小麦秸秆含水率测量仪的设计与试验.pdf

第 29 卷第 1 期农 业 工 程 学 报Vol.29No.1 2013 年1 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural EngineeringJan. 201333 小麦秸秆含水率测量仪的设计与试验 郭文川，刘驰，杨军 （西北农林科技大学机械与电子工程学院，杨凌 712100） 摘要：为了实现小麦秸秆含水率的便捷、快速和准确测量，设计了一种以 AT89S52 单片机为控制器，分别利用 平行极板式电容传感器，DS18B20 温度传感器和 FSR402 压力传感器测量电容、温度和容积密度，以液晶显示器 显示测量结果的小麦秸秆含水率测量仪。通过试验分析了电容、温度和容积密度测量模块的精度；进而以冬小麦 秸秆为对象，研究了秸秆的湿基含水率（10.6%19.6%） 、温度（535）和容积密度（77.2103.6 kg/m3）对 输出电容的影响；建立了电容与主要影响因素的关系模型，并对模型的可靠性及含水率预测精度进行了检验。结 果表明，所设计测量仪的含水率绝对测量误差是 0.9%2.2%，灵敏度为 0.3%，响应时间小于 2 s。研究为灵敏、 快捷的小麦秸秆含水率检测仪的设计提供了参考。 关键词：秸秆，含水率，仪器，电容，温度，容积密度 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.01.005 中图分类号：S126，S24文献标志码：A文章编号：1002-6819(2013)-01-0033-08 郭文川，刘驰，杨军. 小麦秸秆含水率测量仪的设计与试验J. 农业工程学报，2013，29(1)：3340. Guo Wenchuan, Liu Chi, Yang Jun. Design and experiment on wheat straw moisture content meterJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(1): 3340. (in Chinese with English abstract) 0引言 秸秆是农作物生产系统中一种重要的可再生 生物资源，具有来源广、数量大等特点1- 2。人类对 于秸秆资源的利用由来已久。随着传统农业向现代 农业的转变，秸秆的利用技术呈现多样化的发展趋 势3- 7。麦秸、稻秸和玉米秸在秸秆综合利用中占据 很大比例，其中尤以麦秸的工业化利用率最高，诸如 秸秆人造板、秸秆纤维制品、秸秆玻璃纸等工业化利 用技术应用比较广泛8- 9。 研究表明， 麦秸原料含水率 是其诸多利用技术中的一项重要参考指标， 含水率的 高低影响着小麦秸秆的贮存及一些主要的加工工艺 环节， 有时甚至直接决定了其制品的品质10- 12。 因此， 小麦秸秆含水率的检测对于秸秆资源的高效利用 具有重要的意义。 目前，农业物料的快速无损检测方法主要有射 线法、中子法、电容法、电阻法、核磁共振法和声 学法等13- 18。在综合考虑成本、技术难度以及灵敏 度等因素的基础上，基于介电特性的电容法应用比 较广泛19。但电容法容易受到待测物料温度、容积 密度等因素的影响，在实际测量时，必须对相应模 收稿日期：2012- 07- 06修订日期：2012- 12- 31 基金项目：公益性行业（农业）科研项目（201003063- 07） 作者简介：郭文川（1969） ，女，陕西临潼人，教授，博士，主要从 事智能化检测技术研究。杨凌西北农林科技大学机械与电子工程学 院，712100。Email: guowenchuan69 型的测量结果进行补偿20- 26。为了给小麦秸秆含水 率的检测提供一种方便、快速、准确的检测方法和 设备，本文设计了一种以单片机为控制器，具有温 度和容积密度补偿功能的电容型秸秆含水率测量 仪。并以冬小麦秸秆为试验对象，研究含水率、温 度和容积密度对秸秆电容的影响，建立电容量与各 主要影响因素的关系模型，并对模型的可靠性以及 在含水率预测方面的精度进行检验。 1小麦秸秆含水率测量仪设计 1.1硬件系统总体设计方案 测量仪的硬件系统主要由传感器、检测及控制 电路和输入输出设备组成，如图 1 所示。 图 1测量仪总体结构框图 Fig.1General diagram of straw moisture content meter 传感器包括电容、温度和压力传感器，分别用 于测量待测秸秆的电容、温度和因容积密度（即压 实度）的变化给极板产生的压力。根据压力与容积 农业工程学报2013 年 34 密度之间的关系可实现容积密度的间接测量。检测 及控制电路包括单片机、电容检测、压力检测、温 度检测和 A/D 转换模块， 主要完成对各传感器信号 的采集、处理和输出；输入输出设备由液晶显示器 和功能键组成。