CN1275034C - 基于介电方法的谷物水分检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于介电方法的谷物水分检测装置及检测方法，其中检测装置包括：谷物盛放容器和水分测试仪，其中水分测试仪包括，双针探头、外壳、线路板、LCD显示屏和供电装置，LCD显示屏固定在外壳顶部，线路板与LCD显示屏连接并固定于外壳上，双针探头平行固定在外壳的底部，供电装置固定在外壳壳体内；双针探头与线路板电连接，线路板的输出传送给LCD显示屏显示。本发明通过巧妙的电路设计，消除了因为振荡幅度和输出电阻的不一致而造成的测量误差；仪器结构上为传感器与显示器一体化结构，结构紧凑，使用简便，大大减小了分布参数的影响，价格低廉，性能稳定。

Description

基于介电方法的谷物水分检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种测量谷物含水率的检测装置，尤其涉及一种基于介电方法的谷物水分检测装置，属于介电物理与高频测量技术领域。

背景技术

当前谷物水分快速测定装置所采用的方法主要有：电阻式、电容式、红外式、微波式、核磁共振式等。电阻式水分检测仪是利用固体材料中水分含量不同，其导电率不同，电阻值的变化间接地反映了固体中的水分含量；其结构简单，价格便宜，缺点是不宜于微量水和高含水量测定，传感器与样品接触状态影响测量精度。电容式水分检测仪是利用水与被测物质介电系数不同测量水分；其优点是结构简单，成本低，易于实现连续快速测量，缺点是测量精度不高，稳定性差，影响电容式水分计测量精度和稳定性的原因是多方面的，如被测物料的品种。红外线水分检测仪的工作原理是利用水对近红外具有特征吸收光谱，被吸收的能量与物质含水量有关，红外水分仪为非接触测量，易于连续测量，缺点是物料大小、密度、环境温度、振动等对测量结果均有影响，另外，难以测量物料内部含水量。微波式水分检测仪是利用水对微波能量的吸收或微波空腔谐振频率随水分变化的原理制成，微波式水分仪的优点是灵敏度高，非接触测量，易于实现水分连续测定，缺点是测量结果受物料形状、密度等因素影响，仪器价格高。核磁共振水分检测仪是根据物料水分子中的氢原子核与外磁场作用时发生某些性质变化测量含水量，其优点是测量迅速，非破坏性，精度很高，还可区分自由水和结合水，其不足之处是仪器昂贵，保养费用大，需精确标定，目前没有在干燥生产中应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足提出一种实用的、价格低廉的基于介电方法的谷物水分检测装置及检测方法，利用探针阻抗计算方法的数学模型，消除了高频振荡器输出电阻与振荡幅度不一致对测量精度的影响，有效提高了测量精度和抗干扰性。

本发明的又一目的在于针对现有技术的不足提出一种基于介电方法的谷物水分检测装置及检测方法，在结构上采用传感器与显示器一体化结构，大大减少了分布参数的影响。

一种基于介电方法的谷物水分检测装置，包括：双针探头、测量电路，和LCD显示屏，测量电路通过检测双针探头之间的探针阻抗的变化，将其转换为含水率的值，所述测量电路包括，高频振荡器和检波滤波电路、运算电路以及A/D转换芯片，所述高频振荡器的输入为双针探头的探针阻抗，高频振荡器的输出送到检波电路，检波电路是由四个二极管D1-D4构成两路倍频检波电路，高频检波信号分别经过电容C1、C2与电阻R1和电容C3、C4与电阻R2构成的两路π型滤波电路输出到运算电路；运算电路的输出信号经由A/D转换芯片TSC7106做除法运算和A/D转换后，所得出的数值送LCD显示屏显示。

所述运算电路由四个运算放大器A1-A4组成，其中A1的正极输入端接所述检波电路一路π型滤波输出，A2的正极输入端接所述检波电路另一路π型滤波输出，A1的输出通过电阻R3接A3的负输入端，A3的输出连接A/D转换芯片TSC7106，A2的输出端通过串联电阻R4和R7连接到A4的输出端，A3、A4的正输入端连接到R4和R7的中点，再通过电阻R5接地，A4的正输入端连接调零电路。

