电容式微含水量检测系统设计

庞 磊,杨 录,郝建亮

（中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051）

电容式微含水量检测系统设计

庞 磊,杨 录,郝建亮

（中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051）

针对在线检测火药含水量的实际要求，设计平板电容水分检测传感器，利用水的相对介电常数远大于被检物料的相对介电常数的原理，构建和电容传感器相关的交流电桥和测量电路，并设计自补偿电路，使得桥路输入为零时输出也为零。由于所测含水量范围为0.5%～3.5%，测量准确度为0.1%，为提高系统的测量准确度，分别对影响含水量的温度、湿度和重量容积比加以考虑，建立多参数校正的水分在线检测系统。经过大量实验验证：该系统性能稳定，测量精度高，具有很好的实用价值。

微量水分检测；电容式传感器；电桥平衡电路；数据采集与处理

0 引 言

水是日常生活中必不可少的物质，但是如果将它与工程联系起来，含水量的多少对物质的性质至关重要。如矿物质、茶叶、粮食、药品、食品以及化学物质等在生产、储藏和运输过程中对水分含量都有严格的要求，并将其限制在一定的范围内，对于药品和火药更是如此[1]。通过对多种水分测量方法的分析对比，结合实际检测条件和环境，最终选用电容式传感器测量火药的含水量。利用水的相对介电常数远大于被检物料介电常数的原理，通过测量电容的变化测出物料的含水量。由于电容的变化不易直接测量，因此通过测量电路将电容的变化转换成容易测量的电压的变化，最终达到对物料含水量的测定[2]。

1 整体系统设计

系统检测原理框图如图1所示，主要由信号采集模块、信号调理模块、单片机控制模块、通信模块、显示模块组成。其中信号采集模块包括电容传感器、称

重传感器、温湿度传感器，主要完成水分检测相关参数的采集。

1.1 传感器的选择与设计

考虑到被测物料的体积会随含水量增加而增加，而装载物料的电容传感器体积固定不变，因此物料的质量作为含水量计算的一个参数。本系统选用准确度为0.1 g、量程为2 kg的悬臂梁式称重传感器，可将称重值通过串口发送给单片机，然后发送到上位机。温度、湿度也会对系统的测量带来影响，因此选用瑞士罗卓尼克公司生产的HC2-P05型插入式温湿度传感器来测量物料的温度、湿度。该传感器探头主要适用于散装粉末、小颗粒物的测量，同时具备功耗小、精度高、性能稳定等优点，特别适用于本测量系统[3]。

电容传感器为自制的两个平板变介电常数传感器，其结构为20cm×30cm×3cm，空载电容为401pF[4]。在设计时遵循以下原则：

（1）在设计时尽可能提高传感器的电容，既能降低其输出阻抗，又能提高传感器的灵敏度。

（2）为防止极板间击穿，在电容极板表面喷涂绝缘效果较好的聚四氟乙烯。

（3）为克服极板与周围物体之间的寄生电容，将传感器及其引出线采用屏蔽的方法，并将屏蔽线接入大地。

（4）为使电容传感器两极板之间的距离不受温度的影响，在制作时要选用相应线膨胀系数的材料，减小它的零点漂移。

1.2 自平衡电路设计

由于制作工艺水平的限制，交流电桥无法达到绝对平衡，即输入为零时，输出不为零。一般情况下，这个不平衡信号要比有用信号大的多，当不平衡信号经过后续放大电路后，系统无法识别有用信号和不平衡信号，从而直接影响了整个系统的性能，为抑制该不平衡信号，设计了自平衡电路，使用的方法是合成一个与不平衡信号大小一样的补偿信号将其抵消[5]。这个补偿信号由单片机控制D/A芯片生成。自平衡电路框图如图2所示。

假设不平衡信号为Asin（ωt+φ），则需产生一个幅值相位相等的正弦信号与该信号做差即可抑制该不平衡信号，使输入为零时输出也为零。所需补偿信号可通过向量合成的方法产生，即：

式中幅值和相位为固定值；设α=Acosφ，β=Asinφ即α，β为定值。因此在每次调平衡时只需通过单片机控制D/A给定α，β值即可实现输出信号调平。自平衡电路原理如图3所示，a、b、c、d由DDS芯片AD9854产生，其中：

图3中VDAX和VDAY是由D/A产生的α和β信号，α与sin（wt）、β与cos（wt）通过AD835乘法器后，再经过求和电路就可以得到与不平衡信号相抵消的合成补偿信号VOA2，将VOA2和电桥信号做差即可实现平衡。图4中通道1为电桥输出信号，通道2为合成的补偿信号，由4图可以看出二者相位、幅值基本一致。

2 系统软件设计

2.1 单片机程序设计

软件设计主要完成单片机控制各个模块进行正常有序的运行，主要有串口通信模块、自动平衡调节模块、激励信号产生模块、A/D和D/A模块。上位机由VC++编写，主要完成与单片机的通信和测量结果显示，具体通信协议如表1所示。

