摘要：民以食为天，粮食是人们赖以生存的基础。我国既是农业大国又是人口大国，人们对粮食需求量大，粮食的安全存储是极其重要的问题。在粮食中，水分对粮食的影响是很严重的。水分的含量直接影响着粮食的安全存储以及贸易定级，因此，在储藏和贸易的过程中都需要对水分进行严格的检查。本文主要介绍了几种当前比较普遍的水分检测技术，同时着重分析了电容传感器的工作原理。
关键词：传感器；电容；水分测定
引言
水分是粮食作物中的一个重要的参考量，粮食作物中含有水分的不同，则粮食的生化特性也不一样，这给粮食的储存带来一系列困难，对粮食作物进行干燥、除湿。确保相关粮食符合储存的要求，确保粮食颗粒归仓，这就需要对粮食进行精确的水分检。被测物如果要取得较高的检测精度，常需要将被测量的粮食作物制作成规定大小要求的样品，然后对样品进行检测，该种方法的优点是测量精度高，缺点是所费时间较长，对在线检测则不适用。另外为了节省时间，常常是直接对需要储存的粮食作物进行检测，这种方法适合在线的实时测量，可以对粮食水分进行动态监控。
1.电阻法
电阻法]有高频阻抗法和直流电阻法两种，直流电阻法的原理是谷物的导电率随着谷物含水率的不同而变化，因此通过测量谷物电阻值，可以间接得到谷物含水率。高频阻抗法的原理则是导电浴盆效应，谷物的含水率同谷物的交流阻抗呈现对数关系，高频电阻法就是利用了这一特性实现了谷物含水率的检测。直流电阻法虽然结构简单，成本低，但其测量精度低。另外，测量要将一定的样品粉碎，为有损量，所用时间较长，对高水分含量测量有明显障碍。相对于国家标准方法，直流电阻法的普及性有限。高频阻抗法虽然具有速度快、精度高、误差小等优点，但不能够用在在线实时测量的场合。
2.微波加热法和红外干燥法
随着仪器和测量技术的不断进步和完善，微波与红外加热技术被运用到谷物含水率检测中，红外干燥法是红外线的辐射作用，产生能够同水的吸收峰值波长相符的波长，使得水分子产生剧烈运动，使物体温度升高来加速干燥。微波加热法则是利用微波炉的磁控管产生超高频率的微波，使谷物内部的水分子进行快速振荡与摩擦以达到去除水分的目的。微波加热法和红外干燥法两种技术的应用，缩短了检测的时间，但由于加热干燥法耗时长，须对谷物进行粉碎处理，无法满足无损检测和在线测量的要求，因此一般用于实验室检测[2]。
3.核磁法
粮食水分检测方法中科技含量较高的是核磁法，该方法主要是被测粮食中水分不同，原子核的自旋运动也不同，这表现在原子核的自旋量子数也不同。自旋量子数与原子的质量数和原子序数之间存在一定的比例关系，根据这一比例关系，就可以测量出所含的水分。这种测量方法的优点是所得结果的精度高、结果迅速、测量范围宽，缺点是设备的维护保养费用大、维护设备成本过于高昂、且测量设备在使用前需要精确标定。
4.电容法
电容法检测谷物含水率的原理是在常温状态下，干燥谷物介电常数一般为2～4，而水的介电常数大约为80。可见，水的介电常数远大于谷物干质的介电常数，当谷物中的水分发生改变时，介电常数也会产生相应的改变，引起电容的变化。因此，可以通过对电容值变化的测量间接测量到谷物的相对介电常，得到待测谷物的水分含量。电容法测量谷物含
水率的方法，目前的研究有平行板电容器、筒形电容器和针型电容法测量谷物含水率三种方法。由于装置的结构简单，灵敏度高，成本低，测量精度较高且不需要破碎谷物等原因，是目前研究使用最多的一种方法。但是很多因素会影响测量精度，如物料的堆积厚度、温度及季节等。下面对电容法进行介绍。
4.1硬件资源配置
4.1.1单片机系统
