基于電容法的藜麥水分快速檢測儀設計

席 前 張志勇 袁 凱 郭東升 伍鎣芮

(山西農業大學工學院，山西 太谷 030801)

藜麥作為一種安全優質的綠色食品，富含蛋白質、礦物質(鈣、鉀、磷等)、維生素、多酚類物質、皂苷等多種營養成分，具有預防心血管疾病與糖尿病、降膽固醇、抗氧化、抗炎抗真菌等功效，被譽為“超級谷物”[1]。因其符合現代人飲食多元化的健康理念而越來越多地出現在人們的食譜中。含水率是事關藜麥安全貯藏的一項重要指標，含水率過高將導致其呼吸作用增強，產生發熱、霉變和生蟲等問題，造成巨大的經濟損失和不必要的浪費，而含水率過低又會改變藜麥的營養結構，導致藜麥的品質下降[2]。為保證藜麥的安全貯藏，減少損失，應在藜麥收購入庫的各個環節進行水分檢測。

目前，國內外用于檢測糧食水分的方法主要有：電烘箱法、電阻法、電容法、核磁共振法、近紅外法、蒸餾法等[3]。電烘箱法、蒸餾法等測量精度高，但其所需時間過長。核磁共振法與近紅外法檢測迅速且精度高，但成本較高。電阻法與電容法因其結構簡單經濟而被廣泛使用，其中電容法的綜合效果較好。目前已成熟上市或處于研究階段的糧食水分檢測儀主要針對小麥、水稻等大宗糧食，用于藜麥等小雜糧的水分檢測儀仍較少見。王兆華等[4]以小米為對象對設計的有源電橋的電容式水分測量系統進行了可行性驗證；王婧[5]基于電容法，利用LCR儀研究了燕麥、蕎麥等小雜糧的介電特性與影響因素的相關關系，尚未進行硬件設計；郭文川等[6]針對小雜糧設計了一款電容式水分檢測儀，但只對小米進行了建模驗證。

試驗擬以藜麥為研究對象，基于電容法，研究水分、溫度及頻率對藜麥電容的影響，并建立藜麥水分檢測模型?；贛SP430F149單片機與AD5933阻抗測量集成芯片，設計一種藜麥水分快速檢測儀，以期實現對藜麥水分的快速、連續檢測。

1 試驗原理

設計的藜麥水分檢測儀采用自制變介質型同心圓式電容傳感器，電極材料為紫銅，高97 mm，內電極Φ85 mm×2.5 mm，外電極Φ30 mm×2 mm，其結構圖見圖1。當電極高度遠大于內外電極半徑之差時，可有效抑制人體感應，忽略內外電極邊緣效應的影響。按式(1)計算傳感器檢測電容值[7]。

(1)

式中：

C——電容值，pF；

ε0——真空介電常數，F/m：

εr——傳感器所填介質的相對介電常數；

H——電極高度，mm：

R——外電極半徑，mm：

r——內電極半徑，mm。

當其他條件不變時，將不同含水率的藜麥放入傳感器，εr改變而引起檢測電容值變化，將電容代入相應模型則可測出當前藜麥的含水率。

圖1 同心圓式電容傳感器結構圖

2 材料與方法

2.1 材料與主要儀器

白藜麥：初始含水率10.13%，山西省繁峙縣；

電子天平：MP31001型，慈溪市華徐衡器實業有限公司；

電熱鼓風箱：101-2AB型，北京心雨儀器儀表有限公司；

電子分析天平：BSM120.4型，上海卓精電子科技有限公司；

LCR儀：HIOKI-3532-50型，日本日置公司；

生化培養箱：SPX-50型，北京恒諾利興科技有限公司；

數字溫度表：VC6801型，深圳市驛生勝利科技有限公司；

同心圓式電容器：自制。

2.2 試驗方法

2.2.1 樣品制備 使用電子天平稱取初始含水率的藜麥樣品30份，每份約400 g，在其中加入不同質量的去離子水以配制出不同含水率的藜麥樣品。噴水時不斷攪拌以使其均勻吸水，配制含水率>16%的樣品時遵循多次少量的原則。為保證樣品在存放過程中不失水，將配制好的樣品應放置于塑料密封桶中并標號，在室溫下存放24 h 后裝入塑封袋，置于冰箱冷藏2 d，每天取出搖動3～4次，每次搖動30 s左右，以促使樣品吸水均勻充分。配制含水率低于初始含水率(10.13%)的樣品時，需將其置于100 ℃電熱鼓風箱烘干20 min后，先測得含水率再進行配制。

