基于驻波比原理的鲜玉米含水量快速检测方法研究*

理苏磊， 高红菊， 冯 磊， 李 俐， 梁 栋

(中国农业大学 信息与电气工程学院，北京 100083)

0 引 言

玉米是我国主要的农作物之一，玉米的含水量直观反映了作物的水分状况，是玉米生长状况的重要指标。研究其水分含量可更加方便、实时的掌握玉米的生长状况，从而对其生长过程和以后的存储、加工等实现更精准的检测与控制[1]。

传统的测量玉米水分方法有烘箱法、微波法等[2]，这些方法虽然测量准确，但操作起来费力、费时，只适宜于实验室使用，不利于现场快速检测。近年来，农业物料的介电特性得到广泛应用，经研究发现，通过测量玉米的物理性质，可间接得知玉米含水量，常用的方法包括：电容法、电导法、介电常数法等。本文采用的驻波比法就是通过测量玉米的介电常数变化间接得到玉米含水量的方法之一。

一般水的介电常数为80 F·m-1，空气的介电常数为1 F·m-1，而植物组织的介电常数通常为2～4 F·m-1。玉米的介电常数主要受其含水量的影响。根据Skaar C的研究[3]，当温度与测试信号频率一定时，含水量增加，其介电常数也相应增加，介电常数和其含水量存在一定的线性相关性。由驻波比原理知，介电常数可由测量电压测得，本实验利用含水量与电压差进行回归分析，得到一种标定方程，利用方程可间接计算出玉米含水量。

1 驻波比法测量原理

用驻波比法测量玉米水分含量的装置如图1所示，该装置由100 MHz高频信号源、同轴传输线和双针平行不锈钢探针等组成[4]。

图1 驻波比原理结构图

高频信号源产生的高频电磁波沿同轴传输线传送到探针处，由于探针的阻抗与同轴传输线的阻抗不同，一部分信号被反射回信号源，在传输线上，入射波和反射波的叠加形成驻波，使得传输线上各点的电压幅值发生变化。由驻波比原理知，取传输线两端A,B两点的差动信号作为输出，可得

(1)

式中A为信号的幅值，ZL为长度为L的探针的阻抗，ZC为同轴传输线SYV—50—3的特征阻抗，50 Ω。在信号源幅值A和传输线阻抗ZC已知的情况下，传输线两端A,B间的电压差UAB只与探针阻抗ZL有关，而探针阻抗ZL为

(2)

式中L为探针的长度，D为两探针间距，r为探针半径，ε为被测玉米的介电常数，c为电磁波在被测物中的传播速度。

由上式可知,在测试频率f和探针几何参数D,r及L确定的情况下，探针阻抗ZL的大小取决于介电常数ε的变化。当含水量不同时，被测物的介电性质也随之发生变化，进而探针阻抗改变并形成了不同的驻波比，这样传输线上各点电压幅值就会不一样。因此,通过测量同轴传输线上不同两点电压幅值差，可达到测量玉米水分的目的。

2 实验参数的选择

测试频率的选择对测量的结果有很大的影响，由于是初次借助该方法用来测量玉米水分含量，综合其他基于驻波比法测量含水量的研究[4～6]，本文选用100 MHz正弦波作为测试信号。信号源采用OX3276B定制恒温晶体振荡器，供电电压为+5×(1±5 %)V，标称频率为100 MHz。

双针探头[6]可以看作平行线结构的传输线，探针阻抗与探针直径呈反比，直径较小的探针具有更高的阻抗，从而使其具有更好的输出特性，同时，直径较小的探针也更适合玉米颗粒(图2)。本文根据玉米粒的结构特点，采用长10 mm，直径0.7 mm，间距8 mm的平行双针探头。

图2 探针和玉米粒结构示意图

3 实验方法与结果分析

3.1 实验方法

本文选用中糯301玉米品种，2粒为1组，使用精度为0.001 g的天平测量每组的质量，并记录。将探针完全浸入玉米粒中(玉米选用玉米棒中部形状完整、籽粒饱满的颗粒作为实验样品)，利用DS1202CA数字示波器测量同轴传输线两端各自的峰峰值，计算出该组2个点电压差(差压值为3次所测的平均值)；再将该组测试样品放入烘箱进行105 ℃恒温恒重烘干处理，烘至玉米粒质量不再降低为止，得到该组样品的实际含水量。

烘干法测量玉米水分含量的公式如下

(3)

