水稻电阻抗谱分析及检测频率范围的确定

宋　琦，卢泽民，孙卫红，魏新华

(江苏大学 a.现代农业装备与技术教育部重点实验室；b.食品与生物工程学院，江苏 镇江　212013)

0　引言

水稻含水率是粮食收购、储运中衡量谷物品质主要的技术经济指标。水分含量过高促使水稻中微生物生命活动旺盛，导致水稻发热霉变。在我国，因水分检测技术的不完善，每年都有大量水稻在运输及储藏过程中霉烂变质；水分含量过低，减少了水稻的质量、降低了水稻的品质，严重影响水稻种植的经济收益[1-3]。水分含量过高或过低，都将造成巨大的损失，因而十分有必要对水稻水分含量进行监测。水稻水分检测按测量原理不同分为电烘箱式、微波式、红外式、中子式、核磁共振室、电阻式及电容式等[4-8]。电烘箱式、微波式、红外式适合实验室测试，不满足在线测量的需求；中子式、核磁共振式虽检测精度高，检测范围广，但价格昂贵，性价比较低，无法推广使用；电阻式及电容式因结构简单、性价比高，是目前常用的水分在线检测方法，但两者均存在测量信号弱，实时性差等问题。为克服水稻的电阻或电容单独测量导致的测量信号弱、实时性差等缺点，提高测量精度，可采用复阻抗测量原理[9-12]。

本文针对基于复阻抗测量原理的水稻水分检测传感器的设计核心—水稻阻抗谱进行研究，旨在获得水稻的频谱特性，从而为传感器检测频率的选择提供依据。

1　实验原理

对于不同含水率的水稻，其阻抗特性不同，含水率与水稻的阻抗模负相关，因而可以通过测量水稻的阻抗模来确定水稻的含水率。用复阻抗测量原理测量水稻的含水率时，输出阻抗值不仅与水稻含水率有关，还与被测物料的温度、品种和紧实度有关[13-16]。

在水稻阻抗特性测量过程中，粉末状水稻样品散热快，其温度与当前环境温度保持一致。为契合实际谷物烘干机测量环境条件，阻抗特性实验在10月收获季进行，因实验环境温度与收获时一致，可忽略温度对水稻输出阻抗值的影响；再通过将粉末状水稻样品在自制电阻盒中均匀压实来消除紧实度对阻抗值的影响。自制电阻盒如图1所示。结构材料为聚四氟乙烯，电极材料为铜，平行电极尺寸6mm×8mm，电极间距10mm。

自制电阻盒在使用阻抗分析仪测量过程中等效电路模型如图2所示。等效阻抗z为

(1)

式中R—自制电阻盒与水稻样品等效电阻值；

C—自制电阻盒与水稻样品等效电容值。

由式(1)可知，等效阻抗z的模|z|为

(2)

图1　自制电阻盒

图2　自制电阻盒等效电路模型

2　材料与方法

2.1材料

水稻品种选取为镇稻十号，为收获季节于田间使用收割机收获，以与实际水稻烘干的作物条件保持一致，将其放置于保鲜冰箱中使用密封塑料袋进行密封保存，初始含水率为29.28%(湿基)。在水稻阻抗特性测量过程中，为使用于测量的不同含水率的水稻样品与实际水稻烘干过程中的水稻情况保持一致，不同含水率的水稻样品直接通过干燥过程中的水稻样品取样获得。

2.2实验设备

水稻阻抗测量系统主要由solartron阻抗分析仪1260A+1294、计算机、测试软件SMaRT和自制电阻盒等组成，如图3所示。

图3　水稻阻抗测量系统

2.3实验步骤

测试实验开始前先对solartron阻抗分析仪1260A+1294进行为期1h的预热；预热完成后，设置扫频测试频率为1Hz～1MHz，对数扫描模式，扫描频率点61个，使用配套的校准模块对阻抗分析仪进行校准，校准完成后，开始实验。步骤如下：

1)使用105℃恒温烘箱法，对水稻样品的含水率进行初始标定。

2)均匀选取200g水稻样品放置于55℃恒温干燥箱中进行干燥，每隔30～60min使用精密天平对水稻样品质量进行测量，计算其当前水稻含水率(湿基)；并取5g样品研磨处理，将粉末状水稻样品于自制电阻盒中均匀压实，使用solartron 1260A+1294对其阻抗值进行扫频测量并记录。

