電容式微含水量檢測系統設計

龐 磊,楊 錄,郝建亮

（中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051）

電容式微含水量檢測系統設計

龐 磊,楊 錄,郝建亮

（中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051）

針對在線檢測火藥含水量的實際要求，設計平板電容水分檢測傳感器，利用水的相對介電常數遠大于被檢物料的相對介電常數的原理，構建和電容傳感器相關的交流電橋和測量電路，并設計自補償電路，使得橋路輸入為零時輸出也為零。由于所測含水量范圍為0.5%～3.5%，測量準確度為0.1%，為提高系統的測量準確度，分別對影響含水量的溫度、濕度和重量容積比加以考慮，建立多參數校正的水分在線檢測系統。經過大量實驗驗證：該系統性能穩定，測量精度高，具有很好的實用價值。

微量水分檢測；電容式傳感器；電橋平衡電路；數據采集與處理

0 引 言

水是日常生活中必不可少的物質，但是如果將它與工程聯系起來，含水量的多少對物質的性質至關重要。如礦物質、茶葉、糧食、藥品、食品以及化學物質等在生產、儲藏和運輸過程中對水分含量都有嚴格的要求，并將其限制在一定的范圍內，對于藥品和火藥更是如此[1]。通過對多種水分測量方法的分析對比，結合實際檢測條件和環境，最終選用電容式傳感器測量火藥的含水量。利用水的相對介電常數遠大于被檢物料介電常數的原理，通過測量電容的變化測出物料的含水量。由于電容的變化不易直接測量，因此通過測量電路將電容的變化轉換成容易測量的電壓的變化，最終達到對物料含水量的測定[2]。

1 整體系統設計

系統檢測原理框圖如圖1所示，主要由信號采集模塊、信號調理模塊、單片機控制模塊、通信模塊、顯示模塊組成。其中信號采集模塊包括電容傳感器、稱

重傳感器、溫濕度傳感器，主要完成水分檢測相關參數的采集。

1.1 傳感器的選擇與設計

考慮到被測物料的體積會隨含水量增加而增加，而裝載物料的電容傳感器體積固定不變，因此物料的質量作為含水量計算的一個參數。本系統選用準確度為0.1 g、量程為2 kg的懸臂梁式稱重傳感器，可將稱重值通過串口發送給單片機，然后發送到上位機。溫度、濕度也會對系統的測量帶來影響，因此選用瑞士羅卓尼克公司生產的HC2-P05型插入式溫濕度傳感器來測量物料的溫度、濕度。該傳感器探頭主要適用于散裝粉末、小顆粒物的測量，同時具備功耗小、精度高、性能穩定等優點，特別適用于本測量系統[3]。

電容傳感器為自制的兩個平板變介電常數傳感器，其結構為20cm×30cm×3cm，空載電容為401pF[4]。在設計時遵循以下原則：

（1）在設計時盡可能提高傳感器的電容，既能降低其輸出阻抗，又能提高傳感器的靈敏度。

（2）為防止極板間擊穿，在電容極板表面噴涂絕緣效果較好的聚四氟乙烯。

（3）為克服極板與周圍物體之間的寄生電容，將傳感器及其引出線采用屏蔽的方法，并將屏蔽線接入大地。

（4）為使電容傳感器兩極板之間的距離不受溫度的影響，在制作時要選用相應線膨脹系數的材料，減小它的零點漂移。

1.2 自平衡電路設計

由于制作工藝水平的限制，交流電橋無法達到絕對平衡，即輸入為零時，輸出不為零。一般情況下，這個不平衡信號要比有用信號大的多，當不平衡信號經過后續放大電路后，系統無法識別有用信號和不平衡信號，從而直接影響了整個系統的性能，為抑制該不平衡信號，設計了自平衡電路，使用的方法是合成一個與不平衡信號大小一樣的補償信號將其抵消[5]。這個補償信號由單片機控制D/A芯片生成。自平衡電路框圖如圖2所示。

假設不平衡信號為Asin（ωt+φ），則需產生一個幅值相位相等的正弦信號與該信號做差即可抑制該不平衡信號，使輸入為零時輸出也為零。所需補償信號可通過向量合成的方法產生，即：

式中幅值和相位為固定值；設α=Acosφ，β=Asinφ即α，β為定值。因此在每次調平衡時只需通過單片機控制D/A給定α，β值即可實現輸出信號調平。自平衡電路原理如圖3所示，a、b、c、d由DDS芯片AD9854產生，其中：

圖3中VDAX和VDAY是由D/A產生的α和β信號，α與sin（wt）、β與cos（wt）通過AD835乘法器后，再經過求和電路就可以得到與不平衡信號相抵消的合成補償信號VOA2，將VOA2和電橋信號做差即可實現平衡。圖4中通道1為電橋輸出信號，通道2為合成的補償信號，由4圖可以看出二者相位、幅值基本一致。

2 系統軟件設計

2.1 單片機程序設計

軟件設計主要完成單片機控制各個模塊進行正常有序的運行，主要有串口通信模塊、自動平衡調節模塊、激勵信號產生模塊、A/D和D/A模塊。上位機由VC++編寫，主要完成與單片機的通信和測量結果顯示，具體通信協議如表1所示。