所述调零电路包括调零电阻W1、电阻R8、二极管D5，调零电阻W1一端接地，一端通过电阻R8接电源，二极管D5正极接地，负极接到调零电阻W1与电阻R8之间；所述运算电路A4的正极接调零电阻W1，改变其接入电路的阻值。

所述水分测试仪还包括：外壳和供电装置，LCD显示屏固定在外壳顶部，测量电路与LCD显示屏连接并固定于外壳上，双针探头平行固定在外壳的底板上，供电装置为测量电路和LCD显示屏供电。

还包括用于校准的调零装置，包括调零旋钮和调零电路，调零旋钮伸出外壳并与外壳连接，调零旋钮与调零电路相连接。

还包括谷物盛放容器，包括：用来盛放谷物的物料筒和筒盖，筒盖上设有两个供双针探头穿过的针孔，物料筒与筒盖通过螺旋连接密闭。

所述双针探头是可更换的，双针探头通过螺纹连接与外壳的底板固定。

一种基于介电方法的谷物水分检测方法，其特征在于：包括，

将被测物料装于物料筒中，旋好筒盖；

双针探头通过筒盖上的针孔插入被测物料中，打开电源，双针探头的阻抗依据放入的物料的介电常数不一样而发生变化变化，线路板上的电路检测变化后的探针阻抗，将其转换成相应的含水率的值；

最后在LCD显示屏上显示物料的含水率。

所述将探针阻抗转换为相应含水率的值，依据公式 $\mathrm{\θ}\left(\mathrm{\ϵ}\right)=\frac{Z_1}{Z_p+Z_1}$ 换算得到，其中θ(ε)为含水率，Z₁为测量电路引入的附加阻抗，Z_P为探针阻抗，

含水率θ(ε)与探针阻抗的Z_p对应关系可通过标定来确定。

本发明为一种实用的、价格非常低廉的谷物含水率测量装置，测量对象为农业生产的颗粒状产品，如稻谷，大米，大豆，大麦，小麦，玉米等。其优点主要包括，(1)应用计算机主板上常用的贴片晶体振荡器，通过巧妙的电路设计，消除了因为振荡幅度和输出电阻的不一致而造成的测量误差，性能稳定，适用性强，抗干扰性好；(2)测量方法中除法的实现不需要昂贵的模拟除法器件，而是通过动态地利用A/D的基准电压来实现，价格低廉，测量用时短；(3)仪器结构上为传感器与显示器一体化结构，结构紧凑，大大减小了分布参数的影响；(4)测量谷物时为消除谷物密度变异的影响，测量过程中采取“针头-药瓶”结构，，使用简便大大提高测量精确度。

附图说明

图1为本发明检测原理电路图；

图2为本发明电路原理图；

图3为本发明外形结构图；

图4为本发明内部结构图。

具体实施方式

本发明的理论基础为基于探针阻抗计算方法的数学模型，采用直接测量探针(两针结构)的高频阻抗变化，通过探针阻抗与被测物料介电系数的数学建模定量估计被测物料的含水率。该方法经过电路设计与信号处理使得传感器的输出与高频信号源的振荡幅度与输出电阻无关，在测量方法上不需要引入任何传输线做阻抗变换，有效地消除高频振荡器的输出电阻与输出幅度对测量精度的影响，测量装置物理结构上为传感器与显示器一体化集成结构。

本发明的测量原理描述如下：

根据对象建立探针阻抗Zp计算模型，对于多针结构

$Z_p=-\mathrm{j\ξ}\frac{120}{\sqrt{\mathrm{\ϵ}}}\ln \frac{R}{r}\mathrm{ctg}\frac{\mathrm{\ω}\sqrt{\mathrm{\ϵ}}}{c}---\left(1\right)$

