CN102393408A - 一种电容式秸秆含水率检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容式秸秆含水率检测装置，包括传感器、检测及控制电路、显示装置、输入设备、PC机，所述传感器包括电容传感器、温度传感器和压力传感器；所述检测及控制电路包括电容信号检测及处理模块、压力信号检测及处理模块、A/D转换模块和主控制器；所述温度传感器与主控制器连接；所述电容传感器与电容信号检测及处理模块连接，所述电容信号检测及处理模块与A/D转换模块连接；所述A/D转换模块与主控制器连接；所述压力传感器与A/D转换模块连接；所述显示装置、输入设备、PC机分别与主控制器连接。该装置利用秸秆含水率与电容传感器的电容值及影响因素温度、容积密度的数学模型实现了农作物秸秆含水率快速、准确的检测。

Description

一种电容式秸秆含水率检测装置

技术领域

本发明涉及农业物料含水率检测技术领域，特别涉及一种电容式的秸秆含水率检测装置。

 

背景技术

含水率是农作物秸秆回收再利用技术中一项重要的指标，农作物秸秆的含水率对于秸秆的加工再利用有很大的影响，甚至含水率在一定程度上决定了其成品的品质，而传统的加热烘干法在测量含水率方面存在测试周期长的缺点，在实际应用中存在一定的缺陷，所以如何快速准确的测定秸秆含水率成为提高农作物秸秆利用效率的重要问题。

目前，农业物料含水率检测装置所采用的方法主要有微波式、中子式、红外式、核磁共振式、电阻式和电容式。相比较而言电容式的含水率检测装置结构简单、成本低廉，在实际应用中易于实现快速连续测量，有利于推广应用，因此这种方法已经成为检测农业物料含水率的主要方法之一。电容法是基于农业物料介电特性的间接检测方法，电容法检测农业物料含水率是利用农业物料作为良好电介质的特性，根据不同含水率的物料介电参数的差异，通过测量介电参数的变化得到物料的含水率。测量时，将被测物料作为电介质置于电容传感器当中，通过测量与其介电参数呈线性相对应关系的电容传感器的电容值间接得到样品的含水率。电容检测法具有对被测样品取样要求不高的优点。但是电容法检测物料含水率时，电容值不仅受到含水率的影响，还受到样品温度以及容积密度即样品的压实度的影响，因此在检测中必须综合考虑多个影响因素，才能实现相对较高的测量精度。经调查发现，现有的农业物料含水率测量仪器及设备多侧重于粮食以及牧草等农业物料，实际应用中，专用于农作物秸秆含水率的测量装置和设备尚未有见，且现有的仪器没有考虑温度和容积密度的影响，致使测量精度不高。

发明内容

针对现有的农业物料含水率检测技术和农作物秸秆含水率检测装置存在的问题，本发明的目的在于提供一种结构简单、操作方便的电容式秸秆含水率检测装置，利用秸秆含水率与电容传感器的电容值及影响因素温度、容积密度的数学模型实现了农作物秸秆含水率快速、准确的检测。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种电容式秸秆含水率检测装置，包括传感器、检测及控制电路、显示装置、输入设备、PC机，所述传感器包括电容传感器、温度传感器和压力传感器；所述检测及控制电路包括电容信号检测及处理模块、压力信号检测及处理模块、A/D转换模块和主控制器；所述温度传感器与主控制器连接；所述电容传感器与电容信号检测及处理模块连接，所述电容信号检测及处理模块与A/D转换模块连接；所述的A/D转换模块与主控制器连接；所述压力传感器与A/D转换模块连接；所述显示装置、输入设备模块、PC机分别与主控制器连接。

所述电容传感器采用平行极板式电容传感器。

所述温度传感器采用数字式温度传感器。

所述温度传感器采用模拟式温度传感器。

所述压力传感器采用电阻应变式压力传感器。

所述主控制器采用AT89S52单片机芯片。

所述的电容信号检测及处理模块采用交流电容检测电路，包括正弦激励信号发生器、二阶有源带通滤波器、C/V转换电路、信号放大器和有效值—直流转换电路。其基本检测原理是利用确定频率的正弦激励信号作为电容传感器的输入信号，C/V转换电路将电容传感器的电容值转换为易于直接测量的电压值，经由信号放大器后接有效值检测电路最后输出与被测电容线性相对应的直流电压，经A/D转换后送至单片机处理，转换成电容值。

所述的温度信号检测模块，接收温度传感器信号，直接与主控制器相连。

所述的压力信号检测及处理模块包括放大器和缓冲器，用于接收和处理压力传感器的信号，输出直流电压。压力信号检测及处理模块接A/D转换模块输出至主控制器，经主控制器处理转换成秸秆样品的容积密度值。本装置采用双压力传感器，检测数据取平均值。

