随着我国谷物收获机械的普及，收获时节，大量的机收粮食会短时间内集中上市，迫切需要及时干燥，以保证品质，利于储藏。谷物低温干燥设备是解决这一问题的重要装备。在装备低温烘干过程中，需适时在线测定受干燥谷物的水分含量，并根据水分含量，不断地调节干燥机的热风温度和热风流量，以保证谷物的干燥质量。因此，实现干燥过程的谷物水分在线测定，并保证其自动化和连续化，是提高谷物干燥质量和工作效率的关键所在。
水分在线测定通常都是间接法，通过测定与水分相关物性参数的变化，尤其是电特性的变化而获得被测物含水量的对应值。电容法是众多的谷物水分间接测定方法的一种，它根据谷物在不同含水量下，其介电常数不同，也即电容值不同的原理，通过测量不同含水量下的电容值来表示含水量的一种测量方法。该方法在线实现形式一电容式传感元件多为圆筒型或平行极板型，结构相对简单、价格便宜，但其性能常常受到谷物的紧实程度、温度和安装方式等多种因素的影响，精度不高。本文研究使用PCB敷铜层加工成测量电容的极板，利用Ansys建模分析，研究一种边缘电场电容式谷物水分传感器；并对测定方法进行研究，进而设计出传感器的硬件电路。
1、谷物的导电特性分析与测定方法研究
完全干燥的谷物、种子、油料等介质可视为绝缘体，其阻抗趋于无穷大。谷物、油料、药品等含水介质在外施幅值不变的中高频率电信号作用下，其电导率随激励的频率变化而变化。据相关资料，稻谷、小麦、大米等含水介质的“阻抗一频率”特性有：
1)当激励信号的频率较低时，介质的阻抗随频率增加而急剧降低；在中间频带，阻抗值最小，随频率的变化较小；频率继续升高，阻抗值随之缓慢增加，即：在一定频率范围内，介质的”阻抗一频率”关系呈浴盆曲线状。
2）试料的品种不同，浴盆效应的边沿频率也不
同，但各种谷物在100～250kHz范围内基本呈最低阻
抗状态，施加这一频带的激励信号，可以获得较大的
与含水介质的水分含量成正比的电流检测信号。
3)谷物的阻抗与籽粒结构有关，籽粒有壳体的谷物阻抗较大。稻谷有纤维素和矿物质构成的结构坚硬、高度木质化的谷壳的阻抗值较大。小麦有纤维素和干纤维组成的皮层，其阻抗较稻谷小，但比只有果实的大米阻抗要大。
由于谷物介质的“阻抗一频率”关系呈浴盆曲线状，对传感器施加100—250kHz的激励信号，以获得相应响应信号就可以测量出被测谷物的水分。
在实际电路中，电容的测量方法主要有电桥法、谐振回路法、充放电法等。在软件的处理上，可根据所测谷物含水率分布和所用单片机系统主频选用频率测量或周期测量。一般而言，测频法在高频端具有较高的测量精度，测周法在低频端具有较高的测量精度。从输入、输出信号情况看，常用的测量方法有：一是施加固定频率信号，测量响应的信号强度计算出电容值或水分值；二是施加自激信号，测量响应的频率，从而计算出电容值或水分值。显然后一种方法比较容易实现，但具有一定的测量误差，此测量误差可以通过分段标定修正的方法进行有效控制。本研究采用后一种方法，通过测量响应频率进行水分的测量。
2、水分传感器的功能和工作机理
水分传感器是水分在线测定仪的核心部件，其作为一个网络从节点与基于CAN总线的主控节点组成了本文所研究的水分在线测定仪。这两部分各自以单片机为核心。
主控节点可以实现对传感器的控制与数据传送，完成参数设置、品种选择及向上级控制系统传输测定或状态数据等；主控节点还可作为上位总控主机进行控制策略的选择及控制动作的实施等。
传感器节点则完成对应数据的采集与传输等功能。因测量系统采用CAN总线组网，水分传感器节点个数可根据需要增加或减少，所以这种方案还能方便应用于大型粮库等场所，完成多点位水分测定，并实现网络化监测与控制。
在水分测定仪中，CAN总线网络与各节点间均采取分别供电和光电隔离措施，以提高隔离效果。
水分传感器采用边缘电场电容器作为水分传感测量元件，并设计出“容／频”转换硬件电路，由单片机读出与待测物料含水率对应的脉冲数据；同时根据集成温度传感器采集的待测物料环境温度的数据，通过软件对测定水分数据自动加以修正，得出表达当前待测物料含水率的数据，储于水分节点缓冲器中，便于及时发送给主控节点。
3、边缘电场传感元件电特性的Ansys分析
3.1边缘电场技术
由于在线测量的非破坏性和宽的响应频谱等特性要求，人们对物质的物理特性测定普遍采用介电常数测定法。电容传感器是最常用的一种介电常数传感器，如果将平行极板电容传感器的两块极板放在同一平面内，就形成了一种新型电场泄漏型传感器—边缘电场电容式水分传感器。工作时，其电力线及穿透谷物的电磁场呈现不平行分布。当谷物水分发生变化时，会带来介电常数的改变，在电场作用下，穿透谷物的磁场将发生相应改变，亦即极板间电容值发生改变，通过测量极板间电容值，可间接测定谷物水分含量。使用这一技术，谷物只需流经传感元件的一侧（或两侧）即可完成测量。一种测量电容元件的形式如图l所示。
3.2传感元件测量模型与电特性研究