在式(1)中：

c＝电磁波在真空中的传播速度，这里c＝3×10⁸m/s；

ω＝振荡器的振荡频率；

ζ＝探针数的权值系数，对于两针结构，ζ＝1；

R＝与探针几何尺寸相关，对于两针结构，R为两针间的距离；

r＝探针的半径；

ε＝介电材料的相对介电常数

L＝探针几何长度

测量原理电路如图1所示，设

为高频振荡器的输出电压，

与 分别表示a与b点的电位，Z₀为高频振荡器的输出阻抗，Z₁为测量电路引入的附加阻抗，容易算出

${\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{ab}}=\widehat{U_a}-{\hat{U}}_b=\hat{E}\frac{Z_1}{Z_0+Z_1+Z_P}---\left(2\right)$

式(2)表明差动电压ΔU_ab与高频振荡器输出幅度

输出阻抗Z₀、引入阻抗Z₁和探针阻抗Z_p皆有关。因为商品化的高频振荡器输出幅度 输出阻抗Z₀存在着很大的离散性，为了尽可能地排除这些因素对测量结果的影响，根据电路原理图(图2)可以得出： $\hat{E}={\hat{U}}_a\frac{Z_p}{Z_1}(1+\frac{Z_0}{Z_1+Z_p}),$ 将此式带入公式(2)中即可得公式(3)：

${\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{ab}}=\widehat{U_a}-{\hat{U}}_b=\widehat{U_a}\frac{Z_p}{Z_1+Z_P}---\left(3\right)$

如果令：

$\mathrm{\η}\left(\mathrm{\ϵ}\right)=\frac{{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{ab}}}{\widehat{U_a}}=\frac{Z_p}{Z_p+Z_1}---\left(4\right)$

显然，η(ε)仅与探针阻抗Z_p与附加阻抗Z₁有关，与

及Z₀无关。如果在确定Z₁时满足在空气中Z_p＞＞Z₁，则有，

                        η(ε＝1)≈1    (5)

若以θ(ε)表示土壤容积含水率，并且令

$\mathrm{\θ}\left(\mathrm{\ϵ}\right)=1-\mathrm{\η}\left(\mathrm{\ϵ}\right)=1-\frac{{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{ab}}}{\widehat{U_a}}=\frac{Z_1}{Z_p+Z_1}---\left(6\right)$

式(6)表明：

(1)可以借助于测量阻抗Z_p变化实现土壤容积含水率的测量；

(2)θ(ε)与探针阻抗的Z_p对应关系可通过标定来确定；

(3)整个测量过程的实现只需做一次除法与减法运算，所得结果与

及Z₀无关。

其中，结论(3)中，整个测量过程的实现只需做一次除法运算，本发明的测试方法中不需要昂贵的模拟除法器件，而是通过动态地利用A/D的基准电压来实现；如图2所示，其硬件电路叙述如下：

由四个二极管D₁-D₄构成两路倍压检波电路，高频检波信号分别经过C₁、C₂与R₁和C₃、C₄与R₂两路π滤波器输出至运算放大器A₁与A₂。A₁与A₂为两个阻抗变换器，运算放大器A₃完成上述式(6)中的减法运算，A₄的功能为零点补偿，通过调整W₁达到系统调零，W₁即为调零装置的调零旋钮。式(6)中的除法运算借助于A/D转换器TSC7106来实现，这是根据双斜积分A/D转换器的工作原理，如下式所示：

$N_x=\frac{V_x}{V_R}{N}_m---\left(7\right)$

上式中：V_x＝被转换的模拟电压；

        V_R＝A/D转换器的参考基准电压；

        N_M＝为A/D转换器满量程转换数值；

        N_X＝对应于V_x的被转换数值。

本发明的电路原理图如图2所示：电路包括高频振荡器和检波滤波电路、运算电路以及A/D转换芯片、LCD显示屏，其中，高频振荡器和检波滤波电路、运算电路在线路板上，LCD显示屏与线路板相连接；高频振荡器为计算机主板上常用的贴片式晶体振荡器OSC，晶体振荡器OSC的输出信号为高频电压信号，信号在经过探针后，由于探针阻抗的改变，高频信号也发生了相应的改变，然后该信号传送给检波电路，检波电路是由四个二极管D1-D4构成一个两路倍频检波电路，高频检波信号分别经过电容C1、C2与电阻R1和电容C3、C4与电阻R2构成的两路π型滤波电路输出，输出信号为直流电压信号，该信号再传送到运算电路，运算电路输出的模拟电压值信号送到A/D转换芯片TSC7106，由TSC7106将模拟电压信号转换为数字信号，再送到LCD显示屏5显示。