单片机程序设计流程如图5所示。由于温湿度传感器和称重传感器数据均需通过串口发送到上位机，因此串口通信采用数控模拟开关CD4052实现采集数据的顺序传输。

2.2 自平衡算法设计

在水分检测系统中，电桥信号经过相敏检波及滤波后，分为X和Y方向输出Vx和Vy，其中系统信号输出为双极性信号2V，而大多数D/A芯片为单极性，因此在系统的输出端加2V偏置，以满足D/A芯片的动态输出范围。单片机在收到调平衡命令时，会根据A/D采样结果调节D/A输出，使系统最终达到平衡状态。具体设计算法如图6所示，其中阈值范围为[-10mV，+10mV]，使用十六进制采样值表示为[0×685，0×695]。

3 实验数据分析

3.1 实验测量数据

分别对半黄豆、半黑豆、玉米渣、半绿豆、大米5种粮食物料进行检测，并记录分别在不同含水量下所对应的各参数值。表2、表3为室温时（T=25℃）以半绿豆和大米为例的标准含水量及其对应的各参数值[6]。其中M为固定容积物料的质量，M0为标准物料的质量，S为物料的湿度，Vx和Vy分别为X、Y方向系统输出电压，H为标准物料的含水量。根据所测数据使用最小二乘法分别对各参数和含水量进行曲线拟合[7]，得到湿度和电压幅值与含水量成正比，质量容积比（固定容积物料的质量与体积的比值）与含水量成反比，含水量随温度的升高，测量结果偏高，最后建立了多参数下的含水量计算模型[8]。

图7所示为不同温度下利用最小二乘法拟合的大米标准含水量与电压幅值的关系曲线。由于火药生产出的温度为30～45℃，实验中分别在25，30.5，35.8，40.4℃下对同种物料进行测量。

3.2 误差分析

通过多种物料的多次实验，建立了多参数下的水分检测数学模型，根据所建模型计算出的含水量与通过称重法计算出的含水量进行对比，得出在含水量为1%～3.5%时测量最大误差不超过0.1%，在含水量为0.5%～1%时测量最大误差不超过0.16%，基本达到测量要求。在含水量为0.5%～1%时误差较大的原因是此时物料含水量极低，电容传感器本身无法精确感应到含水量的变化[9]。

4 结束语

在水分检测系统设计中，分析对比了各种测量水分的方法，最终选用电容式变介电常数的方法测量物料的含水量。通过分析影响含水量测定的多个因素设计了多参数下的水分检测系统。在本系统中传感器的选择以及电桥平衡电路的设计是十分重要的，所以在进行系统测试与调试过程中把所有可能影响实验准确性因素都考虑上，这样才使得该系统能达到预期测量水分精度的要求。通过严格的实验步骤且结合所得数据分析，本系统采用的电桥平衡电路和电容传感器是可行的，测量精度基本达到要求，且具有很好的稳定性，非常适合低含水量、颗粒状物料的快速测量[10]。

[1]赵晓东.多参数水分在线检测及系统研究[D].太原：中北大学，2012.

[2]黄操军，田芳明.粮食水分检测技术及发展趋势[J].农机化研究，2006（12）：44-47.

[3]张洪润.传感器技术大全[M].北京：北航出版社，2007.

[4]高晓丁，左贺，梁继超.基于电容式传感器技术的织物渗水特性检测方法[J].传感器技术，2004，23（10）：41-42.

[5]李虎，杨道业，程明霄.螺旋极板电容式传感器的特性研究和参数优化[J].仪表技术与传感器，2011（8）：7-10.

[6]杨荣辉.电容式粮食水分仪的研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2003.

[7]魏清洁，王玉彬.二元一次函数曲线拟合的Matlab实现[J].德州学院学报，2011，7（27）：148-151.

[8]武素华.基于最小二乘支持向量机的土壤含水量检测的研究与分析[J].安徽农业科学，2009，37（9）：3865-3866，3876.

[9]景勇，丁岚.电容式粮食水分仪的研究与设计[J].沈阳航空航天大学学报，2011，28（2）：51-54.

[10]张赤军，张劲南.用电容传感器的物水分在线测试仪[J].长春理工大学学报，2004，27（1）：19-21.

Design of capacitive micro moisture detection system

PANG Lei，YANG Lu，HAO Jian-liang
（National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Against the actual requirements of online testing the moisture content of gunpowder，the authors designed a tablet capacitive moisture sensor with the principle that the relative dielectric constantofwaterismuch greaterthan the relative permittivity ofthe material，constructed an AC bridge measuring circuit associated with capacitive sensors，and designed the compensation circuit to make the bridge output be zero when the input is zero.Due to the measured moisture content ranging from 0.5%to 3.5%，the measurement accuracy was 0.1%.In order to improve the measure accuracy of the system，temperature，humidity and volume weight ratio，which may affectthe measurementmoisture content， were taken into consideration respectively.A multi-parameter correction was established for online water detection system.The stability and the high accuracy of the system were verified，and a lot of experiments also indicated that it has good practical value.

moisture detection；capacitive sensors；bridge balance circuit；data acquisition and processing

TQ562；TM930.114；P468.0+23；TP274+.2

：A

：1674-5124（2014）04-0090-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.023

2013-07-11；

：2013-09-17

庞 磊（1987-），男，山西忻州市人，硕士研究生，专业方向为测试技术计量与仪器。