电容传感器在粮食水分检测中的应用论文.doc

二九届毕业设计存档编号：毕 业 设 计论文题目 电容传感器在粮食水分检测中的应用（英 文） the application of capacitive grain moisture sensor学 院 专 业 姓 名 学 号 指导教师 2009年 5 月 26 日电容传感器在粮食水分检测中的应用摘 要 水分检测技术是一门涉及多学科的综合性技术。几十年来，通过科技人员的不懈努力，已取得了令人可喜的成果。但由于水分检测影响因素较多，现有的水分仪在检测精度及重复性上一直不能取得令人满意的效果。本次毕业设计，作者进行了一些探索性的尝试，为水分检测传感器的设计提供了新的依据。本文的主要内容可归纳如下:（1）分析了粮食的介质特性，扼要介绍了现代水分检测技术的基本原理,指出了各自的优缺点。（2）运用机理建模原理建立了电容式粮食水分传感器的物理模型，得出了电容式粮食水分传感器电容参数与被测粮食含水量的数学模型。（3）对数学模型进行了matlab仿真和分析，设计了电容传感器的具体检测电路。（4）运用粮食的导电浴盆效应得出了传感器的等效电路，分析了影响传感器电容量的因素。关 键 词粮食水分；电容传感器；数学模型；matlab仿真；检测电路abstract the technology of moisture measurement is a synthetic technology relating to many subjects.during the past several decades,by the researchers hardwork,some prominent successes have been achieved.whereas,due to the influences of several other factors in moisture measurement,the measurement precision and the repeatability are not satisfied.in the thesis，more advanced method and exploring study is carried out.these provide new ideas for the design of the moisture measurement sensor.the major points of the thesis include: (1)it analyzes the medium property of grain.the principles of current moisture instruments are analyzed and their merits and defects are pointed out. (2)it also establishes the physical model of capacitive grain moisture sensor by using mechanism modeling theory and deduces the mathematical model for its capacitance parameters and moisture content of measured grain. (3)the matlab and analysis of mathematical model are also presented.and then a measuring circuit of the capacitive sensor is designed. (4)it also obtains the equivalent circuit of sensor by using electric conductivity bathtub effect of grain, analyzes the factors that may influence the capacitance of sensor.key wordsgrain moisture;capacitive sensor;mathematical model;matlab;measuring circuit目 录摘 要.1abstract.20.绪 论50.1粮食中的水分及粮食介电特性分析50.2粮食水分检测的意义60.3国内外水分检测水平71.水分测量方法概述71.1干燥法81.1.1电烘箱法81.1.2干燥称重法81.1.3红外烘干法81.2化学法91.2.1蒸馏法91.2.2卡尔费休法91.3射线法91.3.1红外线法91.3.2微波法101.4电测法101.4.1电导法101.4.2电容法112.