一種基于射頻技術(shù)的糧食水分檢測(cè)儀介紹

張亞秋，陳中旭，牛立坤

（吉林大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130000）

我國(guó)人多地少，所以糧食的安全問(wèn)題事關(guān)民生社稷，糧食所存在的問(wèn)題一直以來(lái)都是國(guó)家關(guān)注的重點(diǎn)。因此，做好糧食干燥與存儲(chǔ)工作是非常必要的，我國(guó)糧食產(chǎn)量大，倉(cāng)廩實(shí)，但是因?yàn)閮?chǔ)藏方法不完善，智能化程度不高導(dǎo)致了很多不必要的損失。現(xiàn)在已有的糧食含水率檢測(cè)方式可以分為兩類(lèi)：直接測(cè)量水分法和間接測(cè)量水分法。傳統(tǒng)的糧食烘干方法有：電烘箱法、減壓法、紅外線加熱干燥法、微波加熱法、化學(xué)法等檢測(cè)周期較長(zhǎng)，測(cè)量工序繁瑣，并不能適用于糧食水分的在線檢測(cè)。本文提到的傳感器就是利用玉米中水的介電常數(shù)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。水的介電常數(shù)為80F·m-1，空氣介電常數(shù)為1F·m-1，植物組織的介電常數(shù)通常為2～4F·m-1，玉米的介電常數(shù)主要受其含水量的影響，根據(jù)Skaar C的研究，當(dāng)溫度與測(cè)試信號(hào)頻率一定時(shí)，含水量增加，其介電常數(shù)也相應(yīng)增加，介電常數(shù)和其含水量存在一定的線性相關(guān)性。

1 射頻測(cè)量原理

射頻式水分儀測(cè)量的原理與電磁波探測(cè)的原理類(lèi)似，在射頻式傳感器中，電磁波是被約束在導(dǎo)體中進(jìn)行傳播的。工作狀態(tài)下射頻源首先產(chǎn)生一個(gè)100MHZ的正弦波，正弦波在導(dǎo)體中以電磁波的方式來(lái)傳輸。在傳輸中，遇到檢測(cè)體，其阻抗就會(huì)發(fā)生變化，并產(chǎn)生反射信號(hào)，這時(shí)就可以用檢波電路來(lái)檢測(cè)反射的信號(hào)，其媒介特性可以通過(guò)入射信號(hào)與反射信號(hào)之間的波形差得到。

圖1 同軸電纜等效電路原理圖

由圖1可知，當(dāng)射頻傳感器探測(cè)單元在同軸電纜傳輸?shù)倪^(guò)程中，遇到不同的探測(cè)物體，探測(cè)物體所回饋的信號(hào)隨著探測(cè)物體的不同而變化。本水分傳感器中，100MHZ的有源晶振發(fā)出100MHz的正弦波，正弦波被傳至檢測(cè)體，當(dāng)檢測(cè)單元與被檢測(cè)體沒(méi)有接觸時(shí)，其特性阻抗沒(méi)有改變，正弦波信號(hào)沒(méi)有變化，不產(chǎn)生反饋，當(dāng)探測(cè)單元與其他被測(cè)物體接觸時(shí)，其特性阻抗就會(huì)發(fā)生變化，這時(shí)檢測(cè)單元就會(huì)有反饋信號(hào)傳輸，定義反饋信號(hào)振幅比上入射信號(hào)振幅為反射系數(shù)，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

2 檢測(cè)系統(tǒng)組成

該水分儀的系統(tǒng)組成主要由上位機(jī)，主控器單元，射頻傳感器組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)框架