运算电路由四个运算放大器A1，A2，A3，A4组成，其中A1的正极输入端接所述检波电路一路π型滤波输出，A2的正极输入端接所述检波电路另一路π型滤波输出，A1的输出通过电阻R3接A3的负输入端，A3的输出连接A/D转换芯片TSC7106，A2的输出端通过串联电阻R4和R7连接到A4的输出端，A3、A4的正输入端连接到R4和R7的中点，再通过电阻R5接地，A4的正输入端连接调零电路。

调零电路包括调零电阻W1、电阻R8、二极管D5，调零电阻W1一端接地，一端通过电阻R8接电源，二极管D5正极接地，负极接到调零电阻W1与电阻R8之间；所述运算电路A4的正极接调零电阻W1，改变其接入电路的阻值。

根据上述原理所制造的含水率测试装置的外形结构如图3所示，内部结构如图4所示，本发明包括：谷物盛放容器和水分测试仪，其中谷物盛放容器包括：物料筒11和筒盖8，筒盖8上设有两个针孔9，用于供双针探头1通过；筒盖8下端设有内螺纹，与设在物料筒顶端的外螺纹配合。将被测谷物放在物料桶内的目的是为了消除谷物密度变异的影响，由于物料桶的容积是有限的，而不象谷物堆中容积是一个无限的范围，直接插在谷物堆中，对测量结果会有一定影响。

水分测试仪包括：双针探头1、外壳2、LCD显示屏3、电源开关4、电池盖5、调零旋钮7、线路板13和供电装置14(见图4)，LCD显示屏3固定在外壳2顶部，这样设计不仅使用户可以很方便的通过显示屏得到含水量结果，而且仪器结构上采用传感器与显示器一体化结构，大大减小了分布参数的影响。

线路板13与LCD显示屏3连接并固定于外壳2上，供电装置14固定在外壳壳体内，本实施例中采用电池作为电源，在外壳上开设一电池盖5，打开电池盖5可以将电池装入供电装置14中，外壳2的顶部设一个电源开关4与供电装置14相连，通过电源开关4控制水分检测仪的工作与否；另外在外壳2的顶部还设有一个调零旋钮7，调零旋钮7为控制电路原理图2中的W1，通过改变其电阻值实现零点校准，用普通螺丝刀即可实现调零功能；底板6上设有螺纹孔，通过螺丝16与外壳2连接在一起，双针探头1利用螺丝17平行固定在底板6上。

值得说明的是，双针探头是可更换式的。探头的更换方法为：旋开螺丝16卸下底板6，再旋开底板6上的螺丝17，拿下需更换的双针探头1，换上新的，旋好螺丝17将双针探头固定，再将底板6装在外壳2上，再旋好螺丝16即可。由于探头直接插入谷物中测试，谷物中含有的水分等对探头的损坏较为严重，探头磨损后，测量值的误差会增大，所以当探头损坏时，可以及时更换。另外，对于不同的谷物需要更换不同的探头，双针间的距离为5cm，双针探头的长度可以根据所侧谷物的不同自行调整，大约10cm左右。

上文所述的外壳、物料筒、筒盖均由塑料制成，双针探头由铜制成。

本发明的电路中应用计算机主板上常用的贴片晶体振荡器，通过巧妙的电路设计，包括上述两路π型滤波电路及四个运算放大器A1-A4组成运算电路的电路结构电路结构，并结合探针阻抗Zp计算模型，消除了因为振荡幅度和输出电阻的不一致而造成的测量误差；测量方法中除法的实现不需要昂贵的模拟除法器件，而是通过动态地利用A/D的基准电压来实现。