电容传感器的数学建模112.1电容传感器的基本工作原理及物理模型112.1.1 电容传感器基本工作原理112.1.2 电容传感器的物理模型122.1.3 电容式水分传感器的结构优化132.2 传感器数学模型的建立143.传感器的数学模型matlab仿真及其检测电路的设计163.1数学模型的matlab仿真163.2电容传感器检测电路的设计193.2.1 电容传感器特点及常用测量方法193.2.2 检测电路总体框图193.2.3 用到的关键芯片193.2.4 测量原理213.2.5 测量电路223.3 电容传感器检测系统软件设计233.3.1主程序流程图233.3.2中断程序的设计244 传感器影响因素的分析2541 传感器的等效电路2542 电容传感器的误差274.2.1 传感器的温度误差274.2.2 传感器的其他误差275.总 结28致 谢29参 考 文 献300.绪 论粮食是人类赖以生存的物质基础，在国民经济建设及各个行业中起着举足轻重的作用。粮食质量的好坏倍受人们的关注，而粮食中的水分是影响粮食质量的重要因素，它也是国内外粮食部门严格控制的一项重要质量指标。随着科学技术的发展和人们的生活水平的提高，粮食的水分检测越来越引起征购、生产、加工、储藏、运输和消费等各个环节的重视，粮食水分已成为科研与生产过程中的法定计量参数。但由于水分分布复杂，影响因素较多，很难实现既准确又快速的现场检测。传统的烘干失重法和电参数法已不能满足现代社会水分检测的需要，电解质物理学、半导体物理学、化学、微生物学、传感器技术、信息融合技术、专家系统等诸学科的发展，为水分检测的研究提供了新的科学依据。 0.1粮食中的水分及粮食介电特性分析粮食是由淀粉、蛋白质、脂肪等高分子有机化合物以及水分和少量矿物质组成的混合物，不同品种的粮粒内部存在着不同结构、不同性质的基因，因此粮食的介电特性是各种物质结构与成分的综合反映1。小麦、稻谷、玉米、高梁、大豆等主要粮食品种中，淀粉成为这些粮食的主要成分。淀粉是以葡萄糖为基本结构单元，形成直链状和支链状高分子化合物结构。在分子中含有轻基、梭基氧原子等极性点，能以氢链的形式和水分子结合。蛋白质可分成单纯蛋白质和结合蛋白质两类，不论哪类蛋白质，当受酸、碱或酶的作用时，均可水解成各种氨基酸，在化学结构上的共同特点是在梭基邻位的碳原子上有一个氨基，在肤链的侧链中尚有未结合的极性基因团，如氨基、梭基、酚基、轻基等。蛋白质的立体结构十分复杂，分子量大者百万计，小者在一万以上，水分子与各种极性基因结合的机会是很多的。分析粮食组织结构可知，粮粒以化学键力与水吸附时，象化学反应一样放出较多的热量，这称为化学吸附。这样吸附的水，是在粮粒生长过程中自然形成的，存在于粮食细胞内与粮粒内亲水物质结合得很牢固，性质很稳定，难以解吸。这种水称为胶状结合水，简称结合水。结合水不参加导电，但电特性分析它仍保持强极性分子的介电特性。粮粒是具有生理作用的物质，水分子可以通过毛细管的呼吸作用进入粮粒内部。在毛细管内壁凝聚一层水分子，并层层吸附，形成多层分子，有的水分子还进入粮粒分子的间隙。靠分子间的作用力而吸附的这部分水称为游离水，它具有普通水的性质，能导电。游离水与粮粒结合得不牢固，其含量是不稳定的，随环境湿度的变化而变化，在粮食密闭的情况下，由于粮粒的呼吸机能作用，将与环境的湿度达到相应平衡。如果环境湿度降低，则粮粒内部的游离水分逸出，呈现散湿;如果环境湿度升高，则呈现吸湿，粮食的水分增加。所谓粮食的含水量应是结合水与游离水之和。由于结合水与粮食内亲水物质结合很牢固，不随环境湿度的变化而变化。因而平时检测指示的水分指的是游离水。从电磁理论分析，粮食的介电特性应是由粮食的各种成分、分子结构的电性所共同决定的，但大量实验测量表明，失去游离水分的干燥粮食，相对介电常数很小，这表明尽管淀粉、蛋白质等是有极分子，但它们表现的极性很弱。而水的相对介电常数高达81。显然影响粮食介电特性的主要因素是粮食中的游离水分。这就为通过对介电特性的测定而确定粮食含水量提供了理论根据。但真正实现准确的测量，需要认真分析影响介电特性的多变因素。 0.2粮食水分检测的意义粮食中的水分不仅是粮食籽粒细胞的必要组成部分，还是维持粮食籽粒本身生命活动和保持色、鲜、味及使用品质所必需的，因此，粮食水分既不能过高，也不能过低，要保持适宜2。水分过高，重量加重，浪费运力和仓容，而且促使粮食生命活动旺盛，容易引起粮食发热、霉变、生虫和其它生化反应，以致使粮食变质。水分过低，会破坏其有机质，损坏干物质减少重量。所以，粮食水分的测定是安全存储的主要依据，同时又是加工工艺选择和技术参数配备的依据，还是粮食商业环节中以质论价的依据。粮食在收购、储藏、运输等过程中，因水分含量过高而造成损失高于5%，折合人民币的损失就是上百亿元，损失巨大。