3)重复步骤2)，直到谷物含水率(湿基)达到或低于其安全水分值14%。

4)使用105℃恒温烘箱法，对干燥完成后的水稻样品的含水率进行检验。

3　结果与分析

3.1频率对水稻阻抗值的影响

对实验数据进行统计处理，以频率f为横坐标、水稻阻抗模|z|为纵坐标，针对含水率12.67%、16.15%、18.02%、20.16%、23.57%、26.22%和29.28%的水稻样品建立阻抗模-频率图，发现不同含水率的水稻样品其阻抗模-频率图的图形特征具有良好的一致性。选取其中4点进行对比，如图4所示。

图4　29.28%、23.57%、18.02%、12.67%　　含水率水稻的阻抗模-频率对比图

由图4可知：随着水稻含水率的减小，水稻阻抗模范围逐渐增大，且其图形拐点处由平滑逐渐尖锐，但阻抗模|z|随频率f的增大而减小，其图形特征均满足式(2)。为了更为清晰地观察不同含水率水稻的阻抗模-频率特性，以频率f为横坐标，以阻抗模|z|为纵坐标，建立对数坐标系下的阻抗模-频率图，如图5所示。

图5　不同含水率水稻的阻抗模-频率图

由图5可知：随着频率f的增大，不同含水率水稻阻抗模|z|间距逐渐缩小并产生重合。当频率f为1～50Hz时，含水率高于20%的水稻样品，阻抗模|z|随频率f的增大而减小；含水率低于20%的水稻样品，在总体趋势上阻抗模|z|仍随频率f的增大而减小，但会产生一定幅度的上下波动。当频率f为50～50kHz时，不同含水率的水稻样品，阻抗模|z|均随频率f的增大而减小，且在对数坐标系下阻抗模|z|对频率f的斜率随频率f的增大而逐渐减小，频率f越大。阻抗模|z|减小的速率越快，水稻含水率越高，阻抗模|z|对频率f的斜率随频率f增大的变化幅度越大。当频率f为50k～1MHz时，不同含水率的水稻样品阻抗模|z|均随频率f的增大而减小，且在对数坐标系下，阻抗模|z|与频率f呈线性关系。

3.2含水率对水稻阻抗值的影响

由3.1可知，频率对水稻阻抗模的影响按其频段区域特征可划分为1～50Hz、50～50kHz和50k～1MHz等3个频率段分别进行研究。当频率较低时，低含水率水稻阻抗模|z|随频率f的增大会产生一定幅度的上下波动，导致检测性能不稳定，因而不对频段1～50Hz上含水率对水稻阻抗模的影响进行研究。

选取50～50kHz上0.5k、1k、2kHz频率点和50k～1MHz上50k、100k、200kHz频率点，对含水率对水稻阻抗模的影响进行研究，建立阻抗模-含水率图，如图6、图7所示。

图6　0.5k、1k、2kHz阻抗模-含水率图

图7　50k、100k、200kHz阻抗模-含水率图

如图6可知：当频率为0.5k、1k、2kHz时，随着含水率M的增大，水稻阻抗模|z|单调递减。由图7可知：当频率为50k、100k、200kHz时，随着含水率M的增大，水稻阻抗模|z|上下波动，并出现多个波峰及波谷。

由图6、图7可知：水稻阻抗模|z|随含水率M变化的趋势具有频段区域特征，其减小或波动的幅度逐渐减小，趋势具有良好的一致性。

3.3检测频率范围

本文旨在通过水稻的频谱特性，为传感器检测频率范围的确定选择提供依据。由图7可知：在频段50kHz～1MHz上，阻抗模与含水率之间无映射关系，不满足传感器设计的基本要求。因此，在频段50Hz～50kHz上对检测频率范围进行确定。

100Hz～10kHz上不同含水率水稻的阻抗模-频率图如图8所示。

图8　100Hz～10kHz上不同含水率水稻的阻抗模-频率图

由图8可知：频率f在100Hz附近时，含水率12.67%的水稻阻抗模|z|仍有小幅度的波动，不满足传感器设计稳定性的要求，为保证其检测稳定性，确定最佳检测频率下限为200Hz；当频率大于2kHz时，含水率20.16%水稻的阻抗模超过18.02%水稻的阻抗模并逐渐与含水率16.15%水稻的阻抗模重合，因含水率M与阻抗模|z|之间需单值对应，确定最佳检测频率上限为2kHz。由以上分析可知，水稻含水率的检测频率范围为200Hz～2kHz。

