CN105842306A - 一种水含量测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水含量测量装置及测量方法，其测量装置包括依次相连的水含量测量探头、接口电路、嵌入式控制器和PWM驱动电路，还包括均与嵌入式控制器相连的电阻电压转换电路、智能交互仪器和云端接收与存储模块，PWM驱动电路和电阻电压转换电路均与水含量测量探头相连，智能交互仪器和云端接收与存储模块相连。水含量测量装置的测量灵敏度高、精度高，而且其中的恒温控制结构对称性好、易实现。本发明提供的测量方法采用多环多级控制方式的多环路两级PID智能控制算法，并引入智能互补滤波器核心，以最大程度上增强核心区温度稳定度，避免出现温度波动；实时读取数据，控制算法合理灵活，多级递进，平坦度稳定性好。

Description

一种水含量测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种水含量测量装置及测量方法，属于控制系统结构的技术领域。

背景技术

液体或者固体中水含量的测量在农业和工业上有着广泛的应用。粮库中粮食的存储需要时刻检测其中的水含量以免粮食发霉发芽，食用油的存储也需要时刻检测其中的水含量以免食用油变质，工业中，石油制品、化学药剂等的存储同样需要时刻检测水含量。

目前国内的水含量测量方法方式还比较落后，还没有系统化、连续性的测量装置及测量方法方式。通常，粮库中通常采取烘焙或烘烤称重法，即取少量样品，在烘干水分前后称量得到前后两次的重量以计算出其中的水含量，至于食用油等液体类，则通过放置于容器中烘烤的方式称量得到前后两次重量差，这些方法方式精确度低且只能单次采样测量，不能实现连续测量。而大型实验室中，水含量的测量精度虽然非常高，但往往测量仪器体积庞大，通常为坐立式仪器，并且其实现的也是单次采样测量。

市场上大致有两类体积小巧的手持式水含量测量仪器，其只能测量各种不同的谷物，一类是数显插杆式水分仪，其只有一个细长的测量天线，利用测量天线发射正弦波信号并同时采集反射回的正弦波信号比较衰减量的方式测得水含量，这种测量方式精度低、灵敏度差；另一类其原理是通过测量电阻的方式测量水含量的大小，其含有两根测量金属天线，测量时将两根测量金属天线插入被测量谷物中，通过测量两天线之间的电阻来得到谷物中的水含量值。这种手持式的水含量测量仪器虽然非常便捷，但不能测量液体，尤其是一些具有一定导电性的液体，因其电阻很小导致测量区分度非常小，并且这种水含量测量仪器也只能够单次采样测量。对于持续不间断测量一些需要长期储存的样品或者监测一些高危险性的样品时，显然，这种手持式测量仪器并不适用。

综上，采用上述方法方式测量水含量具有不够便携、不能连续采样只能单次采样、精确度不高、测量灵敏度低、测量范围不广的缺点。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种新型结构的水含量测量装置及测量方法，可提高水含量测量的精确度和灵敏度，实现便捷化的连续采样。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种水含量测量装置，包括依次相连的水含量测量探头、接口电路、嵌入式控制器和PWM驱动电路，还包括均与嵌入式控制器相连的电阻电压转换电路、智能交互仪器和云端接收与存储模块，所述PWM驱动电路和电阻电压转换电路均与水含量测量探头相连，所述智能交互仪器和云端接收与存储模块相连。

其中，所述嵌入式控制器包括数据接收端口、PWM产生器、串口发送模块、模拟数字转换模块和PID控制模块，所述数据接收端口用于接收接口电路传送过来的数据，所述模拟数字转换模块用于接收电阻电压转换电路的数据、并进行转换后传送给PID控制模块，所述PID控制模块用于接收模拟数字转换模块传送来的数据并进行处理后传送给PWM产生器，所述PWM产生器用于产生相应的PWM波并作用于PWM驱动电路，所述串口发送模块用于发送数据给智能交互仪器和云端接收与存储模块。

