專利名稱：一種電容式秸稈含水率檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)物料含水率檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種電容式的秸稈含水率檢測裝置。
背景技術(shù)：
含水率是農(nóng)作物秸稈回收再利用技術(shù)中一項重要的指標(biāo)，農(nóng)作物秸稈的含水率對于秸稈的加工再利用有很大的影響，甚至含水率在一定程度上決定了其成品的品質(zhì)，而傳統(tǒng)的加熱烘干法在測量含水率方面存在測試周期長的缺點，在實際應(yīng)用中存在一定的缺陷，所以如何快速準(zhǔn)確的測定秸稈含水率成為提高農(nóng)作物秸稈利用效率的重要問題。目前，農(nóng)業(yè)物料含水率檢測裝置所采用的方法主要有微波式、中子式、紅外式、核磁共振式、電阻式和電容式。相比較而言電容式的含水率檢測裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，在實際應(yīng)用中易于實現(xiàn)快速連續(xù)測量，有利于推廣應(yīng)用，因此這種方法已經(jīng)成為檢測農(nóng)業(yè)物料含水率的主要方法之一。電容法是基于農(nóng)業(yè)物料介電特性的間接檢測方法，電容法檢測農(nóng)業(yè)物料含水率是利用農(nóng)業(yè)物料作為良好電介質(zhì)的特性，根據(jù)不同含水率的物料介電參數(shù)的差異，通過測量介電參數(shù)的變化得到物料的含水率。測量時，將被測物料作為電介質(zhì)置于電容傳感器當(dāng)中，通過測量與其介電參數(shù)呈線性相對應(yīng)關(guān)系的電容傳感器的電容值間接得到樣品的含水率。電容檢測法具有對被測樣品取樣要求不高的優(yōu)點。但是電容法檢測物料含水率時，電容值不僅受到含水率的影響，還受到樣品溫度以及容積密度即樣品的壓實度的影響，因此在檢測中必須綜合考慮多個影響因素，才能實現(xiàn)相對較高的測量精度。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)物料含水率測量儀器及設(shè)備多側(cè)重于糧食以及牧草等農(nóng)業(yè)物料，實際應(yīng)用中，專用于農(nóng)作物秸稈含水率的測量裝置和設(shè)備尚未有見，且現(xiàn)有的儀器沒有考慮溫度和容積密度的影響，致使測量精度不高。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)物料含水率檢測技術(shù)和農(nóng)作物秸稈含水率檢測裝置存在的問題， 本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的電容式秸稈含水率檢測裝置，利用秸稈含水率與電容傳感器的電容值及影響因素溫度、容積密度的數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)了農(nóng)作物秸稈含水率快速、準(zhǔn)確的檢測。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種電容式秸稈含水率檢測裝置， 包括傳感器、檢測及控制電路、顯示裝置、輸入設(shè)備、PC機(jī)，所述傳感器包括電容傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器；所述檢測及控制電路包括電容信號檢測及處理模塊、壓力信號檢測及處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊和主控制器；所述溫度傳感器與主控制器連接；所述電容傳感器與電容信號檢測及處理模塊連接，所述電容信號檢測及處理模塊與A/D轉(zhuǎn)換模塊連接； 所述的A/D轉(zhuǎn)換模塊與主控制器連接；所述壓力傳感器與A/D轉(zhuǎn)換模塊連接；所述顯示裝置、輸入設(shè)備模塊、PC機(jī)分別與主控制器連接。
所述電容傳感器采用平行極板式電容傳感器。所述溫度傳感器采用數(shù)字式溫度傳感器。所述溫度傳感器采用模擬式溫度傳感器。所述壓力傳感器采用電阻應(yīng)變式壓力傳感器。
