水稻電阻抗譜分析及檢測(cè)頻率范圍的確定

宋　琦，盧澤民，孫衛(wèi)紅，魏新華

(江蘇大學(xué) a.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.食品與生物工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

0　引言

水稻含水率是糧食收購(gòu)、儲(chǔ)運(yùn)中衡量谷物品質(zhì)主要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。水分含量過(guò)高促使水稻中微生物生命活動(dòng)旺盛，導(dǎo)致水稻發(fā)熱霉變。在我國(guó)，因水分檢測(cè)技術(shù)的不完善，每年都有大量水稻在運(yùn)輸及儲(chǔ)藏過(guò)程中霉?fàn)€變質(zhì)；水分含量過(guò)低，減少了水稻的質(zhì)量、降低了水稻的品質(zhì)，嚴(yán)重影響水稻種植的經(jīng)濟(jì)收益[1-3]。水分含量過(guò)高或過(guò)低，都將造成巨大的損失，因而十分有必要對(duì)水稻水分含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。水稻水分檢測(cè)按測(cè)量原理不同分為電烘箱式、微波式、紅外式、中子式、核磁共振室、電阻式及電容式等[4-8]。電烘箱式、微波式、紅外式適合實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，不滿(mǎn)足在線測(cè)量的需求；中子式、核磁共振式雖檢測(cè)精度高，檢測(cè)范圍廣，但價(jià)格昂貴，性?xún)r(jià)比較低，無(wú)法推廣使用；電阻式及電容式因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比高，是目前常用的水分在線檢測(cè)方法，但兩者均存在測(cè)量信號(hào)弱，實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題。為克服水稻的電阻或電容單獨(dú)測(cè)量導(dǎo)致的測(cè)量信號(hào)弱、實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)，提高測(cè)量精度，可采用復(fù)阻抗測(cè)量原理[9-12]。

本文針對(duì)基于復(fù)阻抗測(cè)量原理的水稻水分檢測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)核心—水稻阻抗譜進(jìn)行研究，旨在獲得水稻的頻譜特性，從而為傳感器檢測(cè)頻率的選擇提供依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)原理

對(duì)于不同含水率的水稻，其阻抗特性不同，含水率與水稻的阻抗模負(fù)相關(guān)，因而可以通過(guò)測(cè)量水稻的阻抗模來(lái)確定水稻的含水率。用復(fù)阻抗測(cè)量原理測(cè)量水稻的含水率時(shí)，輸出阻抗值不僅與水稻含水率有關(guān)，還與被測(cè)物料的溫度、品種和緊實(shí)度有關(guān)[13-16]。

在水稻阻抗特性測(cè)量過(guò)程中，粉末狀水稻樣品散熱快，其溫度與當(dāng)前環(huán)境溫度保持一致。為契合實(shí)際谷物烘干機(jī)測(cè)量環(huán)境條件，阻抗特性實(shí)驗(yàn)在10月收獲季進(jìn)行，因?qū)嶒?yàn)環(huán)境溫度與收獲時(shí)一致，可忽略溫度對(duì)水稻輸出阻抗值的影響；再通過(guò)將粉末狀水稻樣品在自制電阻盒中均勻壓實(shí)來(lái)消除緊實(shí)度對(duì)阻抗值的影響。自制電阻盒如圖1所示。結(jié)構(gòu)材料為聚四氟乙烯，電極材料為銅，平行電極尺寸6mm×8mm，電極間距10mm。

自制電阻盒在使用阻抗分析儀測(cè)量過(guò)程中等效電路模型如圖2所示。等效阻抗z為

(1)

式中R—自制電阻盒與水稻樣品等效電阻值；

C—自制電阻盒與水稻樣品等效電容值。

由式(1)可知，等效阻抗z的模|z|為

(2)

圖1　自制電阻盒

圖2　自制電阻盒等效電路模型

2　材料與方法

2.1材料

水稻品種選取為鎮(zhèn)稻十號(hào)，為收獲季節(jié)于田間使用收割機(jī)收獲，以與實(shí)際水稻烘干的作物條件保持一致，將其放置于保鮮冰箱中使用密封塑料袋進(jìn)行密封保存，初始含水率為29.28%(濕基)。在水稻阻抗特性測(cè)量過(guò)程中，為使用于測(cè)量的不同含水率的水稻樣品與實(shí)際水稻烘干過(guò)程中的水稻情況保持一致，不同含水率的水稻樣品直接通過(guò)干燥過(guò)程中的水稻樣品取樣獲得。

