專利名稱：基于介電方法的谷物水分檢測裝置及檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種測量谷物含水率的檢測裝置，尤其涉及一種基于介電方法的谷物水分檢測裝置，屬于介電物理與高頻測量技術領域。
背景技術：
當前谷物水分快速測定裝置所采用的方法主要有電阻式、電容式、紅外式、微波式、核磁共振式等。電阻式水分檢測儀是利用固體材料中水分含量不同，其導電率不同，電阻值的變化間接地反映了固體中的水分含量；其結構簡單，價格便宜，缺點是不宜于微量水和高含水量測定，傳感器與樣品接觸狀態(tài)影響測量精度。電容式水分檢測儀是利用水與被測物質介電系數不同測量水分；其優(yōu)點是結構簡單，成本低，易于實現連續(xù)快速測量，缺點是測量精度不高，穩(wěn)定性差，影響電容式水分計測量精度和穩(wěn)定性的原因是多方面的，如被測物料的品種。紅外線水分檢測儀的工作原理是利用水對近紅外具有特征吸收光譜，被吸收的能量與物質含水量有關，紅外水分儀為非接觸測量，易于連續(xù)測量，缺點是物料大小、密度、環(huán)境溫度、振動等對測量結果均有影響，另外，難以測量物料內部含水量。微波式水分檢測儀是利用水對微波能量的吸收或微波空腔諧振頻率隨水分變化的原理制成，微波式水分儀的優(yōu)點是靈敏度高，非接觸測量，易于實現水分連續(xù)測定，缺點是測量結果受物料形狀、密度等因素影響，儀器價格高。核磁共振水分檢測儀是根據物料水分子中的氫原子核與外磁場作用時發(fā)生某些性質變化測量含水量，其優(yōu)點是測量迅速，非破壞性，精度很高，還可區(qū)分自由水和結合水，其不足之處是儀器昂貴，保養(yǎng)費用大，需精確標定，目前沒有在干燥生產中應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現有技術的不足提出一種實用的、價格低廉的基于介電方法的谷物水分檢測裝置及檢測方法，利用探針阻抗計算方法的數學模型，消除了高頻振蕩器輸出電阻與振蕩幅度不一致對測量精度的影響，有效提高了測量精度和抗干擾性。
本發(fā)明的又一目的在于針對現有技術的不足提出一種基于介電方法的谷物水分檢測裝置及檢測方法，在結構上采用傳感器與顯示器一體化結構，大大減少了分布參數的影響。
一種基于介電方法的谷物水分檢測裝置，包括雙針探頭、測量電路，和LCD顯示屏，測量電路通過檢測雙針探頭之間的探針阻抗的變化，將其轉換為含水率的值，所述測量電路包括，高頻振蕩器和檢波濾波電路、運算電路以及A/D轉換芯片，所述高頻振蕩器的輸入為雙針探頭的探針阻抗，高頻振蕩器的輸出送到檢波電路，檢波電路是由四個二極管D1-D4構成兩路倍頻檢波電路，高頻檢波信號分別經過電容C1、C2與電阻R1和電容C3、C4與電阻R2構成的兩路π型濾波電路輸出到運算電路；運算電路的輸出信號經由A/D轉換芯片TSC7106做除法運算和A/D轉換后，所得出的數值送LCD顯示屏顯示。
所述運算電路由四個運算放大器A1-A4組成，其中A1的正極輸入端接所述檢波電路一路π型濾波輸出，A2的正極輸入端接所述檢波電路另一路π型濾波輸出，A1的輸出通過電阻R3接A3的負輸入端，A3的輸出連接A/D轉換芯片TSC7106，A2的輸出端通過串聯電阻R4和R7連接到A4的輸出端，A3、A4的正輸入端連接到R4和R7的中點，再通過電阻R5接地，A4的正輸入端連接調零電路。
所述調零電路包括調零電阻W1、電阻R8、二極管D5，調零電阻W1一端接地，一端通過電阻R8接電源，二極管D5正極接地，負極接到調零電阻W1與電阻R8之間；所述運算電路A4的正極接調零電阻W1，改變其接入電路的阻值。
