（农业机械化工程专业论文）收获机械配套用谷物水分动态测试系统研究.pdf

摘要 粮食的水分含量是决定其物理、化学和生物特性的重要指标，水分含量的准确测定具有重要 的社会意义与经济价值，但在水分检测领域，测量准确性和测量速度之间的矛盾一直没有解决。 针对这一现状，本文介绍了将d s p 与单片机相结合( 利用d s p 作为信息处理单元，进行数字信 号的处理和各种算法的实现，用单片机作为外部加设备控制单元) 设计在线水分测定装置的方 法。这种水分测定装置弥补了以往利用单片机测量谷物含水率，速度慢，精度不高，受频率制约 严重的不足。为在线进行谷物水分测量开辟了一条新思路。 本文选择采用电容法进行谷物含水率在线测量技术的研究，并设计制作了一套实现在线测量 的电容式谷物水分传感器的机械装置和以t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 d s p 芯片和a t 8 9 c 5 1 单片机为核心的 传感器信号处理电路板。 通过对利用该装置进行模拟试验获得的大量试验数据的m a t l a b 分析和拟合，得出谷物水 分一频率、温度的最佳拟合方程，并对该方程进行了验证性试验。试验表明，该谷物水分在线测 量系统目前可测量谷物含水率范围是8 2 5 ，误差在1 以内。温度测量范围为1 6 c 2 2 c ， 误差在士0 1 以内，自主研发的谷物含水率在线测量装置是成功的，该方法的运用为谷物水分的 在线测量找到了一条新途径，具有良好的推广前景。 关键词：谷物含水率，电容传感器，在线测量，d s p ，单片机 a b s t r a c t t h eg r a i n sp h y s i c s c h e m i s t r ya n dh v i n gt h i n g sc h a r a c t e r i s t i cp r o p e r t ya md e c i d e db yt h e i r m o i s t u r ec o n t e n tw h i c hi st h ei m p o r t a n ti n d e x , t h em o i s t u r ec o n t e n td e t e r m i n e sa c c u r a t e l yh a s t h e i m p o r t a n te f f e c to ns o c i e t ya n de c o n o m i cv a l u e b u t , t h ec o n t r a d i c t i o nb e n v nm e a s u r i n ga c c u r a c ya n d m e a s u r i n gs p e e di nm o i s t u r ec o n t e n th a sn o tb e e ns o l v e d b e i n ga i m e da tt h i so i l ec 1 h t e n ls i t u a t i o n , t h e a r t i c l ei n t r o d u c e dak i n do fm e t h o dw h i c hw a st oc o m b i n ed s pa n dm c ue a c ho t h e rd e s i g n i n gt h a t r e a lt i m em o i s t u r ec o n t e n td e t e r m i n e sd e v i c e ( t h ed i 对叫s i g n a lt r e n l m e n ta n dv a r i o u sa l g o r i t h ma 坞 r e a l i z e db yd s pw h i c hi sa p p l i e d 幻c a r r yo u tt h ei n f o r m a t i o np r o c e s s i n ge l e m e n t , a n dt h eo u t s i d ei 0 e q u i p m e n ti sc o n t r o l l e db ym c ue l e m e n t ) t h i si su s e df o rt h ed e v i c et h a tm o i s t t u ec o n t e n td e t e r m i n e s i n t e n d i n gt oh a v ea d d e ds u p p l e m e n t a lt h ew a t e rr a t i om a k i n gu s eo f m c u t om e a s u r ee n mi nt h ep a s t , w h i c hs p e e dw a ss l o w , a c c u r a c yw a sn o th i g ha n dw a sr e s t r i c t e dg r a v e l yb ，f r e q u e n c y an e ww a yh a s b e e no p e n e du pf o rm