同面弧面电容式种子水分传感器的研究

黄　滔，赵春宇，朱成刚，黄震宇

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海　200240)



同面弧面电容式种子水分传感器的研究

黄滔，赵春宇，朱成刚，黄震宇

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海200240)

摘要：种子烘干机的关键在于利用种子水分传感器来实现种子含水率的在线无损检测，优化种子水分传感器的结构，提高传感器的测量性能，对提升种子烘干机的烘干质量和工作效能具有重要作用。为此，研究了一种同面弧面电容式种子水分传感器，结合COMSOL有限元仿真软件，采用数值求解的方法计算传感器的电容值，着重考察传感器的极板尺寸、极板间距对传感器性能的影响，以此实现对传感器结构参数的优化，并试制传感器原型进行试验验证。初步试验结果表明：根据优化结构参数设计的电容传感器在测量精度上有所提高，在0~20%的含水率范围内以1%的绝对精度实现对蔬菜种子含水率的测量，符合实际应用要求，验证了检测方法的可靠性。

关键词：种子烘干机；水分传感器；电容传感器；同面弧面电极；结构优化

0引言

通过烘干机对种子进行烘干处理，实现对种子含水率的检测和控制，是种子加工过程中的重要环节。其能够改善种子的质量和生命活力，直接关系到种子在贮藏期间的安全稳定和后续的分选、包衣等加工处理工作。在烘干机中设计种子水分在线测量传感器，可及时准确地控制去湿量，提高烘干机的工作效率，确保种子的烘干质量。

种子水分的在线检测是烘干机研制中的关键技术。传统的标准烘干法测量时间较长，不适合在线检测，电阻法需要将种子碾碎，属于有损检测，其他诸如微波法、红外线法、核磁共振法等对工作环境要求较高[1]。电容式种子水分传感器基于种子的介电特性和含水率之间的关系测定种子水分，具有无损、成本低、测量速度快的优点，通过合理的结构设计可实现种子水分的在线无损检测。

目前，电容式种子水分传感器多采用平行极板结构或同轴圆筒结构。由于极板被安装在相对的不同平面上，测量结果受种子分布尤其是种子和极板间隙的影响很大，导致测量精度较低、重复性较差，

一般需要加装称重模块对结果进行补偿，增加了传感器结构的复杂度[2]。针对上述结构的电容式传感器的缺点，本文研究了一种同面弧面结构的电容式种子水分传感器，结合COMSOL有限元仿真软件对传感器的结构进行优化设计，并通过试验验证检测方法的可靠性。

1传感器机构及原理

1.1　机构设计

图1为同面弧面电容式传感器的结构示意图。整体采用回转机构设计，由内外两个同心圆筒构成环形腔体，内筒壁上等间距地安装4块隔板，形成4个隔舱，对应4个工位。工作时内筒由电机驱动逆时针旋转，隔板推动种子进入3号测量工位，测量电容值。

(a)　整体机构　　　　　　　 　(b)　极板布置

电容传感器极板采用同面弧面方式布置在3号工位对应的外筒内壁上，包括1个驱动电极板和2个感应电极板，其相对位置如图1(b)所示。驱动电极位于圆筒正下方，两个感应电极围绕驱动电极对称分布。相比传统的将极板分别布置在内外圆筒壁上的异面方式[3]，同面弧面布置方式避免了测量电路与旋转部件(内圆筒)的接线，另一方也极大程度上减小了极板和种子间隙及极板对准误差对测量精度的影响。

1.2　检测原理

同面弧面电容式种子水分传感器的检测原理：在驱动电极板上施加激励，感应电极接地，则驱动电极和两个感应电极构成了两个并联的电容器C1、C2，不考虑寄生电容的影响，则总电容值为C=C1+C2。覆盖在极板上种子的含水率变化时，其介电常数发生变化进而使电容值发生变化，通过检测电容值变化和含水率变化之间的关系，即可实现种子水分的测量。

2有限元分析

传感器的极板尺寸、极板间距对传感器的信号强度、信号灵敏度及测量精度等有直接影响，因此优化设计传感器的结构十分必要。同面弧面电容式传感器的极板所产生的电场呈散射状，且极板上下分布着介电常数不同的介质，利用传统的电磁场理论很难得到精确的解析解，给传感器的结构优化设计带来了困难。因此，本文利用有限元分析软件COMSOL，对传感器进行仿真和数值计算。

