非接触式物料水分传感器

咸婉婷，张 宪，刘其中

(1.中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江哈尔滨150001;2.中国人民解放军第二炮兵部队驻黑龙江军代室，黑龙江哈尔滨150001)

0 引言

对固体物料，如，化学药品、烟草、粮食、弹药、土壤等的水分含量的测量，是工农业生产中重要的测量工作之一［1］。目前，该类测量多采用烘干法、瓶筒法、化学法、近红外反射法、放射法等方法，其中，烘干法、瓶筒法和化学法不能实现在线测量;近红外反射法可实现在线测量，但是受到被测物料表面粗糙度影响较大，精度低，且只能测量表层含水量;放射法因中子法和γ射线法存在成本高、有射线泄露危险的缺点，在发达国家已经被禁用［2］。因此，寻求一种固体物料水分含量在线测量的解决方案迫在眉睫。

新型的传感技术是实现物料含水量在线监测和测量的快捷可行的途径。频域反射法是介电测量法的一种，通过测量物料的介电常数来测定其体积含水量，解决了现有方法的不可在线测量、成本高、精度低等问题［3］。本文通过对电容式探头和振荡电路的特殊设计，实现了频域反射法在物料水分测量中的应用，同时解决了常规频域反射原理存在的抗干扰性差的问题，采用非接触式测量方法，避免了含水物料中的水、水汽对测量电路和传感器探头的影响。经标定和测试表明:该传感器水分含量测量结果准确，响应速度快，可应用于粮食、土壤、弹药等多种固体物料的水分测量中，为固体物料水分在线测量提供了良好的解决方案。

1 工作原理

物理学中认为“所有非金属，甚至一定条件下的金属，都属于电介质”，固体物料同样是电介质，含水的固体物料其相对介电常数实质上是针对“固、液、气”三相混合物而言的。20世纪80年代开始，介电物理学研究针对固体颗粒状物料的作为电介质的频率特性进行了大量实验。频域反射法就是利用电磁脉冲原理，根据电磁波在物料中的传播频率来测量其表观介电常数，从而得到容积含水量。

本文所设计的传感器采用电容式探头，由一对电极平行排列的圆形金属环组成一个电容器，其间的含水物料充当电介质，电容器与振荡器组成一个调谐电路。应用100 MHz正弦信号，通过传输线到达探头，探头阻抗与介电常数相关联，物料含水量不同，其发生共振的频率不同。

电磁波作用在含水物料上时，会使物料内部产生极化和磁化，电容式探头通过电磁波的相位、速度变化等来测量物料的介电常数。电磁波与物料作用测含水量的基本测量参数是电磁波速c和传播相位因子β。

电磁波与媒质作用后，相位和速度变化均与媒质的介电常数相关，在电导率较小，而电磁波频率较高的情况下，电磁波波速可表示为

式中 μ为磁导率，ε为介电常数。传播相位因子

式中 ω为电磁场的角频率。

含水物料磁导率变化并不明显，而水的介电常数为75～81，固体颗粒状物料的介电常数通常为2～5，在电容法测量中加入对损耗角的测量，即可实现对电磁波幅度衰减的测量。

2 传感器设计与实现

2.1 电容式探头设计

电容式探头由3个平行排列的黄铜金属环组成，这3个金属环相当于电容器的极板。将金属环套接在探测器承载件上，3个金属环的电极分别与探测器电路相连。该探头结构与金属环边缘场效应磁场分布方式如图1所示。

图1 电容式探头结构示意图Fig 1 Structure diagram of capacitive probe

探头金属环中，外侧2个环连接振荡电路的参考端，3个金属圆环共同与压控振荡器组成一个调谐电路。其中，中间的电极属敏感端，两侧的电极是不敏感端，同时也作为敏感端的保护端，它们共同作用，缩小了边缘场效应的影响范围，提高了传感器的抗干扰性。该结构电容式探头的电容经实测与调整，纯水介质中达到10 pF的容量。

2.2 电路设计

传感器电路要完成对振荡部分的激发和维持，还要完成传感器数据的拾取与换算，并发送至采集器。它可分为LC振荡电路模块、数据采集模块、CPU处理模块和数据通信模块。

1)LC振荡电路模块

LC振荡电路模块可以看成电容传感器的水分/频率转换电路，是电路设计中的关键技术。

在高频电场作用下，多个电极构成一个电抗元件，其电特性既可能是呈电容特性，也可能呈电感特性。据多方面的资料表明，传感器的阻抗在1～280 MHz范围内是呈现容抗特性，其后随着测量频率的升高转变为感抗特性，传感器工作频率范围跨越这一频带，因此，传感器的输入—输出特性将会呈现多值性。

本文将一个电容网络补偿引入电路设计，图2给出了振荡电路模块的详细电路，其中，核心芯片是一个高频压控振荡器MC1648。该芯片工作上限频率225 MHz，工作电源5～7 V。对于图2所示电路，振荡频率实为并联LC谐振频率，即

