电容式水分传感器及其测量电路的研究

张红霞宫恩良/.山东协和学院 .山东奥太电气有限公司



电容式水分传感器及其测量电路的研究

张红霞1宫恩良2/1.山东协和学院 2.山东奥太电气有限公司

【摘 要】针对玉米颗粒粒径大，在测量时产生的缝隙大，不容易精确测量等问题，本文研究电容法测玉米水分，并设计了电容传感器及直流充放电检测电路，低漂移、测量精度高。从而提高了测量效率，降低损耗。

【关键词】电容式；水分传感器；测量电路

引言

玉米水分含量是影响玉米安全运输、储藏等的主要因素，也是用于饲料、食用及工业中必不可少的测量部分。国内外学者研究多种检测玉米水分的方法，包括电容法、干燥法、化学法、电测法、近红外线法、中子法、核磁共振法、声学法等[1-2]。在诸多玉米水分测量方法中，电容法以其结构简单、成本低、易于在线测量等优点成为水分检测的主要方法。

近年来许多国家的研究人员非常重视玉米水分测量技术的发展，随着玉米水分测量的方法不断产生，先进的水分测量方法和仪器正在被推广和使用。目前，国内对于测量水分的方法和测量系统处于刚开始的阶段，主要是从理论上对水分测量系统进行分析。近几年来，出现各种转换电路的谷物水分测量系统，由于采用的转换电路的不同，测量出来的水分也有区别。另外，国内专门对玉米水分检测的仪器几乎没有，而影响玉米水分的因素有种类、空隙、温度、转换电路的电压差、容积密度、环境的相对湿度[3]，还有操作人员的操作方法等，而目前的水分检测系统虽然能够检测玉米的水分，但是大部分都没有充分考虑这些因素，导致检测精度不是很理想、重复率不高。

1.电容式水分传感器

1.1圆柱形电容传感器

结构图如图1所示，由内外两个同轴电极组成。

图1　电容式传感器结构图

传感器电容计算方法为：设两个极板各带电荷+q和-q，则每单位长度所带电荷的绝对值[4]为：

离开轴线距离为s处的电场强度为：

两极板间的电势差为：

传感器电容为：

装入玉米前后电容变化量为[5]：，即：

可见ΔC是R1和R2的函数，若要ΔC变化最大，令

本文设计的圆柱型电容式传感器柱面高为13cm，内圆柱外表面直径为3.6cm，外圆柱内表面直径为7.6cm。

1.2电容值与水分含量之间的关系

当玉米的相对介电常数变化Δrε时，电容的变化量为：

2.直流充放电测量电路

电容式传感器把被测玉米水分的变化ΔM转换成电路参数电容的变化ΔC[6]，而电容值以及电容变化值都十分微小，为了使这一微小电容增量能被传输、放大、运算、处理、指示、记录和控制，得到所需的测量结果即玉米水分值，还需用测量电路将电路参数ΔC进一步转换成电压、电流、频率等参数。测量电路包括调制型电路和脉冲型电路。直流充放电检测电路具有低漂移，可自动检测，测量精度高，开关工作频率高，几乎不受被测电容的漏电阻的影响等优点。

图2　原理图

如图2所示为原理，由一个周期为T的对称方波时钟脉冲来决定两个CMOS开关K1和K2的接通和断开。

当对称方波时钟脉冲为高电平时K1通K2断，电源E对传感器电容Cx充电，充电时间为，当对称方波时钟脉冲为低电平时K1断K2通，传感器电容Cx上的电荷Q= CxE释放，因为传感器电容一端接地，另一端接放大器的反相端，传感器电容上的电荷Q= CxE全部释放掉，在时钟脉冲的控制下，充放电过程也是以周期T重复进行。因而平均电流为：

该电流被转换成电压并通过Cf而平滑，最后得到一个直流输出电压为：

3.结语

根据电容法测量玉米水分的原理，设计圆柱形电容式水分传感器，对其结构进行优化设计，详细分析传感器电容值的计算方法以及电容值与玉米水分之间的关系，得出电容值的变化与水分的变化呈线性关系，设计的电容式传感器理论上可行，由于电容值和变化值很小，又详细分析直流充放电检测电路的工作原理、输出量与输入电容之间的关系具有低漂移、测量精度高等优点。

参考文献：

[1]Mahmoud Soltani.Use of dielectic properties in quality measurement of agricultural products[J].Nature and Science，2011，9(4)，57-60.

[2]康忠伟.基于时域传输技术的谷物含水率测试技术研究[D].黑龙江八一农垦大学，2011:2，100-105.

[3]刘嫣红，毛志怀，杨柳.电容式谷物水分传感器测量的影响因素研究[J].中国科技论文在线，2008:1-7.

[4]杨荣辉.电容式粮食水分仪的研究[D].沈阳工业大学，2003:9-10.

[5]翟宝峰，白媛.电容式粮食水分检测仪的设计[J].辽宁工学院学报，2003，3(1):34-35.

[6]付鹤翔.基于单片机的便携式粮食水分测定仪的研究[D].西北农林科技大学，2011:19-20.

山东协和学院科技计划项目（编号：XHXY201508）；山东省软科学研究计划项目（编号：2015RKB01370）。

张红霞（1985-），女，山东单县人，硕士，助教，研究方向为：物联网应用。

作者简介：

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