根据对物料与电容极板间的位置及组件单元分析结果，结合作为测量电容极板的PCB敷铜层尺寸及加载电场位置，设计出多种传感器结构方案，并进行比较，最终选出一个应用于本研究的最优测量方案，其传感器结构如图2所示。
在应用Ansys软件对其进行有限元分析时，采用图1申A-A剖面方向，将整体模型分为5个部分，即：谷物所对应的电容空间用正方体模拟，改变该空间的介电常数以代表谷物含水量的变化；电极所附着PCB板用2mm厚长方体模拟，极板材料的介电常数为5左右，本文取其值为5；采用厚0.2mm，宽19mm，长100mm的两个PCB敷铜片为电极建模实体；两电极之间一个宽5mm的长方体作为电极边缘之间空气实体。
通过Ansys分析得：
1)在加载的直流电场强度不变时，设谷物空间的介电常数为5和80，谷物空间的磁场强度相差一个数量级。
2)将直流5v电源加载于两极板的上表面，其大部分电磁场的法向穿透能力可达10mm(PCB板厚度的5倍)以上。
由于边缘电场传感器两电极在一个平面内，边缘电场的场能量聚集在极板边缘，靠近电极附近的地方能量最集中，其灵敏度与物料的空间位置和电力线的穿透深度有关。因边缘电场传感器具有边缘电场传感特性和双边敏感特性，设计不同电极间距和极板面积的结构参数，可以实现对不同物质含水量的测量，并可做成不同的形状以适应安装与使用要求。电极的距离越大，所施加的电压越高，被穿透的谷物越多。但电极的距离过大，则易使信号减弱。由于信号的强弱与金属极板的面积成正比，可通过增加面积等方法进行综合设计。因此，本设计采用电极板间距为5mm、两极间加载电压为5V，能满足对稻麦等一般颗粒谷物水分的测量精度。
4、传感器测量电路的硬件实现
传感器测量电路由传感器元件及测量与转换电路、待测物料环境温度检测电路、单片机、CAN总线接口电路和看门狗控制电路等构成。其硬件组成原理框图如图3所示。
本研究在测量与转换电路的设计中采用以SE556芯片为核心的振荡电路，结合电容的充放电进行”容，频”方波转换（如图4所示）。理论上，振荡电路输出的方波频率代表着电容的值，因此，通过单片机的计数器测量出振荡电路的输出频率就可间接得到电容值，进而得到所测谷物含水率。
根据器件的特性，输出方波的上升沿和下降沿一般为100~200ns．因此，必须取五倍以上的上升和下降沿宽度之和，才能得到一个较为稳定的方波脉冲，这就使得器件输出方波的频率小于6MHz，并控制在浴盆底部范围。为了让被测电路具有这样的特性，图4中的RA应在lk—lOOk范围内；当vcc-5v时，最大总电阻R=RA+RB≤3.4Mn；当vcc=15v时，其最大值为10MΩ。
在测量过程中，防止器件单侧工作增加的系统误差，采用双回路测量取差法，即：组建两组电容测量电路，其中一组电路的电容为待测电容，另一组电路的电容为精密己知电容。将两组电容测量电路测得的值进行处理，从而有效减少系统误差，较精确地测出电容的变化值。
考虑到温度对测量结果的影响，在水分传感器中还设有测温电路，输出频率和温度信号都送入单片机，通过数据处理，补偿谷物温度对其含水率测量的影响，从而得到较精确的测量结果。
5、传感器标定和温度系数修正
由于谷物储藏安全含水率为14%左右，而谷物收获时的含水率一般在16%—25%左右，阴雨天会更高一些。根据中小籽粒谷物品质要求，其低温干燥热风最高温度小于55℃，且不同种类的谷物最高受热温度也不同。因此，传感器能在9%—20%含水率范围内、干燥温度在+100℃ ~+500℃范围内进行较精确的测量，并将被干燥谷物的含水率控制在12%~15%之间，即可满足要求。
影响谷物介电常数（电容值）的因素主要有谷物品种、含水率和温度。用电容传感器测定谷物含水量时，还需消除材料穿透电场及环境等因素的影响。
6、系统数据处理流程
实际测量时的数据处理过程：单片机接收水分传感器和温度传感器发出的被测谷物在干燥温度下代表电容数据的脉冲数和被测谷物当前温度值；由软件调用标定数据库中被测谷物的标定系数并将脉冲数转换成标准温度下的含水率；由软件调用温度修正数据库中被测谷物在该温度下的修正系数并对被测谷物标准温度下的含水率进行修正，得出较精确的被测谷物实时含水率；单片机通过CAN总线网络将较精确的被测谷物实时含水率数据传送到主控节点。
作为在线水分传感器，若本传感器用于谷物干燥机，则将较精确的被测谷物实时含水率数据传送到谷物干燥机控制器中作为干燥控制的依据；若本传感器用于大型粮库等场所，则将较精确的被测谷物实时含水率数据传送到大型粮库等场所的主控机，完成多点位水分测定，并实现网络化监测与控制。
7、结束语
本文研究使用PCB敷铜层加工成测量电容的极板，通过Ansys建模分析，确定了边缘电场电容式谷物水分传感元件的结构参数；分析并确定了一种测量方法，设计出边缘电场电容式谷物水分传感器、测量与接口电路，使设备便于安装、提高抗干扰能力、减少系统误差，从而提高谷物水分在线测量精度。