在其它行业，如化工、医药、造纸、纺织、冶金等行业，水分也是决定产品质量的基本工艺参数，水分的准确测定是产品质量的重要保证。水分对金属产品的影响也很严重，它可导致金属氧化和生锈。综上所述，水分检测对于国民经济建设和人民生活有着巨大的社会和经济效益。 0.3国内外水分检测水平上世纪六十年代以来，世界各国对水分检测技术的发展都十分重视。水分检测的新技术和新方法不断产生，先进的水分检测仪正在各个行业被推广与应用。之前具有较先进技术并占有较大水分仪份额的国外研究机构与生产机构有:日本kett研究所、日本岛津制作所、美国denver公司，其中，日本kett研究所研制的将小型红外烘箱与电子天平结为一体的fd一620型水分快速测定仪，将红外与杠杆式双盘天平结为一体的f一lb型快速水分测定仪，以被测物质为电容介质的量杯式pm-5013型水分快速测定仪等产品，用于各种谷物、油料、食品等物质的水分测定仪，已成为广泛应用的定型产品3。国内的水分检测技术研究起步较晚，七十年代前基本采用烘干失重法和化学方法，自从八十年代初开始研究新型水分检测方法。我国还从八十年代中期起不定期举办水分检测技术研讨会。过去，已形成定型产品的科研与生产单位有:湖南仪器仪表总厂、上海天平仪表厂、武汉无线电二厂、成都无线电三厂、山东青州无线电二厂、湖南毅格科技发展有限公司等。在我国，由于水分检测手段的不是很完善，水分含量过高在储藏与运输过程中霉烂变质，损失巨大。近二十几年来，国内外研究生产了各种水分快速测定仪，以求取代耗时费电、不宜现场使用的传统烘箱干燥法。目前的水分快速测定仪受检测原理限制，检测的局限性较大，普遍存在检测误差大与重复性差等问题，未能得到用户的首肯和国家有关部门的认可。长期以来，粮食与种子收购现场的水分检测一直不能摆脱人工检测的感官判断方法，所以，粮食水分检测技术的研究工作具有重要的实际意义。1.水分测量方法概述 当前发展较为成熟，已被国内外一些行业和用户普遍采用的水分检测方法主要分为直接法和间接法，包括烘干法、化学法、电测法、射线法和中子法等。其中采用105烘干法是获得粮食、油料、食品等物质水分含量真值的标准方法34。 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: (1.1)式中，w1为被测样品干燥前的重量; w2为被测样品干燥后的重量。直接法检测精度高但费时，不适于在线检测。间接法是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。 1.1干燥法 1.1.1电烘箱法电烘箱法是利用电烘箱对被测物质进行加热使水分蒸发的物理现象进行水分检测的。利用样品加热前后重量的变化检测样品水分，检测时需要较长的烘干时间，但精度高，可以作为检验其它方法的检测标准，一般用于实验室检测。根据烘干温度和样品含水量的高低分类，有烘箱恒重法(烘干温度105士2，烘干时间在2h-3h)、130士2电烘箱法(烘干时间40min)及隧道电烘箱法(160士2烘干时间20min)，对于高含水量的粮食，可采用双烘干法(谷物含水率超过18%，油料超过15%)4。 1.1.2干燥称重法干燥称重法是利用真空处理技术、微小重量测定技术及数据处理技术来测定水分的。它不受被测物形状的影响，精度及可靠性高，可检测微量水分。例如日本的vme型微量水分仪采用的就是减压法，测水范围0.01%一10%，检测时间为5min4。 1.1.3红外烘干法红外辐射器靠红外辐射主波长与水的吸收峰值波长相匹配，使水分子剧烈运动而升温加速蒸发，缩短了烘干时间。检测精度可达0.1%，检测时间为10-20min，如日本研制的fd-230、fd-310及fd-600型等红外水分仪，均采用红外烘干方法4。 1.2化学法 1.2.1蒸馏法蒸馏法是一种常用的化学检测水分方法，将样品粉末及蒸馏液(甲苯、二甲苯)混合入蒸馏瓶中，利用所加蒸馏液不溶于水及混合后沸点低的特点，加热将水分蒸馏出来。这种方法容器壁易附着着蒸馏出来的水分，所以会造成一定的误差4。 1.2.2卡尔费休法卡尔费休水分仪主要有两种，容量法和库仑法。容量法测定水分是根据试剂中的碘能与水发生定量反应的原理进行检测，目前在试剂的组成、配制和标定等方面都有了很大的发展，分析量限从常量扩展到微量水范围，但每次工作前要用标准物质测定试剂的滴定度，以保证检测结果的准确可靠。库仑法的研究稍晚于容量法，它基于库仑法产生碘的技术。同容量法相比，后者有独特的优点，由于同水进行定量反应的碘是通过电解反应产生的，这不但有利于解决卡氏试剂储存过程中的不稳定问题，同时省去了试剂的标定工作，可以用标准物质对仪器直接进行标定，而且电解液可以连续使用，非常适合于做微量水的测定。