而且，所述PID控制模块包括一级PID控制器和二级PID控制器，所述一级PID控制器包括第一PID控制器和第二PID控制器，所述二级PID控制器包括第三PID控制器和智能互补滤波器；所述第一PID控制器的输入端和第二PID控制器的输入端与模拟数字转换模块相连，所述第一PID控制器的输出端和第二PID控制器的输出端均通过智能互补滤波器与第三PID控制器的输入端相连，所述第一PID控制器的输出端、第二PID控制器的输出端和第三PID控制器的输出端均与PWM产生器相连。

本发明进一步设置为：所述水含量测量探头包括依次从上到下设置的电容测量探头、高介电常数环氧树脂层和恒温控制结构；所述电容测量探头通过接口电路与数据接收端口相连。

其中，所述恒温控制结构包括绝缘加热片和测温传感器，所述绝缘加热片包括第一绝缘加热片、第二绝缘加热片和第三绝缘加热片，所述测温传感器包括第一测温传感器和第二测温传感器；所述第一测温传感器位于第一绝缘加热片和第二绝缘加热片之间，所述第二测温传感器位于第二绝缘加热片和第三绝缘加热片之间，所述第一绝缘加热片、第二绝缘加热片和第三绝缘加热片通过加热片导线引出控制，所述第一测温传感器依次通过电阻电压转换电路和模拟数字转换模块与第一PID控制器的输入端相连，所述第二测温传感器依次通过电阻电压转换电路和模拟数字转换模块与第二PID控制器的输入端相连；

而且，所述第一PID控制器的输出端依次通过PWM产生器和PWM驱动电路与第一绝缘加热片相连，所述第二PID控制器的输出端依次通过PWM产生器和PWM驱动电路与第三绝缘加热片相连，所述第三PID控制器的输出端依次通过PWM产生器和PWM驱动电路与第二绝缘加热片相连。

本发明进一步设置为：所述串口发送模块通过RS485转换模块与智能交互仪器相连、通过WIFI模块与云端接收与存储模块相连。

本发明进一步设置为：所述水含量测量探头还包括绝缘油漆，所述电容测量探头为正负极对状梳齿，所述正负极对状梳齿附着在高介电常数环氧树脂层上，并浸没在绝缘油漆中、通过绝缘油漆固定在高介电常数环氧树脂层上；所述正负极对状梳齿包括正电极、负电极、若干个成对的正极梳齿和负极梳齿，所述正极梳齿并联于正电极，所述负极梳齿并联于负电极，所述正极梳齿和负极梳齿相互交叉平面设置；所述正电极、负电极、正极梳齿和负极梳齿均采用PCB工艺中的印制覆铜。

本发明进一步设置为：所述高介电常数环氧树脂层采用FR-4材料。

本发明进一步设置为：所述正极梳齿和负极梳齿均为15个梳齿，每个梳齿的尺寸是长为10mm、宽为0.3mm，相邻梳齿的间隔均为0.6mm。

本发明进一步设置为：所述正极梳齿和负极梳齿均等距交叉设置，正极梳齿和负极梳齿的交叉深度为9.7mm，正极梳齿远离正电极的一端距离负电极边缘为0.15mm，负极梳齿远离负电极的一端距离正电极边缘为0.15mm。

本发明还提供一种水含量测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤一，通过水含量测量探头读取水含量测量探头的温度，并经过电阻电压转换电路和模拟数字转换模块处理后传送给PID控制模块；

步骤二，设目标变量为T，实际变量为t，它们的差值为Δ，输出量为OUT，P、I和D分别为比例、积分和微分系数，在PID控制中，输出量OUT为差值Δ的比例系数乘积、差值Δ累加和的积分系数乘积和差值Δ之微分的系数乘积之和，且差值Δ实时随着外界参量的改变而改变，可以表述为：

OUT＝P*Δ+I*ΣΔ+D*Δ′ (1)