所述水分測試儀還包括外殼和供電裝置，LCD顯示屏固定在外殼頂部，測量電路與LCD顯示屏連接并固定于外殼上，雙針探頭平行固定在外殼的底板上，供電裝置為測量電路和LCD顯示屏供電。
還包括用于校準的調零裝置，包括調零旋鈕和調零電路，調零旋鈕伸出外殼并與外殼連接，調零旋鈕與調零電路相連接。
還包括谷物盛放容器，包括用來盛放谷物的物料筒和筒蓋，筒蓋上設有兩個供雙針探頭穿過的針孔，物料筒與筒蓋通過螺旋連接密閉。
所述雙針探頭是可更換的，雙針探頭通過螺紋連接與外殼的底板固定。
一種基于介電方法的谷物水分檢測方法，其特征在于包括，將被測物料裝于物料筒中，旋好筒蓋；雙針探頭通過筒蓋上的針孔插入被測物料中，打開電源，雙針探頭的阻抗依據放入的物料的介電常數不一樣而發(fā)生變化變化，線路板上的電路檢測變化后的探針阻抗，將其轉換成相應的含水率的值；最后在LCD顯示屏上顯示物料的含水率。
所述將探針阻抗轉換為相應含水率的值，依據公式θ(ϵ)=Z1Zp+Z1]]>換算得到，其中θ(ε)為含水率，Z1為測量電路引入的附加阻抗，Zp為探針阻抗，含水率θ(ε)與探針阻抗的Zp對應關系可通過標定來確定。
本發(fā)明為一種實用的、價格非常低廉的谷物含水率測量裝置，測量對象為農業(yè)生產的顆粒狀產品，如稻谷，大米，大豆，大麥，小麥，玉米等。其優(yōu)點主要包括，(1)應用計算機主板上常用的貼片晶體振蕩器，通過巧妙的電路設計，消除了因為振蕩幅度和輸出電阻的不一致而造成的測量誤差，性能穩(wěn)定，適用性強，抗干擾性好；(2)測量方法中除法的實現不需要昂貴的模擬除法器件，而是通過動態(tài)地利用A/D的基準電壓來實現，價格低廉，測量用時短；(3)儀器結構上為傳感器與顯示器一體化結構，結構緊湊，大大減小了分布參數的影響；(4)測量谷物時為消除谷物密度變異的影響，測量過程中采取“針頭—藥瓶”結構，，使用簡便大大提高測量精確度。


圖1為本發(fā)明檢測原理電路圖；圖2為本發(fā)明電路原理圖；圖3為本發(fā)明外形結構圖；圖4為本發(fā)明內部結構圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的理論基礎為基于探針阻抗計算方法的數學模型，采用直接測量探針(兩針結構)的高頻阻抗變化，通過探針阻抗與被測物料介電系數的數學建模定量估計被測物料的含水率。該方法經過電路設計與信號處理使得傳感器的輸出與高頻信號源的振蕩幅度與輸出電阻無關，在測量方法上不需要引入任何傳輸線做阻抗變換，有效地消除高頻振蕩器的輸出電阻與輸出幅度對測量精度的影響，測量裝置物理結構上為傳感器與顯示器一體化集成結構。
本發(fā)明的測量原理描述如下根據對象建立探針阻抗Zp計算模型，對于多針結構Zp=-jξ120ϵlnRrctgωϵcl----(1)]]>在式(1)中c＝電磁波在真空中的傳播速度，這里c＝3×108m/s；ω＝振蕩器的振蕩頻率；ζ＝探針數的權值系數，對于兩針結構，ζ＝1；R＝與探針幾何尺寸相關，對于兩針結構，R為兩針間的距離；