这种方法检测精度高，但可测样品量少，试剂成本高，安装麻烦，电路复杂，维护困难4。 1.3射线法 1.3.1红外线法红外线法吸收式水分仪的理论基础是比尔定律5，水分对1.64um或1.94um波长的红外辐射有强烈的吸收带。通过被测样品后的光强为: (1.2) i0为通过被测样品前的光强;k为吸收系数;t为被测物的厚度;m为被测物的含水量。两边取对数得被测物的水分含量: (1.3)由于物质含水量的不同对特定波长辐射的吸收能量也不同，只要测得吸光度便能完成含水率的测定。具体方法有反射法、透射法、反射透射复合法。用于粮食水分检测的主要是反射法。它具有无接触、速度快、连续检测、检测范围大、准确度高、稳定性好等优点，而且可以测导电性物质的水分，最高精度可达0.1%。缺点是受样品形状、密度、厚度等影响，难以检测物质内部水分，设备价格高45。 1.3.2微波法水的介电常数特别高，而且在超高频范围内存在介电损耗最大值。微波法就是利用超高频能量通过样品产生能量损耗的变化计算出水分值。根据电磁能量关系，超高频能量在含水物质中的衰减量w(db)为: (1.4)m为相对水分含量,为空气-被测物之间反射系数的模，b为含水物质的相数,为水的衰减系数，为密度因数，k为材质因数，t为被测物的厚度。若被测物厚度t足够大，式1.4中的第三项可以忽略，水分量表示为： （1.5） 微波法的优点是不损坏试样，能检测水分含量的绝对值，可以连续在线检测。缺点是受形状、密度、厚度等影响，仪器复杂，价格较高45。 1.4电测法 1.4.1电导法电导式水分仪是利用物体的电导或直流电阻随其含水量的不同而变化的原理设计的，根据电导的变化来检测物体的含水量。电阻rx二与含水率m的关系为: (1.6)k1、k2为常数，含水率与电阻之间呈对数关系。电导式水分仪具有结构简单，响应速度快，成本低等优点;缺点是一般需要把粮食磨碎，压制成固定大小和形状的电阻，不宜检测微量及高含水量物质的水分，此外,电极与样品接触时的状态，也会影响检测的精度4。 1.4.2电容法电容法测量粮食水分是基于干燥粮食的相对介电常数远小于水而含水粮食的相对介电常数介于干燥粮食与水之间这一介电特性进行的。干燥粮食的相对介电常数在常温下小于5，而水在16.3时，其介电常数高达81.5，在其它温度下也约为80。粮食水分含量的高低将直接影响粮食介电常数值的变化。若以粮食作为电容器的极间介质,当电容器的极板面积a、极板间的距离d保持不变时，通过测量此电容器的电容值变化即可测定粮食的相对介电常数值，由此可获得被测粮食的含水量。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、圆筒式等电极结构。电容法与电导法相比，电极与样品接触要求不是很严格，可靠性高，简便经济,易维护，可用于在线检测。缺点是影响因素多(受温度、品种、紧实度等影响)、数据复杂。电测法检测中，影响检测结果的因素较多。所以在检测过程中必须考虑到这些因素，进行相应的补偿，才能提高检测的精度。上述几种方法是当前粮食水分检测中的常用方法，另外，核磁法、色谱法、碳化钙法等也可以用于粮食水分的检测。在检测过程中，由于影响检测的因素很多，数据复杂，有些系统采用一些先进的数据融合技术和人工智能方法，对于加速检测和误差的修正及稳定性的提高都起到了很好的作用4。2.电容传感器的数学建模 2.1电容传感器的基本工作原理及物理模型 2.1.1 电容传感器基本工作原理 电容传感器是将被测非电量的变化转化为电量变化的一种传感器。它具有结构简单、分辨力高、可非接触测量, 并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作的优点。电容传感器的工作原理是基于物体间的电容量与其结构参数之间的关系。由物理学可知,电容器的电容是构成电容器的两极板形状、大小、相互位置及电介质介电常数的函数。在不考虑边缘效应的情况下,其电容量c 为： (2.1)式中:0 为真空介电常数;r 为介质的相对介电常数; s 为极板面积;为极板间的距离6。 通常电容传感器的应用是基于其中一个参数的变化,而另外两个参数是固定不变的。通过三个参数r 、s 、其中之一的变化,来测量压力、液位、料面、成分含量（如油、粮食中的含水量）、非金属材料的涂层和油膜厚度,以及电介质的湿度、密度、厚度等。本设计的电容传感器检测原理是将被测谷物放入传感器两极板间的介质空腔, 由于谷物含水量不同,从而使电容传感器的相对介电常数发生变化, 即引起了电容值变化, 从而测出谷物的水分含量。 2.1.2 电容传感器的物理模型由于所测的谷物为颗粒形状, 其装人容器中存在许多气隙, 因而其介电常数较小, 但其传感器的极板有效面积不能太小, 因此本设计中的电容传感器采用同轴的圆筒型电容传感器。