其中，上位機(jī)采用LabVIEW為開(kāi)發(fā)軟件，LabVIEW是一種基于圖形化語(yǔ)言的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，較其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著不同點(diǎn)是：其余語(yǔ)言都是基于文本產(chǎn)生的，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言，這樣直觀性邏輯性較強(qiáng)，便于以后的程序修改與拓展，編程語(yǔ)言較為簡(jiǎn)單，容易操作。而后將STC89C52采集的水分值經(jīng)過(guò)PC機(jī)處理與修正，在PC機(jī)上簡(jiǎn)明扼要的顯示給用戶(hù)，而下位機(jī)的主要控制單元采用以STC89C52為核心的主要控制芯片。

3 試驗(yàn)方法與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)標(biāo)定

本次試驗(yàn)采用偉科702玉米，為了得到玉米水分與射頻式水分儀的頻率的線性關(guān)系，首先進(jìn)行重復(fù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。為了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的精確性，在標(biāo)定的同時(shí)，采用小梯度的標(biāo)定間隔，以此保證獲得較好的線性擬合度，所以實(shí)驗(yàn)選取的是含水率為12%～28%的梯度的偉科702玉米。試驗(yàn)?zāi)康氖菍?duì)本次試驗(yàn)的玉米的水分進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，測(cè)量玉米含水率的操作規(guī)范嚴(yán)格遵循國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T5497-1985《糧食、油料檢驗(yàn)水分測(cè)定法》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行絕干標(biāo)定。通過(guò)LabVIEW的圖形化語(yǔ)句編程，將STC89C52得到的實(shí)時(shí)頻率值動(dòng)過(guò)上位機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)存入Excel中，不同的玉米水分頻率值的采集周期為10h，將excle表中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行水分與頻率的標(biāo)定處理，以此來(lái)獲得水分與頻率的擬合公式，進(jìn)一步來(lái)進(jìn)行計(jì)算（見(jiàn)圖3和圖4）。

圖3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

3.2 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

圖4 水分為14.66%的數(shù)據(jù)采集處理

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)下位機(jī)及其附屬電路將不同的水分轉(zhuǎn)換成不同的頻率輸出，標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)標(biāo)定射頻式水分儀含水率與頻率曲線

3.3 特征參數(shù)回歸模型的建立

根據(jù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，將不同的玉米水分與所得到的頻率值進(jìn)行線性擬合，得出初步的線性標(biāo)定方程。線性方程如圖6所示。

圖6 射頻式水分儀含水率-頻率曲線（線性）

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

由表1可知線性相關(guān)系數(shù)R2=0.9819，擬合方式的相關(guān)系數(shù)大于0.95，說(shuō)明線性擬合的玉米含水率與采集到的頻率值曲線的相關(guān)性較好，可以用此公式進(jìn)行頻率與水分計(jì)算。

3.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將射頻式水分儀安裝在自制的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，將標(biāo)定公式輸入上位機(jī)軟件，來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證（如圖7和圖8）。

圖7 自制實(shí)驗(yàn)裝置

圖8 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，最大誤差0.8%，最小誤差0.2%，另外，溫度、密度、電路干擾也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)有一定的影響，但最大誤差沒(méi)有超過(guò)1%，測(cè)量結(jié)果在可接受范圍之內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文開(kāi)發(fā)了一套基于射頻原理的糧食在線水分儀，制作了樣機(jī)和試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)和對(duì)采集的頻率值與偉科702玉米的實(shí)際水分值進(jìn)行了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，將標(biāo)定公式與實(shí)驗(yàn)采集通過(guò)上位機(jī)LABVIEW進(jìn)行系統(tǒng)性的匯總與處理，初步對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果，表明該水分儀可以對(duì)糧食的含水率進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線監(jiān)測(cè)，并且監(jiān)測(cè)精確度和穩(wěn)定性都已經(jīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但是射頻式的水分儀開(kāi)發(fā)還屬于初級(jí)階段，還有很多不足之處，比如不同玉米品種，玉米的緊實(shí)度，周?chē)沫h(huán)境溫度和濕度，不同的季節(jié)，還有周?chē)欠翊嬖陔姶鸥蓴_等都存在或大或小的問(wèn)題，需要進(jìn)一步完善后推廣使用。