e a s u r e m e n tc a r r y i n go u tc o mm o i s t u r ec o n t e n tr e a lt i m e t h ea u t h o rd e c i d e dt 0r e a l i z eg r a i nm o i s t u r er e a lt i m en 壕a s u 埘n e n tb ym e a n so fc a p a c i t a n c e m e t h o d as u i to f c a p a c i t a n c ec o r l lm o i s t u r ec o n t e n ts e n s o rm e c h a n i s ma n dt h es e n s o rs i g n a lt r e a t m e n t c i r c u i tb o a r d 幻r e a l i z ec o n t i n i o u sm e a s u r e m e n th a sb e e nd e v e l o p e d s e n s o rs i 印mt r e a t m e n tc i r c u i t b o a r d h a s b e e n c e n t e r e db y c h i p s t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 d s p a n d a t 8 9 c 5 1m c u t h r o u g hm a t l a b sa i l a l y z i n ga n df i t t i n gt oag r e a tq u a n t i t yt e s td a t ag a i n e db yt h ea m a l o g u et e s t m a d eu s eo f t h a td e v i ，h a v er e a c h e dt h eb e s to f 吐圮c o r nm o i s t u r ee o n t e n 卜。丘w u e n c y 、t e m p e r a t u r e f i t t i n ge q u a t i o n , a n dh a v ec a r r i e do u t t h ee x p e r i m e n tv e r i f y i n gac h a “l c t e ro nt h a te q u a t i o n t h e e x p e r i m e n ti si n d i c a t e dt h a tt h e s o rd e s i g n e db ya u t h o rc a l lm l s b r eg r a i nm o i s t u r ei nt h e 摊o f 1 0 2 5 ，a n de r r o rw i t h i n1 ，t e m p e r a t u r em e a s u r a l l e n tr a l l g ei s1 6 2 2 c ，a n de r r o rw i t h i n o i t h ec o r nm o i s t u r em e a s u r e sr e a lt i m ed e v i c e sd e s i g n e di n d e p e n d e n t l yi ss u c c e s s f u l b et h e m e t h o da p p l y i n gt u r nt oh a v ep r o v i d e dan e wa p p r o a c ht oe o mm o i s t u r ec o n t e n tr e a lt i m em e a s u r e m e n t , h a st h ef a i r l yg o o de x t e n s i o np r o s p e c t k e y w o r d s ：c o r nm o i s t u r e ，c a p a c i t o rs e n s o r , r e a lt i m em e a s u r e m e n t , d s bm c u 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取德的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得黑龙江八农垦大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 ， 研究生签名： 舌补 嚼诵：“年异f 蹰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解黑龙江八一农垦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意黑龙江八一农垦大学可以用不同方式 在不同刊物上发表，传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 李水 帆岬年石月伪 艄咛每聂2 b 黑龙扛八一农垦大学硕士学位论文第一章引言 1 1 课题研究的目的与意义 第一章引言 2 0 世纪下半期开始的以微电子技术、计算机技术、通信技术和网络技术为代表的信息技术 革命，加速了国民经济信息化进程，成为推动各个领域知识创新、技术创新、知识应用和知识传 播的强有力手段。