液晶显示器用于显示秸秆的温度、 压力、电容及含水率值；功能键实现对各设计功能 的操作。 1.2小麦秸秆含水率测试装置的设计 小麦秸秆含水率测试装置由电容传感器、温度 传感器、压力传感器、支撑架和手柄组成，如图 2 所示。电容传感器采用平行极板结构。极板为优质 紫铜板，长 145 mm，宽 30 mm，厚 1 mm，内侧 间距 20 mm，其中有效测量区域长 125 mm，其余 部分涂有绝缘油。极板前端设计为三角形利于插 入待测秸秆中。温度传感器采用数字型温度传感 器 DS18B20，在 10+85范围内的检测精度为 0.5，符合设计要求。压力传感器采用压阻式压 力传感器 FSR402， 其测量范围为 10.351 035 kPa。 设计中采用双压力传感器，分别固定于两极板的末 端、内侧区域。传感器与检测及控制电路的连接电 缆均采用单芯屏蔽线，以减少外界干扰因素对测量 结果的影响。 手柄材料选用电绝缘性良好的聚甲醛 树脂塑料，温度传感器固定于绝缘手柄前段（处于 两极板的正中位置）。 图 2小麦秸秆含水率测试装置 Fig.2Experimental device of wheat straw moisture content meter 1.3硬件电路设计 1.3.1电容检测电路 电容检测电路采用交流激励式电容/电压转换 测量电路（图 3），该电路测量精度高、速度快且 抗杂散电容能力强。电容检测电路主要包括正弦激 励信号发生器、电容/电压转换电路、放大电路和有 效值检测电路。 1）正弦激励信号发生器 为保证准确地测量电容值，输入的正弦激励信 号频率必须具有一定的稳定性。本文设计中采用单 片集成精密函数发生器 ICL8038。ICL8038 是一款 多功能波形发生器集成电路芯片，具有结构简单、 使用灵活、方便等优点。在实际应用中只需很少的 外接电子元件便可产生高精度、低失真的正弦波等 多种波形。ICL8038 的输出频率范围为 0.001 Hz 300 kHz27，设计中，采用 12V 电源供电。图 3 中 的 C2决定输出频率的范围，RV1和 RV2用于调节输 出正弦波正负半周的失真度， 调节RV3改变输出信号 频率。运算放大器NE5532 为跟随器，起缓冲作用。 2）电容/电压转换电路 ICL8038 输出的固定频率的正弦信号 ui(t)作为 以 OP27 为核心的电容/电压转换电路的激励信号。 由运算放大器的工作原理可知： 6 66 2 ( )( ) 21 X i jfC R u tu t jfC R （1） 式中，Cx为电容传感器所测电容，pF；f 为输出信 号的频率，Hz；R6和 C6分别为二者组成的滤波电 路的电阻和电容，单位分别为 和 pF；j=1， 为复数中虚部的单位。 由式（1）可知当 C6和 R6给定时，输出信号 u(t)和 Cx成正比例关系。因此，可通过测量 u(t)的 有效值得到电容传感器的电容输出值。 3）放大电路 选用仪表放大器 AD620 对电容/电压转换后的 交流信号 u(t)进行放大处理。 AD620 是一款低功耗、 高精度仪表放大器，具有良好的交直流特性，只需 外接一个电阻就可调节增益，其增益范围为 1 10 000。 输出信号 uo(t)为放大后的电压信号 （图 3） 。 图 3电容检测电路 Fig.3Capacitance detection circuit 第 1 期郭文川等：小麦秸秆含水率测量仪的设计与试验 35 4）有效值检测电路 电容检测电路中，通过测量输出信号的有效值 检测电容的大小。 设计中选用单片集成有效值/直流 转换集成电路芯片 AD637 实现有效值的测量。 AD637 是一款高精度的有效值/直流转换器，具有 工作频带宽、 稳定时间短、 外接元件少等优点28。 AD637 输出电压幅值最大可达 7 V，满足设计要 求。图 3 中经由电容/电压转换并放大后的交流信 号 uo(t)从 AD637 的 13 脚(Vin)输入，9 脚(Vo)输 出有效值 Uo。图 3 中，C7为输入耦合电容，C8 为平均电容。 1.3.2温度检测电路 温度检测电路用于检测温度传感器采集到的 待测秸秆的实时温度，电路如图 4 所示。DS18B20 采用单总线协议，即与单片机通信只需一个输入/ 输出端口，直接将秸秆温度转换成数字信号，并以 串行方式输出。 图 4温度检测电路 Fig.4Temperature detection circuit 1.3.3压力检测电路 采用压力传感器间接测量待测秸秆容积密度 的变化，如图 5 所示。压阻式压力传感器 FSR402 的一端接至 LM324 的反相输入端， 另一端接- 5V 参 考电压，此时放大器输出电压可表示为 10 pref FSR R UU R （2） 式中， Up为输出电压， V； Uref为参考电压， V； RFSR 为传感器电阻，；R10为参考电阻，。 