r＝探針的半徑；ε＝介電材料的相對介電常數L＝探針幾何長度測量原理電路如圖1所示，設 (t)為高頻振蕩器的輸出電壓，a與b分別表示a與b點的電位，Z0為高頻振蕩器的輸出阻抗，Z1為測量電路引入的附加阻抗，容易算出ΔUab=U^a-U^b=E^Z1Z0+Z1+Zp----(2)]]>式(2)表明差動電壓ΔUab與高頻振蕩器輸出幅度 輸出阻抗Z0、引入阻抗Z1和探針阻抗Zp皆有關。因為商品化的高頻振蕩器輸出幅度 輸出阻抗Z0存在著很大的離散性，為了盡可能地排除這些因素對測量結果的影響，根據電路原理圖(圖2)可以得出E^=U^aZpZ1(1+Z0Z1+Zp),]]>將此式帶入公式(2)中即可得公式(3)ΔUab=U^a-U^b=U^aZpZ1+Zp----(3)]]>如果令η(ϵ)=ΔUabU^a=ZpZp+Z1----(4)]]>顯然，η(ε)僅與探針阻抗Zp與附加阻抗Z1有關，與 及Z0無關。如果在確定Z1時滿足在空氣中Zp＞＞Z1，則有，η(ε＝1)≈1(5)若以θ(ε)表示土壤容積含水率，并且令θ(ϵ)=1-η(ϵ)=1-UabU^a=Z1Zp+Z1----(6)]]>式(6)表明
(1)可以借助于測量阻抗Zp變化實現土壤容積含水率的測量；(2)θ(ε)與探針阻抗的Zp對應關系可通過標定來確定；(3)整個測量過程的實現只需做一次除法與減法運算，所得結果與 及Z0無關。
其中，結論(3)中，整個測量過程的實現只需做一次除法運算，本發(fā)明的測試方法中不需要昂貴的模擬除法器件，而是通過動態(tài)地利用A/D的基準電壓來實現；如圖2所示，其硬件電路敘述如下由四個二極管D1-D4構成兩路倍壓檢波電路，高頻檢波信號分別經過C1、C2與R1和C3、C4與R2兩路π濾波器輸出至運算放大器A1與A2。A1與A2為兩個阻抗變換器，運算放大器A3完成上述式(6)中的減法運算，A4的功能為零點補償，通過調整W1達到系統(tǒng)調零，W1即為調零裝置的調零旋鈕。式(6)中的除法運算借助于A/D轉換器TSC7106來實現，這是根據雙斜積分A/D轉換器的工作原理，如下式所示Nx=VxVRNm----(7)]]>上式中Vx＝被轉換的模擬電壓；VR＝A/D轉換器的參考基準電壓；NM＝為A/D轉換器滿量程轉換數值；NX＝對應于Vx的被轉換數值。
本發(fā)明的電路原理圖如圖2所示電路包括高頻振蕩器和檢波濾波電路、運算電路以及A/D轉換芯片、LCD顯示屏，其中，高頻振蕩器和檢波濾波電路、運算電路在線路板上，LCD顯示屏與線路板相連接；高頻振蕩器為計算機主板上常用的貼片式晶體振蕩器OSC，晶體振蕩器OSC的輸出信號為高頻電壓信號，信號在經過探針后，由于探針阻抗的改變，高頻信號也發(fā)生了相應的改變，然后該信號傳送給檢波電路，檢波電路是由四個二極管D1-D4構成一個兩路倍頻檢波電路，高頻檢波信號分別經過電容C1、C2與電阻R1和電容C3、C4與電阻R2構成的兩路π型濾波電路輸出，輸出信號為直流電壓信號，該信號再傳送到運算電路，運算電路輸出的模擬電壓值信號送到A/D轉換芯片TSC7106，由TSC7106將模擬電壓信號轉換為數字信號，再送到LCD顯示屏5顯示。
運算電路由四個運算放大器A1，A2，A3，A4組成，其中A1的正極輸入端接所述檢波電路一路π型濾波輸出，A2的正極輸入端接所述檢波電路另一路π型濾波輸出，A1的輸出通過電阻R3接A3的負輸入端，A3的輸出連接A/D轉換芯片TSC7106，A2的輸出端通過串聯電阻R4和R7連接到A4的輸出端，A3、A4的正輸入端連接到R4和R7的中點，再通過電阻R5接地，A4的正輸入端連接調零電路。
調零電路包括調零電阻W1、電阻R8、二極管D5，調零電阻W1一端接地，一端通過電阻R8接電源，二極管D5正極接地，負極接到調零電阻W1與電阻R8之間；所述運算電路A4的正極接調零電阻W1，改變其接入電路的阻值。