以1kHz为例，使用MatLab对水稻阻抗模-含水率曲线进行拟合，如图9所示。其拟合方程为R2=0.9796，则

Z(M)=(2.859e+10)M3-(1.793e+10)M2+(3.168e+9)M-(1.035e+08)

(3)

图9　1kHz拟合曲线

4　结论

1)随着频率的增大，不同含水率水稻阻抗模逐渐减小且阻抗模间距逐渐缩小并产生重合。其中，含水率低于20%的水稻在低频段1Hz～50Hz上频率增加的过程中会产生一定幅度的波动。

2)含水率对水稻阻抗模的影响具有频段区域特征，在频段50Hz～50kHz和50kHz～1MHz上，其减小或波动的幅度逐渐减小，趋势具有良好的一致性。

3)本研究通过对水稻阻抗谱进行分析，确定水稻含水率的检测频率范围为200Hz～2kHz，为基于复阻抗测量原理的水稻水分传感器的设计提供了重要的实验依据。

4)含水率低于20%的水稻在低频段1Hz～50Hz上，虽在总体趋势上随频率的增大而减小，但会产生一定幅度的上下波动；在50Hz时，含水率小于等于23.57%水稻的阻抗模会产生一个明显的波谷尖峰；当频率高于2kHz时，不同含水率水稻开始产生一定交叉重合，且在高于50kHz时，该现象大范围的出现，并保持一定的规律性。以上问题，都有待于进行进一步的理论分析及实验研究。

参考文献：

[1]杨彬.谷物在线水分传感器的研究[J].农机化研究，2017,39(4)：256-262.

[2]李庆中.谷物含水率在线测试系统的研究[J].农业机械学报，1995,26(3)：80-84.

[3]孙健.国内外粮食水分快速检测方法的研究[J].粮食储藏，2007，36(3)：46-49.

[4]滕召胜.粮食水分快速检测技术综合评述[J].中国粮油学报，1999，14(3)：53-57.

[5]刘宏亮.电阻式粮食水分检测仪的研制[J].轻工科技，2014，7(7)：72-73.

[6]刘桂雄.基于测频测周方法集成的高分子湿度仪[J].华南理工大学学报:自然科学版，2001，29(3)：39-42.

[7]Sang Ha Noh. No.Dielectric Properties of Rice at Frequencies from 50Hz to 12GHz[J].Transactions of the ASAE, 1989,32(3):991-998.

[8]滕召胜.粮食的导电浴盆效应与新型水分检测方法研究[J].中国粮油学报，2012，28(12)：7-12.

[9]S. O. Nelson.Advances in sensing grain moisture content by microwave measurements[J].Transactions of the ASAE,1998,41(2):483-487.

[10]梅庆.谷物干燥水分在线测量系统设计[J].农机化研究，2015,37(9)：241-244.

[11]Kamil Sacilik , Ahmet Colak .Determination of dielectric properties of corn seeds from 1 to 100 MHz[J].Powder Technology, 2010,203:365-370.

[12]W Guo, G Tiwari, J Tang, et al.Wang.Frequency, moisture and temperature-dependentdielectric properties of chickpea flour[J].Biosystems Engineering,2008,101:217-224 .

[13]张胜全.电阻式粮食水分含量的测定方法[J].粮油加工与食品机械，2005(2)：66-69.

[14] K C Lawrence, W R Windham, S O Nelson.Wheat moisture determination by 1- to 110-MHz swept -frequency admittance measurements[J].Transactions of the ASAE, 1998,41(1):135-142.

[15]K C Lawrence, S O Nelson,P G Bartley Jr.Measuring dielectric properties of hard red winter wheat from 1 TO 350 MHz with a flow-through coaxial sample holder[J].Transactions of the ASAE, 1998,41(1):143-150 .

[16]滕召胜.粮食干燥机水分在线检测系统研究[J] .农业工程学报，2004,20(5)：130-133.