所述主控制器采用AT89S52單片機(jī)芯片。所述的電容信號檢測及處理模塊采用交流電容檢測電路，包括正弦激勵信號發(fā)生器、二階有源帶通濾波器、C/V轉(zhuǎn)換電路、信號放大器和有效值一直流轉(zhuǎn)換電路。其基本檢測原理是利用確定頻率的正弦激勵信號作為電容傳感器的輸入信號，c/ν轉(zhuǎn)換電路將電容傳感器的電容值轉(zhuǎn)換為易于直接測量的電壓值，經(jīng)由信號放大器后接有效值檢測電路最后輸出與被測電容線性相對應(yīng)的直流電壓，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送至單片機(jī)處理，轉(zhuǎn)換成電容值。所述的溫度信號檢測模塊，接收溫度傳感器信號，直接與主控制器相連。所述的壓力信號檢測及處理模塊包括放大器和緩沖器，用于接收和處理壓力傳感器的信號，輸出直流電壓。壓力信號檢測及處理模塊接A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出至主控制器，經(jīng)主控制器處理轉(zhuǎn)換成秸稈樣品的容積密度值。本裝置采用雙壓力傳感器，檢測數(shù)據(jù)取平均值。所述的顯示裝置采用字符型或漢字圖形顯示裝置，用于顯示被測秸稈樣品的溫度和含水率值。所述的輸入設(shè)備模塊包括秸稈種類選擇鍵，包括有玉米、小麥、稻谷按鍵，含水率測量鍵、數(shù)據(jù)保存鍵和使用方法簡介鍵。所述的數(shù)據(jù)傳輸模塊采用串口通信電路實現(xiàn)。所述的檢測及控制電路、顯示裝置、輸入設(shè)備模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊均安裝于裝置
盒中ο本發(fā)明的測量原理及方法是，將被測秸稈樣品置于電容傳感器的探針電極中，由于樣品含水率的不同，其介電常數(shù)也不相同，因此由公式可知，
其中#為電容傳感器探針電極間樣品的介電常數(shù)，S為兩個電極的正對面積，d為探針電極間的距離，電容傳感器探針電極的電容值也相應(yīng)變化，然后結(jié)合影響因素即溫度、容積密度，根據(jù)建立的不同農(nóng)作物秸稈含水率與電容傳感器電容值以及影響因素溫度、容積密度之間的數(shù)學(xué)模型，通過程序計算間接得到被測秸稈樣品的含水率。所述的影響因素中的容積密度取決于秸稈種類、含水率、壓實度，為了量化秸稈壓實度對電容值的的影響，建模中以容積密度反映物料的壓實度。含水率是被測量值，物料種類可以在測量時通過按鍵選擇，因此，物料容積密度間接可反映壓實度，可通過壓力傳感器測量。本發(fā)明所述一種電容式秸稈含水率檢測裝置的優(yōu)點主要包括
1)該電容式秸稈含水率檢測裝置提供了一種專用于秸稈含水率測量的設(shè)備，為秸稈在工農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的含水率測量需求提供了必要的保證；
2)該電容式秸稈含水率檢測裝置，測量對象為多種農(nóng)作物秸稈，測量過程中可實時顯示測量數(shù)據(jù)；
3)該電容式秸稈含水率檢測裝置，綜合考慮了溫度、容積密度的影響因素，提高了實際測量中的檢測精度；
4)該電容式秸稈含水率檢測裝置主要由傳感器和相應(yīng)的測量、控制、顯示和數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，便于實現(xiàn)。


圖1是本發(fā)明檢測裝置的結(jié)構(gòu)框圖2是本發(fā)明檢測裝置的主控制器18的電路圖； 圖3是本發(fā)明檢測裝置的電容信號檢測及處理模塊14的電路圖； 圖4是本發(fā)明檢測裝置的溫度信號檢測模塊16的電路圖； 圖5是本發(fā)明檢測裝置的壓力信號檢測及處理模塊15的電路圖； 圖6是本發(fā)明檢測裝的置A/D轉(zhuǎn)換模塊17的電路圖； 圖7是本發(fā)明檢測裝置的顯示裝置19的電路圖； 圖8是本發(fā)明檢測裝置的輸入設(shè)備模塊20的電路圖； 圖9是本發(fā)明檢測裝置的數(shù)據(jù)傳輸模塊電路10的結(jié)構(gòu)圖； 圖10是本發(fā)明檢測裝置的電容傳感器11外形圖； 圖11是本發(fā)明檢測裝置的盒8的外形圖。
具體實施例方式下面以實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述，進(jìn)一步說明本發(fā)明的目的和特點。如圖1所示，一種電容式秸稈含水率檢測裝置，包括有傳感器9、檢測及控制電路 10、顯示裝置19、輸入設(shè)備20、PC機(jī)22組成，所述傳感器9包括電容傳感器11、溫度傳感器 13和壓力傳感器12 ；所述的檢測及控制電路10包括電容信號檢測及處理模塊14、壓力信號檢測及處理模塊15、A/D轉(zhuǎn)換模塊17和主控制器18 ；所述的溫度傳感器13與主控制器 18連接；所述的電容傳感器11與電容信號檢測及處理模塊14連接，所述電容信號檢測及處理模塊14與A/D轉(zhuǎn)換模塊17連接；所述的A/D轉(zhuǎn)換模塊17與主控制器18連接；所述的壓力傳感器12與A/D轉(zhuǎn)換模塊17連接；所述顯示裝置19、輸入設(shè)備模塊20、PC機(jī)22分別與主控制器18連接。