电子信息技术的发展，也明显地影响着农业机械化技术的创新过程，农业工程 师们在农，林、牧、副、渔机械化过程中迅速吸收电子信息技术革命的成果【1 i 。农业机械迅速向 大型、高速、复式作业、人机和谐与舒适性设计方向快速发展。加快了电子信息技术面向农业生 产机械化过程中的应用研究及应用电子产品的产业化开发。一批面向生产应用的各种机电一体化 技术产品被迅速开发出来并装备到农业机械上，用于实现农业机械化作业的商效率、高质量、低 成本的目标，而且提高了操作环境的舒适性与安全性。各种电子监视、控制装置应用于各种复杂 农业机械上。2 0 世纪8 0 年代以来，电子技术与其它新技术在农业机械中应用研究的发展，为2 0 世纪9 0 年代“精细农业”技术体系的试验实践以及开发智能化变量作业农业机械提供了基础。 联合收割机( c o m b i n e ) 是现代农业的产物“j ，在传统联合收割机的基础上配备了一些传感器 和测量装置，是实践精细农业的重要工具之一一些先进的联合收割机安装有测量产量和收割面 积的系统，配备了用于采集、计算并统计产量数据的各种传感器。这些传感器测量的数据，经过 专用计算机的处理，可以打印成彩色的小区产量分布图，为实施精细农作处方和变量投入打下基 础。其中，产量数据是最基本也是最重要的数据，因而就涉及到测产系统的开发研究问题。测量 产量时，还得考虑谷物的谷物含水率问题，只有将收割到的谷物重量折算成一个固定谷物含水率 静谷物重量时。才有可比性，禹两就涉及到了谷物含水率测量的问题。联合收割机1 j 殳获到的谷物 的含水率是实时变化的，要计算单位面积的产量，就涉及到谷物含水率的在线测量问题。 目前，装有水分及收获量测试仪器的收获机械大都是国外的收获机械，国内的机械内装粮食 水分测试仪的还比较少，大多粮食水分动态显示都用在干燥机械上，若在机械收割粮食时能够动 态显示粮食的水分含量及收获量，将极大的提高粮食的收获、储藏效率及可靠性。 1 2 课题的研究现状 1 2 1 谷物水分及收获量测量方法研究 1 、含水率的测量方法 粮食水分测量和控案4 方法有直接和间接两种纠，从谷物含水率的测量来看，最早的粮食水分 测量是1 9 0 7 年由美国的b r o w n d u b e l 提出h 胴，涉及到了将谷物浸在一定的加热液体( 如 油) 中，水分从中蒸发出来的技术。理想的直接水分控制依赖于水分在线检测传感器对于粮食水 分的检测。直接法是通过干燥或化学方法，直接去除粮食中的水分，检测出样品的绝对含水量， 含水率公式为： 翼龙江八一农垦大学硕士学位论文第一章引言 m ：w i - - w 2x 1 0 0 ( 1 1 ) m 式中，w 为被测样品干燥前的重量；呐为被测样品干燥后的重量。 直接法检测精度高但费时【6 j ，不适于在线检测。间接法通过与水分有关的物理量( 例如物质 的电导率、介电常数等) 的检测，相应地测定物质的含水量，一般速度较快，易实现在线检测， 应用较多的在线测量方法主要有电阻法、微波方法、中子法、红外测水法，电容法等f j 。本课题 采用间接法电容测试法实现粮食水分在线检测。 电容法，电容传感器的电容c 与介质的介电常数、两极板的相对面积s 、两极板间的距离d 有关，四者之闻有一定的函数关系，即c = f ( e ，s ，d ) 这样，只要固定其中两个参数，面让另一个参 数随被测物理量的改变而改变，便演变出三种电容传感器： ( 1 ) 变面积式电容传感器c = f ( s ) c 2 ) 变间隙式电客传感器c = fq ，d ) ( 3 ) 变介电常数式电容传感器c = f ( ) 在粮食水分的在线测量中，可设计变介电常数电容传感器。因为完全干燥的粮食相对介电常 数在常温下小于5 潮，面永在1 6 3 时，其介电常数高达8 1 ，5 ，在其他温度下也约为s d 左右，因 此稂食水分含量的高低与e 有着直接关系。电容式水分传感器以粮食作为介质 9 1 i lo 】，利用水的介 电常数高于其他物料的特性而测定谷物含水率，根据被测物质不同，电容的电极结构也有所不同， 主要有平板式、圆筒式等屯极结构。 电容式水分传感器的优点是简单经济、可靠性高、易维护，使用得当可有很好的重复性和检 测性。而且，电容法测定水分的响应时间很短，适于在线测试，谷物含水率速测仪和收割机上的 谷物含水率传感器，目前多采用电容法进行研制l l ”。因此，本研究决定使用电容法进行研究和 开发粮食水分传感器。 2 、收获量测量方法 所谓作物产量，就是指某特定条件下每单位而积耕地的产出，它是作物生长在众多环境因素 和农田生产管理措施综合影响下的结果，是实现作物生产过程中科学调控投入和制定管理决策措 施的基础。精确收获是实旌精确农业技术的基础工作，是精确农业发展的推动力。作物产量是农 民经济收益的重要标志，是制订收获、仓储、运销、加工等计划的依据，也是评估农业生产效率 的一个重要因素，因此产量测量必须科学、准确。 