所述的显示装置采用字符型或汉字图形显示装置，用于显示被测秸秆样品的温度和含水率值。

所述的输入设备模块包括秸秆种类选择键，包括有玉米、小麦、稻谷按键，含水率测量键、数据保存键和使用方法简介键。

所述的数据传输模块采用串口通信电路实现。

所述的检测及控制电路、显示装置、输入设备模块和数据传输模块均安装于装置盒中。

本发明的测量原理及方法是，将被测秸秆样品置于电容传感器的探针电极中，由于样品含水率的不同，其介电常数也不相同，因此由公式可知，

其中

为电容传感器探针电极间样品的介电常数，

为两个电极的正对面积，为探针电极间的距离，电容传感器探针电极的电容值也相应变化，然后结合影响因素即温度、容积密度，根据建立的不同农作物秸秆含水率与电容传感器电容值以及影响因素温度、容积密度之间的数学模型，通过程序计算间接得到被测秸秆样品的含水率。

所述的影响因素中的容积密度取决于秸秆种类、含水率、压实度，为了量化秸秆压实度对电容值的的影响，建模中以容积密度反映物料的压实度。含水率是被测量值，物料种类可以在测量时通过按键选择，因此，物料容积密度间接可反映压实度，可通过压力传感器测量。

本发明所述一种电容式秸秆含水率检测装置的优点主要包括：

1）该电容式秸秆含水率检测装置提供了一种专用于秸秆含水率测量的设备，为秸秆在工农业应用中的含水率测量需求提供了必要的保证；

2）该电容式秸秆含水率检测装置，测量对象为多种农作物秸秆，测量过程中可实时显示测量数据；

3）该电容式秸秆含水率检测装置，综合考虑了温度、容积密度的影响因素，提高了实际测量中的检测精度；

4）该电容式秸秆含水率检测装置主要由传感器和相应的测量、控制、显示和数据传输模块组成，结构简单、成本低廉，便于实现。

附图说明

图1是本发明检测装置的结构框图；

图2是本发明检测装置的主控制器18的电路图；

图3是本发明检测装置的电容信号检测及处理模块14的电路图；

图4是本发明检测装置的温度信号检测模块16的电路图；

图5是本发明检测装置的压力信号检测及处理模块15的电路图；

图6是本发明检测装的置A/D转换模块17的电路图；

图7是本发明检测装置的显示装置19的电路图；

图8是本发明检测装置的输入设备模块20的电路图；

图9是本发明检测装置的数据传输模块电路10的结构图；

图10是本发明检测装置的电容传感器11外形图；

图11是本发明检测装置的盒8的外形图。

具体实施方式

下面以实施例并结合附图对本发明进行详细的描述，进一步说明本发明的目的和特点。

如图1所示，一种电容式秸秆含水率检测装置，包括有传感器9、检测及控制电路10、显示装置19、输入设备20、PC机22组成，所述传感器9包括电容传感器11、温度传感器13和压力传感器12；所述的检测及控制电路10包括电容信号检测及处理模块14、压力信号检测及处理模块15、A/D转换模块17和主控制器18；所述的温度传感器13与主控制器18连接；所述的电容传感器11与电容信号检测及处理模块14连接，所述电容信号检测及处理模块14与A/D转换模块17连接；所述的A/D转换模块17与主控制器18连接；所述的压力传感器12与A/D转换模块17连接；所述显示装置19、输入设备模块20、PC机22分别与主控制器18连接。

如图2所示，本发明所述的主控制器18，采用AT89S52单片机芯片及其外围电路组成。电容C13、C14和晶体振荡器X1构成AT89S52的时钟电路，电阻R21、电容C15、D1及复位/初始化键构成AT89S52的复位电路，实现AT89S52单片机的初始化及复位。

如图3所示，本发明所述的电容信号检测及处理模块14，采用交流电容检测电路，包括正弦激励信号发生器、二阶有源带通滤波器、C/V转换电路、信号放大器和有效值—直流转换电路。

所述正弦激励信号发生器，由函数发生芯片ICL8038组成，可变电阻RV1、RV2用于调节ICL8038输出正弦激励信号的失真度，可变电阻RV3用于调节确定ICL8038输出激励信号的频率，电容C2决定输出激励信号的频率范围。

所述二阶有源带通滤波器，由运算放大器NE5532组成。该二阶有源带通滤波器用于对ICL8038输出的信号进行滤波去噪，输出确定频率的正弦激励信号Ui(t)。

所述C/V转换电路，电容传感器11被测电容为Cx。激励信号Ui(t)经反馈电阻R9和反馈电容C7以及运算放大器OP07组成的检测器将被测电容Cx转换成线性对应关系的交流电压Uo(t)。 