采用本发明所述装置进行谷物水分检测，检测方法包括如下步骤：首先，将被测物料装于物料筒11中，旋好筒盖8，以保证谷物密度的一致性；然后，将双针探头1通过筒盖上的针孔9插入被测物料中，打开电源开关4给双针探头供电，由于放入了物料使双针探头之间的介电常数发生变化，引起了双针探头1的阻抗变化，另外，由于不同含水率的物料的介电常数不一样，线路板13上的电路8在检测到这个变化后，将其转换成相应的含水量的值；最后，从LCD显示屏5上读出被测物料的含水率。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1、一种基于介电方法的谷物水分检测装置，其特征在于：包括双针探头、测量电路，和LCD显示屏，测量电路通过检测双针探头之间的探针阻抗的变化，将其转换为含水率的值，所述测量电路包括，高频振荡器和检波滤波电路、运算电路以及A/D转换芯片，所述高频振荡器的输入为双针探头的探针阻抗，高频振荡器的输出送到检波电路，检波电路是由四个二极管D1-D4构成两路倍频检波电路，高频检波信号分别经过电容C1、C2与电阻R1和电容C3、C4与电阻R2构成的两路π型滤波电路输出到运算电路；运算电路的输出信号经由A/D转换芯片TSC7106做除法运算和A/D转换后，所得出的数值送LCD显示屏显示；其中，所述运算电路由四个运算放大器A1-A4组成，其中A1的正极输入端接所述检波电路一路π型滤波输出，A2的正极输入端接所述检波电路另一路π型滤波输出，A1的输出通过电阻R3接A3的负输入端，A3的输出连接A/D转换芯片TSC7106，A2的输出端通过串联电阻R4和R7连接到A4的输出端，A3、A4的正输入端连接到R4和R7的中点，再通过电阻R5接地，A4的正输入端连接调零电路。

2、根据权利要求1所述的基于介电方法的谷物水分检测装置，其特征在于：所述调零电路包括调零电阻W1、电阻R8、二极管D5，调零电阻W1一端接地，一端通过电阻R8接电源，二极管D5正极接地，负极接到调零电阻W1与电阻R8之间；所述运算电路A4的正极接调零电阻W1，改变其接入电路的阻值。

3、根据权利要求1或2所述的基于介电方法的谷物水分检测装置，其特征在于：所述水分测试仪还包括：外壳和供电装置，LCD显示屏固定在外壳顶部，测量电路与LCD显示屏连接并固定于外壳上，双针探头平行固定在外壳的底板上，供电装置为测量电路和LCD显示屏供电。

4、根据权利要求3所述的基于介电方法的谷物水分检测装置，其特征在于：还包括用于校准的调零装置，包括调零旋钮和调零电路，调零旋钮伸出外壳并与外壳连接，调零旋钮与调零电路相连接。

5、根据权利要求3所述的基于介电方法的谷物水分检测装置，其特征在于：还包括谷物盛放容器，包括：用来盛放谷物的物料筒和筒盖，筒盖上设有两个供双针探头穿过的针孔，物料筒与筒盖通过螺旋连接密闭。

6、根据权利要求3所述的基于介电方法的谷物水分检测装置，其特征在于：所述双针探头是可更换的，双针探头通过螺纹连接与外壳的底板固定。

7、一种基于权利要求1-6任意一项所述谷物水分检测装置的谷物水分检测方法，其特征在于：包括，

将被测物料装于物料筒中，旋好筒盖；

双针探头通过筒盖上的针孔插入被测物料中，打开电源，双针探头的阻抗依据放入的物料的介电常数不一样而发生变化变化，线路板上的电路检测变化后的探针阻抗，将其转换成相应的含水率的值；

最后在LCD显示屏上显示物料的含水率。

8、根据权利要求7所述的谷物水分检测方法，其特征在于：所述将探针阻抗转换为相应含水率的值，依据公式 $\mathrm{\θ}\left(\mathrm{\ϵ}\right)=\frac{Z_1}{Z_p+Z_1}$ 换算得到，其中θ(ε)为含水率，Z₁为测量电路引入的附加阻抗，Z_p为探针阻抗，

含水率θ(ε)与探针阻抗的Z_p对应关系可通过标定来确定。

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