本设计对收获量的测量要求进行谷物重量的动态测试，显示重量数据，并进行数据的保存， 目的在于及时准确地收集到需要的数据和信息，为接下来的管理和决策作最充足的准备。可见做 好产量监测系统对精确农业的实施有着重要的作用和意义。 在谷物收获量测量中被测力为重力。表现为对储粮仓底部的压力根据机电一体化设计思路， 以称量传感器作为中间转换元件将谷物对储粮仓底部的压力信号转换为模拟电压信号，送达后继 信号处理电路，转换为数字电压信号得到相对应的输出，数字电压信号再经过数字显示电路显 示出来，显示出相应的重量数值。 测量重量的传感器有很多种，考虑到被测力的动态特性，采用压电式称重传感器来测量。压 电式传感器是采用压电晶体( 人造石英) 作为中间转换元件，将所测压力转换为压电晶体的变形 量，产生一与变形量相应的电荷量输出电荷量g 为：q = 鸸，f = 凼，s ( 1 2 ) 2 黑龙江八一农垦大学硕士学位论文 第一章引言 式中：f 作用于压电片上的力 矾，压电系数 p ，压强，j p = 二( 1 3 ) j s 膜片的有效面积 一 经过预处理后成为电压量输出。压电式传感器工作频带较宽、灵敏度高、信噪比高、机械强 度高、刚性大、工作变形小、绝缘性能好等许多优点，因此在压力和振动等许多动态量测量中， 是主要的传感器品种。 1 2 2 收获机械在线测量谷物水分及收获量的发展及研究状况 世界上一些著名的跨国农机制造商，都已成功开发了综合测产系统，并将其投入了商品化生 产。其代表产品有：a gl e a d e r 公司的p fa d v a n t a g e 系统、j o h nd e e m 公司的g r e e ns t a r 系统、 a g c o 公司的f i e l d s t a r 系统以及c a s e i h 公司的a f s ( a d v a n c e d f a r m i n g s y s t e m ) 系统等。这些系 统不但能够监视和记录测产数据，而且都具有较强的地理信息系统的功能，能自动完成产量监测 和生成产量分布圈。这些产品中的嵌入式智能监视设备，都在不断地升级换代，不断地提高产品 集成度、易操作性、兼容性以及可扩展性。多数厂商的最新产品采用了大面积液晶显示屏和触摸 屏，为驾驶员提供了良好的操作界面；采用了控制器局域网总线技术( c a nc o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ) 来增强系统的可扩展性。 c a s e 公司开发的谷物联合收割机已经投入到了实际的农作当中若干年。c a s e 公司的联合 收割机的谷物含水率在线测量装置也具有良好的工作性能，测量谷物含水率一般可达到3 4 甚 至更高，测量误差一般可控制在l 以内，2 0 移左右即可完成一次取样谷物的实时更新。但成品 价格高昂，引进一台c a s e 的联合收割机包括测产系统装置，需1 8 万美元左右，在我国除了示 范研究，还不适宜于应用推广。谷物含水率在线测量装置价格也相对高昂，单买一个谷物含水率 传感器还不包括二次仪表以及取样传送装置都需要6 0 0 马克( 德国货币) ，折合人民币约6 0 0 0 元 左右。 a gl e a d e r 公司生产的测产系统在全世界应用广泛。该公司为各种类型的收割机提供测产系 统。这些测产系统能够适用于多种作物的收获，包括：小颗粒谷物、棉花、玉米、大豆、大米和 草种等。当干净谷物通过传输带时，这两种传感器对其进行监测。基于谷物所含水分多少，监视 器计算出的谷物重量分为湿重和千重。同时，随着面积的测量，监视器能够计算并显示单位面积 的产量，大幅度提高工作效率”q 。 我国对粮食在线测量方面的研究方面起步较晚，但发展较快，在一定领域取得了一些的研究 成果。黑龙江农业机械工程科学研究院1 9 9 6 年申请的专利“粮食多点在线检测仪”( 专利号 9 6 2 4 6 6 1 4 ) 1 3 1 ，主要由多个带有同心筒式电容传感器、防堵装置、信号变送气的传感器组成、 带有配套电路和设备，主要用于烘干过程的在线水分检测。上海检测仪器有限公司在长年研制粮 食水分测定仪的基础上，设计生产的一种专用子在线测量粮食等物质水分韵智能监铡仪器【“1 。 主要用于粮食烘干等设备的配套，可对烘干后出科口的粮食水分进行在线的自动监测或手动测 量，以随时掌握烘后粮食的出机水分。提高烘后粮食水分的合格率。中国科学院与上海交通大学 合作进行前“谷物联合收割机智能测产系统”的开发，其谷物含水率在线测量装置包括机械装置， 3 黑龙江八一农垦大学硕士学位论文 第一章引言 控制系统以及谷物含水率传感器都是从国外引进。 国内的一些高校如中国农业大学叫1 、沈阳工业大学等也设有相应的课题研究组，但一般还 停留在技术研究阶段，因此，进行粮食水分在线测量技术研究，具有极大的现实意义和广阔的发 展前景。 1 2 3d s p 技术的应用现状 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) l i p 数字信号微处理器。在近2 0 多年时间里，d s p 芯片的应用已 经从军事、航空航天领域扩大到信号处理、通信、雷达、消费等许多领域。