采用圆筒型电容传感器的另一目的是它的电极是非对称的, 即内极板被外极板所包络, 这样可以十分有效地抑制人体感应。电容传感器采用同轴圆筒, 由两个同心金属圆柱筒面组成。圆筒式电极结构的传感器结构如图2-1所示7： 图2-1 圆筒式传感器结构图7圆筒式电容式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lr-r时，则可将两端边缘处电场不均匀性的影响忽略。设电容器两极板各带电荷+q和-q时，若忽略边缘效应，电荷均匀分布在内外两圆柱面上，圆柱每单位长度所带电荷的绝对值为（），由于两圆柱面间的电场具有轴对称性，故两圆柱间离开圆柱轴线距离为s处的电场强度的大小为: (2.2)0为真空介电常数。两极板间的电势差为: (2.3)由电容器电容的定义可求得柱型电容器的电容为: (2.4)当极板间放入介电常数为的物质时相对介电常数为有: （2.5）则电容为: (2.6)放入介质后的电容: (2.7) 把带入上式，电容的计算公式为： （2.8）当粮食中的水分发生变化时，其相对介电常数也随着发生变化，因此传感器的输出电容也发生相应的变化，因此通过测量传感器电容的变化就可以得到粮食中水分的含量，这就是电容式传感器测量粮食水分的工作原理。 2.1.3电容式水分传感器的结构优化电容传感器采用同芯柱型传感器，这种传感器如果柱高远大于两极板间距时边缘效应较小，而且该传感器的形状适合粒状物的水分检测。如式（2.8）所示，装人粮食前后电容的变化量为： （2.9） 取极板的长度远大于r与r的差，即l=kr，k为大于1的常数,则可按变化量最大来确定r与r的比例关系，求的一阶导数并令 （2.10）则 (2.11)得 （2.12）满足上式的条件为：r=er。按照此关系制做电容器，才可保证放人样品前后有最大的电容变化量，这意味着提高了传感器的灵敏度，有益于后续电路的设计。传感器总体设计还需考虑: 1) 电极厚度小。由于传感器的体积有限, 电极本身除具有一定的抗氧化性外, 其厚度应充分小, 以削弱边缘效应, 最好采用镀金层作为电极。 2) 几何对称。两筒状电极的内外圆度应一致、同轴, 以保证良好的梯度均匀性。 3) 介质损耗小。由于筒状电极应具有一定的刚度,因此内外电极用衬套加固是十分必要的。但衬套本身应具有较低的介质损耗, 即高频性能要好, 通常采用聚四氟乙烯, 另外, 衬套应轻薄。 4) 由于空气和谷物的介电常数不同, 如果每次电容器充满谷物时, 它的松紧度不同, 对测试精度将大有影响。所以传感器需在每次采样之前对电容器中的粮食加以相同程度的振动。可以使粮食均匀的分布于内外电极之间, 可以保证良好的重复性7。本次设计采用厚度为0.2mm 的紫铜做为电容式传感器的两个极板。r=15mm，r=40mm，l =80mm。在极板外面加装金属屏蔽罩，减少外界寄生电压的干扰。 2 .2 传感器数学模型的建立从上面我们知道，粮食的介电特性应是由粮食的各种成分、分子结构的电性所共同决定的，但大量实验测量表明，失去游离水分的干燥粮食，相对介电常数很小，这表明尽管淀粉、蛋白质等是有极分子，但它们表现的极性很弱。而水的相对介电常数高达81。显然影响粮食介电特性的主要因素是粮食中的游离水分。同时，环境气温和被测粮食的紧密度也是影响粮食介电特性的因素。因此，我们可以把被测粮食抽象成固相、液相和气相。固相：粮食中不含水分的干物质，设其在传感器中的高度为h1，体积为v1，重量为g1，密度为，相对介电常数为。液相：粮食中的水分，设其在传感器中的高度为h2，体积为v2，重量为g2，密度为，相对介电常数为。气相：粮食空隙间的空气, 设其在传感器中的高度为h3，体积为v3，重量为g3，密度为，相对介电常数。用三相物质构成不同介质电容并联的形式，所以，我们可以得到传感器的输出电容： （2.13） 设，可以得到： （2.14）三相物质的总重量g=g1+g2+g3g1+g2 = (2.15)粮食的含水率w=g2/g= (2.16)粮食的空隙比 e=v3/v=h3/h (2.17)由式（2.15），（2.16）及（2.17）式得到h1、h2和h3的表达式，代入公式（2.13）得： (2.18）其中， 当传感器的尺寸确定后，k0、k1和h是常数，当被测的粮食品种确定后，三相物质的密度、相对介电常数和粮食的空隙比e都可以近似为常数，所以，传感器的输出电容只与被测粮食的含水率和被测粮食的重量有关。所以公式（2.18）可以表达为如下形式： （2.19） 其中，。也即km、kn和kc都为常数。对于在传感器中被测的粮食来说，含水率越高，由于传感器所装粮食的体积一定，所以粮食的重量越大，因此传感器的输出电容也就越大，这一点可以从各种文献中的试验数据可以得到验证。 3.