设第一PID控制器的导入实际变量为t₁，差值为Δ₁₁，输出量为OUT1，比例、积分和微分系数为P₁₁、I₁₁和D₁₁；设第二PID控制器的导入实际变量为t₂，差值为Δ₁₂，输出量为OUT2，比例、积分和微分系数为P₁₂、I₁₂和D₁₂，由公式(1)可得到：

Δ₁₁＝T-t₁ (2)

Δ₁₂＝T-t₂ (3)

OUT1＝P₁₁*Δ₁₁+I₁₁*ΣΔ₁₁+D₁₁*Δ₁₁′ (4)

OUT2＝P₁₂*Δ₁₂+I₁₂*ΣΔ₁₂+D₁₂*Δ₁₂′ (5)

步骤三，智能互补滤波的输入量为第一PID控制器和第二PID控制器的输出量，而输出量设为OUT1&2，设α为互补系数，则输出关系可表述如下：

OUT1&2＝α*OUT1+(1-α)*OUT2 (6)

将互补系数α与第一PID控制器和第二PID控制器中的目标和实际的差值Δ₁₁和Δ₁₂的下一次计算值成比例，差值设为Δ_α11和Δ_α12，推导如下：

$\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\Δ}}_{a12}}{{\mathrm{\Δ}}_{a11}+{\mathrm{\Δ}}_{a12}}---\left(7\right)$

$1-\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\Δ}}_{11}}{{\mathrm{\Δ}}_{11}+{\mathrm{\Δ}}_{12}}---\left(8\right)$

由上式(6)、(7)和(8)得到：

将式子(4)和(5)带入(9)中，进一步得到：

步骤四，第三PID控制器的导入实际变量是一个温度的间接值OUT1&2，再设第三PID控制器的差值为Δ₂，输出量为OUT3，比例、积分和微分系数为P₂、I₂和D₂，则推导如下：

Δ₂＝T-OUT1&2 (10)

${\mathrm{\Δ}}_2=T-\frac{{\mathrm{\Δ}}_{a12}}{{\mathrm{\Δ}}_{a11}+{\mathrm{\Δ}}_{a12}}*\[P_{11}*{\mathrm{\Δ}}_{11}+I_{11}*{\mathrm{\Σ\Δ}}_{11}+D_{11}*{{\mathrm{\Δ}}_{11}}^{\′}\]+\frac{{\mathrm{\Δ}}_{a11}}{{\mathrm{\Δ}}_{a11}+{\mathrm{\Δ}}_{a12}}*\[P_{12}*{\mathrm{\Δ}}_{12}+I_{12}*{\mathrm{\Σ\Δ}}_{12}+D_{12}*{{\mathrm{\Δ}}_{12}}^{\′}\]---\left(11\right)$

OUT3＝P₂*Δ₂+I₂*ΣΔ₂+D₂*Δ₂′ (12)

步骤五，获得的第一PID控制器输出量OUT1、第二PID控制器输出量OUT2和第三PID控制器输出量OUT3分别通过PWM产生器和PWM驱动电路作用于水含量测量探头，使水含量测量探头保持恒温状态；

步骤六，通过水含量测量探头、接口电路和嵌入式控制器读取数据并传送给智能交互仪器，同时传送给云端接收与存储模块。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、本发明提供的一种水含量测量装置的测量灵敏度高，测量精度高；而且水含量测量装置中恒温控制结构对称性好，易实现。具体体现在，电容测量探头采用高密度大面积的基于PCB工艺的覆铜探头，测量范围广、精度高、灵敏度高；恒温控制结构采用绝缘加热片-温度传感器-绝缘加热片-温度传感器-绝缘加热片的叠层形式，多点温度采样和多片区恒温加热使得系统控制更加灵活方便，运行更加平稳。

2、本发明提供的一种水含量测量装置的测量方法采用多环多级控制方式的多环路两级PID智能控制算法，并引入智能互补滤波器核心，有选择的对于边缘加热片进行单级双环控制，而对于核心加热片则采用双级多环输入加以互补滤波器的控制方式，以最大程度上增强核心区温度稳定度，避免出现温度波动；通过控制系统通过嵌入式控制器实时读取数据，控制算法合理灵活，多级递进，平坦度稳定性好。