主要应用有：信号处 理、透信、语音、图形图像、军事、仪器仪表、自动控制、医疗、家用电器等 d s p 芯片专门用于完成各种实时数字信息处理，它是在数字信号处理的各种理论和算法的 基础上发展起来的。2 0 世纪6 0 7 0 年代是数字信号处理技术的理论研究阶段，2 0 世纪年代 初，随着微电子技术的发展而出现了d s p 器件，这些器件的出现使得各种数字处理的算法得以 实现。d s p 器件不仅使数字信号处理从理论研究推广到实际应用，而且拓宽了系统控制领域， 从而诞生了一大批新型电子产品。d s p 技术的迅速普及，为当今信息高速公路的建设奠定了基 础。 数字信号处理的基础是数字计算机和算法，由于早期的计算机速度较慢，不能进行在线的信 号处理，过程如图1 1 所示。 1 与亟回卧匝匠卜斟 雹卜1 早期数字信号处理流程图 f i g u r ei - 1 t i l ed i g i t a ls i g n ap f a 咖gf l o wc h a r ti nt h ee a r l i e rp e r i o d 随着计算机速度的提高特别是d s p 器件的出现，使在线信号处理成为可能，过程如图i - 2 所示 圉1 - - 2 在线数字信号处理流程图 f i g u r ei - 2t h eo n - 曲cd i g i t a ls i g n a lp , u c e s s i n gf l o wc h a r t 测量的数字化、智能化是当前测量技术发展的趋势。数字化处理技术使得测量仪器设备功能 完美，但数字处理的实时性受到处理速度的限制，实时测量对电路的处理速度要求越来越高。由 于单片机计数测频，被测信号最高频率受单片机振荡频率限制，如果直接在单片机t o 输入端前 加分频器，会影响测量精度。其测周及测频的精度及分辨率均不可能很高，提高晶扳频率固然可 以改善测量结果，但这总是有限的，否则，只能选择速度更高的单片机，并且，其分辨率的提高 最终还是受单片机工作速率的限制。因此，基于数字信号处理器d s p 的高精度高分辨率频率及 周期的测量就显得特别有意义，为满足信号高速处理的要求，本设计选用1 1 公司的d s p 芯片 1 m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 来实现粮食水分高速在线测量。 4 黑龙江八一农垦大学硕士学位论文第一章引言 1 3 本课题的主要研究内容和研究目标 本课题主要有两部分构成，其中最关键的是：对收获机械动态谷物水分、收获量的测试而研 究，收获机械收割期间，将收获的谷物依次采样，应用电容式谷物水分测试仪测试其水分，并进 行水分数据的保存和显示，然后将采样的谷物送回收获机械的储粮仓，继续测试下一个采样的样 品，其次是：在谷物储粮仓中安装重量测试仪器，进行谷物重量的动态测试，显示重量数据，并 进行数据的保存。 此项研究可以应用到收获机械上，通过所测谷物的水分含量自动调节收获机械的收获强度， 充分发挥谷物收割机械的收获能力，并且为谷物的储藏工作做好准备，此项技术不仅可以应用在 本项目中，还适用于其他谷物水分测试场合，具有通用性。 本课题阶段将主要进行第一部分粮食水分传感器及在线检测装置的设计，后一部分收获量测 试作为下一步研究内容。 研究目标： 能实现谷物含水率的在线测量，并将当前水分值和温度值在液晶屏上显示。含水率的测量范 围为8 2 5 ，测量精度1 ( 主要水分范围内) ，温度测量范围为1 6 0 4 0 c ，误差在4 - 0 1 以内。 研究内容： 设计收割机上电容传感器及稚食的取样通道、排料机构、回送装置和控制系统，实现粮 食的动态更新。满足在线测量的要求。 对电容传感器进行研究，完成传感器的信号处理电路部分。 基于d s p 、m c u 双核处理器的信号检测及处理系统的设计。 对影响测量结果的介质损耗、物料温度、物料压实度等因素进行研究分析，探索测量中 振荡频率的控制和温度补偿等，建立水分一频率、温度方程 进行静态试验、试验台上的模拟试验研究。 5 黑龙江八一农垦大学硕士学位论文 第二章谷物水分在线测量硬件系统研究设计 第二章谷物水分在线测量硬件系统研究设计 2 1 电容式谷物水分传感器机械装置的设计 电容式谷物水分传感器机械装置包括取样进科口、取样出料口、电容传感器，螺旋输送器、 驱动电机以及相应的控制电路等l i “。谷物水分传感器能否动态检测到收获谷物的谷物含水率， 与这些外部设备有很重要的关系。 收获机械收割谷物时，为了满足谷物的实时取样，在联合收割机上设计并安装一取样通道， 将一部分谷物通过取样口灌入谷物含水率传感器，当谷物充满了传感器，便可进行数据测量，当 检测完毕后，由m c u 发出信号至控制驱动电机的继电器，使其吸合后导通驱动电机的连接电路， 驱动电机开始运转，进而带动螺旋输送器工作，通过出料口将电容传感器里的谷物排出，同时会 有新的谷物充满谷物通道，灌入电容传感器，规定时间后再由m c u 发出信号至控制驱动电机的 继电器，使其弹开后断开驱动电机的连接电路，驱动电机停转，这个过程周而复始，促使谷物不 断更新，从而使安装的水分传感器能实时检测到谷物含水率。 工作原理框图如图2 - 1 所示，传感器机械装置外形结构及实物如图2 2 、图2 - 3 所示。 