传感器的数学模型matlab仿真及其检测电路的设计 3.1数学模型的matlab仿真本设计中的尺寸r=15mm，r=40mm，l =80mm，根据，取真空介电常数0=8.85pf/m，空气介质介电常数=1，得到不放任何介质时电容器的值为：c=4.4485pf。查阅某些资料，以大豆为粮食样本时，电容与检测到的水分关系(温度为15），如下表格8：表3-1 查阅资料中水分-电容关系( 大豆,温度为15 )水 分w (百分单位）8.79.911.113.014.9 15.816.518.3电 容c（单位pf）31.5945.1756.70563.9270.34 79.88692.8977122.159根据此数据，利用matlab得到的关系图像如图3-1。matlab仿真的源代码为：x=8.7 9.9 11.1 13.0 14.9 15.8 16.5 18.3 ;y=31.59 45.17 56.705 63.92 70.34 79.886 92.8977 122.159;c=polyfit(x,y,3)x3=2:0.05:25;y3=c(1)*x3.3+c(2)*x3.2+c(3)*x3+c(4);axis(0 25 0 180);hold onplot(x,y,*,x3,y3,-r)如下图所示，水分与电容关系的图像是单调递增的曲线。水分在15%以下时，电容随含水量的增加而增加得较慢，当水分大于15%时，电容量就增长地较快。图3-1 查阅资料中水分-电容图像( 大豆,温度为15 )本设计中电容器的尺寸为：r=15mm，r=40mm，h=80mm，真空介电常数0=8.85pf/m，空气相对介电常数=1，水的相对介电常数为=80，粮食样品相对介电常数为=4，粮食样品的密度为=0.5g/cm3,水的密度=1g/cm3，由于空气所占的体积分数比较小，本设计取粮食的空隙比 e=0.1。当粮食水分含量小于20%时，水分所占的体积分数也比较小，可以忽略不计。根据，g=g1/(1-w)和上述数据得到： （3.1）查上述数据，依然按照同样的含水率，根据（3.1）式计算，得到的电容与水分关系如下表格：表3-2 本设计中水分-电容关系水 分w (百分单位）8.79.911.113.014.9 15.816.518.3电 容c（单位pf）35.8938.5441.2645.7250.38 52.6654.4759.26根据此数据，利用matlab仿真，源代码为：x=8.7 9.9 11.1 13.0 14.9 15.8 16.5 18.3 ;y=35.8964 38.5448 41.2647 45.7246 50.3836 52.6639 54.4715 59.2617 ;c=polyfit(x,y,3)x3=2:0.05:25;y3=c(1)*x3.3+c(2)*x3.2+c(3)*x3+c(4);axis(0 25 20 80);hold onplot(x,y,*,x3,y3,-r)得到的关系图像如下:图3-2 本设计中水分-电容图像如图3-2所示，与图3-1进行比较可知，本设计电容传感器的数学模型图像曲线也是单调递增型，变化趋势与所查文献资料中传感器设计思想一致。由于各种传感器的设计不一致，难免会存在各种方法之间的差异，导致传感器误差的影响因素将在后面的章节进行讨论。综上所述，本设计中电容传感器的数学模型是可行的。 3.2 电容传感器检测电路的设计 3.2.1电容传感器特点及常用测量方法 电容传感器由于受几何尺寸的限制，其容量都是很小的，一般仅几个pf到几十pf。因c太小，故容抗很大，为高阻抗元件；由于电容小，需要作用的能量也小，可动的质量也小，因而它的固有频率很高，可以保证有良好的动态特性。传感器的视在功率受电容的影响，c很小时，p也很小，这使它易受到外界的干扰，所以信号的提取比较困难。同时由于电容小，分布电容和寄生电容对灵敏度和测量精度都会产生影响。传统的测量方法采用模拟电路测量手段，主要有电桥电路（普通交流电桥、变压器电桥、双t二极管电桥）；脉冲宽度调制电路；调频电路等等。模拟测量方法电路环节多，容易受零漂温漂的影响，尤其对小电容的测量，更难以保证测量精度9。 3.2.2 检测电路总体框图本设计采用555多谐振荡器及单片机电路，总体框图如下所示：电容式传感器555多谐振荡器单片机led显示 图3-3 电容传感器检测电路总体框图3.2.3 用到的关键芯片 （1）555定时器工作原理 555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为555，用 cmos工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。555定时器的电源电压范围宽，可在4.5-16v工作，7555可在3-18v工作，输出驱动电流约为200ma，因而其输出可与ttl、cmos或者模拟电路电平兼容。 