上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1为本发明的一种水含量测量装置的结构示意图；

图2为本发明的一种水含量测量装置中PID控制模块的连接示意图；

图3为本发明的一种水含量测量装置中水含量测量探头的正视结构示意图；

图4为本发明的一种水含量测量装置中水含量测量探头的俯视结构示意图；

图5为本发明的一种水含量测量装置中恒温控制结构的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种水含量测量装置，包括依次相连的水含量测量探头、接口电路、嵌入式控制器和PWM驱动电路，还包括均与嵌入式控制器相连的电阻电压转换电路、智能交互仪器和云端接收与存储模块，所述PWM驱动电路和电阻电压转换电路均与水含量测量探头相连，所述智能交互仪器和云端接收与存储模块相连。

所述嵌入式控制器包括数据接收端口、PWM产生器、串口发送模块、模拟数字转换模块和PID控制模块，所述数据接收端口用于接收接口电路传送过来的数据，所述模拟数字转换模块用于接收电阻电压转换电路的数据、并进行转换后传送给PID控制模块，所述PID控制模块用于接收模拟数字转换模块传送来的数据并进行处理后传送给PWM产生器，所述PWM产生器用于产生相应的PWM波并作用于PWM驱动电路，所述串口发送模块用于发送数据给智能交互仪器和云端接收与存储模块。

如图2所示，所述PID控制模块包括一级PID控制器和二级PID控制器，所述一级PID控制器包括第一PID控制器(PID控制器1)和第二PID控制器(PID控制器2)，所述二级PID控制器包括第三PID控制器(PID控制器3)和智能互补滤波器；所述第一PID控制器(PID控制器1)的输入端和第二PID控制器(PID控制器2)的输入端与模拟数字转换模块相连，所述第一PID控制器(PID控制器1)的输出端和第二PID控制器(PID控制器2)的输出端均通过智能互补滤波器与第三PID控制器(PID控制器3)的输入端相连，所述第一PID控制器(PID控制器1)的输出端、第二PID控制器(PID控制器2)的输出端和第三PID控制器(PID控制器3)的输出端均与PWM产生器相连。

如图3和图4所示，所述水含量测量探头包括依次从上到下设置的电容测量探头4、高介电常数环氧树脂层1和恒温控制结构2；所述电容测量探头4通过接口电路与数据接收端口相连。

所述水含量测量探头还包括绝缘油漆3，所述电容测量探头4为正负极对状梳齿，所述正负极对状梳齿附着在高介电常数环氧树脂层1上，并浸没在绝缘油漆3中、通过绝缘油漆3固定在高介电常数环氧树脂层1上；所述正负极对状梳齿4包括正电极C、负电极D、若干个成对的正极梳齿A和负极梳齿B，所述正极梳齿A并联于正电极C，所述负极梳齿B并联于负电极D，所述正极梳齿A和负极梳齿B相互交叉平面设置；所述正电极C、负电极D、正极梳齿A和负极梳齿B均采用PCB工艺中的印制覆铜。

所述高介电常数环氧树脂层1为中层，采用FR-4材料制成，厚度为1.6mm±0.05mm。

所述正极梳齿A和负极梳齿B均为15个梳齿，每个梳齿的尺寸是长为10mm、宽为0.3mm，相邻梳齿的间隔均为0.6mm。15个正极梳齿A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10、A11、A12、A13、A14、A15长为10mm，宽为0.3mm，间隔为0.6mm，同样的，15个负极梳齿B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9、B10、B11、B12、B13、B14、B15长为10mm，宽为0.3mm，间隔为0.6mm，15个正极梳齿并联于正电极C，15个负极梳齿并联于负电极D。

所述正极梳齿和负极梳齿均等距交叉设置，正极梳齿和负极梳齿的交叉深度为9.7mm，正极梳齿远离正电极的一端距离负电极边缘为0.15mm，负极梳齿远离负电极的一端距离正电极边缘为0.15mm。