图 5压力检测电路 Fig.5Pressure detection circuit 图 6 是设计的秸秆含水率测量仪实物图。该测 量仪由测试装置和检测电路两部分组成。 图 6设计的秸秆含水率测量仪 Fig.6Wheat straw moisture content meter 1.4检测性能的检验 1.4.1电容检测性能 在不同频率(130 kHz)的正弦激励信号作用 下，测量不同容量的标准电容。发现当激励信号的 工作频率为 20 kHz 时，拟合得到的电容/电压转换 曲线的决定系数最高(R20.999)，线性拟合标准差 =0.0189 V，结果如图 7 所示。 图 7电容检测电路中电容输入量与输出电压的关系 Fig.7Relationship between input capacitance and output voltage in capacitance detection circuit 1.4.2压力检测性能 采用不同质量的标准砝码对压力检测电路进 行测量，得到不同质量的力下压力与电路输出电压 的关系，如图 8 所示，其线性决定系数 R2=0.996， 线性拟合标准差 =0.0517 V。 图 8压力检测电路中输入压力与输出电压的关系 Fig.8Relationship between input pressure and output voltage in pressure detection circuit 1.4.3温度检测性能 将设计的温度检测电路的温度测量结果与数 字温度计 （DM6801A， 深圳市胜利高电子科技有限 农业工程学报2013 年 36 公司，精度为 0.1）检测结果进行比较，结果如 表 1 所示。535之间 7 个检测点下温度测量的 绝对误差为 0.2。 表 1温度检测电路的检验结果 Table 1Testing results of temperature detection circuit 测量仪器温度值/ DM6801A5.210.515.220.625.830.435.6 设计仪器5.210.415.320.425.830.535.5 综上说明，所设计的电容、压力和温度检测电 路具有良好的检测性能。 1.5数据处理与输入输出 秸秆含水率测量仪选用 AT89S52 单片机为控 制器。单片机一方面接收数字型温度信号以及经 TLC2543A/D 实现模拟量到数字量转换后的电容和 压力信号，然后计算出秸秆含水率；另一方面通过 功能键选择不同的按键功能操作，并控制液晶显示 器输出检测结果。 2小麦秸秆含水率测量仪标定 2.1试验材料 以冬小麦“西农 979”秸秆为试验对象。秸秆 样品来源于由小麦收割机收获后的西北农林科技 大学的“西农 979”小麦试验田。将收集的秸秆粉 碎成长(20 3) mm 的枝杆状。 2.2试验方法 根据 NY/T 1701- 2009 标准29，利用烘干法测 得小麦秸秆的初始湿基含水率为 10.6%。然后利用 电子天平（MP31001，上海舜宇恒平科学仪器有限 公司，精度 0.1g）称取一定量初始含水率的秸秆样 品，通过添加去离子水配制湿基含水率在 10.6% 19.6%间 5 个不同含水率的样品。为保证样品吸水 均匀，将配好的样品装入双层聚乙烯塑料袋密封后 置于 2的冷藏室中保存 12 d。期间每天摇动样 品 34 次，以使水分分布均匀。将每个含水率下 的样品分成 3 份，以获得 3 个不同的容积密度。 测量时将秸秆样品装入已知体积和质量的干 净烧杯中，适当施压以形成不同的容积密度。根据 装入样品前后烧杯的质量和体积，计算样品的容积 密度。 用保鲜膜封住烧杯口后放入 2的冷藏室中。 待样品冷却至 2时，取出烧杯放入远红外快速恒 温干燥箱（YHG- 400BS，上海跃进医疗器械厂，温 度波动 1）中，并将利用空气校准后的自制秸秆 含水率测量仪插入秸秆样品中，使样品与支撑架前 端部紧密接触，以保证温度传感器能检测到样品的 温度。用自制的塑料板盖住烧杯，以减少测量过程 中秸秆水分的散失。当样品温度达到 5时测量电 容值。随后依次设定恒温干燥箱的温度为 10、15、 20、25、30、35，测量设定温度下样品的电容。 每个含水率和每个温度下重复 3 次，3 次重复的平 均值作为测量结果。图 9 是秸秆含水率试验系统组 成图。 图 9秸秆含水率试验系统组成 Fig.9Setup of straw moisture content measurement system 2.3试验结果与分析 2.3.1检测模型的建立 表 2 为本文设计的测量仪测量得到的小麦秸秆 在不同含水率、温度和容积密度下的电容值。 