式中 L1为电感，Cs为电容。

含水电介质相对介电常数随着含水率的增加而单调增加，通过测量f的相对偏移变化，进而得出水分变化。

图2 振荡电路原理图Fig 3 Principle diagram of oscillating circuit

2)数据采集模块

电容式探头与压控振荡器组成的调谐电路的输出频率很高，根据传输和记录高频信号的需要，在单片机对输入信号进行处理之前需要对调谐电路的输出频率进行分频，以取得在单片机处理范围之内的所需频率。采用预分频器和纹波计数器对调谐电路的输出频率进行二次分频，使单片机输入端的频率信号满足要求。

3)CPU处理模块

单片机是整个电路的核心，用于对采集的信号进行分析、处理，输出转换后的水分值。单片机外接BDM接口，用于程序的烧录与调试。

4)数据通信模块

数据通信采用RS—485总线实现各探测器间和探测器与采集器间的数据传输。同时，为了方便对不同探测器进行识别，单独设置一条数据传输线，在程序初始化时，由采集器对串接在一起的各探测器发送顺序编号命令，通过向各传感器顺序写入ID号进行排序，简化了人工进行跳线标识排序的工作，减少了出错的机率。

2.3 整体结构设计

为使传感器完成测量任务，设计承载结构件搭载电容式探头与电路。承载件采用PVC材质保证电容式探头的容值和介电常数的零点不受影响，同时，电路承载件与探头承载件均采用塑料螺钉连接。电路承载件上设置螺纹孔，电路板通过螺丝固定在承载件上。

频域反射法测量介电常数属于非接触的测量方法，因此，可在承载件与探头外设计套筒，以隔绝水和水汽，保证传感器的正常工作，同时不影响介电常数测量结果。

传感器整体结构如图3所示。

图3 传感器结构图Fig 3 Structure diagram of sensor

3 实验测试

目前，国际上确定水分传感器水分变化关系的方法通常有2种，即理想化样本法和标准介电常数液体法。理想化样本法的优点是用专门配置的不同含水率的样本作为标定介质材料，所以，标定条件与真实情况更加接近，该方法主要缺点为含水物料样本的质量密度很难做到各向均匀一致，特别是在非饱和情况下不可避免地会有空气隙孔的随机分布［5］。

另一种方法是采用多种已知相对介电常数的液体作为标准，即标准介电常数溶液替代法。本文除空气之外，选用了10种液体作为参考的标准溶液，它们的相对介电常数分布在2～81之间，包括了从纯干燥物料到纯净水的整个范围内的介电特性。

由理论分析和实验得出固体物料的含水量与传感器输出频率的变化关系，是传感器准确测量的前提。由于含水量与输出频率之间并不是线性的，因此，需要通过标定找出相应的拟合常数。

一般认为，频域反射法的物料水分传感器测量的是物料的容积含水量θ，输出的是频率信号。采用该方法的物料水分传感器，其静态数学模型可表示为

其中，f为频率，A，B，C为需要确定的系数。

在对传感器进行标定时，将传感器在不同含水量系列，即不同介电常数的溶液中进行测试，测量其输出频率，可得到一组测量数据，再通过最小二乘法进行回归分析拟合，确定其方程系数，即可得到传感器的特性方程。

通过大量实验，测得不同容积含水量下传感器的输出频率，如表1所示，从而得出本文所设计的物料水分传感器的回归系数，并确定其传感器特性方程

根据该方程，可将实际测得的频率直接转换为物料的容积含水量。经测试，非接触式物料水分传感器能够完成水分测量，其准确度可达±4%。

表1 容积含水量与传感器输出频率Tab 1 Volumetric moisture content and output frequency of sensor

4 结论

本文设计的非接触式物料水分传感器解决了基于频域反射法物料水分在线测量的技术问题，并通过实验完成了传感器的标定及其特性方程的确定，实现了物料水分的在线测量。测试结果表明:非接触式物料水分传感器的准确度为±4%，传感器具有结构紧凑和响应速度快的特点，达到了预期的设计效果。

［1］樊尚春，梁 虹.电容式固态含水率传感器的模型［J］.仪器仪表学报，2005，25(S4):1022-1023.

［2］郭卫华，李 波，张新时，等.FDR系统在土壤水分连续动态监测中的应用［J］.干旱区研究，2003，20(4):247-251.

［3］滕召胜.插杆式智能水分传感器设计［J］.传感技术学报，1999(4):102-105.

［4］Stefaan D N，Georges H.Quantifying soil water effects on nitrogen mineralization from soil organic matter and from fresh crop residues［J］.Biology and Fertility of Soils，2002，35:379-386.

［5］克里切夫斯基 E C.水分检测原理与装置［M］.李福彬，译.北京:中国计量出版社，1986.

［6］Bolvin H，Chambarel A，Chanzy A.Three-dimensional numerical modeling of a capacitance probe:Application to measurement interpretation［J］.Soil Sci Soc Am J，2004，68(2):440-446.