0、引言
    隨著我國谷物收獲機械的普及，收獲時節，大量的機收糧食會短時間內集中上市，迫切需要及時干燥，以保證品質，利于儲藏。谷物低溫干燥設備是解決這一問題的重要裝備。在裝備低溫烘干過程中，需適時在線測定受干燥谷物的水分含量，并根據水分含量，不斷地調節干燥機的熱風溫度和熱風流量，以保證谷物的干燥質量。因此，實現干燥過程的谷物水分在線測定，并保證其自動化和連續化，是提高谷物干燥質量和工作效率的關鍵所在。
    水分在線測定通常都是間接法，通過測定與水分相關物性參數的變化，尤其是電特性的變化而獲得被測物含水量的對應值。電容法是眾多的谷物水分間接測定方法的一種，它根據谷物在不同含水量下，其介電常數不同，也即電容值不同的原理，通過測量不同含水量下的電容值來表示含水量的一種測量方法。該方法在線實現形式一電容式傳感元件多為圓筒型或平行極板型，結構相對簡單、價格便宜，但其性能常常受到谷物的緊實程度、溫度和安裝方式等多種因素的影響，精度不高。本文研究使用PCB敷銅層加工成測量電容的極板，利用Ansys建模分析，研究一種邊緣電場電容式谷物水分傳感器；并對測定方法進行研究，進而設計出傳感器的硬件電路。
1、谷物的導電特性分析與測定方法研究
    完全干燥的谷物、種子、油料等介質可視為絕緣體，其阻抗趨于無窮大。谷物、油料、藥品等含水介質在外施幅值不變的中高頻率電信號作用下，其電導率隨激勵的頻率變化而變化。據相關資料，稻谷、小麥、大米等含水介質的“阻抗一頻率”特性有：
    1)當激勵信號的頻率較低時，介質的阻抗隨頻率增加而急劇降低；在中間頻帶，阻抗值最小，隨頻率的變化較小；頻率繼續升高，阻抗值隨之緩慢增加，即：在一定頻率范圍內，介質的”阻抗一頻率”關系呈浴盆曲線狀。
    2）試料的品種不同，浴盆效應的邊沿頻率也不
同，但各種谷物在100～250kHz范圍內基本呈最低阻
抗狀態，施加這一頻帶的激勵信號，可以獲得較大的
與含水介質的水分含量成正比的電流檢測信號。
   3)谷物的阻抗與籽粒結構有關，籽粒有殼體的谷物阻抗較大。稻谷有纖維素和礦物質構成的結構堅硬、高度木質化的谷殼的阻抗值較大。小麥有纖維素和干纖維組成的皮層，其阻抗較稻谷小，但比只有果實的大米阻抗要大。
    由于谷物介質的“阻抗一頻率”關系呈浴盆曲線狀，對傳感器施加100—250kHz的激勵信號，以獲得相應響應信號就可以測量出被測谷物的水分。
    在實際電路中，電容的測量方法主要有電橋法、諧振回路法、充放電法等。在軟件的處理上，可根據所測谷物含水率分布和所用單片機系統主頻選用頻率測量或周期測量。一般而言，測頻法在高頻端具有較高的測量精度，測周法在低頻端具有較高的測量精度。從輸入、輸出信號情況看，常用的測量方法有：一是施加固定頻率信號，測量響應的信號強度計算出電容值或水分值；二是施加自激信號，測量響應的頻率，從而計算出電容值或水分值。顯然后一種方法比較容易實現，但具有一定的測量誤差，此測量誤差可以通過分段標定修正的方法進行有效控制。本研究采用后一種方法，通過測量響應頻率進行水分的測量。
2、水分傳感器的功能和工作機理
   水分傳感器是水分在線測定儀的核心部件，其作為一個網絡從節點與基于CAN總線的主控節點組成了本文所研究的水分在線測定儀。這兩部分各自以單片機為核心。
    主控節點可以實現對傳感器的控制與數據傳送，完成參數設置、品種選擇及向上級控制系統傳輸測定或狀態數據等；主控節點還可作為上位總控主機進行控制策略的選擇及控制動作的實施等。
    傳感器節點則完成對應數據的采集與傳輸等功能。因測量系統采用CAN總線組網，水分傳感器節點個數可根據需要增加或減少，所以這種方案還能方便應用于大型糧庫等場所，完成多點位水分測定，并實現網絡化監測與控制。
    在水分測定儀中，CAN總線網絡與各節點間均采取分別供電和光電隔離措施，以提高隔離效果。
  水分傳感器采用邊緣電場電容器作為水分傳感測量元件，并設計出“容／頻”轉換硬件電路，由單片機讀出與待測物料含水率對應的脈沖數據；同時根據集成溫度傳感器采集的待測物料環境溫度的數據，通過軟件對測定水分數據自動加以修正，得出表達當前待測物料含水率的數據，儲于水分節點緩沖器中，便于及時發送給主控節點。
3、邊緣電場傳感元件電特性的Ansys分析
3.1邊緣電場技術
    由于在線測量的非破壞性和寬的響應頻譜等特性要求，人們對物質的物理特性測定普遍采用介電常數測定法。電容傳感器是最常用的一種介電常數傳感器，如果將平行極板電容傳感器的兩塊極板放在同一平面內，就形成了一種新型電場泄漏型傳感器—邊緣電場電容式水分傳感器。工作時，其電力線及穿透谷物的電磁場呈現不平行分布。當谷物水分發生變化時，會帶來介電常數的改變，在電場作用下，穿透谷物的磁場將發生相應改變，亦即極板間電容值發生改變，通過測量極板間電容值，可間接測定谷物水分含量。使用這一技術，谷物只需流經傳感元件的一側（或兩側）即可完成測量。一種測量電容元件的形式如圖l所示。
3.2傳感元件測量模型與電特性研究