2.1　COMSOL建模

利用COMSOL对同面弧面电容式传感器的极板进行建模[4]，构建三维实体结构，如图2所示。对几何结构进行三角形网格划分，创建一系列的有限元节点，其中靠近极板部分划分的网格尺寸较小。种子被视为分布均匀的实体，其介电常数εr设定在1~52范围内，仿真时根据需求灵活设定。物理场选为Electric Currents,电极材料设为导电性能良好的铜，感应电极接地，对驱动电极施加低频交流激励。此外，将传感器模型置于足够大的空气域中，保证对边缘电场的准确求解。

图2　COMSOL建模和网格划分

通过改变极板宽度、极板间距，共生成15种极板结构参数，如表1所示。本文将从穿透深度、电场分布、信号强度及信号灵敏度等方面对仿真作说明。

表1　传感器极板结构参数

2.2　穿透深度

利用COMSOL对介质层厚度h进行参数化扫描，扫描范围为3~51mm，计算电容值。图3给出了介质层厚度和电容之间的变化关系，对应的极板结构参数编号为5、10、15，种子介电常数εr=5.7。

由图3可知：电容值C随着介质层厚度h的增大而增大，最终趋于一个稳定值，用C(∞)表示。定义σh来衡量电容值的变化情况，有

(1)

图3　介质层厚度对电容值的影响

取σh=1%对应的介质层厚度为电场的穿透深度，记为p，据此求得不同结构参数下的电场穿透深度。图4给出了极板中心距d2和穿透深度p之间的关系曲线。

图4　极板中心距对电场穿透深度的影响

对于传感器的设计，介质层厚度h要尽量大于电场的穿透深度p，以减少介质层厚度的不确定变化对测量重复性的影响：一方面可通过增大内外圆筒间距来实现，存在的问题是可能导致直流电机的输出扭矩增大，或增加传感器的尺寸，不利于小型化；另一方面，可合理设计极板的结构参数，适当减小穿透深度。由图4可知：电场穿透深度随着极板中心距的减小而减小，在极板中心距一定的情况下，改变驱动极板的宽度对穿透深度影响不大。因此在设计电极极板时，可通过减小极板间距来获得相对较小的穿透深度。

2.3　电场分布

对于同面电容器而言，由于电场成散射状，测量区域内的电场线为不均匀分布。利用COMSOL绘制电场强度的等值线。图5给出了结构参数11和15的对应的等值线分布图。其中，介质层厚度h=35mm，种子介电常数εr=5.7。

(a)　结构参数11 　　　　　　　　(b)　结构参数15

由图5可知：电场强度沿着圆弧半径向圆心方向逐渐递减，对于不同的极板结构参数，电场线分布具有较大的差异。为了衡量电场分布的不均匀性，对截面上的电场强度求其标准差，如表2所示。

表2　不同结构参数下电场强度标准差

在实际测量中，种子中的水分不是理想的均匀分布，水分分布的不确定性对测量重复性有一定的影响。为了减小这种影响，在传感器设计过程中要尽量减小电容极板间电场分布的不均匀。根据表2可知：减小极板间距，电场强度的标准差随之增大，这意味着电场的不均匀性增加，因此极板间距不可设计得过小。

2.4　信号强度、灵敏度、线性度

利用COMSOL对种子介电常数εr进行参数化扫描，扫描范围为1~52，观察电容值的变化。图6给出了不同极板宽度下种子介电常数和电容值之间的变化关系。

(a)　改变感应电极宽度(wd=33.38mm)

(b)　改变驱动电极宽度(ws=27.82mm)

根据图6对仿真结果做一元线性回归，得到不同结构参数对应的回归方程，并利用回归方程的回归系数和决定系数来衡量信号的灵敏度和线性度。根据拟合结果可知，结构参数一定的情况下，电容值和介电常数之间呈线性关系(决定系数为1)，增加感应电极和驱动电极的宽度，减小极板间距，可提高信号强度和信号灵敏度。

3试验及结果

3.1　试验设计

传感器测量电路以基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103系列微控制器为核心，采用高精度的集成式电容数字转换芯片AD7746测量电容值，根据电容值的实际测量范围设计相应的量程扩展电路[5]，保证在所需的测量范围内实现电容值的准确测量；利用STM32主控制器对AD7746进行编程控制，读取内部寄存器来获取电容测量信号，并完成信号的处理计算工作。传感器原型如图7所示。