图3-4 555定时器的内部电路图10555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555定时器的内部电路框图如图3-4所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个rs触发器，一个放电管t及功率输出级。它提供两个基准电压vcc/3 和2vcc/3。555定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制rs触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器c1的反相输入端的电压为2vcc/3，c2的同相输入端的电压vcc/3。若触发输入端tr的电压小于vcc /3，则比较器c2的输出为1，可使rs触发器置1，使输出端out=1。如果阈值输入端th的电压大于2vcc/3，同时tr端的电压大于vcc/3，则c1的输出为1，c2的输出为0，可将rs触发器置0，使输出为0电平10。（2）80c52单片机 80c52是intel公司mcs-51系列单片机中基本的产品，它采用intel公司可靠的chmos工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的mcs-51的hcmos产品。它结合了hmos的高速和高密度技术及chmos的低功耗特征，它基于标准的mcs-51单片机体系结构和指令系统，属于80c51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。 80c52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器ram、8k片内程序存储器（rom）32个双向输入/输出(i/o)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。 此外，80c52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结cpu而ram定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存ram数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。80c52有pdip(40pin)和plcc(44pin)两种封装形式。主要功能特性：标准mcs-51内核和指令系统，片内8krom(可扩充64kb外部存储器)32个双向i/o口，256x8bit内部ram(可扩充64kb外部存储器)，3个16位可编程定时/计数器，时钟频率3.5-12/24/33mhz，6个中断源，5.0v工作电压，全双工串行通信口，布尔处理器，帧错误侦测，4层优先级中断结构，自动地址识别，兼容ttl和cmos逻辑电平，空闲和掉电节省模式，pdip(40)和plcc(44)封装形式，向上或向下定时计数器，改进型快速编程脉冲算法11。 3.2.4 测量原理 （1）555定时器的设计测量首先是将传感器的电容量变为频率信号。本设计的555多谐振荡器中，若被测电容为cx，其振荡频率为f=1.443/（r1+2r2）cx，振荡器原理电路如图3-5所示，线路结构简单，受电源等外界因素影响小，振荡频率稳定。图3-5 c/f转换电路原理图由电容传感器的作用原理可知，不管是其极板间距离d的改变、极板相对面积s的改变或是电容介质常数的改变，都表现为是电容容量的改变。因f与c成反比，要测量cx或cx，不能直接对f进行计数，用f计算cx更是繁琐，然而振荡周期t=1/f=kcx与cx成正比，所以，若定义一个可精确测量的参量a，采取一定措施，使得a=（1/k）t=cx，则测出a即得到cx，算出a也就等于算出cx。(2)555定时器与单片机的连接 根据上述的设计思想，利用有cx参与振荡的脉冲触发定时器启动和停止，在软件的控制下便可得到与cx相对应的a。若要测量一个cx约为100pf的电容，用555做成振荡电路，硬件调整时先用一个标准的100pf电容替代cx，调整r1使输出脉冲频率为20khz。单片机初始化定义int0为外部脉冲输入，上升沿触发并允许int0中断；t0为16位定时器，由tr0触发。系统时钟用12mhz晶振，则t0每隔1s计数器加1，16位定时器计满为65536s，设计要求电容为100pf时，参量a也为100，即a随cx而变，分辨率为1pf。 把振荡脉冲输入到int0端，在int0的第1个中断里，启动t0，共计16个脉冲周期，在第17个int0中断时，停止t0计时，读取th0和tl0的值。