農(nóng)產(chǎn)品介電參數(shù)在線檢測(cè)裝置研究

楊萬(wàn)澤　鄢金山

摘要：利用平行板式電學(xué)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)，研究一種用于農(nóng)產(chǎn)品干燥過程檢測(cè)物料介電參數(shù)的綜合實(shí)驗(yàn)裝置，配合LCR數(shù)字測(cè)量?jī)x器實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)監(jiān)視、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析功能。裝置具有功能齊全、溫度控制精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品介電參數(shù)在線檢測(cè)及干燥控制提供理論支持。

關(guān)鍵詞：介電參數(shù);精度;誤差;在線檢測(cè)

中圖分類號(hào)：S183? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1674-1161（2019）04-0014-04

目前，農(nóng)產(chǎn)品介電參數(shù)檢測(cè)方法很多，但現(xiàn)有檢測(cè)方法大多存在檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高、設(shè)備體積大、影響因素較多等缺點(diǎn)，有的還具有一定的破壞性，不能實(shí)現(xiàn)在線、準(zhǔn)確、快速檢測(cè)，更不適于大范圍推廣。介電特性可快速、準(zhǔn)確檢測(cè)農(nóng)業(yè)物料的含水率、成熟度、新鮮度、損傷等品質(zhì)特性，為農(nóng)產(chǎn)品無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展提供更為廣闊的空間。利用平行板式電學(xué)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)，研究一種用于農(nóng)產(chǎn)品干燥過程檢測(cè)物料介電參數(shù)的綜合實(shí)驗(yàn)裝置，配合LCR數(shù)字測(cè)量?jī)x器實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)監(jiān)視、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析功能。其利用農(nóng)產(chǎn)品組分、含量及其變化情況建立數(shù)學(xué)模型，用以評(píng)判農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，預(yù)測(cè)干燥過程含水率變化規(guī)律。同時(shí)，該裝置還可用于農(nóng)產(chǎn)品受傷、腐爛情況的檢測(cè)判斷。

1 在線檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 主要結(jié)構(gòu)組成

基于介電特性的農(nóng)產(chǎn)品無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，主要由計(jì)算機(jī)、LCR測(cè)量?jī)x、平行板式電學(xué)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)等組成。LCR測(cè)量?jī)x屬敏感儀器，細(xì)微的電極板變化都會(huì)使其測(cè)量值產(chǎn)生很大變化，對(duì)測(cè)量精度要求很高。

農(nóng)產(chǎn)品介電參數(shù)在線檢測(cè)裝置主要由箱體、平行板式電學(xué)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)、超導(dǎo)液、加熱棒、風(fēng)機(jī)、傳感器等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 工作原理

測(cè)量系統(tǒng)如3圖所示。

上極板與上板固定連接，下極板固定于稱重傳感器上，上下兩圓形極板同軸，通過同軸線纜與LCR連接;稱重傳感器安裝在滑軌抽拉板表面，可根據(jù)需要滑動(dòng)，便于放置測(cè)試物料;通過電動(dòng)升縮機(jī)構(gòu)及螺旋測(cè)微器調(diào)節(jié)上、下極板的相對(duì)位置，確定極板間距;極板與上板、稱重傳感器連接可靠、表面平整。制作材料在0～150 ℃范圍內(nèi)熱變形小，介電常數(shù)穩(wěn)定。

將待測(cè)農(nóng)產(chǎn)品放入抽拉板實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并通過滑動(dòng)導(dǎo)軌送至上下電極板同軸位置;電熱棒加熱底部的超導(dǎo)液，泵將熱量通過上部均布的管路帶入上箱體;離心式風(fēng)機(jī)供風(fēng)，形成循環(huán)熱風(fēng)對(duì)物料進(jìn)行干燥。與此同時(shí)，電場(chǎng)值會(huì)發(fā)生變化，其值與農(nóng)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、含水率、生理特性等有關(guān)。計(jì)算機(jī)通過RS232接口與LCR測(cè)試儀相連，利用測(cè)試軟件測(cè)量損耗系數(shù)、電阻、電容、阻抗等多種介電特性參數(shù)，所得數(shù)據(jù)輸出到Excel表格中生成圖表。介電特性參數(shù)反映水果的品質(zhì)情況，得到與之對(duì)應(yīng)的果品內(nèi)部品質(zhì)變化規(guī)律。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

農(nóng)產(chǎn)品介電參數(shù)在線檢測(cè)裝置主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 在線檢測(cè)裝置關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 極板間距精準(zhǔn)調(diào)節(jié)裝置

理想狀態(tài)下，平行板電容器的電場(chǎng)是均勻分布的。但實(shí)際上，平行板中間部分的電場(chǎng)分布均勻，而電容器邊緣的電力線是彎曲且發(fā)散的，此現(xiàn)象被稱為電容器的邊緣效應(yīng)。極板間的電學(xué)參數(shù)很容易受外界電磁信號(hào)干擾，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響，故設(shè)計(jì)時(shí)常通過增大極板面積、采用更薄材料、減小極板間距來降低邊緣效應(yīng)。采用替換計(jì)算方法消除邊緣電容和分布電容時(shí)，主要用于計(jì)算過程和數(shù)據(jù)處理，精度較高。從儀器中準(zhǔn)確讀出電容參數(shù)時(shí)，采用等位環(huán)消除邊緣電容的方法比較有效。

電動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)固定于箱體頂部，電動(dòng)升縮桿與支撐件連接，螺旋測(cè)微器固定在支撐件上并支撐上板。通過電動(dòng)伸縮桿控制極板間距，當(dāng)調(diào)節(jié)不精確時(shí)，可通過調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微器實(shí)現(xiàn)細(xì)微調(diào)節(jié)。選取極板為圓形，極板平面度0.1 mm，兩極板間距精度0.01 mm。

2.2 快速上物料裝置

干燥檢測(cè)箱內(nèi)空間一定，為實(shí)現(xiàn)物料快速放置與卸下，設(shè)計(jì)一種抽拉式上物料方式。該抽拉式裝置移動(dòng)時(shí)平穩(wěn)、可靠，滑動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)行時(shí)可清理黏附在固定導(dǎo)軌上的雜物，直線性較好，無(wú)扭曲現(xiàn)象且噪音小。限位擋板兩側(cè)均裝有防撞橡膠，用于抽拉減振，同時(shí)起支撐水平作用?；壴O(shè)有防脫裝置，以免抽拉時(shí)使擱板脫離。

2.3高精度溫度控制系統(tǒng)

溫度精準(zhǔn)控制是農(nóng)產(chǎn)品介電參數(shù)裝置的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。溫度具有慣性，利用超導(dǎo)液控制比較困難。而溫度不穩(wěn)定，很容易造成測(cè)量數(shù)據(jù)偏離實(shí)際。

采用基于PLC的增量式數(shù)字PID控制方法，實(shí)現(xiàn)干燥過程中的環(huán)境溫度高精度控制。利用LabVIEW軟件編程靈活的特點(diǎn)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)界面，通過RS232接口實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)PLC的實(shí)時(shí)監(jiān)控，保存測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)進(jìn)行精度分析。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)±0.05 ℃/24 h的控制精度，穩(wěn)定的溫度控制及系統(tǒng)達(dá)到0.1 ℃，滿足高精度加工系統(tǒng)的溫度控制需求。溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如4所示。

2.4 系統(tǒng)參數(shù)控制面板

控制面板應(yīng)操作簡(jiǎn)單方便，各個(gè)功能區(qū)分明顯，顯示部分放置于操作按鈕之上，便于操作人員觀察，使其迅速做出反應(yīng)?？刂泼姘迳喜繛轱@示單元，主要顯示參數(shù)有溫度、風(fēng)速、超導(dǎo)流量、重量、濕度等，中部為啟動(dòng)、停止等按鈕，下部為操作控制單元，主要控制參數(shù)有溫度、風(fēng)速、超導(dǎo)流量。

