電容式水分傳感器及其測(cè)量電路的研究

張紅霞宮恩良/.山東協(xié)和學(xué)院 .山東奧太電氣有限公司

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電容式水分傳感器及其測(cè)量電路的研究

張紅霞1宮恩良2/1.山東協(xié)和學(xué)院 2.山東奧太電氣有限公司

【摘 要】針對(duì)玉米顆粒粒徑大，在測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的縫隙大，不容易精確測(cè)量等問(wèn)題，本文研究電容法測(cè)玉米水分，并設(shè)計(jì)了電容傳感器及直流充放電檢測(cè)電路，低漂移、測(cè)量精度高。從而提高了測(cè)量效率，降低損耗。

【關(guān)鍵詞】電容式；水分傳感器；測(cè)量電路

引言

玉米水分含量是影響玉米安全運(yùn)輸、儲(chǔ)藏等的主要因素，也是用于飼料、食用及工業(yè)中必不可少的測(cè)量部分。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究多種檢測(cè)玉米水分的方法，包括電容法、干燥法、化學(xué)法、電測(cè)法、近紅外線法、中子法、核磁共振法、聲學(xué)法等[1-2]。在諸多玉米水分測(cè)量方法中，電容法以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于在線測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)成為水分檢測(cè)的主要方法。

近年來(lái)許多國(guó)家的研究人員非常重視玉米水分測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，隨著玉米水分測(cè)量的方法不斷產(chǎn)生，先進(jìn)的水分測(cè)量方法和儀器正在被推廣和使用。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于測(cè)量水分的方法和測(cè)量系統(tǒng)處于剛開始的階段，主要是從理論上對(duì)水分測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行分析。近幾年來(lái)，出現(xiàn)各種轉(zhuǎn)換電路的谷物水分測(cè)量系統(tǒng)，由于采用的轉(zhuǎn)換電路的不同，測(cè)量出來(lái)的水分也有區(qū)別。另外，國(guó)內(nèi)專門對(duì)玉米水分檢測(cè)的儀器幾乎沒有，而影響玉米水分的因素有種類、空隙、溫度、轉(zhuǎn)換電路的電壓差、容積密度、環(huán)境的相對(duì)濕度[3]，還有操作人員的操作方法等，而目前的水分檢測(cè)系統(tǒng)雖然能夠檢測(cè)玉米的水分，但是大部分都沒有充分考慮這些因素，導(dǎo)致檢測(cè)精度不是很理想、重復(fù)率不高。

1.電容式水分傳感器

1.1圓柱形電容傳感器

結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，由內(nèi)外兩個(gè)同軸電極組成。

圖1　電容式傳感器結(jié)構(gòu)圖

傳感器電容計(jì)算方法為：設(shè)兩個(gè)極板各帶電荷+q和-q，則每單位長(zhǎng)度所帶電荷的絕對(duì)值[4]為：

離開軸線距離為s處的電場(chǎng)強(qiáng)度為：

兩極板間的電勢(shì)差為：

傳感器電容為：

裝入玉米前后電容變化量為[5]：，即：

可見ΔC是R1和R2的函數(shù)，若要ΔC變化最大，令

本文設(shè)計(jì)的圓柱型電容式傳感器柱面高為13cm，內(nèi)圓柱外表面直徑為3.6cm，外圓柱內(nèi)表面直徑為7.6cm。

1.2電容值與水分含量之間的關(guān)系

當(dāng)玉米的相對(duì)介電常數(shù)變化Δrε時(shí)，電容的變化量為：

2.直流充放電測(cè)量電路

電容式傳感器把被測(cè)玉米水分的變化ΔM轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)電容的變化ΔC[6]，而電容值以及電容變化值都十分微小，為了使這一微小電容增量能被傳輸、放大、運(yùn)算、處理、指示、記錄和控制，得到所需的測(cè)量結(jié)果即玉米水分值，還需用測(cè)量電路將電路參數(shù)ΔC進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓、電流、頻率等參數(shù)。測(cè)量電路包括調(diào)制型電路和脈沖型電路。直流充放電檢測(cè)電路具有低漂移，可自動(dòng)檢測(cè)，測(cè)量精度高，開關(guān)工作頻率高，幾乎不受被測(cè)電容的漏電阻的影響等優(yōu)點(diǎn)。

圖2　原理圖

如圖2所示為原理，由一個(gè)周期為T的對(duì)稱方波時(shí)鐘脈沖來(lái)決定兩個(gè)CMOS開關(guān)K1和K2的接通和斷開。

當(dāng)對(duì)稱方波時(shí)鐘脈沖為高電平時(shí)K1通K2斷，電源E對(duì)傳感器電容Cx充電，充電時(shí)間為，當(dāng)對(duì)稱方波時(shí)鐘脈沖為低電平時(shí)K1斷K2通，傳感器電容Cx上的電荷Q= CxE釋放，因?yàn)閭鞲衅麟娙菀欢私拥?，另一端接放大器的反相端，傳感器電容上的電荷Q= CxE全部釋放掉，在時(shí)鐘脈沖的控制下，充放電過(guò)程也是以周期T重復(fù)進(jìn)行。因而平均電流為：

該電流被轉(zhuǎn)換成電壓并通過(guò)Cf而平滑，最后得到一個(gè)直流輸出電壓為：

3.結(jié)語(yǔ)

根據(jù)電容法測(cè)量玉米水分的原理，設(shè)計(jì)圓柱形電容式水分傳感器，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，詳細(xì)分析傳感器電容值的計(jì)算方法以及電容值與玉米水分之間的關(guān)系，得出電容值的變化與水分的變化呈線性關(guān)系，設(shè)計(jì)的電容式傳感器理論上可行，由于電容值和變化值很小，又詳細(xì)分析直流充放電檢測(cè)電路的工作原理、輸出量與輸入電容之間的關(guān)系具有低漂移、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Mahmoud Soltani.Use of dielectic properties in quality measurement of agricultural products[J].Nature and Science，2011，9(4)，57-60.

[2]康忠偉.基于時(shí)域傳輸技術(shù)的谷物含水率測(cè)試技術(shù)研究[D].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，2011:2，100-105.

[3]劉嫣紅，毛志懷，楊柳.電容式谷物水分傳感器測(cè)量的影響因素研究[J].中國(guó)科技論文在線，2008:1-7.

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山東協(xié)和學(xué)院科技計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：XHXY201508）；山東省軟科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：2015RKB01370）。

張紅霞（1985-），女，山東單縣人，碩士，助教，研究方向?yàn)椋何锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用。

作者簡(jiǎn)介：

基金項(xiàng)目：