正极梳齿A1和负极梳齿B1间隔为0.15mm，同样的，B1和A2，A2和B2，B2和A3，A3和B3，B3和A4，A4和B4，B4和A5，A5和B5，B5和A6，A6和B6，B6和A7，A7和B7，B7和A8，A8和B8，B8和A9，A9和B9，B9和A10，A10和B10，B10和A11，A11和B11，B11和A12，A12和B12，B12和A13，A13和B13，B13和A14，A14和B14，B14和A14，A14和B14，共有29对正负梳齿电容，间隔都为0.15mm，正负梳齿和正负电极之间都是两两等距的。

如图5所示，所述恒温控制结构2包括绝缘加热片5和测温传感器6，所述绝缘加热片5包括第一绝缘加热片E、第二绝缘加热片F和第三绝缘加热片G，所述测温传感器6包括第一测温传感器H和第二测温传感器I；所述第一测温传感器H位于第一绝缘加热片E和第二绝缘加热片F之间，所述第二测温传感器I位于第二绝缘加热片F和第三绝缘加热片G之间，所述第一绝缘加热片E、第二绝缘加热片F和第三绝缘加热片G通过加热片导线7引出控制。

如图1和图2所示，所述第一测温传感器H(温度传感器1)依次通过电阻电压转换电路和模拟数字转换模块与第一PID控制器的输入端相连，所述第二测温传感器(温度传感器2)依次通过电阻电压转换电路和模拟数字转换模块与第二PID控制器的输入端相连；所述第一PID控制器(PID控制器1)的输出端依次通过PWM产生器和PWM驱动电路与第一绝缘加热片(绝缘加热片1)相连，所述第二PID控制器(PID控制器2)的输出端依次通过PWM产生器和PWM驱动电路与第三绝缘加热片(绝缘加热片3)相连，所述第三PID控制器(PID控制器3)的输出端依次通过PWM产生器和PWM驱动电路与第二绝缘加热片(绝缘加热片2)相连。

所述串口发送模块通过RS485转换模块与智能交互仪器相连、通过WIFI模块与云端接收与存储模块相连。

通过第一测温传感器和第二测温传感器的多点温度采样，使用智能互补滤波器为核心，对于第一绝缘加热片和第三绝缘加热片进行单级双环控制，而对于第二绝缘加热片则采用双级多环输入加以互补滤波器的控制方式，以最大程度上增强核心区温度稳定度，避免出现温度波动，使得系统控制更加灵活方便，运行更加平稳。

而三块独立的绝缘加热片分布于探头底部可以为探头的测量提供恒定的环境温度，并且当探头裸露于空气中时，可以提升温度以加快蒸发探头表面由于上一次测量所沾染的被测量液体，保持探头的干燥，这样也可以提高测量效率并减小探头被液体腐蚀的风险。由于探头的高灵敏度检测表面电容面积较大，沾染液体时表面温度不均匀，所以恒温控制结构采用三块独立的绝缘加热片，每块绝缘加热片都可以独立控制，另外两个温度传感器放置于绝缘加热片之间可以保证绝缘加热片的边缘温度达到恒定值，采用绝缘加热片-温度传感器-绝缘加热片-温度传感器-绝缘加热片的叠层结构，保障了核心区的温度稳定性。

本发明还提供一种水含量测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤一，通过水含量测量探头读取水含量测量探头的温度，并经过电阻电压转换电路和模拟数字转换模块处理后传送给PID控制模块；

步骤二，设目标变量为T，实际变量为t，它们的差值为Δ，输出量为OUT，P、I和D分别为比例、积分和微分系数，在PID控制中，输出量OUT为差值Δ的比例系数乘积、差值Δ累加和的积分系数乘积和差值Δ之微分的系数乘积之和，且差值Δ实时随着外界参量的改变而改变，可以表述为：

OUT＝P*Δ+I*ΣΔ+D*Δ′ (1)

