２０１０拄 仪表技术与传感器 ２０ｌＯ Ｎｏ．１ 第ｌ期 Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ 粮食水分在线测量传感器 耿道渠 一，赵湛 ，方震 ，许静 。 １０００３９） （１．中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室，北京１００１９０；２．中国科学院研究生院，北京摘要：研制了一种基于电容测量的粮食水分含量在线测量传感器。提出了一种新的传感器结构并给出了数学模型， 通过理论分析和ＡＮＳＹＳ仿真实验给出了传感器的结构参数；同时，介绍了传感器信号调理电路的软件、硬件设计。实验 测量结果表明：粮食（小麦）水分含量在１０％一１８％时，传感器测量精度优于０．５％。传感器具有ＲＳ一４８５总线通信接口、 体积小、粮仓内布放简单等特点，适用于粮仓在绂测量。 关键词：传感器；水分含量；在线测量；粮仓 中图分类号：ＴＰ２１２．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—１８４１（２０１０）０１—０００９—０２ Ｓｅｎｓｏｒ ｆ０ｒ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｇｒａｉｎ Ｍｏｉｓｔｕｒｅ Ｃｏｎｔｅｎｔ Ｏｎｌｉｎｅ ＧＥＮＧ Ｄａｏ—ｑｕ ，ＺＨＡＯ Ｚｈａｎ ，ＦＡＮＧ Ｚｈｅｎ ，ＸＵ Ｊｉｎｇ ’ （１．Ｔｈｅ Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｇｒａｉｎ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｎｌｉｎｅ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｎｅｗ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｂｙ ｔｈｅｏｒｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ＡＮＳＹＳ ｓｉｍｕ— ｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｗｅｒｅ ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ—ｒｅｌａｔｅｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗｅｒｅ ｄｅｍｏｎ— ｓｔｒａｔｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ０．５％ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒａｉｎ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｓ ｂｅｔｗｅｅｎ １０％ａｎｄ １８％．Ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ，ｗｉｔｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａ抹偶的陆川靠ｓｍａｌｌ ｓｉｚｅ，ｈａｖｉｎｇ ＲＳ－４８５ ｃｏｎ— ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ａｎｄ ｂｅｉｎｇ ｅａｓｉｌｙ ｄｅｐｌｏｙｅｄ ｉｎ ｇｒａｎａｒｉｅｓ，ｃａｎ ｂｅ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｇｒａｎａｒｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｇｒａｉｎ ｍｏｉｓ— ｔｕｒｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｎｌｉｎｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｅｎｓｏｒ；ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｃｏｎｔｅｎｔ；ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｎｌｉｎｅ；ｇｒａｎａｒｙ ０引言 １传感器结构及原理分析 水分含量是影响粮食仓储的关键因素。粮食水分含量过 高，通常会使粮食代谢旺盛，引起粮食自身物质消耗，并产生热 量，容易滋生霉菌和细菌，从而导致粮食霉变 。在我国，每年 都有数百亿斤的粮食因水分含量过高，在储存和运输过程中霉 烂变质 ｊ。因此，需要对粮仓中粮食水分含量进行定期甚至 在线实时测量，以避免粮食霉变带来巨额经济损失。 １．１传感器结构 由于设计的传感器应用于粮仓环境，因此，设计时充分考 虑了其在粮仓中的布放问题。传感器的大小、形状、接口等都 是要考虑的关键因素。合适的大小、合理的外观以及接口设计 都有利于传感器在粮仓中的大面积布放。因此，设计了如图１ 所示的传感器结构。传感器整体形状为圆柱状，长度为６ ｅｍ， 截面直径为１．５ ｃｍ．由电极、封装管和信号调理电路３部分组 成。传感器的两个敏感电极为不锈钢圆环，同轴等径并排固定 在封装管上。传感器信号调理电路板固定在封装管内部，电路 板与封装管之间采用金属管屏蔽。另外，两端留有总线接口， 粮食水分测量方法分为直接测量法和间接测量法。直接 水分测量通常为烘干测重法，测量时间长，实时性差，多适用于 实验室精确测量场合。而在需要快速测量的场合，多采用间接 测量法。常用的间接测量方法有电测法（电阻、电容）、射线法 （红外、微波）、中子法、核磁共振法等 。 。依据上述测量方 便于与测量或通信线缆连接。通过线缆与传感器接口连接可 以将多个传感器连接成串，这样更有利于传感器在粮仓内的布 放。将多个传感器串垂直布放于粮仓中，可以组成一个多层监 测网络，能够很好地实现粮食水分含量的在线测量。 封装管 电极ｌ 电极２ 法，已经研制出了多种粮食水分测量传感器 。 在众多的粮食水分测量传感器中，适用于储粮仓库在线测 量的传感器较少，相关文献的介绍相对较少。迄今，我国多数 粮库仍没有布放粮食水分在线测量传感器，粮食水分含量在线 测量近乎空白。为此，文中提出了’一种粮食水分在线测量传感 器，体积小、粮仓内布放简单，并具有总线接口，适用于粮仓在 线实时测量。 图１传感器结构图 基金项目：“十一五”国家科技支撑计划课题（２００６ＢＡＤ０８Ｂ０Ｉ） １．２原理分析 收稿日期：２００９—０２—１４收修改稿日期：２００９—０９—１８ 传感器两电极之间实际上是一个基于边缘电场的电容结 １０ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ｊａｎ．２０ｌ０ 构。给电极施加激励信号，两电极之问将有电场分布。将传感 器放置于粮食中，如粮食水分含量发生变化，将会导致介电常 数发生改变，进而改变传感器两电极之间的电场分布，从而引 起电容的变化。检测电容的变化即可通过一定的变换关系得 到粮食的水分含量。 １．３数学模型 对于同一平面上的两条状极板问的电容，ＨＥＥＲＥＮＳ Ｗ Ｃｌ１０］给出了数学模型。如图２所示，两相邻条状极板长度分别 为￡和ｆ（Ｌ＞１），宽度分别为ｂ 、ｂ ，两电极间距为ｓ，周围无阴 元供电。 图３传感器调理电路结构图 ２．２软件设计 影部分为地，则电极之间的电容为 ｃ＝ ｎ丌 Ｌ［ Ｓ 【 ＋Ｓ ｂ］Ｏ１＋，Ｊ Ｊ ㈩ 式中： 和 分别为真空介电常数和介质相对介电常数。 