CN103995024A - 一种用于电阻式水分测量传感器的电路的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电阻式水分测量传感器的电路的测量方法，涉及粮食水分测量领域。该电路包括分别与CPU采集处理单元、升压稳压单元相连的电源单元，升压稳压单元分别通过第一标准电阻、第二标准电阻、第三限流电阻与电子切换开关相连；电子切换开关分别与CPU采集处理单元、运算放大器、第二三极管相连；运算放大器分别与第一三极管、第二三极管相连；运算放大器输出端还通过电容与反向输入端相连；升压稳压单元通过第一三极管与第二三极管相连；升压稳压单元通过转换线性校正放大处理单元与A/D采集模块相连；本发明测量被测粮食的水分时，测量速度较快，不仅测量范围较宽，而且测量的稳定度较高，适用范围比较广泛。

Description

一种用于电阻式水分测量传感器的电路的测量方法

技术领域

本发明涉及粮食水分测量领域，具体涉及一种用于电阻式水分测量传感器的电路的测量方法。

背景技术

随着社会的发展，用于测量物质水分的测量分析仪器已经广泛应用于社会之中，目前，常见的测量分析仪器为电阻式水分测量仪和电容式水分测量仪；电阻式水分测量仪的测量稳定度较高，电容式水分测量仪的测量范围较宽。

但是，电阻式水分测量仪和电容式水分测量仪分别存在以下缺陷：

(1)电阻式水分测量仪式根据被测物的电阻特性与所含水分的对应比例，测量被测物的水分。因为被测物的电阻在测量水分范围内急剧变化(从几十欧姆到几千兆欧姆)，被测物的电阻的非线性较差，因此，电阻式水分测量仪的测量电路的测量范围较窄。

(2)电容式水分测量仪测量被测物的水分时，传感器构成的电容的介电常数，会因被测物水分的不同发生变化，进而使得电容的容量发生变化；电容式水分测量仪通过电容的容量与被测物的水分成比例关系，测量被测物的水分。在实际使用中，介电常数会受到被测物的密度、颗粒大小和颗粒形状影响；例如：被测物为玉米，玉米颗粒有圆形和扁形，扁形的玉米颗粒或大或小，大颗粒玉米和小颗粒玉米均会使得传感器电容的介电常数发生改变，进而影响电容式水分测量仪的测量稳定度。

电容式水分测量仪一般采用震荡电路或者RC时间信号电路，组成震荡电路或者RC时间信号电路的电子元件具有分布电容效应，其电容的容量一般为5PF～15PF，电容式水分测量仪的采样传感器构成的电容的容量一般为20PF～300PF，分布电容的容量占据了传感器构成的电容的容量中较大的比例。由于分布电容会随温度、时间的变化而变化，因此，震荡电路的震荡频率或者RC时间信号均会随着温度和时间的变化发生改变，进而使得电容式水分测量仪测得的水分值容易漂移，测量稳定度较差。

此外，市场上还有其它水分测量仪器，例如微波、核磁共振、红外等测量分析仪器，上述水分测量仪器不仅结构比较复杂，制造成本较高，而且测量的稳定度较低、漂移较大，需要经常校准和维护。上述水分测量仪器主要用在电阻式水分测量仪和电容式水分测量仪无法测量的地方(例如茶叶、烟草测量对象个体差异很大的对象、实验室)，其适用范围比较单一。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于电阻式水分测量传感器的电路的测量方法，该方法测量被测粮食的水分时，测量速度较快，适合动态、静态连续采集与测量，不仅测量范围较宽，测量精确度较高，而且被测粮食的水分的测量分辨率好，测量的稳定度较高，适用范围比较广泛。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种用于电阻式水分测量传感器的电路的测量方法，所述用于电阻式水分测量传感器的电路包括电源单元、通信接口单元、升压稳压单元、CPU采集处理单元、传感器、第一标准电阻RB1、第二标准电阻RB2、第一限流电阻RA1、第二限流电阻RA2、第三限流电阻RA3、电子切换开关K1、运算放大器IC1、电容C1、第一三极管Q1、第二三极管Q2和信号转换线性校正放大处理单元；