设第一PID控制器的导入实际变量为t₁，差值为Δ₁₁，输出量为OUT1，比例、积分和微分系数为P₁₁、I₁₁和D₁₁；设第二PID控制器的导入实际变量为t₂，差值为Δ₁₂，输出量为OUT2，比例、积分和微分系数为P₁₂、I₁₂和D₁₂，由公式(1)可得到：

Δ₁₁＝T-t₁ (2)

Δ₁₂＝T-t₂ (3)

OUT1＝P₁₁*Δ₁₁+I₁₁*ΣΔ₁₁+D₁₁*Δ₁₁′ (4)

OUT2＝P₁₂*Δ₁₂+I₁₂*ΣΔ₁₂+D₁₂*Δ₁₂′ (5)

步骤三，智能互补滤波的输入量为第一PID控制器和第二PID控制器的输出量，而输出量设为OUT1&2，设α为互补系数，则输出关系可表述如下：

OUT1&2＝α*OUT1+(1-α)*OUT2 (6)

将互补系数α与第一PID控制器和第二PID控制器中的目标和实际的差值Δ₁₁和Δ₁₂的下一次计算值成比例，差值设为Δ_α11和Δ_α12，推导如下：

$\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\Δ}}_{a12}}{{\mathrm{\Δ}}_{a11}+{\mathrm{\Δ}}_{a12}}---\left(7\right)$

$1-\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\Δ}}_{11}}{{\mathrm{\Δ}}_{11}+{\mathrm{\Δ}}_{12}}---\left(8\right)$

由上式(6)、(7)和(8)得到：

将式子(4)和(5)带入(9)中，进一步得到：

步骤四，第三PID控制器的导入实际变量是一个温度的间接值OUT1&2，再设第三PID控制器的差值为Δ₂，输出量为OUT3，比例、积分和微分系数为P₂、I₂和D₂，则推导如下：

Δ₂＝T-OUT1&2 (10)

${\mathrm{\Δ}}_2=T-\frac{{\mathrm{\Δ}}_{a12}}{{\mathrm{\Δ}}_{a11}+{\mathrm{\Δ}}_{a12}}*\[P_{11}*{\mathrm{\Δ}}_{11}+I_{11}*{\mathrm{\Σ\Δ}}_{11}+D_{11}*{{\mathrm{\Δ}}_{11}}^{\′}\]+\frac{{\mathrm{\Δ}}_{a11}}{{\mathrm{\Δ}}_{a11}+{\mathrm{\Δ}}_{a12}}*\[P_{12}*{\mathrm{\Δ}}_{12}+I_{12}*{\mathrm{\Σ\Δ}}_{12}+D_{12}*{{\mathrm{\Δ}}_{12}}^{\′}\]---\left(11\right)$

OUT3＝P₂*Δ₂+I₂*ΣΔ₂+D₂*Δ₂′ (12)

步骤五，获得的第一PID控制器输出量OUT1、第二PID控制器输出量OUT2和第三PID控制器输出量OUT3分别通过PWM产生器和PWM驱动电路作用于水含量测量探头，使水含量测量探头保持恒温状态；

步骤六，通过水含量测量探头、接口电路和嵌入式控制器读取数据并传送给智能交互仪器，同时传送给云端接收与存储模块。

本发明提供的测量方法在核心控温区也就是检测电容中心位置(绝缘加热片2)，采用两级控制的方式，而在两边采用一级控制方式，使得散热量比较大的两边控制的反应速度提高，而核心区两级控制的方式使得温度控制相对较慢，这样可以减缓加热速度缩小与散热量的差距，不至于出现较大幅度的温度变化，在两个一级控温点和互补滤波器的辅助下，核心区温度非常稳定，使得整体结构更加稳定。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种水含量测量装置，其特征在于：包括依次相连的水含量测量探头、接口电路、嵌入式控制器和PWM驱动电路，还包括均与嵌入式控制器相连的电阻电压转换电路、智能交互仪器和云端接收与存储模块，所述PWM驱动电路和电阻电压转换电路均与水含量测量探头相连，所述智能交互仪器和云端接收与存储模块相连；