式中m1为烘干前该组玉米和托盘的质量，m2为烘干后该组玉米和托盘的质量，m3为托盘的质量。

3.2 可行性分析

为了验证本实验方法的可行性，选取同时期同品种的4株玉米作为实验样本，并标记为1#～4#，分别对该4组样本从2013年5月10日～2013年5月11日进行实时监测输出电压差。每天早、中、晚各记录一次，数据如图3所示。

由图3可看出：当样品水分含量高时，其介电常数相应较大，测得的电压差也相对较高；反之，亦然，表明了整个实验结果基本走势是正确的、合理的，说明采用该方法测量玉米水分含量是切实可行的。

3.3 标定实验

由于初次利用该方法测量玉米水分，考虑到其实验特点，另取同种样品若干，每间隔数小时后对其进行一次测量，以得到不同梯度的水分含量。对烘干法得到的玉米含水量与测得的输出电压差进行线性拟合，得到两者关系曲线如图4所示。

图4 输出电压差与玉米含水量之间的关系

由此得到玉米水分含量与输出电压差的标定方程

y=0.142x+0.187 7.

(4)

其相关系数为

R2=0.906 2.

由图4和标定方程可知，测得的电压差与玉米水分含量之间存在较好的线性相关性。根据标定方程可计算出本次实验的非线性误差和灵敏度。

1)非线性误差

规定条件下是传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差(Δmax)与满量程输出(YFS)的百分比，该值越小，表明线性特性越好，其公式如下

Ef=Δmax/YFS×100 %.

(5)

因此,可得所设计传感器的非线性误差为

=±1.519 %.

(6)

由于标定方程是由所测得数据拟合得到的，这些数据不可能全部落在拟合直线上。所以,非线性误差总是存在的，本实验结果非线性误差为±1.519 %，误差较小，且在合理范围内。

2)灵敏度

灵敏度是系统输出的变量对系统特性或参数变化的敏感程度。灵敏度的高低反映系统在特性或参数改变时偏离标准状态的程度。根据实验数据知，本实验的灵敏度为

(7)

本次实验中选取的玉米含水量为45 %～75 %，测得电压差为2～3.8 V，所得灵敏度尚属良好，若选取玉米水分范围更广，可得更低灵敏度，线性度更高。

3.4 实验验证

另取20组玉米实验样品，测得其电压差，根据已得的标定方程计算得到该组传感器测量值，之后，再用烘干法测量该组的实际含水量，将两者数据进行对比，以验证所得标定方程的适用性。

表1 测量值与烘干法之间的误差

上表给出了测量值与烘干法存在的误差，最大误差是2.7 %，最小误差是-0.3 %。本实验的拟合曲线是用探针在整个玉米棒上选取其中2粒测得的，而实际烘干时是分别从玉米棒上对其单独烘干得到的。另外，温度漂移、系统误差、测量环境也会对结果造成一定的影响，这些难免都会影响总的误差，但其最大误差不超过±3 %，测量的平均误差为-1.15 %，测量结果在可接受范围之内。

4 结束语

本文从电磁波与介质相互作用的基本原理出发，首次利用驻波比原理测量玉米水分含量，通过对测得的电压值与烘干法所得水分值进行拟合，得到标定方程，再通过反复实验将测得电压值代入标定方程得到的值与烘干法所得值进行对比。

实验结果得知，测量输出电压差与玉米水分含量之间有较好的线性相关性，误差不超过±3 %，相关系数为0.906 2，经过实验验证，平均误差为-1.15 %，测量的玉米水分范围为45 %～75 %。实验表明:利用基于驻波比原理间接的快速检测玉米水分含量的方法是可行的。

参考文献:

[1] 孙 健，周展明，唐怀建．国内外粮食水分快速检测方法的研究[J]．粮食储藏，2007(3):46-49.

[2] 杨 军，杨卫民．玉米水分测定方法的比较[J]．粮食储藏，2003(2):46-54.

[3] Skaar C.Dielectric properties of wood at several radio frequencie-s[J].Tech Publ N Y st Coll,1948,69:36.

[4] 赵燕东，王一鸣．基于驻波率原理的土壤水分测量方法的研究[J]．农业机械学报，2002，33(4):109-111.

[5] 王海兰，白陈祥，赵燕东．乔木茎体水分传感器探针结构实验[J]．农业机械学报，2009，40(1):176-179.

[6] 孙宇瑞．土壤探针阻抗计算方法的理论分析与实验研究[J]．土壤学报，2002，39(1):120-126.