如圖2所示，本發(fā)明所述的主控制器18，采用AT89S52單片機(jī)芯片及其外圍電路組成。電容C13、C14和晶體振蕩器Xl構(gòu)成AT89S52的時鐘電路，電阻R21、電容C15、D1及復(fù)位/初始化鍵構(gòu)成AT89S52的復(fù)位電路，實現(xiàn)AT89S52單片機(jī)的初始化及復(fù)位。如圖3所示，本發(fā)明所述的電容信號檢測及處理模塊14，采用交流電容檢測電路， 包括正弦激勵信號發(fā)生器、二階有源帶通濾波器、C/V轉(zhuǎn)換電路、信號放大器和有效值一直流轉(zhuǎn)換電路。所述正弦激勵信號發(fā)生器，由函數(shù)發(fā)生芯片ICL8038組成，可變電阻RV1、RV2用于調(diào)節(jié)ICL8038輸出正弦激勵信號的失真度，可變電阻RV3用于調(diào)節(jié)確定ICL8038輸出激勵信號的頻率，電容C2決定輸出激勵信號的頻率范圍。所述二階有源帶通濾波器，由運算放大器NE5532組成。該二階有源帶通濾波器用于對ICL8038輸出的信號進(jìn)行濾波去噪，輸出確定頻率的正弦激勵信號Ui (t)。
所述C/V轉(zhuǎn)換電路，電容傳感器11被測電容為Cx。激勵信號Ui (t)經(jīng)反饋電阻 R9和反饋電容C7以及運算放大器0P07組成的檢測器將被測電容Cx轉(zhuǎn)換成線性對應(yīng)關(guān)系的交流電壓Uo (t)。所述信號放大電路，對C/V轉(zhuǎn)換電路輸出的交流信號Uo(t)進(jìn)行放大，由儀表放大器AD620組成。所述有效值一直流轉(zhuǎn)換電路，采用RMS — DC集成轉(zhuǎn)換芯片AD536，對經(jīng)由AD620放大后的交流信號進(jìn)行直流轉(zhuǎn)換，最后輸出直流電壓Uc，Uc經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換17模塊后送至主控制器18處理，轉(zhuǎn)換成電容值。如圖4所示，本發(fā)明所述的溫度信號檢測模塊16，用于接收數(shù)字溫度傳感器13的信號，并直接與AT89S52單片機(jī)相連。如圖5所示，本發(fā)明所述的壓力信號檢測及處理模塊15，電阻應(yīng)變式壓力傳感器12的兩根電壓信號線接至放大電路，放大電路由運算放大器AD620組成。運算放大器 0P77AP組成緩沖器，它與AD620及電阻R15、R16、R17、R18構(gòu)成一個加減運算電路，實現(xiàn)對壓力傳感器12輸出信號的調(diào)理，最后輸出直流電壓^1(1，2)。壓力信號檢測及處理模塊15 接A/D轉(zhuǎn)換模塊17輸出至主控制器18，經(jīng)主控制器18處理轉(zhuǎn)換成秸稈樣品的容積密度值。 本裝置采用雙壓力傳感器，檢測數(shù)據(jù)取平均值。壓力傳感器12用于采集被測秸稈的容積密度。如圖6所示，本發(fā)明所述的A/D轉(zhuǎn)換模塊17，采用A/D轉(zhuǎn)換器TLC2M3，其數(shù)據(jù)輸入通道AIMKAim和AIN2接收模擬電壓信號Uc和Uml、Um2。如圖7所示，本發(fā)明所述的液晶顯示模塊19，由IXD12864組成，它與AT89S52單片機(jī)顯示端連接，用以顯示檢測到的含水率值、電容值、溫度值以及容積密度值。如圖8所示，本發(fā)明所述一種電容式秸稈含水率檢測裝置中輸入設(shè)備模塊20，由獨立鍵盤組成，與AT89S52單片機(jī)連接，包括秸稈種類選擇鍵(玉米、小麥、稻谷)、含水率測量鍵、數(shù)據(jù)保存鍵和使用方法簡介鍵。如圖9所示，本發(fā)明所述的數(shù)據(jù)傳輸模塊21，由RS232串口通信電路組成，其中 MAX232芯片的T2IN和R20UT 口分別接AT89S52單片機(jī)的TXD和RXD 口。數(shù)據(jù)傳輸21模塊實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的上傳和保存。如圖10所示，本發(fā)明所述的電容傳感器11，其中包括探針電極Al、探針電極B2， 其采用黃銅板，12為壓力傳感器，13為溫度傳感器，6為絕緣柄，7為接線電纜。其中探針電極Al、探針電極B2外側(cè)涂有絕緣層。所述電容傳感器11、溫度傳感器13分別用于采集被測秸稈的電容、秸稈樣品的溫度。