硬件电路是由五个模块组成，分别为键盘模块、单片机控制模块、AD转换模块、报警电路以及MAX7219显示模块。这些模块主要实现测量、计算、显示、堵粮判断以及报警的功能。工作原理是通过电容传感器来测量粮食中的水分，再通过AD转换模块，将结果送到单片机控制模。测量人员可以通过单片机控制模块对数据进行存储与显示，可以反复进行多次测量，通常都是5次的有效测量，将这五次的数据进行平均值处理，得出最后的结果。同时，还可以通过三次有效的测量数据的平均值进行比较判断，然后可以分析出是否堵粮，如果出现堵粮的情况，则会进行警报告示。
4.1.2传感器部分设计
圆桶型电容式传感器就是通过被测量的水分的非物理量转化为电容量变化的一种传感器。它是由两个同心圆桶构成，内桶为内电极，外桶为外电极，两者之间为介质空腹。其工作原理就是将要测量水分的粮食放在传感器内外极电板之间的介质空腹中。粮食中的水分可以使传感器的相对介质发生变化，导致电容值发生变化，从而可以检测出粮食中存在的水分。
4.1.3温度检测电路的设计
AD转换模块能够完成对温度的检测，在单片机系统中能够通过大量的实验计算出对粮食含水率的补偿。
4.1.4语音报警电路设计
语音报警电路的工作原理就是首先设置一个数值，是通过控制某一个路径控制声光报警。如果输出的电量低于此数值水平，晶闸管会阻断电流的通过，可以发现发光二极管以及扬声器都没有通电流。如果输出的电量高于此数值水平，晶闸管会打开允许电流通过，此时的发光二极管以及扬声器中都会出现电流，则发光二极管会发光，扬声器会发出警报的声音，能够使工作人员及时发现问题并解决。
4.1.5键盘及功能介绍
图1是键盘接口电路，可以清晰地看出键盘的工作原理，每一个按键都是独立进行工作的，彼此之间互不干涉。因此工作流程是比较简单的，其中电阻是上拉电阻，没有按下按键时，CPU接入“1”电平，按下按键时CPU就会发生变化。S1键是开始键，将粮食储存好之后，接通电源，此时会出现一个数据；如果测量的结果有效，则进行S2键的操作，继续进行测量，然后将数据进行存储，直到完成几次有效的数据之后，然后计算平均值；如果上一次测量的数据无效，则要按下S3键，说明此次结果无效，弃之。最后完成一系列的测量之后，就按下S4键，结束程序的使用。
图1键盘接口电路
4.2系统软件设计
整个系统的设计主要包括显示程序、警报程序、测量程序、读入程序、初始化程序以及平均值计算程序等。主要流程就是AD转换模块测量粮食中的水分以及温度，然后将数据通过单片机控制模块进行处理，通过显示器进行显示，控制MAX7219实现显示功能，完成堵粮判定，并通过控制高低电平的输出，实现报警控制，读键盘完成人机交流，并且实现平均值计算。
结论
谷物含水率的检测是保证粮食安全的重要环节，目前谷物含水率的检测方法很多，各种方法具有各自优势的同时也具有一定的局限性。本文通过分析电容传感器测量粮食中的水分的方法，可以看出，此法能有效地提高工作效率，节省人工成本。这对于提高粮食水分的检测自动化具有重要的作用。随着技术的不断更新，会有更多新的方法被提出。谷物含水率检测的研究会向着精度越来越高、检测速度越来越快、装置体积越来越小、装置成本越来越低的高精度快速便捷检测方向发展。
参考文献：
[1]邱禹，李长友，徐凤英，等.基于平板结构的粮食水分检测仪的设计[J].农机化研究，2013，（1）.
[2]康忠伟.基于时域传输技术的谷物含水率测试技术研究[D].哈尔滨：黑龙江八一农垦大学，2011.
[3]李爱传，汪志强，李琳，等.电容式粮食水份检测系统研究[J].农业网络信息，2009（2）：114-116.
论文作者:郭翠清
论文发表刊物:《基层建设》2018年第34期
论文发表时间:2019/1/7
标签：测量论文; 谷物论文; 水分论文; 粮食论文; 电容论文; 含水率论文; 模块论文; 《基层建设》2018年第34期论文;