围2 - 1 谷物含水率传巷器原理框图 f i g u r e 2 - 1 t h ec a p a c i t a n c e n w a t e r r a t i o n r s p r i n c i p l e f r a m ed i a 蛐 田2 - 2 电容式谷物含水率传感器实物图 f i g u r e2 - 2 t h e m a t e r i a l o 巧o c c p i c t m e o f c a p a c i t y $ 目l l s o r 6 田2 - 3 电容式谷物含水率传感器结构圈 f i g u r e 2 - 3t h e $ t r u c t m a l d i a g r a m o f c a p a c i t y g m j o r 黑龙江八一农垦大学硕士学位论文第二章谷物水分在线测量硬件系统研究设计 2 i 。1 电容式谷物水分传感器原理、结构及影晌测量因素分析 传感器采用圆柱型结构，圆柱体内芯为柱状绝缘实体，与圆柱外壁间形成电容传感器的双电 极，圆柱体底邦与外壁间留有一定闻隙，以保证粮食的流动并充满圆柱体。采用圆柱形容器作为 传感器与采用平板式容器作为传感器相比测量值受边缘效应影响小，操作也较方便【。结构原 理如图2 - 4 所示。 胭2 - - 4 电容式水分传罄器结构图 f i g u r e2 - 4t h es m t c t m a ld i a g r a mo f c a p a c i t a n c em o i s u rc o n t e n t 柱型电容传感器由两个同芯金属圆柱面作为电极组成，两电极高为l ，内电极半径为r ，外 电极半径为r 。当i ) r f 时，可忽略圆柱的边缘效应。 为了保证水分颡4 量的耪度，被测物放入( 流入) 干睾感器内时应保证一致性，有规律流入传感器。 同时，在传感器设计过程中。由于温度变化对电容变化的影响，引起水分变化与电容变化呈非线 性关系，因此，设计时应该考虑非线性补偿和温度补偿问题，这也是本课题研究的主要技术难点 内容之一。因此，圆柱体外壁直径，绝缘实体高度与直径、圆柱体底部与外壁闻隙值、以及电容 信号的引出方式均应在建立数学模型的基础上，通过科学计算与实验验证相结合得出。 柱型电容传感器的计算公式为1 1 s l 1 9 1 ：c o ：；! ：些 ( 2 1 ) m k ， 袭2 _ 1 柱型电容传乐器的计算公式变量含义 t a b l e2 - 1t h ec a l c u l a t i o nf o r m u l av a r i a b l e sd e f i n i t i o no f c o l t m m 卯cc a p a c i t a n c es c f l s o r 符号含义符号含义 c电容值 r电容传感器外筒内径( 外电极) ( 锄) 8介质介电常数 f 电容传感器内筒内径( 内电极) ( 嘲) l 传感器救入介质的高度( c m ) 当放入介电常数为的物质时相对介电常数为砟有：8 r = 三( 2 2 ) 岛 则此时的电容为：c = 8 r c o ( 2 3 ) 放入介质后的电容为：c = 言茄= ! ：i 篙手 ( 2 4 ) 对于含水率为m 的谷物。相应的介电常数为，。当含水率变化为a 膨+ m 时，相应的介电 7 黑龙江八一农垦大学硕士学位论文第二章谷物水分在线测量硬件系统研究设计 常数变化为拈，+ 5 ，则电容变值化为： a c + c ：t 2 7 t 2 0 a s r l + 三塑丝：2 f f s o b r l ( 1 + 垒马( 2 5 ) 1 n r ，i n r ， i n r r 。 即：a c ：堡( 2 6 ) l 由此可知，电容值相对变化等与粮食相对介电常数的相对变化垒生之间呈线性关系，所以 ， s r 可以通过测量电容值的变化从而求得粮食介电常数的变化，继而求得粮食水分的值。 由于传感器装入粮食前后的电容变化值为： a c = c c o = 主斋。一s o ) = k x ( e - 邱i 斋( 取上= k r ，k 为大于l 的常数) ( 2 7 ) 当变化量c 值取最大值时，可确定r 与r 的比例关系。 将c 对r 求导数，并令安芋：o 。 r1 、 矶c 蜊= k x ， i n r 引= k z ( s q ) ( 拦r 。 一o k， l n 垦一l ：o 。墨：p ，置；口 ( 2 。鲍 ， r 按照r = e r 的关系制造电容传感器，可以保证电容变化值a c 为最大，不仅提高了电容传感 器的灵敏度，也为后续电路的设计提供了方便。 本试验设计的电容传感器尺寸为r = 4 0 m m 、f 1 5 m m 、l = 1 1 0 m m 。为了提高电容传感器的灵 敏度，减少外界干扰、寄生电容及漏电的影响和减小非线性误差，采取以下措施 2 0 1 ：( 1 ) 使用双 层屏蔽线，将电路同传感器装载在一个壳体里，可以减少寄生电容和外界干扰的影响。( 2 ) 减小 极板厚度可以减少边缘的截面积，使边缘电场强度减弱，因而减小了边缘效应的影响，本设计选 择了最适合的传感器材料黄铜作为材质。 传感器所测电容除与谷物水分m 成单值函数关系外，还受谷物的固相谷物的干物质，液 相谷物的水分，气相谷物间隙中的空气这三相的介电常数q 、旬、岛以及谷物孔隙率e 的 变化的影响【2 1 l 。