根據上述原理所制造的含水率測試裝置的外形結構如圖3所示，內部結構如圖4所示，本發(fā)明包括谷物盛放容器和水分測試儀，其中谷物盛放容器包括物料筒11和筒蓋8，筒蓋8上設有兩個針孔9，用于供雙針探頭1通過；筒蓋8下端設有內螺紋，與設在物料筒頂端的外螺紋配合。將被測谷物放在物料桶內的目的是為了消除谷物密度變異的影響，由于物料桶的容積是有限的，而不象谷物堆中容積是一個無限的范圍，直接插在谷物堆中，對測量結果會有一定影響。
水分測試儀包括雙針探頭1、外殼2、LCD顯示屏3、電源開關4、電池蓋5、調零旋鈕7、線路板13和供電裝置14(見圖4)，LCD顯示屏3固定在外殼2頂部，這樣設計不僅使用戶可以很方便的通過顯示屏得到含水量結果，而且儀器結構上采用傳感器與顯示器一體化結構，大大減小了分布參數的影響。
線路板13與LCD顯示屏3連接并固定于外殼2上，供電裝置14固定在外殼殼體內，本實施例中采用電池作為電源，在外殼上開設一電池蓋5，打開電池蓋5可以將電池裝入供電裝置14中，外殼2的頂部設一個電源開關4與供電裝置14相連，通過電源開關4控制水分檢測儀的工作與否；另外在外殼2的頂部還設有一個調零旋鈕7，調零旋鈕7為控制電路原理圖2中的W1，通過改變其電阻值實現零點校準，用普通螺絲刀即可實現調零功能；底板6上設有螺紋孔，通過螺絲16與外殼2連接在一起，雙針探頭1利用螺絲17平行固定在底板6上。
值得說明的是，雙針探頭是可更換式的。探頭的更換方法為旋開螺絲16卸下底板6，再旋開底板6上的螺絲17，拿下需更換的雙針探頭1，換上新的，旋好螺絲17將雙針探頭固定，再將底板6裝在外殼2上，再旋好螺絲16即可。由于探頭直接插入谷物中測試，谷物中含有的水分等對探頭的損壞較為嚴重，探頭磨損后，測量值的誤差會增大，所以當探頭損壞時，可以及時更換。另外，對于不同的谷物需要更換不同的探頭，雙針間的距離為5cm，雙針探頭的長度可以根據所側谷物的不同自行調整，大約10cm左右。
上文所述的外殼、物料筒、筒蓋均由塑料制成，雙針探頭由銅制成。
本發(fā)明的電路中應用計算機主板上常用的貼片晶體振蕩器，通過巧妙的電路設計，包括上述兩路π型濾波電路及四個運算放大器A1-A4組成運算電路的電路結構電路結構，并結合探針阻抗Zp計算模型，消除了因為振蕩幅度和輸出電阻的不一致而造成的測量誤差；測量方法中除法的實現不需要昂貴的模擬除法器件，而是通過動態(tài)地利用A/D的基準電壓來實現。
采用本發(fā)明所述裝置進行谷物水分檢測，檢測方法包括如下步驟首先，將被測物料裝于物料筒11中，旋好筒蓋8，以保證谷物密度的一致性；然后，將雙針探頭1通過筒蓋上的針孔9插入被測物料中，打開電源開關4給雙針探頭供電，由于放入了物料使雙針探頭之間的介電常數發(fā)生變化，引起了雙針探頭1的阻抗變化，另外，由于不同含水率的物料的介電常數不一樣，線路板13上的電路8在檢測到這個變化后，將其轉換成相應的含水量的值；最后，從LCD顯示屏5上讀出被測物料的含水率。
最后所應說明的是以上實施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術方案，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解依然可以對本發(fā)明進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種基于介電方法的谷物水分檢測裝置，其特征在于包括雙針探頭、測量電路，和LCD顯示屏，測量電路通過檢測雙針探頭之間的探針阻抗的變化，將其轉換為含水率的值，所述測量電路包括，高頻振蕩器和檢波濾波電路、運算電路以及A/D轉換芯片，所述高頻振蕩器的輸入為雙針探頭的探針阻抗，高頻振蕩器的輸出送到檢波電路，檢波電路是由四個二極管D1-D4構成兩路倍頻檢波電路，高頻檢波信號分別經過電容C1、C2與電阻R1和電容C3、C4與電阻R2構成的兩路π型濾波電路輸出到運算電路；運算電路的輸出信號經由A/D轉換芯片TSC7106做除法運算和A/D轉換后，所得出的數值送LCD顯示屏顯示。