图7　传感器原型

试验种子品种选为上海青种子，在0~20%湿基含水率范围内按一定的梯度制备不同含水率的试验样品。用105℃标准烘干法[6]测定样品种子的含水率，作为种子含水率标准值。制作标准平行板电容器，测定样品介电常数[7]，用于计算电容仿真值，用同面弧面电容式传感器测量不同试验样品的电容值，每组样品连续进行4次测量，取4次测定值的算术平均值作为测量结果。

3.2　实测和仿真的比较

图8给出了同面弧面电容式传感器的实际测量结果和仿真结果的比较。由于寄生电容的存在，实际测量值大于仿真值；但寄生电容值的变化在较小的范围内，二者的变化趋势较为吻合，因此利用有限元仿真来优化电容传感器的结构参数是可行的。

图8　仿真结果和试验结果的比较

3.3　测量重复性和精度

对于种子含水率和电容测量值进行线性拟合，得到种子含水率与电容值之间的线性回归方程为

Mp=0.679C-8.216

(2)

其中，C为电容值(pF)；Mp为种子湿基含水率(%)。

以式(2)作为上海青种子含水率的预测模型，随机配备不同的试验样品作为测试集，检验模型的可靠性，初步试验结果表明测量结果的绝对误差小于1%，重复性标准差小于0.5。

4结论

1) 同面弧面电容式种子水分传感器通过整体的回转机构设计和基于变电介式电容的含水率测量原理，在机械结构和响应速度上保证了种子水分在线测量的要求。

2) 采用同面弧面的方式布置电容极板，相比异面相对的布置方式，有效地减小了极板间种子分布不均匀、极板对准误差对测量重复性的影响。

3) 利用有限元仿真得到了优化的极板结构参数，仿真表明：增大极板面积，减小极板间距，可增加电容传感器的信号强度和信号灵敏度，并减小电场的穿透深度，但同时会增加电场分布的不均性。

4)仿真结果和试验结果较为吻合，利用有限元仿真的方法对传感器的设计具有指导意义。所设计的种子水分传感器具有良好的线性度，测量精度符合电容法水分测定仪的通用标准[8]，满足实际应用要求，验证了检测方法的可靠性。

参考文献：

[1]李喜陆,于峰哲,温海江.水分在线测量仪器在谷物干燥过程中的应用[J].农机化研究,2006(5):175-176.

[2]张小璐. 数据融合在种子含水率测量中的研究[D].上海：上海交通大学,2007.

[3]裘揆,陈乐生,赵春宇,等.种子含水率在线测量系统[J].农业机械学报,2006,37(9):119-122.

[4]Zimmerman W B J. COMSOL Multiphysics 有限元法多物理场建模与分析[M].北京：人民交通出版社,2007.

[5]刘少刚,李芳,赵丹,等.基于AD7746的微电容检测系统设计[J].应用科技,2011,38(10):1-5.

[6]王虹,秦维.105℃恒重法与两次烘干法对于玉米水分测定的定量研究[J].粮食加工,2008,33(2):82-83.

[7]史美伦.交流阻抗谱原理及应用[M].北京：国防工业出版社,2001.

[8]GB/T 19878-2005,电容法和电阻法粮食水分测定仪通用技术条件[S].

Study on Uniplanar Cambered Capacitive Sensor of Seed Moisture Content

Huang Tao, Zhao Chunyu, Zhu Chenggang, Huang Zhenyu

(School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240, China)

Abstract：An online and nondestructive sensor of seed moisture content is key part of a seed dryer. Optimizing the sensor’s structure is of great importance to improving the dryer’s performance and efficiency. In this paper, a capacitive sensor of uniplanar cambered electrode structure is studied. By using the commercial software COMSOL, a simulation based on finite element method is conducted to analyze the relationship between the electrode structure parameters and the sensor’s characteristics, which mainly focuses on the size of electrode and the gap between polar plates. The sensor prototype is fabricated for the preliminary test. The result indicates that the senor of optimized structure achieves accuracy of ±1% in the range of 0%~20%, which meets demand for application in seed dryer and validates the reliability of the measurement method.

Key words：seed dryer; moisture content sensor; capacitive sensor; uniplanar cambered electrode; structure optimization

中图分类号：S237

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)11-0252-05

作者简介：黄滔(1991-)，男，河南光山人，硕士研究生，(E-mail)huangtao@sjtu.edu.cn。通讯作者：赵春宇(1971-)，男，哈尔滨人，副教授，硕士生导师，(E-mail)zhaocy@sjtu.edu.cn。

基金项目：国家“863计划”项目(2012AA0A505)

收稿日期：2015-10-28