所述CPU采集处理单元包括用于提高测量速度的模拟/数字A/D采集模块，电源单元分别与CPU采集处理单元、升压稳压单元相连，通信接口单元与CPU采集处理单元相连；

所述升压稳压单元分别通过第一标准电阻RB1、第二标准电阻RB2与电子切换开关K1相连；升压稳压单元依次通过传感器、第三限流电阻RA3与电子切换开关K1相连；

所述电子切换开关K1的控制端与CPU采集处理单元相连；所述第一标准电阻RB1、第二标准电阻RB2、第三限流电阻RA3均通过电子切换开关K1与运算放大器IC1的反相输入端相连，所述第一标准电阻RB1、第二标准电阻RB2、第三限流电阻RA3均通过电子切换开关K1与第二三极管Q2的电极C相连；

所述运算放大器IC1的同相输入端接地，运算放大器IC1的输出端通过第二限流电阻RA2分别与第一三极管Q1的发射极E、第二三极管Q2的发射极E相连；运算放大器IC1的输出端还通过电容C1与反向输入端相连；

所述升压稳压单元通过第一限流电阻RA1与第一三极管Q1的电极C相连，第一三极管Q1的电极C与基极B相连，第一三极管Q1的发射极E与第二三极管Q2的发射极E相连，第二三极管Q2的基极B接地；升压稳压单元依次通过第一限流电阻RA1、转换线性校正放大处理单元与A/D采集模块相连；

所述第一标准电阻RB1的电阻值为1000～10000kΩ，第二标准电阻RB2的电阻值为10～100kΩ；第一限流电阻RA1的电阻值为10～51kΩ，第二限流电阻RA2的电阻值为4～6kΩ，第三限流电阻RA3的电阻值为1～5kΩ；

所述用于电阻式水分测量传感器的电路的测量方法包括以下步骤：

A、将电子切换开关K1与第二标准电阻RB2连通，第二标准电阻RB2、运算放大器运放IC1和电容C1形成第一积分电路；将粮食放入传感器内；电源单元分别为升压稳压单元和CPU采集处理单元供电，升压稳压单元为传感器提供测量电压；

B、电流流经电子切换开关K1当前接通的电阻，为电容C1充电；运算放大器IC1的输出电压从0向负电压方向发生线性变化，运算放大器IC1的输出电压小于-0.7V时，第二三极管Q2导通；电容C1通过第二限流电阻RA2和第二三极管Q2放电；

C、第二三极管Q2饱和后，运算放大器IC1的输出电压线性升高，运算放大器IC1的输出电压在-0.7V以上时，第二三极管Q2截止，运算放大器IC1产生周期三角波；

D、重复执行步骤B～步骤C，第一三极管Q1的电极C，产生与步骤C中运算放大器IC1产生的周期三角波频率相同、幅度不同的周期三角波信号；信号转换线性校正放大处理单元将周期三角波信号进行线性化处理、并转换形成电压信号，CPU采集处理单元的A/D采集模块采集电压信号的电压值；

E、切换电子切换开关K1与第一标准电阻RB1连通，重新执行步骤B～步骤D；切换电子切换开关K1与第三限流电阻RA3和传感器连通，重新执行步骤B～步骤D后，转到步骤F；

F、A/D采集模块将所有采集到的不同电压值进行分析比对，得到传感器与第三限流电阻RA3串联的电阻值，根据当前电阻值计算得到被测粮食的水分；CPU采集处理单元将被测粮食的水分值输出至通信接口单元，用户通过通信接口单元得知并使用被测粮食的水分值。

在上述技术方案的基础上，所述电容C1的容量为1000～10000PF。

在上述技术方案的基础上，所述电容C1的容量为1000PF。

在上述技术方案的基础上，所述第一标准电阻RB1的电阻值为1000kΩ，第二标准电阻RB2的电阻值为50kΩ；第一限流电阻RA1的电阻值为25kΩ，第二限流电阻RA2的电阻值为5.1kΩ，第三限流电阻RA3的电阻值为2.5kΩ。

在上述技术方案的基础上，步骤A中所述测量电压为15V～24V。

在上述技术方案的基础上，步骤A中所述测量电压为20V。

在上述技术方案的基础上，所述不同电压值包括电子切换开关K1与第二标准电阻RB2连通得到的第一电压值，电子切换开关K1与第一标准电阻RB1连通得到的第二电压值，电子切换开关K1与第三限流电阻RA3连通得到的第三电压值。

在上述技术方案的基础上，步骤F中所述根据当前电阻值计算得到被测粮食的水分包括以下步骤：将传感器与第三限流电阻RA3串联的电阻值减去第三限流电阻RA3的电阻值，得到传感器的电阻值；根据传感器的电阻值计算得到被测粮食的水分。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明测量粮食作物的水分时，电路可以在很宽的范围内产生与水分对应的线性震荡频率，进而能够在“不需要换挡”的情况下不断对被测粮食进行采样和测量，因此，本发明测量被测粮食的水分时，采样速度和测量速度较快，适合动态、静态连续采集与测量。