所述信号放大电路，对C/V转换电路输出的交流信号Uo(t)进行放大，由仪表放大器AD620组成。

所述有效值—直流转换电路，采用RMS—DC集成转换芯片AD536，对经由AD620放大后的交流信号进行直流转换，最后输出直流电压Uc，Uc经A/D转换17模块后送至主控制器18处理，转换成电容值。

如图4所示，本发明所述的温度信号检测模块16，用于接收数字温度传感器13的信号，并直接与AT89S52单片机相连。

如图5所示，本发明所述的压力信号检测及处理模块15，电阻应变式压力传感器12的两根电压信号线接至放大电路，放大电路由运算放大器AD620组成。运算放大器OP77AP组成缓冲器，它与AD620及电阻R15、R16、R17、R18构成一个加减运算电路，实现对压力传感器12输出信号的调理，最后输出直流电压Um(1,2)。压力信号检测及处理模块15接A/D转换模块17输出至主控制器18，经主控制器18处理转换成秸秆样品的容积密度值。本装置采用双压力传感器，检测数据取平均值。压力传感器12用于采集被测秸秆的容积密度。

如图6所示，本发明所述的A/D转换模块17，采用A/D转换器TLC2543，其数据输入通道AIN0、AIN1和AIN2接收模拟电压信号Uc和Um1、Um2。

如图7所示，本发明所述的液晶显示模块19，由LCD12864组成，它与AT89S52单片机显示端连接，用以显示检测到的含水率值、电容值、温度值以及容积密度值。

如图8所示，本发明所述一种电容式秸秆含水率检测装置中输入设备模块20，由独立键盘组成，与AT89S52单片机连接，包括秸秆种类选择键（玉米、小麦、稻谷）、含水率测量键、数据保存键和使用方法简介键。

如图9所示，本发明所述的数据传输模块21，由RS232串口通信电路组成，其中MAX232芯片的T2IN和R2OUT口分别接AT89S52单片机的TXD和RXD口。数据传输21模块实现检测数据的上传和保存。

如图10所示，本发明所述的电容传感器11，其中包括探针电极A1、探针电极B2，其采用黄铜板，12为压力传感器，13为温度传感器，6为绝缘柄，7为接线电缆。其中探针电极A1、探针电极B2外侧涂有绝缘层。所述电容传感器11、温度传感器13分别用于采集被测秸秆的电容、秸秆样品的温度。

如图11所示，本发明所述的可移动装置盒8，其中所述检测及控制电路10、显示装置19、输入设备20和数据传输21模块均安装于可移动装置盒8中。

本发明所述一种电容式秸秆含水率检测装置，测量步骤及过程如下：首先，接通电源并按下复位/初始化键，使装置处于待测量状态；然后，将电容传感器的探针电极完全插入被测秸秆样品中，依次按下秸秆种类选择键和含水率检测键，秸秆种类选择键包括有玉米按键、小麦按键、稻谷按键，使装置处于测量状态。由于放入了秸秆样品使探针电极之间的的介电常数发生变化，引起探针电极的电容变化，检测及控制电路中的主控制器检测到这个变化后，结合温度传感器和压力传感器检测到的秸秆样品的温度和容积密度数据，由主控制器转换成秸秆样品含水率的值，从显示装置上读出秸秆样品的含水率；最后，随后根据需要按下数据保存键，可将检测数据上传并存储到PC机中。

Claims (6)

1.一种电容式秸秆含水率检测装置，包括传感器（9）、检测及控制电路（10）、显示装置（19）、输入设备（20）、PC机（22），其特征在于，所述传感器（9）包括电容传感器（11）、温度传感器（13）和压力传感器（12）；所述检测及控制电路（10）包括电容信号检测及处理模块（14）、压力信号检测及处理模块（15）、A/D转换模块（17）和主控制器（18）；所述温度传感器（13）与主控制器（18）连接；所述电容传感器（11）与电容信号检测及处理模块（14）连接，所述电容信号检测及处理模块（14）与A/D转换模块（17）连接；所述A/D转换模块（17）与主控制器（18）连接；所述压力传感器（12）与A/D转换模块（17）连接；所述显示装置（19）、输入设备模块（20）、PC机（22）分别与主控制器（18）连接。

2.根据权利要求1所述电容式秸秆含水率检测装置，其特征在于，所述电容传感器（11）采用平行极板式电容传感器。

3.根据权利要求1所述电容式秸秆含水率检测装置，其特征在于，所述温度传感器（13）采用数字式温度传感器。

4.根据权利要求1所述电容式秸秆含水率检测装置，其特征在于，所述温度传感器（13）采用模拟式温度传感器。

5.根据权利要求1所述电容式秸秆含水率检测装置，其特征在于，所述压力传感器（12）采用电阻应变式压力传感器。

6.根据权利要求1所述电容式秸秆含水率检测装置，其特征在于，所述的主控制器（18）采用AT89S52单片机芯片。

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