2.根據權利要求1所述的基于介電方法的谷物水分檢測裝置，其特征在于所述運算電路由四個運算放大器A1-A4組成，其中A1的正極輸入端接所述檢波電路一路π型濾波輸出，A2的正極輸入端接所述檢波電路另一路π型濾波輸出，A1的輸出通過電阻R3接A3的負輸入端，A3的輸出連接A/D轉換芯片TSC7106，A2的輸出端通過串聯電阻R4和R7連接到A4的輸出端，A3、A4的正輸入端連接到R4和R7的中點，再通過電阻R5接地，A4的正輸入端連接調零電路。
3.根據權利要求2所述的基于介電方法的谷物水分檢測裝置，其特征在于所述調零電路包括調零電阻W1、電阻R8、二極管D5，調零電阻W1一端接地，一端通過電阻R8接電源，二極管D5正極接地，負極接到調零電阻W1與電阻R8之間；所述運算電路A4的正極接調零電阻W1，改變其接入電路的阻值。
4.根據權利要求1或2或3所述的基于介電方法的谷物水分檢測裝置，其特征在于所述水分測試儀還包括外殼和供電裝置，LCD顯示屏固定在外殼頂部，測量電路與LCD顯示屏連接并固定于外殼上，雙針探頭平行固定在外殼的底板上，供電裝置為測量電路和LCD顯示屏供電。
5.根據權利要求4所述的基于介電方法的谷物水分檢測裝置，其特征在于還包括用于校準的調零裝置，包括調零旋鈕和調零電路，調零旋鈕伸出外殼并與外殼連接，調零旋鈕與調零電路相連接。
6.根據權利要求4所述的基于介電方法的谷物水分檢測裝置，其特征在于還包括谷物盛放容器，包括用來盛放谷物的物料筒和筒蓋，筒蓋上設有兩個供雙針探頭穿過的針孔，物料筒與筒蓋通過螺旋連接密閉。
7.根據權利要求4所述的基于介電方法的谷物水分檢測裝置，其特征在于所述雙針探頭是可更換的，雙針探頭通過螺紋連接與外殼的底板固定。
8.一種基于介電方法的谷物水分檢測方法，其特征在于包括，將被測物料裝于物料筒中，旋好筒蓋；雙針探頭通過筒蓋上的針孔插入被測物料中，打開電源，雙針探頭的阻抗依據放入的物料的介電常數不一樣而發(fā)生變化變化，線路板上的電路檢測變化后的探針阻抗，將其轉換成相應的含水率的值；最后在LCD顯示屏上顯示物料的含水率。
9.根據權利要求8所述的基于介電方法的谷物水分檢測方法，其特征在于所述將探針阻抗轉換為相應含水率的值，依據公式θ(ϵ)=Z1Zp+Z1]]>換算得到，其中θ(ε)為含水率，Z1為測量電路引入的附加阻抗，ZP為探針阻抗，含水率θ(ε)與探針阻抗的Zp對應關系可通過標定來確定。
全文摘要
一種基于介電方法的谷物水分檢測裝置及檢測方法，其中檢測裝置包括谷物盛放容器和水分測試儀，其中水分測試儀包括，雙針探頭、外殼、線路板、LCD顯示屏和供電裝置，LCD顯示屏固定在外殼頂部，線路板與LCD顯示屏連接并固定于外殼上，雙針探頭平行固定在外殼的底部，供電裝置固定在外殼殼體內；雙針探頭與線路板電連接，線路板的輸出傳送給LCD顯示屏顯示。本發(fā)明通過巧妙的電路設計，消除了因為振蕩幅度和輸出電阻的不一致而造成的測量誤差；儀器結構上為傳感器與顯示器一體化結構，結構緊湊，使用簡便，大大減小了分布參數的影響，價格低廉，性能穩(wěn)定。
文檔編號G01N27/02GK1595130SQ0315656
公開日2005年3月16日 申請日期2003年9月9日 優(yōu)先權日2003年9月9日
發(fā)明者孫宇瑞, 馬道坤, 林劍輝 申請人:中國農業(yè)大學