一种基于射频技术的粮食水分检测仪介绍

张亚秋，陈中旭，牛立坤

（吉林大学，吉林 长春 130000）

我国人多地少，所以粮食的安全问题事关民生社稷，粮食所存在的问题一直以来都是国家关注的重点。因此，做好粮食干燥与存储工作是非常必要的，我国粮食产量大，仓廪实，但是因为储藏方法不完善，智能化程度不高导致了很多不必要的损失。现在已有的粮食含水率检测方式可以分为两类：直接测量水分法和间接测量水分法。传统的粮食烘干方法有：电烘箱法、减压法、红外线加热干燥法、微波加热法、化学法等检测周期较长，测量工序繁琐，并不能适用于粮食水分的在线检测。本文提到的传感器就是利用玉米中水的介电常数来进行检测。水的介电常数为80F·m-1，空气介电常数为1F·m-1，植物组织的介电常数通常为2～4F·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，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。

1 射频测量原理

射频式水分仪测量的原理与电磁波探测的原理类似，在射频式传感器中，电磁波是被约束在导体中进行传播的。工作状态下射频源首先产生一个100MHZ的正弦波，正弦波在导体中以电磁波的方式来传输。在传输中，遇到检测体，其阻抗就会发生变化，并产生反射信号，这时就可以用检波电路来检测反射的信号，其媒介特性可以通过入射信号与反射信号之间的波形差得到。

图1 同轴电缆等效电路原理图

由图1可知，当射频传感器探测单元在同轴电缆传输的过程中，遇到不同的探测物体，探测物体所回馈的信号随着探测物体的不同而变化。本水分传感器中，100MHZ的有源晶振发出100MHz的正弦波，正弦波被传至检测体，当检测单元与被检测体没有接触时，其特性阻抗没有改变，正弦波信号没有变化，不产生反馈，当探测单元与其他被测物体接触时，其特性阻抗就会发生变化，这时检测单元就会有反馈信号传输，定义反馈信号振幅比上入射信号振幅为反射系数，数学表达式为：

2 检测系统组成

该水分仪的系统组成主要由上位机，主控器单元，射频传感器组成，系统结构如图2所示。

图2 检测系统框架

其中，上位机采用LabVIEW为开发软件，LabVIEW是一种基于图形化语言的程序开发环境，较其他计算机语言的显著不同点是：其余语言都是基于文本产生的，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言，这样直观性逻辑性较强，便于以后的程序修改与拓展，编程语言较为简单，容易操作。而后将STC89C52采集的水分值经过PC机处理与修正，在PC机上简明扼要的显示给用户，而下位机的主要控制单元采用以STC89C52为核心的主要控制芯片。

3 试验方法与结果分析

3.1 实验标定

本次试验采用伟科702玉米，为了得到玉米水分与射频式水分仪的频率的线性关系，首先进行重复标定实验。为了标定实验的精确性，在标定的同时，采用小梯度的标定间隔，以此保证获得较好的线性拟合度，所以实验选取的是含水率为12%～28%的梯度的伟科702玉米。试验目的是对本次试验的玉米的水分进行准确检测，测量玉米含水率的操作规范严格遵循国家标准GB/T5497-1985《粮食、油料检验水分测定法》的相关规定进行绝干标定。通过LabVIEW的图形化语句编程，将STC89C52得到的实时频率值动过上位机的存储系统存入Excel中，不同的玉米水分频率值的采集周期为10h，将excle表中存储的数据进行水分与频率的标定处理，以此来获得水分与频率的拟合公式，进一步来进行计算（见图3和图4）。

图3 数据存储模块

3.2 标定实验数据处理

图4 水分为14.66%的数据采集处理

本实验通过下位机及其附属电路将不同的水分转换成不同的频率输出，标定实验结果如图5所示。

图5 实验标定射频式水分仪含水率与频率曲线

3.3 特征参数回归模型的建立

根据标定实验，将不同的玉米水分与所得到的频率值进行线性拟合，得出初步的线性标定方程。线性方程如图6所示。

图6 射频式水分仪含水率-频率曲线（线性）

表1 试验数据对比

由表1可知线性相关系数R2=0.9819，拟合方式的相关系数大于0.95，说明线性拟合的玉米含水率与采集到的频率值曲线的相关性较好，可以用此公式进行频率与水分计算。

3.4 实验验证

将射频式水分仪安装在自制的实验台上，将标定公式输入上位机软件，来进行试验验证（如图7和图8）。

图7 自制实验装置

图8 实验数据对比

实验结果表明，最大误差0.8%，最小误差0.2%，另外，温度、密度、电路干扰也会对实验有一定的影响，但最大误差没有超过1%，测量结果在可接受范围之内。

4 结语

本文开发了一套基于射频原理的粮食在线水分仪，制作了样机和试验台，通过前期预实验和对采集的频率值与伟科702玉米的实际水分值进行了标定实验，将标定公式与实验采集通过上位机LABVIEW进行系统性的汇总与处理，初步对系统的性能进行了模拟试验，达到了预期的实验效果，表明该水分仪可以对粮食的含水率进行实时的在线监测，并且监测精确度和稳定性都已经符合国家标准，但是射频式的水分仪开发还属于初级阶段，还有很多不足之处，比如不同玉米品种，玉米的紧实度，周围的环境温度和湿度，不同的季节，还有周围是否存在电磁干扰等都存在或大或小的问题，需要进一步完善后推广使用。