如圖11所示，本發(fā)明所述的可移動裝置盒8，其中所述檢測及控制電路10、顯示裝置19、輸入設(shè)備20和數(shù)據(jù)傳輸21模塊均安裝于可移動裝置盒8中。本發(fā)明所述一種電容式秸稈含水率檢測裝置，測量步驟及過程如下首先，接通電源并按下復(fù)位/初始化鍵，使裝置處于待測量狀態(tài)；然后，將電容傳感器的探針電極完全插入被測秸稈樣品中，依次按下秸稈種類選擇鍵和含水率檢測鍵，秸稈種類選擇鍵包括有玉米按鍵、小麥按鍵、稻谷按鍵，使裝置處于測量狀態(tài)。由于放入了秸稈樣品使探針電極之間的的介電常數(shù)發(fā)生變化，引起探針電極的電容變化，檢測及控制電路中的主控制器檢測到這個變化后，結(jié)合溫度傳感器和壓力傳感器檢測到的秸稈樣品的溫度和容積密度數(shù)據(jù)，由主控制器轉(zhuǎn)換成秸稈樣品含水率的值，從顯示裝置上讀出秸稈樣品的含水率；最后，隨后根據(jù)需要按下數(shù)據(jù)保存鍵，可將檢測數(shù)據(jù)上傳并存儲到PC機(jī)中。
權(quán)利要求
1.一種電容式秸稈含水率檢測裝置，包括傳感器(9)、檢測及控制電路(10)、顯示裝置 (19)、輸入設(shè)備(20)、PC機(jī)(22)，其特征在于，所述傳感器(9)包括電容傳感器(11)、溫度傳感器(13)和壓力傳感器(12)；所述檢測及控制電路(10)包括電容信號檢測及處理模塊 (14)、壓力信號檢測及處理模塊(15)、A/D轉(zhuǎn)換模塊(17)和主控制器(18);所述溫度傳感器 (13)與主控制器(18)連接；所述電容傳感器(11)與電容信號檢測及處理模塊(14)連接， 所述電容信號檢測及處理模塊(14)與A/D轉(zhuǎn)換模塊(17)連接；所述A/D轉(zhuǎn)換模塊(17)與主控制器(18)連接；所述壓力傳感器(12)與A/D轉(zhuǎn)換模塊(17)連接；所述顯示裝置(19)、 輸入設(shè)備模塊(20 )、PC機(jī)(22 )分別與主控制器(18 )連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述電容式秸稈含水率檢測裝置，其特征在于，所述電容傳感器(11)采用平行極板式電容傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述電容式秸稈含水率檢測裝置，其特征在于，所述溫度傳感器 (13)采用數(shù)字式溫度傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述電容式秸稈含水率檢測裝置，其特征在于，所述溫度傳感器 (13)采用模擬式溫度傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述電容式秸稈含水率檢測裝置，其特征在于，所述壓力傳感器(12)采用電阻應(yīng)變式壓力傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述電容式秸稈含水率檢測裝置，其特征在于，所述的主控制器 (18)采用AT89S52單片機(jī)芯片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電容式秸稈含水率檢測裝置，包括傳感器、檢測及控制電路、顯示裝置、輸入設(shè)備、PC機(jī)，所述傳感器包括電容傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器；所述檢測及控制電路包括電容信號檢測及處理模塊、壓力信號檢測及處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊和主控制器；所述溫度傳感器與主控制器連接；所述電容傳感器與電容信號檢測及處理模塊連接，所述電容信號檢測及處理模塊與A/D轉(zhuǎn)換模塊連接；所述A/D轉(zhuǎn)換模塊與主控制器連接；所述壓力傳感器與A/D轉(zhuǎn)換模塊連接；所述顯示裝置、輸入設(shè)備、PC機(jī)分別與主控制器連接。該裝置利用秸稈含水率與電容傳感器的電容值及影響因素溫度、容積密度的數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)了農(nóng)作物秸稈含水率快速、準(zhǔn)確的檢測。
文檔編號G01N27/22GK102393408SQ20111034260
公開日2012年3月28日 申請日期2011年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月3日
發(fā)明者劉馳, 朱新華, 楊軍, 郭康權(quán), 郭文川 申請人:西北農(nóng)林科技大學(xué)