当脉冲振荡频率为20khz时，周期为50s，16个周期为800s，这也是t0的定时值，将t0结果除以8，即th0、tl0右移3位，就可求得a值，即对应cx的值。电路标准频率的调整，可用频率计测量，也可运行测量程序进行读数，当得到a=100时即可。100pf标准电容用稳定性好的独石电容，r1用多圈精密电位器，调整完毕用cx取代c即可进行测量。线路调整方便，性能稳定，检测精度100pf 时为1pf。 3.2.5 测量电路如上所述的测量原理，经过整体的规划与设计，本测量电路的设计原理图如下图3-6所示（用电路设计软件protel99 se画出）：单片机系统时钟由12m晶振提供，检测到555输出的脉冲后，经数据处理与运算，给四个数码管显示。图3-6 测量电路设计原理图 3.3 电容传感器检测系统软件设计 3.3.1主程序流程图电容量cx的采数主程序框图如图3-7所示。开 始 初 始 化延 时 1 秒led显示点状态启动int0中断等待int0中断中断次数够？ ny禁止int0中断读取th0,tl0值计算a值结果送led显示结 束 图3-7 主程序流程图 系统主程序主要包括初始化管理、中断服务程序管理、数据计算和显示管理等几个部分。初始化管理主要对单片机80c52内部特殊功能寄存器进行初始化状态设定、对数学模型等进行初始化。在系统上电之初，电路处于不稳定状态，所以在初始化后进行1s的延时，以保证电路稳定。系统中的led显示采用动态显示的方法，每隔10ms进行一次扫描，在系统初始化后显示“点”状态。 3.3.2 中断程序的设计在本电容传感器检测电路的软件系统设计中，中断服务程序可视为是最关键也是最重要的程序设计之一，直接影响到电容量的检测结果。中断程序框图如图3-8所示。开 始首次中断？ y n 启动t0末次中断？停止t0 y置计数到标志 n 中断计数+1中断返回 图3-8 中断程序框图4 传感器影响因素的分析 41 传感器的等效电路完全干燥的粮食介质可视为绝缘体,其阻抗趋于无穷大。但是，水分含量在正常范围内的各种粮食，其阻抗就不能忽略不计了。同时，通过试验可知，粮食、种子、油料、药品等含水介质在外施幅值不变的无线电频率作用下, 其电导率随激励的频率变化而变化，这种现象称为粮油的导电浴盆效应12。稻谷、小麦、大米的阻抗- 频率特性如图4-1所示。由图4-1可见,粮食的阻抗一频率有以下特性：1) 当激励信号的频率较低时，粮食的阻抗随频率增加急剧降低；在某一频带，阻抗值虽小，随频率的变化极小；之后，随着频率的再升高，阻抗值随之缓慢增加。在无线电频率范围内，粮食的阻抗一频率关系呈浴盆曲线状，即所谓粮食的导电浴盆效应。 2) 试料的品种不同，浴盆效应的边沿频率不同，但各种粮食在100250 khz频率范围内基本呈最小阻抗状态。施加这一频带的激励信号，粮食水分有最灵敏的反应。 这一频带为粮食水分的敏感频带。图4-1 稻谷、小麦、大米的阻抗-频率特性 3)粮食的阻抗与籽粒结构有关，耔粒有壳体的粮食阻抗较大。稻谷有纤维素和矿物质构成的结构坚硬、高度木质化的谷壳，因而阻抗值较大；小麦有纤维素和半纤维组成的皮层，其阻抗值较稻谷小，但比只有果实的大米的阻抗要大1314。 因此，粮食水分传感器的等效电路如图4-2所示。c r 图4-2 粮食水分传感器的等效电路所以传感器的输出应该是阻抗z,而且传感器信号调理电路的工作频率应该工作在100250 khz的区域，否则会造成测量误差的增大，这也是很多粮食水分测量仪器的测量精度不能达到部颁标准的一个原因。 42 电容传感器的误差 4.2.1 传感器的温度误差 公式（2.19） 是在三相物质的相对介电常数近似为常数的情况下得到的。实际上温度对固相物质的相对介电常数和空气的相对介电常数影响很小，可以忽略，但是温度对水的相对介电常数影响较大，不能忽略1516。设20为水在0时的介电常数，为温度系数，在一定的温度范围内可描述为:2=20（1-t）。所以，公式（2.18）可以表示为： (4.1)公式（4.1）为考虑了温度因素后传感器的数学模型。 4.2.2 传感器的其他误差由于电容法测量粮食水分的影响因素较多，所以误差产生的原因也较复杂。根据资料显示及本次实验可以看出，产生误差的主要来源有以下几个方面。1. 操作误差在测试样品时，人为操作对测量结果有一定的影响。人为操作决定了样品在传感器中的堆积情况，所以，样品每次装人的空隙度可能相差很大，这样，直接影响了输出结果。这种误差可以通过改进实验装置及严格操作规程加以避免，但完全避免是不可能的。 2.样品含水率不均匀在配制样品时，若配制操作不规范，就会产生样品的含水率不均匀问题。在数据采样时，同一样品的测量结果将会相差很大，所以，配制样品时一定按规则配制。在现场检测中，可采用多次抽样进行测量，利用去除去粗大误差方法，得到合理的水分值1718。3