    根據對物料與電容極板間的位置及組件單元分析結果，結合作為測量電容極板的PCB敷銅層尺寸及加載電場位置，設計出多種傳感器結構方案，并進行比較，最終選出一個應用于本研究的最優測量方案，其傳感器結構如圖2所示。
    在應用Ansys軟件對其進行有限元分析時，采用圖1申A-A剖面方向，將整體模型分為5個部分，即：谷物所對應的電容空間用正方體模擬，改變該空間的介電常數以代表谷物含水量的變化；電極所附著PCB板用2mm厚長方體模擬，極板材料的介電常數為5左右，本文取其值為5；采用厚0.2mm，寬19mm，長100mm的兩個PCB敷銅片為電極建模實體；兩電極之間一個寬5mm的長方體作為電極邊緣之間空氣實體。
    通過Ansys分析得：
    1)在加載的直流電場強度不變時，設谷物空間的介電常數為5和80，谷物空間的磁場強度相差一個數量級。
    2)將直流5v電源加載于兩極板的上表面，其大部分電磁場的法向穿透能力可達10mm(PCB板厚度的5倍)以上。
    由于邊緣電場傳感器兩電極在一個平面內，邊緣電場的場能量聚集在極板邊緣，靠近電極附近的地方能量最集中，其靈敏度與物料的空間位置和電力線的穿透深度有關。因邊緣電場傳感器具有邊緣電場傳感特性和雙邊敏感特性，設計不同電極間距和極板面積的結構參數，可以實現對不同物質含水量的測量，并可做成不同的形狀以適應安裝與使用要求。電極的距離越大，所施加的電壓越高，被穿透的谷物越多。但電極的距離過大，則易使信號減弱。由于信號的強弱與金屬極板的面積成正比，可通過增加面積等方法進行綜合設計。因此，本設計采用電極板間距為5mm、兩極間加載電壓為5V，能滿足對稻麥等一般顆粒谷物水分的測量精度。
4、傳感器測量電路的硬件實現
    傳感器測量電路由傳感器元件及測量與轉換電路、待測物料環境溫度檢測電路、單片機、CAN總線接口電路和看門狗控制電路等構成。其硬件組成原理框圖如圖3所示。
    本研究在測量與轉換電路的設計中采用以SE556芯片為核心的振蕩電路，結合電容的充放電進行”容，頻”方波轉換（如圖4所示）。理論上，振蕩電路輸出的方波頻率代表著電容的值，因此，通過單片機的計數器測量出振蕩電路的輸出頻率就可間接得到電容值，進而得到所測谷物含水率。
   根據器件的特性，輸出方波的上升沿和下降沿一般為100~200ns．因此，必須取五倍以上的上升和下降沿寬度之和，才能得到一個較為穩定的方波脈沖，這就使得器件輸出方波的頻率小于6MHz，并控制在浴盆底部范圍。為了讓被測電路具有這樣的特性，圖4中的RA應在lk—lOOk范圍內；當vcc-5v時，最大總電阻R=RA+RB≤3.4Mn；當vcc=15v時，其最大值為10MΩ。
   在測量過程中，防止器件單側工作增加的系統誤差，采用雙回路測量取差法，即：組建兩組電容測量電路，其中一組電路的電容為待測電容，另一組電路的電容為精密己知電容。將兩組電容測量電路測得的值進行處理，從而有效減少系統誤差，較精確地測出電容的變化值。
  考慮到溫度對測量結果的影響，在水分傳感器中還設有測溫電路，輸出頻率和溫度信號都送入單片機，通過數據處理，補償谷物溫度對其含水率測量的影響，從而得到較精確的測量結果。
5、傳感器標定和溫度系數修正
    由于谷物儲藏安全含水率為14%左右，而谷物收獲時的含水率一般在16%—25%左右，陰雨天會更高一些。根據中小籽粒谷物品質要求，其低溫干燥熱風最高溫度小于55℃，且不同種類的谷物最高受熱溫度也不同。因此，傳感器能在9%—20%含水率范圍內、干燥溫度在+100℃ ~+500℃范圍內進行較精確的測量，并將被干燥谷物的含水率控制在12%~15%之間，即可滿足要求。
    影響谷物介電常數（電容值）的因素主要有谷物品種、含水率和溫度。用電容傳感器測定谷物含水量時，還需消除材料穿透電場及環境等因素的影響。
6、系統數據處理流程
    實際測量時的數據處理過程：單片機接收水分傳感器和溫度傳感器發出的被測谷物在干燥溫度下代表電容數據的脈沖數和被測谷物當前溫度值；由軟件調用標定數據庫中被測谷物的標定系數并將脈沖數轉換成標準溫度下的含水率；由軟件調用溫度修正數據庫中被測谷物在該溫度下的修正系數并對被測谷物標準溫度下的含水率進行修正，得出較精確的被測谷物實時含水率；單片機通過CAN總線網絡將較精確的被測谷物實時含水率數據傳送到主控節點。
   作為在線水分傳感器，若本傳感器用于谷物干燥機，則將較精確的被測谷物實時含水率數據傳送到谷物干燥機控制器中作為干燥控制的依據；若本傳感器用于大型糧庫等場所，則將較精確的被測谷物實時含水率數據傳送到大型糧庫等場所的主控機，完成多點位水分測定，并實現網絡化監測與控制。
7、結束語
    本文研究使用PCB敷銅層加工成測量電容的極板，通過Ansys建模分析，確定了邊緣電場電容式谷物水分傳感元件的結構參數；分析并確定了一種測量方法，設計出邊緣電場電容式谷物水分傳感器、測量與接口電路，使設備便于安裝、提高抗干擾能力、減少系統誤差，從而提高谷物水分在線測量精度。