图２同一平面上两电极之间电容 而对于图１所示的传感器结构，传感器两电极之间的电容 与图２中所示的两个极板问的电容结构相似，因此采用式（１） 所示的模型，适当改变给出所设计传感器的数学模型。令两个 圆环电极的宽度ｂ。＝ｂ：＝ｂ，直径为Ｄ，电极间距离为Ｓ，则有ｆ＝ ＂ｕＤ，由式（１）可得 ｃ－ 。 ； 】＝ＫＡ （２） 式中： 为两种模型的相似因子，其值为常量；Ａ为传感器结构 因子，Ａ＝Ｄｌｎ［ 连 ］：Ｄ・ｎ［ ＋ ］，其大小取 决于结构参数ｓ与ｂ的比值以及Ｄ的值。 在粮库应用中，传感器电极敏感距离达到２５ ｅｍ即可满足 测量要求。通过理论分析和ＡＮＳＹＳ软件仿真，当电极宽度ｂ为 １．５ ｃｍ即可满足上述要求。由式（２）可以看出，传感器结构确 定后， 和Ａ的值均为常量，电容Ｃ只与相对介电常数ｓ 有关。 ２传感器硬件、软件设计 ２．１硬件设计 传感器调理电路结构图如图３所示。共由５个单元组成， 分别是电源单元、微控制器（ＭＣＵ）、水分检测单元、ＲＳ一４８５通 信单元和ＲＳ一４８５总线接口单元。其中，ＭＣＵ用于数据处理和 数据传输控制。水分检测单元包括信号激励、采集、ＡＺＤ转换、 数据存储以及数据传输等模块。ＲＳ一４８５通信单元包括通信 驱动芯片、外围电路等。ＲＳ一４８５总线接口单元是传感器内部 通信单元与外部总线连接的桥梁，该单元位于传感器的两端， 两端接口在传感器内部通过在ＰＣＢ板上走线方式连接。此种 接口设计有利于通过信号电缆将多个传感器连接成串。Ｒｓ一 ４８５总线共由４线组成，其中２线为ＲＳ一４８５的Ａ、Ｂ数据传输 线；另外两线为电源线，用作传感器内部调理电路的电源输入。 电源单元的电源输入来自于ＲＳ一４８５总线接口单元，通过单元 内部电平转换分别给ＭＣＵ、ＲＳ一４８５通信单元以及水分检测单 软件设计部分主要包括时钟、中断和外设端口的初始化、 测量指令等待、水分测量、温度测量、数字滤波处理、测量结果 温度补偿以及测量结果传输等部分，软件采取模块化编程思 想，每个相对独立的功能单元利用Ｃ编程语言编写为一个模 块，便于调试和维护。 ３传感器测量实验数据及分析 温度是传感器设计中必须要考虑的一个因素。为了分析 温度对传感器的影响，将设计的传感器在多个温度下进行了小 麦样品的标定测试，得出了传感器输出电容和小麦水分含量的 对应关系，如图４所示。 ｊ磐 仲 丑 图４不同温度下水分含量与输出电容的对应关系 可见，在不同温度下，小麦水分含量与传感器输出电容均 有很好的线性关系。对测量数据进行线性拟合，得到粮食水分 含量 与传感器输出电容Ｃ之间的线性方程： Ｍ＝３．４１４ ２９Ｃ一３．２８４ ３１（Ｒ＝０．９８４ １６，９℃） （３） Ｍ＝３．１８０ ８４Ｃ一２．６９８ ６６（Ｒ：０．９８７ ３６，１６℃） （４） Ｍ＝３．２９５ ３０Ｃ一３．６０６ ７１（Ｒ：０．９９１ ９８，２３℃） （５） 式中：Ｒ为线性相关系数；Ｃ为输出电容，ｐＦ；Ｍ为粮食水分含 量，以百分比的形式表示。 由图４和式（３）一式（５）分析可得，在粮食水分含量不变的 情况下，温度越高，传感器输出的电容值就越大。可见，温度对 所设计的传感器影响较大。为了减小温度的影响，可利用式 （３）～式（５）在软件中对测量结果进行温度补偿，取得更好的测 量精度。 将设计的传感器在某储量科学研究所进行了小麦样品测 试，测试结果如表１所示。从测量结果可以看出，当小麦水分 含量在１０％一１８％时，测量误差优于０．５％，能够达到粮仓中粮 食水分在线测量的要求。 ４结束语 所设计的粮食水分在线测量传感器，具有（下转第ｌ３页） 第１期 李颖等：压力传感器厚膜温度补偿技术研究 表１ ＯＥＭ传感器厚膜温度补偿后测试数据 １３ 割、蛇形切割等来提高调阻精度。几种典型的调阻类型示意图 如图４所示。直线切割效率高、精度低、可切面小、耐电压差；Ｌ 形切割精度高、稳定性好、效率高；蛇形切割阻值调节范围宽， 适用于动态调整；Ｕ形切割最稳定、效率低。 （ａ）直线切割 （ｂ）Ｌ形切割 ６结束语 采用厚膜电路和先进的激光调阻技术，实现ＯＥＭ传感器 温度补偿，补偿方法简单，省去了手工筛选电阻和焊接电阻等 繁杂的装配工序，大大地提高了生产效率。减小了补偿电阻的 （Ｃ）蛇形切割 （ｄ）Ｕ形切割 装配空间，使外观更加小巧美观。使传感器的补偿精度得以提 高，可靠性、抗震性得到增强，适用温区得以拓宽，全面实现了 产品的技术升级和品质提升。 参考文献： ［１］徐开先．实用新型传感器及其应用．沈阳：辽宁科学技术出版社， １９９５． 图４几种典型调阻类型示意图 ５传感器的测试验证 ＯＥＭ传感器补偿前要放人高低温试验箱中进行温度特性 测试，根据全温区测试结果，通过计算确定温度补偿电路的参 数，并将相应电阻通过激光修调调整到合适的阻值，达到对压 ［２］ＬＩＣＡＲＩ Ｊ Ｊ，ＥＮＬＯＷ Ｌ Ｒ．混合微电路技术手册．北京：电子工业出 版社，２００４． 力传感器输出信号实现温度补偿的目的。 下面是对ＯＥＭ传感器进行补偿的１组实测数据，厚膜补 偿后，经测试验证，可补率为１００％，补偿后传感器的零点和灵 敏度温漂在０．０２—０．１％Ｆ．Ｓ．范围内（０～７０ ｏＣ，２５ ｏＣ为参考 点），补偿精度很理想。表１为ＯＥＭ传感器温度补偿后零点和 灵敏度温漂测试数据。 ［３］关玲，吴芳．一种压力传感器零位温漂的补偿方法．新技术新仪 器，２０００，２０，（３），２０—２２． ［４］ 郑惟彬，马以武，刘声雷．厚膜集成微压传感器的研制．电子工艺 技术，２０００（１）：３３—３５ 作者简介：李颖（１９６５一），高级工程师，主要从事传感器技术的研究。 Ｅ・ｍａｉｌ：ｌｉｙｉｎｇ６５０５＠１６３．ＣＯｒｎ （上接第ｌＯ页） 表１小麦水分含量测量结果 ％ ［２］ 翟宝峰，郭宏林，许会．粮食水分检测技术的综合分析和发展概 况．沈阳工业大学学报，２００１，２３（５）：４１３—４１６． ［３］ 张永林，张胜全，刘文生．粮食水分在线测量技术评述．武汉工业 学院学报，２００３，２２（４）：３６—４０． ［４］ 孙健，周展明，唐怀建．国内外粮食水分快速检测方法的研究．粮 食储藏，２００７，３６：４６—４９． ［５］徐浩，叶明．微波水分测量的研究．传感器与微系统，２００７，２６ （５）：４３—４４；５１． ［６］ 滕召胜．新型插杆式粮油水分传感器设计．仪表技术与传感器， １９９９（１）：３—４；３１． ［７］ 翟宝峰，梁清华．检测粮食水分用的电容式传感器．传感器技术， ２００３，２２（２）：２９—３１． ［８］ 杨柳，杨明皓，刘嫣红．利用边缘电场的电容式谷物水分传感器 结构新颖、体积小等特点。传感器两端具有ＲＳ一４８５总线接 Ｅｌ，便于将多个传感器串接起来使用，并有利于粮仓内的传感 的研究．中国农业大学学报，２００７，１２（２）：５８—６１． ［９］ 李振涛，张阳，张丽梅．粮食水分在线检测传感器．辽宁大学学报 （自然科学版），２００６，３３（３）：２４１—２４３． ［１０］ＨＥＥＲＥＮＳ Ｗ Ｃ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｉｎ ８ｅａ￥ｏｒ ｄｅ－ ｓｉｇｎ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅ：Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，１９８６，１９：８９７— ９０６． 器布放。测试实验结果表明：粮食水分含量在１０％～１８％时， 传感器测量精度优于０．５％，能够完全满足粮仓内粮食水分含 量在线测量的精度要求。 参考文献： ［１］丁元明，张学东，王雪．粮食水分测量技术概况．分析仪器，１９９７ （２）：５—９． 作者简介：耿道渠（１９７７一），硕博连读生，主要研究方向为集成传感器 系统、无线传感器网络等。Ｅ－ｍａｉｌ：Ｄａｏｑｕｇｅｎｇ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ
