./ 传感器技术（MCA<6=9 CG !<=6D?A@;< !;@:6C9C7I） #%%- 年 第 ## 卷 第 . 期 基于电容式传感器的粮食水分测量仪 丁英丽 （本溪冶金高等专科学校 自控系，辽宁 本溪 !!"#$$） 摘 要：少量样品的非破坏性水分快速、准确的测量是粮食工业中需要解决的关键技术。在研究了电容 式传感器的原理和含水介质导电浴盆效应的基础上提出了用电容式传感器来测量粮食水分的原理。实验 结果表明，此仪表准确性高，重复性好。 关键词：粮食水分；电容式传感器；少量样品 中图分类号：!"#$% & ’；!(#$# 文献标识码：) 文章编号：$%%% * +’,’（#%%-）%. * %%/. * %- %&’()’* +,(*-.&/ -/00/& 1’*/2 ,) 3’4’3(-(5/ */)*,& （6/4- ,7 8.-,3,)-&,0，9/):( ;,00/，9/):( !!"#$$，;?()’） 0123 4567895 81*-&’3-：!:; <=>5? =6? =@@A<=B; 6C68?;DB9;D 5D = H;I B;@:65JA; BC K; DC9E;? 56 7<=56D 56?ADB<5;D& L;=DA<567 ><56@5>9; CG 7<=56’D FC5DBA<; 5D >CD;? B:; K=D5D CG ;9;@B<5@ @C6?A@B5E5BI K=B:BAK ;GG;@B CG FC5DBA<; @C6B=56567 F;?5AFD，=6? @=>=@5B5E; D;6DC< & !:; <;DA9BD 56?5@=B; B:=B 5B :=D :57: =@@A<=@I =6? 7CC? <;8 >;=B=K595BI& @/> A,&2*：7<=56’D FC5DBA<;；@=>=@5B5E; D;6DC<；DF=99 =FCA6B CG D=F>9;D # 引 言 子法、微波法、光学法都是通过对水分的吸收或衰减 水分含量直接影响医药、化工、食品等物料的安 反映出相应的水分值［$］。目前，由于粮食的温度、粒 全储藏和贸易定级，因此储藏、贸易过程中的水分检 度、品种、颜色、形状等对测量有严重的影响，所以这 测十分重要。 些测量方法在实际中有一定的限制。因此有必要探 在农业生产中，长期以来，粮食水分检测一直依 索新途径，寻找新方法，以解决某种场合对测量的迫 靠手搓、嘴咬、眼观为主要的判别方法，人为影响很 大。但是国家在粮食收购过程中开始推行收购统一 切需要。 $ & # 粮食水分的测量方案 化、标准化，其中就包括粮食水分检测的标准化，因 传统的电烘箱恒重法是利用电阻炉加热并根据 此设计一套粮食水分快速检测仪是十分必要的。 ! 粮食水分测量的方法 $ & $ 粮食水分测量的一般方法 测量粮食水分的方法有直接法和间接法。直接 法是通过热干燥后直接测量含水量。它是一种基准 法，测量时不会改变样品的性质；间接法是通过测量 与水分变化相关的物理量得到水分含量，因此可以 在线测量。间接法包括化学反应法、电导法、电容 法、中子法、微波法、光学法等。化学反应法是根据 化学反应方程式的定量关系计算水分的含量，试样 中的水分也参加化学反应；电导法和电容法是通过 传感器将水分含量转换为相应的电量进行测量；中 失去的质量来测量粮食的含水量，因此可以实现粮 食水分的在线测量，并可以作为其它水分仪标定的 标准装置。但它是一种间歇式的测量装置，测量周 期较长，大约需要 .% F56，不能实现对粮食水分的连 续测量，不利于提高控制指标。在研究了粮食的导 电浴盆效应的基础上提出了用电容式传感器测量粮 食的水分。这种方法把粮食作为电介质，通过测量 粮食的介电常数来测量粮食的含水量。由于用电容 式传感器测量电容时，在电容两端还有一个并联的 电导成分，因此总的变化是由电容（ !）与电导（ "） 的比值（即 ! # "）来反映的，又由于 ! # " 的值与相 角 有确定的函数关系，因此只要测量出相角的值即 万方数据 收稿日期：#%%# * $% * #$ 

第 $ 期 丁英丽：基于电容式传感器的粮食水分测量仪 ## 可以测量出水分的含量。用这种方法设计出的测量 频率的变化较小；频率继续升高，阻抗值随之缓慢增 装置结构简单、成本低，并可以连续的在线测量。 ! 电容式传感器的工作原理 电容式传感器是将被测非电量的变化转化为电 量变化的一种传感器。它具有结构简单、分辨力高、 可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣 加，可见，在无线电频率范围内，介质的阻抗 频率 " 关系呈浴盆曲线状［*］； （&）试料的品种不同，浴盆效应的边沿频率也 不同，但各种粮食在 %!! ( &#! ./0 范围内基本呈最低 阻抗状态，施加这一频带的激励信号，可以获得较大的 条件下工作的优点。随着集成电路技术和计算机技 与含水介质的水分含量成正比的电流检测信号； 术的发展，促使它扬长避短成为一种很有发展前途 的传感器。 （*）粮食的阻抗与籽粒结构有关，籽粒有壳体 的粮食阻抗较大。稻谷有纤维素和矿物质构成的结 电容式传感器的形式有很多种。最简单的就是 构坚硬。高度本质化的谷壳的阻抗值较大。小麦有纤 空介电常数 平板型电容器，忽略边缘效应影响时，其电容量与真 （"!"#$ ! %!"%& ’·("%）、极板间介质的 !! 、极板的有效面积 # 以及两极板间 相对介电常数 !) 有关，即 的距离 " 维素和干纤维组成的皮层，其阻抗较稻谷小，但比只 有果实的大米的阻抗要大［$］。 * ’ & 粮食水分传感器的设计 在设计中采用电容式传感器作为测量器件。该 （%） $ % !!!) # &" ’ 若被测量的变化使式中三个参量中任意一个发 传感器是根据变介质型电容式传感器设计的。被测 粮食放入电容式传感器两极板间时，由于粮食的含 生变化时，都会引起电容量的变化，通过测量电路就 水量不同，从而使电容式传感器的相对介电常数发 可转换为电量输出。因此，电容式传感器可分为变极 生变化，即引起了电容值变化。在电容式传感器一端 距型、变面积型和变介质型三种类型［&］。 " 粮食水分传感器的设计与实现 * ’ % 粮食的导电特性 施加一个正弦高频激励信号，则在其输出端必然产 生一个衰减响应，而且，激励与响应信号是同频的， 只是相位发生了平移，通过测量相角即可求得电容 完全干燥的粮食、种子、油料等介质可视为绝缘 与电导的比值，从而测出粮食的含水量。 体，其阻抗趋于无穷大。水分含量在正常范围内，各 由于所测的粮食为颗粒形状，其装入容器中存 种粮食、种子、油料等介质，绝大部分的容积直流块 电阻均在 % +!, -(* 以上。 在许多气隙，因而其介电常数较小，但其传感器的极 板有效面积不能太小，因此本系统的电容式传感器 粮食、种子、油料、药品等含水介质在外施幅值 采用同轴的圆筒型电容式传感器。采用圆筒型电容 不变的无线电频率作用下，其电导率随激励的频率 式传感器的另一目的是它的电极是非对称的，即内 变化而变化。稻谷、小麦、大米的阻抗 如图 % 所示。 " 频率特性， 极板被外极板所包络，这样可以十分有效地抑制人 体感应。圆筒型电容式传感器的结构如图 & 所示。 图 # 粮食的阻抗 $ 频率特性 图 ! 圆筒型电容式传感器 %&’ ! 849/:,6*./0 1*.*1&7&;/ ,/+,<) 圆筒型电容式传感器的基本公式为 %&’ # ()*&+’, &-./+0*+1/ $ 2)/34/+15 16*)*17/) 由图 % 可见，含水介质的阻抗 " 频率具有以下 特性： （%）当激励信号的频率较低时，介质的阻抗随 频率增加而急剧降低；在中间频带，阻抗值最小，随 万方数据 $ % &"!) * + 12 ， （&） 式中 +，* 为圆筒内、外电极的直径；) 为电极的 高度； ! 为介质的介电常数。 

/, 传 感 器 技 术 第 "" 卷 性质良好的筒状结构应满足以下条件： （!）电极厚度小。由于传感器的体积有限，电极 本身除具有一定的抗氧化性外，其厚度应充分小，以 削弱边缘效应，最好采用镀金层作为电极； （"）几何对称。两筒状电极的内外圆度应一致、 同轴，以保证良好的梯度均匀性； （#）介质损耗小。由于筒状电极应具有一定的 刚度，因此内外电极用衬套加固是十分必要的。但衬 套本身应具有较低的介质损耗，即高频性能要好，通 常采用聚四氟乙烯，另外，衬套应轻薄； （$）应有料钟。通常的筒状电容是不需要料钟 的，但本次被测介质为颗粒状，又是采用自由倾倒 式，因此设计料钟十分必要。需要说明的是料钟的存 在并不能使倾倒的粮食绝对的水平，但可以使粮食 均匀的分布于内外电极之间，可以保证良好的重复 性。 由于条件限制，本次设计采用厚度为 % ! " && 的 铜箔做为电容式传感器的两个极板，取消内衬套，外 衬套采用厚 % ! " && 的绝缘塑料。为克服几何形变， 采用了厚度为 ! && 的低介质损耗的聚甲基丙烯酸 甲脂圆环作为肋状加强筋，共用 ’ 片，等间距安装， 加强筋的固定可以用 (%$ 硅胶。 表 " 测量数据表 #$% " &’$()*’+’,- .$-$ /0(- ’ ( )（! 1 !% 2 /） 标定水分（ . ） 实测水分（ . ） 误差（ . ） % 3 $(, % 3 /!# % 3 (/" % 3 )($ ! 3 !)’ ! 3 #)’ " 3 %)" " 3 )!! $ 3 /#% !# 3 " !# 3 / !# 3 ) !$ 3 " !$ 3 , !$ 3 ( !, 3 ! !, 3 $ !, 3 ’ !# 3 "$ !# 3 ,’ !# 3 )% !$ 3 "$ !$ 3 ," !$ 3 (! !, 3 !’ !, 3 $# !, 3 ($ % 3 # 2 % 3 ! % % 3 # % 3 ! % 3 ! % 3 , % 3 " 2 % 3 $ $ 3 " 实验结果分析 通过以上测量数据可以看出，在所测得的数据 中，误差最大的为 % 3 ,. ，最小的为 %，产生误差的主 要原因： （!）由于测量过程中所用的时间比较长，因此环 境温度对粮食水分的测量有一定的影响； （"）由于实验室条件所限制，自制的烘箱的烘干 效果不太好，烘干过程中，有些靠近托盘下层的粮食 介质不能达到所需要的标准值； （#）由于实验室的条件的限制，对粮食的冷却和 保持所用介质的干燥性也有一定的困难。因此对同 经实验，该传感器的高频性能好，经其延迟而产 一种粮食介质就导致在多次测量过程中的水分含量 生的波形基本无毛刺，人体感应非常小，负载电容恒 定为 #) *+ 以下，所以消除本底电容电路可用软件来 简化。 其它尺寸为 " # #, &&，$ # ’, &&，% # !%% &&， 加强肋外径为 ! # !!, &&，料钟锥度为 (,-。 # ! # 粮食水分测量仪的组成 粮食水分测量仪的硬件电路主要由信号发生 器、正弦激励放大电路、电容式传感器、检测放大电 路、过零比较电路、占空比检测电路、直流放大电路 以及单片机系统组成。 ! 实验曲线及结果分析 为了验证此测量方案的可行性以及此测量装置 的准确度，采用传统的烘干法为标准值，根据对粮食 误差过大。 1 结束语 水分仪的种类很多，但市场潜力不尽相同。目 前的电测法等快速水分仪的市场较小，批量小、开发 费用高、难以推广。今后重点开发通用型低成本的 快速水分仪。其次有必要开发粮食入库的水分在线 检测系统，尽管初期开发成本较大，但随着水分检测 技术的发展，这个目标是可以实现的，这对提高工作 效率、减轻劳动强度、节省人力、实现粮库管理自动 化具有重要的意义。 参考文献： ［!］ 丁元明 3 粮食水分测量技术概括［4］3分析仪器，!))(，（"）：, 2 ’3 ［"］ 贾伯年，俞 朴 3 传感器技术［5］3 南京：东南大学出版社，!))/ 3 !%, 2 !%’ 3 水分的标定曲线，得出用这种测量装置测量的粮食 ［#］ 滕召胜 3 粮食的导电浴盆效应与新型水分的检测方法的研究 水分含量与标准值之间的误差。 $ ! ! 实验曲线 在实验过程中，取含水量分别在 !#. & !$. ， !$. & !,. ，!,. & !/. 的样品 "(! ! ( 0，用所标定 的水分含量与实际测量的水分含量进行比较，可以 得到如表 ! 所示的数据。 万方数据 ［4］3 中国粮油学报，!)))，（!$）：,) 2 /! 3 ［$］ 滕召胜 3 新型粮食水分快速仪的研究［4］3 湖南大学学报，!)))， （#）：!, 2 "% 3 作者简介： 丁英丽（!)(% 2 ），女，辽宁省本溪市人，本溪冶金高等专科学校 自控系讲师，工学硕士，主要从事生产过程的自动检测和控制的教学 及研究工作。 

基于电容式传感器的粮食水分测量仪 作者： 丁英丽 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 本溪冶金高等专科学校,自控系,辽宁,本溪,117022 传感器技术 JOURNAL OF TRANSDUCER TECHNOLOGY 2003，22(4) 5次 被引用次数： 参考文献(4条) 1.丁元明 粮食水分测量技术概况[期刊论文]-分析仪器 1997(02) 2.贾伯年.俞朴 传感器技术 1996 3.滕召胜 粮食的导电浴盆效应与新型水分的检测方法的研究 1999(14) 4.滕召胜 新型粮食水分快速仪的研究[期刊论文]-湖南大学学报(自然科学版) 1999(03) 相似文献(10条) 1.期刊论文 陆静霞.LU Jing-xia 基于电容式传感器的粮食水分测量仪的研究 -农机化研究2005(6) 长期以来,在农业生产中的粮食水分检测一直以手搓、嘴咬、眼观为主要的判别方法,受人为主观因素影响很大.为了实现国家粮食收购过程中的统一 化和标准化,设计出一套用于现场的粮食水分快速检测仪是十分必要的.为此,介绍了一种测量粮食水分的电容式传感器的结构,设计了适合该种传感器的 检测电路,分析了该电路的原理,给出了实验检测数据.实验结果表明,此测量仪具有较高的准确性和较好的重复性. 2.学位论文 王兆华 基于有源电桥的电容式传感器及其测量系统的研究 2006 论文系统地阐述了电容式传感器的特点、类型以及检测原理等知识，重点对电容检测电路进行了系统的研究。针对普通的惠斯登电桥电路存在的缺 点进行改进，设计了适合于精密电容测量的有源电桥式电路，通过在一个桥臂中加入放大倍数可调的反向放大器，使参数调整非常容易，同时实现了线 性输出。理论及实验表明：该电路具有灵敏度高、线性范围宽的特点。 将有源电桥式电路应用于非金属电介质敏感测量，针对粮食水分测量问题，设计实现了电容式粮食水分测量系统。采用同芯柱型电容敏感探头，对 传感器的工作频率、标定方法及仪器实现进行了研究。通过实验测试粮食的电阻抗特性，尤其是电容特性与粮食水分之间的关系，确定了电路的工作频 率。实验结果表明，这种粮食水分传感器的输出电压与粮食水分之间呈良好的线性关系，可满足粮食水分在线检测的要求。 将有源电桥式电路应用于金属目标位移测量，设计了位移测量系统。采用同面散射场电容传感器敏感探头，并对同面散射场电容探头的敏感特性进 行了研究。测量系统的设计重在扩大传感器的量程和提高抵抗外界因素干扰的能力。实验结果表明，在测量系统的量程为10mm时，传感器的精度为 5.6％，绝对误差范围在(0.001～0.088mm)，满足金属目标小位移测量的要求。 3.期刊论文 翟宝峰.梁清华 检测粮食水分用的电容式传感器 -传感器技术2003,22(2) 介绍了一种用于现场粮食水分检测的电容式传感器,并对传感器的结构进行了优化计算,使得结构更合理.针对所设计的传感器设计了相应的检测电路 ,分析了该电路的原理,给出了调试结果,对粮食样品得出了具体的检测数据. 4.期刊论文 王兆华.高敬阳.董永贵.WANG Zhao-hua.GAO Jing-yang.DONG Yong-gui 一种基于有源电桥的电容式粮 食水分传感器 -传感器技术2005,24(11) 在传统电桥电路的基础上,设计了一种有源电桥的电容式检测电路.该电路具有灵敏度高、线性范围宽的特点.将其用于粮食水分的检测,实现了一种 具有线性特性的粮食水分传感器.通过试验测试粮食的电阻抗特性,尤其是电容特性与粮食水分之间的关系,确定了电路的工作频率.试验结果表明:这种粮 食水分传感器的输出电压与粮食水分之间呈良好的线性关系,可满足粮食水分在线检测的要求. 5.学位论文 郭德怀 粮食干燥机全自动控制系统的开发 2009 正常的粮食都含有适量的水分，粮食水分一直是国内外粮食部门控制的一项非常重要的质量指标，其含量的多少不但影响着粮食的存储安全性，同 时也影响着粮食制品的加工质量。测量粮食水分含量即测量粮食的湿度是粮食烘干的前道工序，本文设计一个粮食湿度-温度自动控制系统，该系统在线 采集粮食湿度信号，并将其送入湿度-温度自动控制系统，实现对粮食干燥机自动化控制。
　　 本文采用电容式传感器作为粮食水分测量器件，被测粮食的含水量不同，电容式传感器的相对介电常数将发生变化，即其电容值将发生变化。在电容式 传感器一端施加一个正弦高频激励信号，则在其输出端必然产生一个衰减响应，激励与响应信号频率相同的，但相位发生了平移，通过测量相角即可求 得电容与电导的比值，从而测出粮食的含水量。
　　 温度自动控制系统以单片机为核心，本文采用AT89C51单片机为中央处理器，结合高精度数字温度传感器及其控制电路，实现了高精度、高可靠性。
　　 数据传输的速度及准确性是控制系统的关键，本文采用CAN控制器传输水分测量信号、温度测量信号，通过单片机控制粮食干燥设备的工作过程，实现 控制系统的智能化。 6.期刊论文 蔡利民.孔力.Cai Limin.Kong Li 圆筒形电容式粮食水分传感器的数学模型与影响因素分析 -分析仪 器2009(1) 分析了粮食的介质特性,说明了圆筒形电容式粮食水分传感器的测量原理,得出了传感器电容参数与被测粮食含水量关系的数学模型.运用粮食的导电 浴盆效应得出了传感器的等效电路,讨论了影响传感器电容量的因素,为圆筒形电容式粮食水分传感器的设计提供了理论依据. 7.期刊论文 丁英丽 粮食水分的测量 -本溪冶金高等专科学校学报2001,3(4) 根据电容传感器的电容值与粮食含水量的对应关系和被测电容两端并联的电导成分与粮食含水量的对应关系进行粮食水分测量的设计,重点介绍了利 用相位差法测量粮食水分. 8.期刊论文 王志强.陈平 基于虚拟仪器的粮食水分在线检测系统设计 -安徽农业科学2010,38(30) 分析了电容式传感器的工作原理,并在此基础上设计了一种基于专用集成芯片CAV424的粮食水分检测电路.测量时,CAV424将传感器电容变化量转换成 电压信号,经AD620放大后送MSP430单片机进行处理并将结果通过串口送上位机.上位机软件采用LabVIEW编程,可实现检测结果的图形化显示、数据库存储 和报表打印等.整个系统具有电路简单、检测精度高、稳定可靠等优点. 9.期刊论文 翟宝峰.白媛 电容式粮食水分检测仪的设计 -辽宁工学院学报(自然科学版)2003,23(1) 介绍了一种用于现场粮食水分检测的电容式传感器,并对传感器的结构进行了优化计算,使得结构更合理.针对所设计的传感器设计了相应的检测电路 

,分析了该电路的原理,给出了调试结果,对粮食样品得出了具体的检测数据. 10.期刊论文 王新岚 电容式传感器在面粉水分检测中的应用 -当代农机2006(5) 面粉在人们的饮食结构中是必不可少的.常常听人们说面粉太湿,这对于储存面粉的部门也成了最头痛的问题.数十年来,粮食水分检测技术发展迅速 ,形成了各种检测水分的方法.不过,这些方法总体上分为直接法和间接法两大类.①直接法是通过干燥方法和化学方法,直接检测出粮食中的绝对水量.这 种方法检测准确度高,但费时,不适于在线和现场检测.②间接法是通过检测与水分有关的物理量(物质的电导率、介电常数等),间接地测定物质的水分.这 种方法一般速度较快,易实现在线检测.在采用间接法测量时,由于影响水分检测的因素较多,所以对传感器的设计应给予足够的重视,使输出信号能够有效 地反映水分特性.电容式传感器是水分检测的一种方法,具有成本低、体积小、测量准确度高等优点. 引证文献(5条) 1.杨柳.毛志怀.董兰兰 电容式谷物水分传感器平面探头的研制[期刊论文]-农业工程学报 2010(2) 2.黄姣英.袁海文.安晨亮.崔勇.李成贵 一种电容非介入式压力测量方法研究[期刊论文]-仪器仪表学报 2009(8) 3.宁德亮.阎昌琪.高璞珍 新型电容式蒸汽湿度传感器及提高测量精度的方法[期刊论文]-仪器仪表学报 2006(z1) 4.李业德 基于介质损耗因数的粮食水分测量方法[期刊论文]-农业工程学报 2006(2) 5.王兆华 基于有源电桥的电容式传感器及其测量系统的研究[学位论文]硕士 2006 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_cgqjs200304018.aspx 授权使用：华北水利水电学院(hbslxy)，授权号：afebb6e4-334d-497c-9722-9ea3012cdc2b 下载时间：2011年3月11日