單片機程序設計流程如圖5所示。由于溫濕度傳感器和稱重傳感器數據均需通過串口發送到上位機，因此串口通信采用數控模擬開關CD4052實現采集數據的順序傳輸。

2.2 自平衡算法設計

在水分檢測系統中，電橋信號經過相敏檢波及濾波后，分為X和Y方向輸出Vx和Vy，其中系統信號輸出為雙極性信號2V，而大多數D/A芯片為單極性，因此在系統的輸出端加2V偏置，以滿足D/A芯片的動態輸出范圍。單片機在收到調平衡命令時，會根據A/D采樣結果調節D/A輸出，使系統最終達到平衡狀態。具體設計算法如圖6所示，其中閾值范圍為[-10mV，+10mV]，使用十六進制采樣值表示為[0×685，0×695]。

3 實驗數據分析

3.1 實驗測量數據

分別對半黃豆、半黑豆、玉米渣、半綠豆、大米5種糧食物料進行檢測，并記錄分別在不同含水量下所對應的各參數值。表2、表3為室溫時（T=25℃）以半綠豆和大米為例的標準含水量及其對應的各參數值[6]。其中M為固定容積物料的質量，M0為標準物料的質量，S為物料的濕度，Vx和Vy分別為X、Y方向系統輸出電壓，H為標準物料的含水量。根據所測數據使用最小二乘法分別對各參數和含水量進行曲線擬合[7]，得到濕度和電壓幅值與含水量成正比，質量容積比（固定容積物料的質量與體積的比值）與含水量成反比，含水量隨溫度的升高，測量結果偏高，最后建立了多參數下的含水量計算模型[8]。

圖7所示為不同溫度下利用最小二乘法擬合的大米標準含水量與電壓幅值的關系曲線。由于火藥生產出的溫度為30～45℃，實驗中分別在25，30.5，35.8，40.4℃下對同種物料進行測量。

3.2 誤差分析

通過多種物料的多次實驗，建立了多參數下的水分檢測數學模型，根據所建模型計算出的含水量與通過稱重法計算出的含水量進行對比，得出在含水量為1%～3.5%時測量最大誤差不超過0.1%，在含水量為0.5%～1%時測量最大誤差不超過0.16%，基本達到測量要求。在含水量為0.5%～1%時誤差較大的原因是此時物料含水量極低，電容傳感器本身無法精確感應到含水量的變化[9]。

4 結束語

在水分檢測系統設計中，分析對比了各種測量水分的方法，最終選用電容式變介電常數的方法測量物料的含水量。通過分析影響含水量測定的多個因素設計了多參數下的水分檢測系統。在本系統中傳感器的選擇以及電橋平衡電路的設計是十分重要的，所以在進行系統測試與調試過程中把所有可能影響實驗準確性因素都考慮上，這樣才使得該系統能達到預期測量水分精度的要求。通過嚴格的實驗步驟且結合所得數據分析，本系統采用的電橋平衡電路和電容傳感器是可行的，測量精度基本達到要求，且具有很好的穩定性，非常適合低含水量、顆粒狀物料的快速測量[10]。

[1]趙曉東.多參數水分在線檢測及系統研究[D].太原：中北大學，2012.

[2]黃操軍，田芳明.糧食水分檢測技術及發展趨勢[J].農機化研究，2006（12）：44-47.

[3]張洪潤.傳感器技術大全[M].北京：北航出版社，2007.

[4]高曉丁，左賀，梁繼超.基于電容式傳感器技術的織物滲水特性檢測方法[J].傳感器技術，2004，23（10）：41-42.

[5]李虎，楊道業，程明霄.螺旋極板電容式傳感器的特性研究和參數優化[J].儀表技術與傳感器，2011（8）：7-10.

[6]楊榮輝.電容式糧食水分儀的研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2003.

[7]魏清潔，王玉彬.二元一次函數曲線擬合的Matlab實現[J].德州學院學報，2011，7（27）：148-151.

[8]武素華.基于最小二乘支持向量機的土壤含水量檢測的研究與分析[J].安徽農業科學，2009，37（9）：3865-3866，3876.

[9]景勇，丁嵐.電容式糧食水分儀的研究與設計[J].沈陽航空航天大學學報，2011，28（2）：51-54.

[10]張赤軍，張勁南.用電容傳感器的物水分在線測試儀[J].長春理工大學學報，2004，27（1）：19-21.

Design of capacitive micro moisture detection system

PANG Lei，YANG Lu，HAO Jian-liang
（National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Against the actual requirements of online testing the moisture content of gunpowder，the authors designed a tablet capacitive moisture sensor with the principle that the relative dielectric constantofwaterismuch greaterthan the relative permittivity ofthe material，constructed an AC bridge measuring circuit associated with capacitive sensors，and designed the compensation circuit to make the bridge output be zero when the input is zero.Due to the measured moisture content ranging from 0.5%to 3.5%，the measurement accuracy was 0.1%.In order to improve the measure accuracy of the system，temperature，humidity and volume weight ratio，which may affectthe measurementmoisture content， were taken into consideration respectively.A multi-parameter correction was established for online water detection system.The stability and the high accuracy of the system were verified，and a lot of experiments also indicated that it has good practical value.

moisture detection；capacitive sensors；bridge balance circuit；data acquisition and processing

TQ562；TM930.114；P468.0+23；TP274+.2

：A

：1674-5124（2014）04-0090-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.023

2013-07-11；

：2013-09-17

龐 磊（1987-），男，山西忻州市人，碩士研究生，專業方向為測試技術計量與儀器。