所述嵌入式控制器包括数据接收端口、PWM产生器、串口发送模块、模拟数字转换模块和PID控制模块，所述数据接收端口用于接收接口电路传送过来的数据，所述模拟数字转换模块用于接收电阻电压转换电路的数据、并进行转换后传送给PID控制模块，所述PID控制模块用于接收模拟数字转换模块传送来的数据并进行处理后传送给PWM产生器，所述PWM产生器用于产生相应的PWM波并作用于PWM驱动电路，所述串口发送模块用于发送数据给智能交互仪器和云端接收与存储模块；

所述PID控制模块包括一级PID控制器和二级PID控制器，所述一级PID控制器包括第一PID控制器和第二PID控制器，所述二级PID控制器包括第三PID控制器和智能互补滤波器；所述第一PID控制器的输入端和第二PID控制器的输入端与模拟数字转换模块相连，所述第一PID控制器的输出端和第二PID控制器的输出端均通过智能互补滤波器与第三PID控制器的输入端相连，所述第一PID控制器的输出端、第二PID控制器的输出端和第三PID控制器的输出端均与PWM产生器相连。

2.根据权利要求1所述的一种水含量测量装置，其特征在于：所述水含量测量探头包括依次从上到下设置的电容测量探头、高介电常数环氧树脂层和恒温控制结构；

所述电容测量探头通过接口电路与数据接收端口相连；

所述恒温控制结构包括绝缘加热片和测温传感器，所述绝缘加热片包括第一绝缘加热片、第二绝缘加热片和第三绝缘加热片，所述测温传感器包括第一测温传感器和第二测温传感器；所述第一测温传感器位于第一绝缘加热片和第二绝缘加热片之间，所述第二测温传感器位于第二绝缘加热片和第三绝缘加热片之间，所述第一绝缘加热片、第二绝缘加热片和第三绝缘加热片通过加热片导线引出控制，所述第一测温传感器依次通过电阻电压转换电路和模拟数字转换模块与第一PID控制器的输入端相连，所述第二测温传感器依次通过电阻电压转换电路和模拟数字转换模块与第二PID控制器的输入端相连；

所述第一PID控制器的输出端依次通过PWM产生器和PWM驱动电路与第一绝缘加热片相连，所述第二PID控制器的输出端依次通过PWM产生器和PWM驱动电路与第三绝缘加热片相连，所述第三PID控制器的输出端依次通过PWM产生器和PWM驱动电路与第二绝缘加热片相连。

3.根据权利要求1所述的一种水含量测量装置，其特征在于：所述串口发送模块通过RS485转换模块与智能交互仪器相连、通过WIFI模块与云端接收与存储模块相连。

4.根据权利要求2所述的一种水含量测量装置，其特征在于：所述水含量测量探头还包括绝缘油漆，所述电容测量探头为正负极对状梳齿，所述正负极对状梳齿附着在高介电常数环氧树脂层上，并浸没在绝缘油漆中、通过绝缘油漆固定在高介电常数环氧树脂层上；

所述正负极对状梳齿包括正电极、负电极、若干个成对的正极梳齿和负极梳齿，所述正极梳齿并联于正电极，所述负极梳齿并联于负电极，所述正极梳齿和负极梳齿相互交叉平面设置；

所述正电极、负电极、正极梳齿和负极梳齿均采用PCB工艺中的印制覆铜。

5.根据权利要求2所述的一种水含量测量装置，其特征在于：所述高介电常数环氧树脂层采用FR-4材料。

6.根据权利要求4所述的一种水含量测量装置，其特征在于：所述正极梳齿和负极梳齿均为15个梳齿，每个梳齿的尺寸是长为10mm、宽为0.3mm，相邻梳齿的间隔均为0.6mm。