影响介电常数的主要因素是温度及电容器所加交流电场的频率，在确定的温度 及电场频率下，自、丘，岛均可视为常量。温度变化引起的介电常数的变化可通过温度补偿法 来修正1 2 2 1 1 2 3 1 ，谷物孔隙率e 的变化是影响电容传感器测试精度的主要因素，直接在线测量时， 由于粮食流道、流速的制约，在流道中可获得大致均衡的堆密度。 2 1 2 传感器进料口和出料口的尺寸设计 谷物取样通道的进鹞口和出料口尺寸是有一定要求的，如果进料口过大，谷物大把流入；如 果进料i = 1 过小，取样谷物就太少，测量值又不能实时测量实际收割到的谷物含水率l 。出料口 如果过大，会让排出出料口速度过快，导致谷物下降过快，传感器也不能真实地测量谷物含水率； 出口过窄，谷物不易捧出，因螺旋片的挤压使谷物形成硬块，迫使驱动电机堵转嘲。 8 黑龙江八一农垦大学硕士学位论文第二章谷物水分在线测量硬件系统研究设计 通过试验和分析确定了进料口尺寸为：上口宽2 5 0h i m ，下口宽8 0 r a m ，高2 0 0 r a m 。出料口 的尺寸设计为接近一个螺距( 7 5 m m ) 的宽度6 0 r a m ，这样可以避免发生将谷物挤压成块的现象。 2 1 3 传感器螺旋输送器的设计 为了把测量过水分的谷物排出传感器，需外加动力，需要设计螺旋输送器。螺旋输送器的组 成为：底座、金属螺旋、拨轩。 其工作方式为：金属螺旋焊接在直径1 5 m m 的钢管上，钢管的一头插在底座上( 可转动) ，另 一头焊有直径1 7 r a m 长度为2 4 0 r a m 的拨杆，电机运转时，通过拨杆的传动带动搅龙运转，从而 螺旋式地将谷物推出出料口。搅龙的设计方法为： c i = ( d ) 2 + f 2 ，c j = ( 栅2 + f 2 ( 2 1 0 ) 脯+ 孚一寿 眩t t ， ：型二鱼3 6 0 。，( 2 1 2 ) 2 删 6 = d - d( 2 1 3 其中：c l 为大圆周长；c 2 为小圆周长；r 为大圆半径；f 为小圆半径；a 为开口角度；d 为 叶片外径；d 螺旋输送器的轴径；t 为标准螺距嘲。 根据选定螺旋输送器的轴径为1 6 r a m ，叶片外径为7 0 m m 。螺距按机床具有的标准螺距，取 t - - 4 8 m m 。将d = = 8 0 m m 。d = 2 4 m m ，# 4 8 m m 带入公式进行计算得到：c l - - - 2 5 1 8r i l l s ；c 2 = 8 9 2n l l n | r = 1 5 ai i l l l l ：r = 4 3 4 m m ；a = 2 7 0 。 螺旋输送器的外型及尺寸如图2 - 5 所示 圈2 - $ 螺旋输送器外型、尺寸圈 f i g u r e 2 - 5m 日m i a n d d i m e n s i o n d i a g r a v a o f a u g e r g a t h e r e r 9 黑龙江八一农垦大学硕士学位论文 第二章谷物水分在线测量硬件系统研究设计 叶轮图外型和尺寸如图2 - 6 。 每 i 圉2 - 6 叶轮外型、尺寸围 f i g u r e2 - 6t h ee x t e r i o ra n dd i m e n s i o nd i a g r a mo f i 唧卸c r 2 1 4 驱动电机及其控制电路的研究设计 收割机的电源为1 2 v 酸性蓄电池，而谷物含水率传感器，也是采用1 2 v 的电源，为统一供 电电源，本研究也采用1 2 v 的低速永磁电机，其转速为6 0 f r a i n 。 选择合适的进料、排料出口宽度后，螺旋输送器不产生谷物挤压现象。选用的电机如图 2 7 所示。 为便于调试，试验期间电机的控制电路如图2 - 8 所示。图中安置了手动按钮s 3 ，以便在需 要时，人为将取样通道中的谷物全部排净。 围2 - 7 驱动电机实物图 f i g m 2 - 7t h e m a t e r i a l o b j e c t p i c t u r e o f d r i v e n m o t o r 2 2 信号检测及处理电路的设计 图2 8 驱动电机控制电路 f i g u r e2 - 8 t h ec o n t r o lc i r c u f lo f d r i v e nm o t o r 本文所研制的传感器电路采用谐振电路来测电容，电容传感器的电容凸作为谐振回路 ( 上2 ，c 2 ，q ) 的一个部分，谐振回路通过电感藕合，从稳定的高频振荡器中取得振荡电压，当 c x 发生变化时，谐振回路的阻抗发生相应的变化，经过整流和放大后，得到相应的电压变化。 谐振电路原理如图2 - 9 所示。 。 i 0 黑龙江八一农垦大学硕士学位论文 第二章谷物水分在线测量硬件系统研究设计 船锄 圈2 9 谐振电路原理圈 f i g u r e2 - 9t h ep r i n c i p l ed i a g r m no f 5 ”n y 缸 u i t 谐振电路具有灵敏度高、频率量容易取得以及电路稳定性好等优点，水分一频率关系较简单。 数据处理相对容易采用了四】鲫。频率式检测电路是将电容传感器作为一个元件，接入振荡电路 中，建立粮样水分( 吖) 与振荡电路振荡频率变化( ，) 之间的函数关系p ”，由此通过测量频率值便 可计算出被测粮样的水分值。 