2.2.2 含水率的測定 按GB/T 5497—1985的105 ℃恒重法執行，每份樣品取3組平行，并在每次取樣前搖勻，取其平均值為最終檢測結果。

2.2.3 電容的測定 使用LCR儀。測量前在LCR430E軟件中預設參數，測量頻率設為1～100 kHz范圍內的50個奇數頻率點。由于糧食的等效電路為RC并聯電路，測量內容選擇為并聯模式下的電容。將配制好的樣品以自由下落的形式倒入電容傳感器的介質空腔內，并用塑料尺刮平溢出的藜麥，將數字溫度表的探頭插入試驗樣品內部后與電容傳感器一同放入生化培養箱，探頭位于傳感器高度及內外電極距離的1/2位置處。將培養箱溫度設定為5 ℃，待數字溫度表顯示的溫度與設定溫度一致后，測量所選頻率下試驗樣品的電容。隨后將生化培養箱的溫度依次設定為10，15，20，25，30，35，40 ℃，以相同方法測量并記錄各溫度下的藜麥電容。

3 結果與分析

3.1 含水率對電容的影響

由圖2可知，電容值隨藜麥含水率的增高而變大；當藜麥含水率低于20%時，電容隨含水率增長速度的變化較為緩慢，超過20%后，電容的增長速度急劇增大。其他頻率下樣品的電容變化也呈現類似規律。水是一種極性分子，電偶極矩很強，其在常溫下的相對介電常數約為藜麥干質的20倍，是影響藜麥電容的主要因素。當含水率較低時，藜麥內部主要為結合水，自由水含量很小，此時細胞呼吸強度較弱，活動性不高，離子運動緩慢，水分對相對介電常數的影響不大。當含水率變大時，自由水含量增加，其擴散至外部而形成多層分子膜，電偶極矩隨之變大，同時細胞呼吸強度變強，使離子活動性增強，此時極化程度呈增強趨勢，相對介電常數逐漸增大，導致其電容增大[7-10]。

圖2 21 kHz下含水率對各溫度梯度下藜麥電容的影響

3.2 頻率對電容的影響

由圖3可知，在試驗激勵頻率范圍內，電容隨測量頻率的增大而變小，低頻時電容下降的幅度顯著，而在高頻率時電容變化速度放緩，甚至產生重合。其他溫度下樣品的電容變化也呈現此規律。藜麥在外加電場作用下會產生極化現象。低頻時，電荷大量積累使樣品總電量增加，導致其電容變大。隨著頻率的逐漸增大，電場的變化周期開始改變，偶極子的轉向速度不能跟上外電場的變化速度，其轉向時間將大于電場變化周期，直至頻率達到某一值時完全停止極化。因此，隨著測量頻率的升高，藜麥相對介電常數呈下降趨勢，導致其電容變小[11-13]。

圖3 頻率對25 ℃下不同含水率藜麥電容的影響

3.3 溫度對電容的影響

由圖4可知，含水率一定時樣品電容整體隨溫度上升而變大，而且高含水率樣品的變化趨勢比低含水率樣品明顯。相對介電常數反映了靜態電場下分子極化和熱運動的動態平衡。溫度上升促使水分子電離，離子濃度增加，在電場作用下將加速水分子的轉向極化。同時溫度上升會加強水分子的熱運動，阻礙水分子的轉向極化。當溫度上升產生的極化效果大于熱運動效果時，藜麥的相對介電常數增大，導致其電容增大[14-17]。

圖4 溫度對21 kHz下不同含水率藜麥電容的影響

使用其余40個檢測點的數據對21 kHz下的藜麥水分檢測模型進行驗證，由標準化殘差分布情況可知，檢測模型藜麥水分測量模型能夠較好地描述藜麥含水率與溫度、檢測電容值的相關關系。模型如下：

M=19.39-13.646×C-1.605×T+2.885×C×T+19.384×C2+0.663×T2-0.616×C×T2-14.78×T×C2-4.126×C3-0.334×T3+6.933×C2×T2+10.451×lnC，

(2)

式中：

C——Z-score標準處理后的檢測電容值；

T——Z-score標準處理后的檢測溫度值；

4 藜麥水分快速檢測儀設計

4.1 硬件設計

藜麥水分快速檢測儀以MSP430F149單片機最小系統板為核心，連接自制同心圓式電容傳感器、AD5933阻抗測量芯片、TFT觸摸顯示屏及DS18B20數字溫度傳感器構成。TFT屏識別出測量命令后，AD5933、DS18B20開始分別采集電容、溫度信號，信號經MSP430F149運算處理后代入藜麥水分檢測模型計算含水率，并在TFT屏顯示。藜麥水分快速檢測儀的整體結構示意圖如圖5所示。