7.根据权利要求4所述的一种水含量测量装置，其特征在于：所述正极梳齿和负极梳齿均等距交叉设置，正极梳齿和负极梳齿的交叉深度为9.7mm，正极梳齿远离正电极的一端距离负电极边缘为0.15mm，负极梳齿远离负电极的一端距离正电极边缘为0.15mm。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的一种水含量测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，通过水含量测量探头读取水含量测量探头的温度，并经过电阻电压转换电路和模拟数字转换模块处理后传送给PID控制模块；

步骤二，设目标变量为T，实际变量为t，它们的差值为Δ，输出量为OUT，P、I和D分别为比例、积分和微分系数，在PID控制中，输出量OUT为差值Δ的比例系数乘积、差值Δ累加和的积分系数乘积和差值Δ之微分的系数乘积之和，且差值Δ实时随着外界参量的改变而改变，可以表述为：

OUT＝P*Δ+I*ΣΔ+D*Δ′ (1)

设第一PID控制器的导入实际变量为t₁，差值为Δ₁₁，输出量为OUT1，比例、积分和微分系数为P₁₁、I₁₁和D₁₁；设第二PID控制器的导入实际变量为t₂，差值为Δ₁₂，输出量为OUT2，比例、积分和微分系数为P₁₂、I₁₂和D₁₂，由公式(1)可得到：

Δ₁₁＝T-t₁ (2)

Δ₁₂＝T-t₂ (3)

OUT1＝P₁₁*Δ₁₁+I₁₁*ΣΔ₁₁+D₁₁*Δ₁₁′ (4)

OUT2＝P₁₂*Δ₁₂+I₁₂*ΣΔ₁₂+D₁₂*Δ₁₂′ (5)

步骤三，智能互补滤波的输入量为第一PID控制器和第二PID控制器的输出量，而输出量设为OUT1&2，设α为互补系数，则输出关系可表述如下：

OUT1&2＝α*OUT1+(1-α)*OUT2 (6)

将互补系数α与第一PID控制器和第二PID控制器中的目标和实际的差值Δ₁₁和Δ₁₂的下一次计算值成比例，差值设为Δ_α11和Δ_α12，推导如下：

$\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\Δ}}_{a12}}{{\mathrm{\Δ}}_{a11}+{\mathrm{\Δ}}_{a12}}---\left(7\right)$

$1-\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\Δ}}_{11}}{{\mathrm{\Δ}}_{11}+{\mathrm{\Δ}}_{12}}---\left(8\right)$

由上式(6)、(7)和(8)得到：

将式子(4)和(5)带入(9)中，进一步得到：

步骤四，第三PID控制器的导入实际变量是一个温度的间接值OUT1&2，再设第三PID控制器的差值为Δ₂，输出量为OUT3，比例、积分和微分系数为P₂、I₂和D₂，则推导如下：

Δ₂＝T-OUT1&2 (10)

${\mathrm{\Δ}}_2=T-\frac{{\mathrm{\Δ}}_{a12}}{{\mathrm{\Δ}}_{a11}+{\mathrm{\Δ}}_{a12}}*\[P_{11}*{\mathrm{\Δ}}_{11}+I_{11}*{\mathrm{\Σ\Δ}}_{11}+D_{11}*{{\mathrm{\Δ}}_{11}}^{\′}\]+\frac{{\mathrm{\Δ}}_{a11}}{{\mathrm{\Δ}}_{a11}+{\mathrm{\Δ}}_{a12}}*\[P_{12}*{\mathrm{\Δ}}_{12}+I_{12}*{\mathrm{\Σ\Δ}}_{12}+D_{12}*{{\mathrm{\Δ}}_{12}}^{\′}\]---\left(11\right)$

OUT3＝P₂*Δ₂+I₂*ΣΔ₂+D₂*Δ₂′ (12)

步骤五，获得的第一PID控制器输出量OUT1、第二PID控制器输出量OUT2和第三PID控制器输出量OUT3分别通过PWM产生器和PWM驱动电路作用于水含量测量探头，使水含量测量探头保持恒温状态；

步骤六，通过水含量测量探头、接口电路和嵌入式控制器读取数据并传送给智能交互仪器，同时传送给云端接收与存储模块。