表 2不同含水率、温度和容积密度下小麦秸秆的电容值 Table 2Obtained capacitance values of wheat straw samples in different moisture contents, temperatures and bulk densities /pF 温度/ 含水率/% 容积 密度/ (kg m- 3) 5101520253035 77.217.117.619.320.421.524.227.0 82.917.117.619.320.421.524.227.010.6 85.617.117.619.320.423.125.930.3 79.321.522.628.735.842.450.271.1 84.821.522.025.330.336.948.569.513.6 87.522.025.327.032.539.148.573.5 84.724.825.929.736.447.465.091.5 91.225.926.431.941.351.969.595.715.6 97.025.325.927.532.543.361.392.1 88.619.231.439.751.872.8109.7164.3 94.530.831.937.549.069.5100.4167.717.3 100.630.331.938.650.770.6104.8164.3 91.142.443.552.377.7119.7181.4270.3 97.145.747.450.271.1114.1194.1297.819.6 103.646.848.556.282.7125.2199.7283.5 利用 Design- expert 7.1.6 软件对试验数据进行 了多元回归拟合。建立的描述秸秆电容与含水率、 温度和容积密度的三元数学模型为 第 1 期郭文川等：小麦秸秆含水率测量仪的设计与试验 37 333432 422322 3222 2 0.103.49 103.76 100.04 2.15 100.064.49 100.01 5.83 100.020.076.46 0.691.770.415.1226.98 201.033.931145.41 CWTT W TTWTW WTWW TWTWTT W （3） 式中，C 为电容，pF；W 为含水率，%；T 为温度， ；为容积密度，kg/m3。 对式（3）进行的方差和显著性分析结果说明， 虽然该模型在 0.0001 的显著水平上显著，但 19 项 （除过常数项）中只有温度的一次项、二次项和三 次项，含水率的一次项和二次项及二者的交叉项 TW、T2W 和 TW2在 0.05 的水平上对模型有显著的 影响，容积密度对模型影响不显著。为此，建立了 电容与温度和含水率的二元数学模型，见式（4）。 3332 222 0.173.51 100.09 0.048.450.683.81 142.8234.98781.87 CWTTW T WWTTW WT （4） 对式 （4） 进行方差及显著性分析， 结果见表 3。 从表 3 可以看出，模型在 0.0001 的水平上极显著， 且每项在 0.0005 的水平上对式（4）有极显著的影 响。 表 3式（4）的方差分析结果 Table 3Results of variances analysis for equation (4) 方差来源平方和自由度均方P 值显著性 T2268.1312268.130.0001* W697.911697.910.0001* TW58684.95158684.950.0001* T215607.62115607.620.0001* W210384.70110384.700.0001* T2W12528.36112528.360.0001* TW27873.9917873.990.0001* T3623.571623.570.0003* W3988.831988.830.0001* 回归模型321300935696.360.0001* 误差4091359543.07 总和325400104 注：*为 P 值0.0005，差异极显著。 2.3.2检测模型的验证 为验证式（4）的准确性和合理性，随机配制 了 5 份含水率在 10%20%之间的秸秆样品，分别 检测温度在 535时的电容。对以温度和含水率 代入式（4）计算所得电容为计算值，以测量仪检 测所得电容为实测值进行误差分析，结果如图 10 所示。图 10 说明计算电容值相对于实测电容值的 点比较均匀且紧密地分布在 45 线的两侧，这说明 计算电容值能比较好的反映实测电容值。与实测电 容值相比，计算电容值的相对误差在 6%8%，平 均相对误差为 3%。表明式（4）能较好地描述电容 与秸秆含水率和温度的关系。 