(2)本发明将所有采集到的不同电压值进行分析比对后，计算得到被测粮食的水分；与现有技术中根据电容的介电常数和容量测量被测粮食的水分相比，本发明采用“比较计算法”测量被测粮食的水分，电路的分布参数对被测粮食的水分的影响较小。因此本发明测得的被测粮食的水分的不易漂移，其精确度较高。

(3)本发明的测量精度和稳定度与第一标准电阻RB1、第二标准电阻RB2有关。第一标准电阻RB1针对低水分的被测粮食进行对比计算，第二标准电阻RB2针对中高水分的被测粮食进行对比计算，不仅能够保证整个测量范围内都具有较高的分辨率和测量精度，而且测量范围较宽。

(4)本发明测量被测粮食的电阻时，通过第一三极管Q1产生的三角波信号计算被测粮食的水分，三角波信号频率与被测粮食的水分成线性关系，第一三极管Q1输出的三角波信号的幅度始终相同的，信号转换线性校正放大处理单元是将幅度相同的三角波信号转换成电压信号，信号转换线性校正放大处理单元实现的是频率电压转换功能。因此被测粮食的水分的测量分辨率好，测量的稳定度较高，适用范围比较广泛。

附图说明

图1为本发明实施例中用于电阻式水分测量传感器的测量电路的电路图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例中的用于电阻式水分测量传感器的电路，包括电源单元、通信接口单元、升压稳压单元、CPU采集处理单元、传感器、第一标准电阻RB1、第二标准电阻RB2、第一限流电阻RA1、第二限流电阻RA2、第三限流电阻RA3、电子切换开关K1、运算放大器IC1、电容C1、第一三极管Q1、第二三极管Q2和信号转换线性校正放大处理单元。

第一标准电阻RB1的电阻值可以为1000～10000kΩ，第二标准电阻RB2的电阻值可以为10～100kΩ。第一限流电阻RA1的电阻值可以为10～51kΩ，第二限流电阻RA2的电阻值可以为4～6kΩ，第三限流电阻RA3的电阻值可以为1～5kΩ。电容C1的容量可以为1000～10000PF。

本实施例中第一标准电阻RB1的电阻值为10000kΩ，第二标准电阻RB2的电阻值为50kΩ。第一限流电阻RA1的电阻值为25kΩ，第二限流电阻RA2的电阻值为5.1kΩ，第三限流电阻RA3的电阻值为2.5kΩ。电容C1的容量为1000PF。

CPU采集处理单元包括用于提高测量速度的高速A/D(模拟/数字)采集模块，电源单元分别与CPU采集处理单元、升压稳压单元相连，通信接口单元与CPU采集处理单元相连。

升压稳压单元分别通过第一标准电阻RB1、第二标准电阻RB2与电子切换开关K1相连；升压稳压单元依次通过传感器、第三限流电阻RA3与电子切换开关K1相连。

电子切换开关K1的控制端与CPU采集处理单元相连；第一标准电阻RB1、第二标准电阻RB2、第三限流电阻RA3均通过电子切换开关K1与运算放大器IC1的反相输入端相连，第一标准电阻RB1、第二标准电阻RB2、第三限流电阻RA3均通过电子切换开关K1与第二三极管Q2的电极C相连。运算放大器IC1的同相输入端接地，运算放大器IC1的输出端通过第二限流电阻RA2分别与第一三极管Q1的发射极E、第二三极管Q2的发射极E相连；运算放大器IC1的输出端还通过电容C1与反向输入端相连。

升压稳压单元通过第一限流电阻RA1与第一三极管Q1的电极C相连，第一三极管Q1的电极C与基极B相连，第一三极管Q1的发射极E与第二三极管Q2的发射极E相连，第二三极管Q2的基极B接地。升压稳压单元依次通过第一限流电阻RA1、转换线性校正放大处理单元与A/D采集模块相连。

本发明实施例中的用于电阻式水分测量传感器的电路的测量方法，包括以下步骤：

S1：将电子切换开关K1与第二标准电阻RB2连通，第二标准电阻RB2、运算放大器运放IC1和电容C1形成第一积分电路；将粮食放入传感器内。电源单元分别为升压稳压单元和CPU采集处理单元供电，升压稳压单元为传感器提供测量电压，测量电压为15V～24V(本实施例中的测量电压为20V)。