2.5 在線實(shí)時(shí)稱重

稱重傳感器無(wú)法直接和PLC連接，需加稱重變送器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)采用稱重傳感器+接線盒+頻率輸出型稱重變送器，接PLC的高速脈沖捕捉端口方式，省去模擬量輸入模塊，可以長(zhǎng)距離傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，容易隔離，響應(yīng)速度較快，測(cè)量精度高（達(dá)0.1 g）。

3 在線檢測(cè)裝置的功能及精度

3.1 溫度控制

通過溫度傳感器PT100實(shí)現(xiàn)對(duì)超導(dǎo)液的加熱控制。PT100可以通過電阻變換來確定溫度變換，進(jìn)而對(duì)超導(dǎo)液的加熱溫度進(jìn)行控制。

3.2 干燥箱中形成流暢均勻風(fēng)

箱體內(nèi)部采用離心式風(fēng)機(jī)供風(fēng)，對(duì)箱體內(nèi)部進(jìn)行圓角處理，使箱體內(nèi)實(shí)現(xiàn)循環(huán)風(fēng)。

3.3 材料選用

所需材料在0～150 ℃范圍內(nèi)耐熱、熱變形小、剛度大、介電常數(shù)穩(wěn)定。

3.4 誤差的降低方法

3.4.1 制作精度 提高極板裝置的制造精度，采用降低邊緣效應(yīng)和分布電容的極板結(jié)構(gòu)形式，利用屏蔽罩降低雜散信號(hào)的影響。門與箱體之間采用雙層耐高溫高張性密封條，以確保測(cè)試區(qū)密閉。

3.4.2 計(jì)算方法 采用等效計(jì)算消除分布電容;多次測(cè)量，利用兩側(cè)測(cè)量消除分布電容;運(yùn)用5點(diǎn)取樣法提高測(cè)量精度。

3.5 測(cè)量精度提高方法

影響測(cè)量精度的因素有外界條件、儀器條件、觀測(cè)者自身?xiàng)l件。為提高結(jié)果測(cè)量的精度，采用5點(diǎn)測(cè)量法降低系統(tǒng)測(cè)量誤差。在極板間距可調(diào)范圍內(nèi)，自上而下選取5點(diǎn)（間距最大、間距最小，以及處于中間位置處的3點(diǎn)）進(jìn)行測(cè)量，取其平均值作為參考值。

為使測(cè)量值具有代表性，應(yīng)多次測(cè)量求其平均值。為使結(jié)果測(cè)量精度高，可使用重復(fù)性驗(yàn)證、復(fù)現(xiàn)性驗(yàn)證、2臺(tái)設(shè)備驗(yàn)證等方法。測(cè)量分布具有不均勻性和無(wú)規(guī)律性，如果選取更多的測(cè)量點(diǎn)，參考值會(huì)更接近真實(shí)值;但點(diǎn)數(shù)過多，會(huì)對(duì)數(shù)值測(cè)量及計(jì)算造成一定困難。

4 結(jié)論

目前，基于介電特性對(duì)農(nóng)產(chǎn)品無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究越來越廣泛。裝置具有功能齊全、溫度控制精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，可用于普通農(nóng)產(chǎn)品干燥試驗(yàn)研究，也可以用于干燥過程電學(xué)參數(shù)檢測(cè)、農(nóng)產(chǎn)品干燥工藝等研究工作，為今后實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)干燥過程水分含量的在線檢測(cè)及干燥控制提供理論支持和參考基礎(chǔ)。

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Abstract： In this paper， using the parallel plate electrical parameter detection system， a comprehensive experimental device for testing dielectric parameters of materials in the drying process of agricultural products was studied， which realized on-line monitoring， remote control and data storage and analysis system with LCR digital measuring instrument. The device has the advantages of complete functions， accurate temperature control， etc.， in order to provide theoretical support for realizing dielectric parameterson-line detection and drying control for agricultural products .

Key words： dielectric parameters; accuracy; error; on-line detection