图 10实测电容值与计算电容值的关系 Fig.10Relationship between measured capacitance and calculated one 3测量仪含水率检测性能验证 3.1试验条件与测试方法 根据式（4），在已知秸秆温度和所测电容值 的条件下，采用牛顿迭代法编写了计算秸秆含水率 的程序。仍以小麦秸秆为试验对象，随机地给秸秆 中添加去离子水， 配制含水率在 10.0%20.0%之间 的样品 7 份 （分别为 11.2%， 12.4%， 15.2%， 16.7%， 17.7%和 19.9%），配置方法同 2.2。把某一含水率 下的样品装在一个玻璃烧杯内，用保鲜膜密封以防 止水分散失。将远红外恒温干燥箱设置在 535 之间的任一温度下，待温度达到设定值时，将盖有 保鲜膜的烧杯放在干燥箱内，并将数字温度计的探 头插在秸秆样品的中心部位，待秸秆温度达到设定 温度时，将自制的秸秆含水率仪插在秸秆中，记录 测得的秸秆含水率，再取出测量仪，重新插入，如 此重复 3 次。重复时，避免将测量仪插在上一次位 置上， 以保证数据有良好的重复性。 再重新取样品， 重复该含水率和该温度下的试验 2 次，以每个含水 率和每个温度下 9 次测量的平均值为测量结果。对 于每个含水率的样品，选择了 4 个温度点，且比较 均匀地分布在 535间。以烘干法得到的含水率 为实际含水率，以利用自制的测量仪测得的含水率 为测量含水率，分析测量仪的测量误差和响应时 间。对 25下，秸秆含水率在 10.0%12.0%间， 含水率间隔分别为 0.2%、0.3%、0.4%和 0.5%样品 进行测量，分析测量仪的灵敏度。 3.2测试结果分析 采用自制的秸秆含水率测量仪测得的含水率 相对于实际含水率的比较结果如图 11 所示。由图 11 可以看出， 测量含水率相对于实测含水率的点均 农业工程学报2013 年 38 匀且紧密地分散在 45 线的两侧，反映测量含水率 与实际含水率的差距不大。相对于实际含水率，测 量含水率的绝对误差在 0.9%2.2%间，平均绝对 误差为 0.8%，平均响应时间小于 2 s。对 25下， 含水率间隔分别为 0.2%、0.3%、0.4%和 0.5%样品 的测量结果说明，测量仪的含水率灵敏度为 0.3%。 结果说明，自制的秸秆含水率测量仪能较好地满足 秸秆工业化利用中含水率的测量要求。 图 11秸秆的测量含水率与实际含水率的比较 Fig.11Comparison of measured moisture content by self- made wheat straw moisture meter with actual value 4结论 为了给小麦秸秆含水率的检测提供一种新设 备，本文基于电容法设计了以单片机为控制器，具 有温度和容积密度补偿模块的小麦秸秆含水率测 量仪。以冬小麦“西农 979”秸秆为对象，研究了 含水率（10.6%19.6%）、温度（535）和容 积密度（77.2103.6 kg/m3）对小麦秸秆电容值的 影响，建立了描述电容量与主要影响因素的三元和 二元三次方程，验证了二元三次方程的可靠性以及 基于电容和温度预测秸秆含水率的精度。结果说 明，在 535间，本文设计的测量仪对含水率 10%20%小麦秸秆的含水率绝对测量误差为 0.9%2.2%，灵敏度为 0.3%，响应时间小于 2 s。 后期将通过设计合适的感知容积密度的传感 器并优化算法，以提高秸秆含水率检测的精度和灵 敏度。 参考文献 1韩鲁佳，闫巧娟，刘向阳，等. 中国农作物秸秆资源 及其利用现状J. 农业工程学报，2002，18(3)：87 91. 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In order to detect moisture content of wheat straw conveniently, rapidly and precisely, a moisture content meter was designed with AT89S52 single- chip microcomputer as controller, parallel plate, DS18B20 and FSR402 as capacitance sensor, digital temperature sensor and pressure sensor to detect capacitance, temperature and bulk density of wheat straw, respectively. Liquid crystal display was adopted to show the obtained data. The meter s accuracy on measuring capacit