S2：电流流经电子切换开关K1当前接通的电阻，为电容C1充电，进而使得运算放大器IC1的输出电压从0向负电压方向发生线性变化。

S3：运算放大器IC1的输出电压小于-0.7V时，第二三极管Q2导通，电容C1通过第二限流电阻RA2和第二三极管Q2放电，第二三极管Q2饱和，进而使得运算放大器IC1的输出电压线性升高。

S4：运算放大器IC1的输出电压在-0.7V以上时，第二三极管Q2截止。电流流经电子切换开关K1当前接通的电阻后，为电容C1充电，运算放大器IC1的输出电压从0向负电压方向发生线性变化，进而使得运算放大器IC1产生周期三角波。

S5：重复执行步骤S2～步骤S4，第一三极管Q1与第二三极管Q2形成共发射极E电路，第一三极管Q1的电极C产生与步骤S4中运算放大器IC1产生的周期三角波频率相同、幅度不同的周期三角波信号。信号转换线性校正放大处理单元将周期三角波信号进行线性化处理、并转换形成电压信号，CPU采集处理单元的A/D采集模块采集电压信号的电压值。

S6：切换电子切换开关K1与第一标准电阻RB1连通，第一标准电阻RB1、运算放大器IC1和电容C1形成第二积分电路；重新执行步骤S2～步骤S5后，转到步骤S7。

S7：切换电子切换开关K1与第三限流电阻RA3和传感器连通，第三限流电阻RA3、运算放大器IC1和电容C1形成第三积分电路；重新执行步骤S2～步骤S5后，转到步骤S8。

S8：A/D采集模块将所有采集到的不同电压值(电子切换开关K1与第二标准电阻RB2连通得到的第一电压值，电子切换开关K1与第一标准电阻RB1连通得到的第二电压值，电子切换开关K1与第三限流电阻RA3连通得到的第三电压值)进行分析比对，得到传感器与第三限流电阻RA3串联的电阻值，将当前电阻值减去第三限流电阻RA3的电阻值，得到传感器的电阻值；根据传感器的电阻值计算得到被测粮食的水分。

S9：CPU采集处理单元将被测粮食的水分值输出至通信接口单元，用户能够通过通信接口单元得知并使用被测粮食的水分值。

本发明的工作原理如下：

第三限流电阻RA3的电阻值较大，能够防止电路元器件(例如传感器、运算放大器IC1、第一三极管Q1等)因电流过大而损坏。电子切换开关K1依次切换至第二标准电阻RB2、第一标准电阻RB1和第三限流电阻RA3，因为第二标准电阻RB2的电阻值、第一标准电阻RB1的电阻值、传感器与第三限流电阻RA3串联的电阻值均不同，所以运算放大器IC1输出端对应产生的三角波频率不同，A/D转换器采集信号采集的第一电压值、第二电压值、第三电压值也不同。因此，将现有的第二标准电阻RB2、第一标准电阻RB1的电阻值，与传感器和第三限流电阻RA3串联的电阻值进行比对后，就能计算出第三限流电阻RA3和传感器串联的电阻值。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种用于电阻式水分测量传感器的电路的测量方法，其特征在于：所述用于电阻式水分测量传感器的电路包括电源单元、通信接口单元、升压稳压单元、CPU采集处理单元、传感器、第一标准电阻RB1、第二标准电阻RB2、第一限流电阻RA1、第二限流电阻RA2、第三限流电阻RA3、电子切换开关K1、运算放大器IC1、电容C1、第一三极管Q1、第二三极管Q2和信号转换线性校正放大处理单元；

所述CPU采集处理单元包括用于提高测量速度的模拟/数字A/D采集模块，电源单元分别与CPU采集处理单元、升压稳压单元相连，通信接口单元与CPU采集处理单元相连；

所述升压稳压单元分别通过第一标准电阻RB1、第二标准电阻RB2与电子切换开关K1相连；升压稳压单元依次通过传感器、第三限流电阻RA3与电子切换开关K1相连；

所述电子切换开关K1的控制端与CPU采集处理单元相连；所述第一标准电阻RB1、第二标准电阻RB2、第三限流电阻RA3均通过电子切换开关K1与运算放大器IC1的反相输入端相连，所述第一标准电阻RB1、第二标准电阻RB2、第三限流电阻RA3均通过电子切换开关K1与第二三极管Q2的电极C相连；