2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

水稻阻抗測(cè)量系統(tǒng)主要由solartron阻抗分析儀1260A+1294、計(jì)算機(jī)、測(cè)試軟件SMaRT和自制電阻盒等組成，如圖3所示。

圖3　水稻阻抗測(cè)量系統(tǒng)

2.3實(shí)驗(yàn)步驟

測(cè)試實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前先對(duì)solartron阻抗分析儀1260A+1294進(jìn)行為期1h的預(yù)熱；預(yù)熱完成后，設(shè)置掃頻測(cè)試頻率為1Hz～1MHz，對(duì)數(shù)掃描模式，掃描頻率點(diǎn)61個(gè)，使用配套的校準(zhǔn)模塊對(duì)阻抗分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)完成后，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。步驟如下：

1)使用105℃恒溫烘箱法，對(duì)水稻樣品的含水率進(jìn)行初始標(biāo)定。

2)均勻選取200g水稻樣品放置于55℃恒溫干燥箱中進(jìn)行干燥，每隔30～60min使用精密天平對(duì)水稻樣品質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算其當(dāng)前水稻含水率(濕基)；并取5g樣品研磨處理，將粉末狀水稻樣品于自制電阻盒中均勻壓實(shí)，使用solartron 1260A+1294對(duì)其阻抗值進(jìn)行掃頻測(cè)量并記錄。

3)重復(fù)步驟2)，直到谷物含水率(濕基)達(dá)到或低于其安全水分值14%。

4)使用105℃恒溫烘箱法，對(duì)干燥完成后的水稻樣品的含水率進(jìn)行檢驗(yàn)。

3　結(jié)果與分析

3.1頻率對(duì)水稻阻抗值的影響

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，以頻率f為橫坐標(biāo)、水稻阻抗模|z|為縱坐標(biāo)，針對(duì)含水率12.67%、16.15%、18.02%、20.16%、23.57%、26.22%和29.28%的水稻樣品建立阻抗模-頻率圖，發(fā)現(xiàn)不同含水率的水稻樣品其阻抗模-頻率圖的圖形特征具有良好的一致性。選取其中4點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

圖4　29.28%、23.57%、18.02%、12.67%　　含水率水稻的阻抗模-頻率對(duì)比圖

由圖4可知：隨著水稻含水率的減小，水稻阻抗模范圍逐漸增大，且其圖形拐點(diǎn)處由平滑逐漸尖銳，但阻抗模|z|隨頻率f的增大而減小，其圖形特征均滿(mǎn)足式(2)。為了更為清晰地觀察不同含水率水稻的阻抗模-頻率特性，以頻率f為橫坐標(biāo)，以阻抗模|z|為縱坐標(biāo)，建立對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下的阻抗模-頻率圖，如圖5所示。

圖5　不同含水率水稻的阻抗模-頻率圖

由圖5可知：隨著頻率f的增大，不同含水率水稻阻抗模|z|間距逐漸縮小并產(chǎn)生重合。當(dāng)頻率f為1～50Hz時(shí)，含水率高于20%的水稻樣品，阻抗模|z|隨頻率f的增大而減??；含水率低于20%的水稻樣品，在總體趨勢(shì)上阻抗模|z|仍隨頻率f的增大而減小，但會(huì)產(chǎn)生一定幅度的上下波動(dòng)。當(dāng)頻率f為50～50kHz時(shí)，不同含水率的水稻樣品，阻抗模|z|均隨頻率f的增大而減小，且在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下阻抗模|z|對(duì)頻率f的斜率隨頻率f的增大而逐漸減小，頻率f越大。阻抗模|z|減小的速率越快，水稻含水率越高，阻抗模|z|對(duì)頻率f的斜率隨頻率f增大的變化幅度越大。當(dāng)頻率f為50k～1MHz時(shí)，不同含水率的水稻樣品阻抗模|z|均隨頻率f的增大而減小，且在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下，阻抗模|z|與頻率f呈線性關(guān)系。

3.2含水率對(duì)水稻阻抗值的影響

由3.1可知，頻率對(duì)水稻阻抗模的影響按其頻段區(qū)域特征可劃分為1～50Hz、50～50kHz和50k～1MHz等3個(gè)頻率段分別進(jìn)行研究。當(dāng)頻率較低時(shí)，低含水率水稻阻抗模|z|隨頻率f的增大會(huì)產(chǎn)生一定幅度的上下波動(dòng)，導(dǎo)致檢測(cè)性能不穩(wěn)定，因而不對(duì)頻段1～50Hz上含水率對(duì)水稻阻抗模的影響進(jìn)行研究。