信号检测及处理电路的总体框图如图2 1 0 所示 田2 - 1 0 信号检测及处理电路的总体框图 f i g u r e 2 - 1 0m b l o c k d i 猁p o p u l a t i o n o f s i g n a l d e w i o n a n d t h e p r o c e s s i n gc i r c u i t 2 2 1 基于w l , x 0 3 8 的方波发生电路 1 、m x 0 3 s 工作原理 函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途，可以由晶体管、运放i c 等 通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器i c 产生p ：z 1 1 3 3 1 。早期的函数信号发生器i c ， 如l 8 0 3 8 、b a 2 0 5 、x r 2 2 0 7 2 2 0 9 等，它们的功篚较少，精度不高，频率上限只有3 0 0 k h z ，无 法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。鉴 于此，美国马克西姆公司开发了新一代函数信号发生器i c - - m a x 0 3 8 ，它克服了上述芯片的缺 点，可以达到更高的技术指标，是上述芯片望尘莫及的。m a x 0 3 8 频率高、精度好，因此它被 称为高频精密函数信号发生器i c m l 。在锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路 的设计上，m a x 0 3 8 都是优选的器件彤l 。 m a x 0 3 8 的性能特点： - ( 1 ) 能精密地产生三角波，锯齿波、矩形波( 含方波) 、正弦波信号。 ( 2 ) 频率范围从0 1 h z 2 0 m h z ，最高可达4 0 m i - i z 各种波形的输出幅度均为2 v ( p - p ) ( 3 ) 占空比调节范围宽，占空比和频率均可单独调节，二者互不影响。占空比调节范围是 1 0 9 0 ( 4 ) 波形失真小，正弦波失真度小于o 7 5 ，占空比调节时非线性度低于2 黑龙江八一农垦大学硕士学位论文第二章谷物水分在线测量硬件系统研究设计 ( 5 ) 采用士5 v 双电源供电，允许有5 变化范围，电源电流为9 0 m a ，典型功耗4 0 0 m w ，工 作温度范围为o 7 0 。 ( 6 ) 内设2 5 v 电压基准，可利用该电压设定f a d j 、d a d j 的电压值，实现频率微调和占空 比调节。 m a x 0 3 8 采用d i p - 2 0 封装形式3 0 ，各管脚的能如表2 - 2 所示嗍。 裹2 - 2m a x 0 3 8 各引脚功能介绍 t a b l e2 2t h ef u n c t i o ni n t r o d u c e so f t h ef o o to f m a x 0 3 8 对于三角波、方波、正弦波3 种信号，其信号产生电路的核心器件为m a x 0 3 8 ，3 种输出波 形由波形设定端a 0 ，a 1 控制，其编码如表2 - 3 所示。其中x 表示任意状态，l 为高电平，0 为 低电平。 裹2 - 3a 0 ，a i 编码襄 t a b l c2 - 3t h ec o d eo f a 0 、a l 2 、电容测量电路设计 本电路中，引脚d a d j 接地，使该信号发生器各种波形的占空比固定为5 0 ，m a x 0 3 8 的 输出频率由i i n 、f a d j 端电压和主振荡器c o s c 的外接电容器传感器c ，三者共同确定p 1 。当 1 2 黑龙江八一农垦大学硕士学位论文第二章谷物水分在线测量硬件系统研究设计 u p z l s = 。矿，电容传感器c f 发生变化时，根据公式局= 瓦2 了x ：2 百5 ( 2 1 4 ) 由1 9 脚o u t 输出脉冲信号昂，经过信号调理电路输入d s p 。 根据传感器结构特性，空筒和满筒的电容值在3 0 p f 6 0 p f 之间变化，如果将传感器直接作 为c 。接到c o s c 和地之间，当空桶接入时会使c ，过小，造成振荡频率不稳。因此，在设计中， 接入一个固定电容c , = 1 5 0 p f ，由c 4 和r m 提供本振频率。在测量时将传感器并接在c 4 两端。 所以c f = c 4 + c x ，白= 0 ( 2 1 5 ) 本振频率：，o = 瓦2 ：x 面2 5 = 而而i 万5 五：i i ：万= 3 3 。t 舷 ( 2 1 6 ) 另夕卜，在传感器输入端，加上隔直电容g = 0 1 i l f 消除直流飘移，因为g 比较大，与c 4 和c j 处于串联状态，所以它对测量值的影响可以忽略不计p q 嗍。 不接传感器时电路图如图2 - 11 所示： 圈2 - - 1 1 倍号发生及放大电路 f i g u r e 2 - 1 1t h e c i r c u i t o f s i g n a l o c c u r f a n d a m p l i f i c a t i o n 2 2 2 温度传感