4.1.1 電容檢測 電容檢測功能由集成了頻率發生器和12位、1MSPS(每秒采樣1百萬次)模數轉換器的高精度阻抗測量芯片AD5933實現，其功能框圖如圖6所示[10-13]。

表1 模型匯總

圖5 藜麥水分快速檢測儀結構示意圖

圖6 AD5933功能框圖

在1～100 kHz范圍內，AD5933可輸出分辨率為0.1 Hz的正弦波作為激勵信號，外部復阻抗產生的響應信號由片上模數轉換器采樣后送入DSP，經離散傅里葉處理后存為實部R和虛部I。根據式(3)和式(4)計算阻抗模值M和相位P。

(3)

(4)

通過式(3)計算得出的結果不是實際導納的幅值，應乘以增益因子進行校正，校正公式：

(5)

式中：

G——增益因子；

Z——Vin和Vout引腳之間接入的校正阻抗；

PGA——取1或5。

將式(5)代入式(6)即可求出實際導納的幅值|Y|：

|Y|=G×M。

(6)

式(4)計算得出的相位同時考慮了Vin和Vout引腳間分別接入校正阻抗、待測阻抗時測得的相位，實際相位的計算公式：

θ=θu-θs，

(7)

式中：

θ——實際相位；

θu——Vin和Vout引腳間接入待測阻抗時的相位；

θs——Vin和Vout引腳間接入校正阻抗時的相位。

檢測電容值C最終計算公式：

(8)

式中：

|Y|——實際導納的幅值，S；

φ——實際導納的相位角(φ=-θ)，°；

ω——測量頻率的角速度，rad/s。

4.1.2 控制與顯示 控制與顯示模塊選擇以MSP430F149單片機為核心處理器的DM430-L型系統板及其配套的DMTFT-28型TFT觸摸顯示屏。模塊主要功能為電容采集的啟?？刂萍八杉瘮祿奶幚怼⑦\算及顯示。

4.1.3 溫度檢測 溫度檢測模塊選用具有單總線接口的不銹鋼封裝式DS18B20數字溫度傳感器，其具有體積小、精度高、成本低、響應快、易與單片機連接的特點。

4.2 軟件設計

藜麥水分快速檢測儀的軟件設計主要包括：控制程序、藜麥電容采集程序、溫度檢測程序、數據處理及顯示程序，編程工具為IAR WORKBENCH V3.10軟件。藜麥水分快速檢測儀的總體程序流程圖如圖7所示。

控制程序通過識別用戶點擊位置的坐標值來執行啟動及結束程序，收到啟動命令后，電容數據采集程序進行I2C協議初始化，將相關參數寫入AD5933后開始采集電容。采集次數設為10次，并對采集結果進行中位值平均濾波，即去掉最大值和最小值后計算算術平均值。溫度檢測程序開始執行D18B20初始化及溫度采集任務。然后，數據處理與顯示程序將采集的電容數據與溫度數據均進行Z-score標準化處理后代入藜麥水分檢測模型，計算出含水率后通過TFT屏顯示。

圖7 總體程序流程圖

4.3 精度檢驗結果及分析

對設計的藜麥水分快速檢測儀進行精度檢驗，配制10份不同含水率的藜麥樣品，并用105 ℃恒重法對其進行水分標定。使用檢測儀在5～40 ℃內隨機選取3個溫度下進行測量。藜麥水分快速檢測儀的檢測誤差如表2所示。

由表2可知，藜麥水分檢測的誤差絕對值最小為0.01%，最大為4.26%，對于含水率在23.36%以下的藜麥樣品，檢測結果中有80.95%的數據的誤差絕對值小于1%。藜麥水分檢測的相對誤差(絕對值)最小為0.02%，最大為14.58%，平均相對誤差為4.17%，測量時間小于2 s。在檢測高含水率樣品時的部分結果誤差很大，可能是由于溫度從5 ℃升至40 ℃過程中水分蒸發以及檢測模塊雜散電容的干擾等因素導致。

表2 藜麥標準值和檢測值誤差表

5 結論

使用LCR儀研究了溫度(5～40 ℃)、含水率(10.14%～29.55%)、測量頻率(1～100 kHz)對藜麥電容的影響，建立了藜麥水分與電容、溫度的多元回歸模型，并以此為依據設計了藜麥水分快速檢測儀。對設計的檢測儀進行了性能評估試驗，結果表明，檢測值與標準值的平均相對誤差為4.17%，測量時間小于2 s，檢測儀具有一定的應用價值。為了提高儀器的檢測精度及便攜性，后續可采用銅箔作為電極材料。同時，還可增加屏蔽罩等屏蔽裝置以增強儀器檢測抗干擾能力，進一步完善檢測儀。