選取50～50kHz上0.5k、1k、2kHz頻率點(diǎn)和50k～1MHz上50k、100k、200kHz頻率點(diǎn)，對(duì)含水率對(duì)水稻阻抗模的影響進(jìn)行研究，建立阻抗模-含水率圖，如圖6、圖7所示。

圖6　0.5k、1k、2kHz阻抗模-含水率圖

圖7　50k、100k、200kHz阻抗模-含水率圖

如圖6可知：當(dāng)頻率為0.5k、1k、2kHz時(shí)，隨著含水率M的增大，水稻阻抗模|z|單調(diào)遞減。由圖7可知：當(dāng)頻率為50k、100k、200kHz時(shí)，隨著含水率M的增大，水稻阻抗模|z|上下波動(dòng)，并出現(xiàn)多個(gè)波峰及波谷。

由圖6、圖7可知：水稻阻抗模|z|隨含水率M變化的趨勢(shì)具有頻段區(qū)域特征，其減小或波動(dòng)的幅度逐漸減小，趨勢(shì)具有良好的一致性。

3.3檢測(cè)頻率范圍

本文旨在通過(guò)水稻的頻譜特性，為傳感器檢測(cè)頻率范圍的確定選擇提供依據(jù)。由圖7可知：在頻段50kHz～1MHz上，阻抗模與含水率之間無(wú)映射關(guān)系，不滿(mǎn)足傳感器設(shè)計(jì)的基本要求。因此，在頻段50Hz～50kHz上對(duì)檢測(cè)頻率范圍進(jìn)行確定。

100Hz～10kHz上不同含水率水稻的阻抗模-頻率圖如圖8所示。

圖8　100Hz～10kHz上不同含水率水稻的阻抗模-頻率圖

由圖8可知：頻率f在100Hz附近時(shí)，含水率12.67%的水稻阻抗模|z|仍有小幅度的波動(dòng)，不滿(mǎn)足傳感器設(shè)計(jì)穩(wěn)定性的要求，為保證其檢測(cè)穩(wěn)定性，確定最佳檢測(cè)頻率下限為200Hz；當(dāng)頻率大于2kHz時(shí)，含水率20.16%水稻的阻抗模超過(guò)18.02%水稻的阻抗模并逐漸與含水率16.15%水稻的阻抗模重合，因含水率M與阻抗模|z|之間需單值對(duì)應(yīng)，確定最佳檢測(cè)頻率上限為2kHz。由以上分析可知，水稻含水率的檢測(cè)頻率范圍為200Hz～2kHz。

以1kHz為例，使用MatLab對(duì)水稻阻抗模-含水率曲線進(jìn)行擬合，如圖9所示。其擬合方程為R2=0.9796，則

Z(M)=(2.859e+10)M3-(1.793e+10)M2+(3.168e+9)M-(1.035e+08)

(3)

圖9　1kHz擬合曲線

4　結(jié)論

1)隨著頻率的增大，不同含水率水稻阻抗模逐漸減小且阻抗模間距逐漸縮小并產(chǎn)生重合。其中，含水率低于20%的水稻在低頻段1Hz～50Hz上頻率增加的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定幅度的波動(dòng)。

2)含水率對(duì)水稻阻抗模的影響具有頻段區(qū)域特征，在頻段50Hz～50kHz和50kHz～1MHz上，其減小或波動(dòng)的幅度逐漸減小，趨勢(shì)具有良好的一致性。

3)本研究通過(guò)對(duì)水稻阻抗譜進(jìn)行分析，確定水稻含水率的檢測(cè)頻率范圍為200Hz～2kHz，為基于復(fù)阻抗測(cè)量原理的水稻水分傳感器的設(shè)計(jì)提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

4)含水率低于20%的水稻在低頻段1Hz～50Hz上，雖在總體趨勢(shì)上隨頻率的增大而減小，但會(huì)產(chǎn)生一定幅度的上下波動(dòng)；在50Hz時(shí)，含水率小于等于23.57%水稻的阻抗模會(huì)產(chǎn)生一個(gè)明顯的波谷尖峰；當(dāng)頻率高于2kHz時(shí)，不同含水率水稻開(kāi)始產(chǎn)生一定交叉重合，且在高于50kHz時(shí)，該現(xiàn)象大范圍的出現(xiàn)，并保持一定的規(guī)律性。以上問(wèn)題，都有待于進(jìn)行進(jìn)一步的理論分析及實(shí)驗(yàn)研究。

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