所述运算放大器IC1的同相输入端接地，运算放大器IC1的输出端通过第二限流电阻RA2分别与第一三极管Q1的发射极E、第二三极管Q2的发射极E相连；运算放大器IC1的输出端还通过电容C1与反向输入端相连；

所述升压稳压单元通过第一限流电阻RA1与第一三极管Q1的电极C相连，第一三极管Q1的电极C与基极B相连，第一三极管Q1的发射极E与第二三极管Q2的发射极E相连，第二三极管Q2的基极B接地；升压稳压单元依次通过第一限流电阻RA1、转换线性校正放大处理单元与A/D采集模块相连；

所述第一标准电阻RB1的电阻值为1000～10000kΩ，第二标准电阻RB2的电阻值为10～100kΩ；第一限流电阻RA1的电阻值为10～51kΩ，第二限流电阻RA2的电阻值为4～6kΩ，第三限流电阻RA3的电阻值为1～5kΩ；

所述用于电阻式水分测量传感器的电路的测量方法包括以下步骤：

A、将电子切换开关K1与第二标准电阻RB2连通，第二标准电阻RB2、运算放大器运放IC1和电容C1形成第一积分电路；将粮食放入传感器内；电源单元分别为升压稳压单元和CPU采集处理单元供电，升压稳压单元为传感器提供测量电压；

B、电流流经电子切换开关K1当前接通的电阻，为电容C1充电；运算放大器IC1的输出电压从0向负电压方向发生线性变化，运算放大器IC1的输出电压小于-0.7V时，第二三极管Q2导通；电容C1通过第二限流电阻RA2和第二三极管Q2放电；

C、第二三极管Q2饱和后，运算放大器IC1的输出电压线性升高，运算放大器IC1的输出电压在-0.7V以上时，第二三极管Q2截止，运算放大器IC1产生周期三角波；

D、重复执行步骤B～步骤C，第一三极管Q1的电极C，产生与步骤C中运算放大器IC1产生的周期三角波频率相同、幅度不同的周期三角波信号；信号转换线性校正放大处理单元将周期三角波信号进行线性化处理、并转换形成电压信号，CPU采集处理单元的A/D采集模块采集电压信号的电压值；

E、切换电子切换开关K1与第一标准电阻RB1连通，重新执行步骤B～步骤D；切换电子切换开关K1与第三限流电阻RA3和传感器连通，重新执行步骤B～步骤D后，转到步骤F；

F、A/D采集模块将所有采集到的不同电压值进行分析比对，得到传感器与第三限流电阻RA3串联的电阻值，根据当前电阻值计算得到被测粮食的水分；CPU采集处理单元将被测粮食的水分值输出至通信接口单元，用户通过通信接口单元得知并使用被测粮食的水分值。

2.如权利要求1所述的用于电阻式水分测量传感器的电路的测量方法，其特征在于：所述电容C1的容量为1000～10000PF。

3.如权利要求2所述的用于电阻式水分测量传感器的电路的测量方法，其特征在于：所述电容C1的容量为1000PF。

4.如权利要求1所述的用于电阻式水分测量传感器的电路的测量方法，其特征在于：所述第一标准电阻RB1的电阻值为10000kΩ，第二标准电阻RB2的电阻值为50kΩ；第一限流电阻RA1的电阻值为25kΩ，第二限流电阻RA2的电阻值为5.1kΩ，第三限流电阻RA3的电阻值为2.5kΩ。

5.如权利要求1所述的用于电阻式水分测量传感器的电路的测量方法，其特征在于：步骤A中所述测量电压为15V～24V。

6.如权利要求5所述的用于电阻式水分测量传感器的电路的测量方法，其特征在于：步骤A中所述测量电压为20V。

7.如权利要求1所述的用于电阻式水分测量传感器的电路的测量方法，其特征在于：所述不同电压值包括电子切换开关K1与第二标准电阻RB2连通得到的第一电压值，电子切换开关K1与第一标准电阻RB1连通得到的第二电压值，电子切换开关K1与第三限流电阻RA3连通得到的第三电压值。

8.如权利要求1至7任一项所述的用于电阻式水分测量传感器的电路的测量方法，其特征在于：步骤F中所述根据当前电阻值计算得到被测粮食的水分包括以下步骤：将传感器与第三限流电阻RA3串联的电阻值减去第三限流电阻RA3的电阻值，得到传感器的电阻值；根据传感器的电阻值计算得到被测粮食的水分。