值表示為[0×685，0×695]。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)

分別對半黃豆、半黑豆、玉米渣、半綠豆、大米5種糧食物料進(jìn)行檢測，并記錄分別在不同含水量下所對應(yīng)的各參數(shù)值。表2、表3為室溫時(shí)（T=25℃）以半綠豆和大米為例的標(biāo)準(zhǔn)含水量及其對應(yīng)的各參數(shù)值[6]。其中M為固定容積物料的質(zhì)量，M0為標(biāo)準(zhǔn)物料的質(zhì)量，S為物料的濕度，Vx和Vy分別為X、Y方向系統(tǒng)輸出電壓，H為標(biāo)準(zhǔn)物料的含水量。根據(jù)所測數(shù)據(jù)使用最小二乘法分別對各參數(shù)和含水量進(jìn)行曲線擬合[7]，得到濕度和電壓幅值與含水量成正比，質(zhì)量容積比（固定容積物料的質(zhì)量與體積的比值）與含水量成反比，含水量隨溫度的升高，測量結(jié)果偏高，最后建立了多參數(shù)下的含水量計(jì)算模型[8]。

圖7所示為不同溫度下利用最小二乘法擬合的大米標(biāo)準(zhǔn)含水量與電壓幅值的關(guān)系曲線。由于火藥生產(chǎn)出的溫度為30～45℃，實(shí)驗(yàn)中分別在25，30.5，35.8，40.4℃下對同種物料進(jìn)行測量。

3.2 誤差分析

通過多種物料的多次實(shí)驗(yàn)，建立了多參數(shù)下的水分檢測數(shù)學(xué)模型，根據(jù)所建模型計(jì)算出的含水量與通過稱重法計(jì)算出的含水量進(jìn)行對比，得出在含水量為1%～3.5%時(shí)測量最大誤差不超過0.1%，在含水量為0.5%～1%時(shí)測量最大誤差不超過0.16%，基本達(dá)到測量要求。在含水量為0.5%～1%時(shí)誤差較大的原因是此時(shí)物料含水量極低，電容傳感器本身無法精確感應(yīng)到含水量的變化[9]。

4 結(jié)束語

在水分檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，分析對比了各種測量水分的方法，最終選用電容式變介電常數(shù)的方法測量物料的含水量。通過分析影響含水量測定的多個(gè)因素設(shè)計(jì)了多參數(shù)下的水分檢測系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中傳感器的選擇以及電橋平衡電路的設(shè)計(jì)是十分重要的，所以在進(jìn)行系統(tǒng)測試與調(diào)試過程中把所有可能影響實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性因素都考慮上，這樣才使得該系統(tǒng)能達(dá)到預(yù)期測量水分精度的要求。通過嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)步驟且結(jié)合所得數(shù)據(jù)分析，本系統(tǒng)采用的電橋平衡電路和電容傳感器是可行的，測量精度基本達(dá)到要求，且具有很好的穩(wěn)定性，非常適合低含水量、顆粒狀物料的快速測量[10]。

[1]趙曉東.多參數(shù)水分在線檢測及系統(tǒng)研究[D].太原：中北大學(xué)，2012.

[2]黃操軍，田芳明.糧食水分檢測技術(shù)及發(fā)展趨勢[J].農(nóng)機(jī)化研究，2006（12）：44-47.

[3]張洪潤.傳感器技術(shù)大全[M].北京：北航出版社，2007.

[4]高曉丁，左賀，梁繼超.基于電容式傳感器技術(shù)的織物滲水特性檢測方法[J].傳感器技術(shù)，2004，23（10）：41-42.

[5]李虎，楊道業(yè)，程明霄.螺旋極板電容式傳感器的特性研究和參數(shù)優(yōu)化[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011（8）：7-10.

[6]楊榮輝.電容式糧食水分儀的研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2003.

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Design of capacitive micro moisture detection system

PANG Lei，YANG Lu，HAO Jian-liang
（National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Against the actual requirements of online testing the moisture content of gunpowder，the authors designed a tablet capacitive moisture sensor with the principle that the relative dielectric constantofwaterismuch greaterthan the relative permittivity ofthe material，constructed an AC bridge measuring circuit associated with capacitive sensors，and designed the compensation circuit to make the bridge output be zero when the input is zero.Due to the measured moisture content ranging from 0.5%to 3.5%，the measurement accuracy was 0.1%.In order to improve the measure accuracy of the system，temperature，humidity and volume weight ratio，which may affectthe measurementmoisture content， were taken into consideration respectively.A multi-parameter correction was established for online water detection system.The stability and the high accuracy of the system were verified，and a lot of experiments also indicated that it has good practical value.

moisture detection；capacitive sensors；bridge balance circuit；data acquisition and processing

TQ562；TM930.114；P468.0+23；TP274+.2

：A

：1674-5124（2014）04-0090-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.023

2013-07-11；

：2013-09-17

龐 磊（1987-），男，山西忻州市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)闇y試技術(shù)計(jì)量與儀器。