基于电容法的藜麦水分快速检测仪设计

席 前 张志勇 袁 凯 郭东升 伍蓥芮

(山西农业大学工学院，山西 太谷 030801)

藜麦作为一种安全优质的绿色食品，富含蛋白质、矿物质(钙、钾、磷等)、维生素、多酚类物质、皂苷等多种营养成分，具有预防心血管疾病与糖尿病、降胆固醇、抗氧化、抗炎抗真菌等功效，被誉为“超级谷物”[1]。因其符合现代人饮食多元化的健康理念而越来越多地出现在人们的食谱中。含水率是事关藜麦安全贮藏的一项重要指标，含水率过高将导致其呼吸作用增强，产生发热、霉变和生虫等问题，造成巨大的经济损失和不必要的浪费，而含水率过低又会改变藜麦的营养结构，导致藜麦的品质下降[2]。为保证藜麦的安全贮藏，减少损失，应在藜麦收购入库的各个环节进行水分检测。

目前，国内外用于检测粮食水分的方法主要有：电烘箱法、电阻法、电容法、核磁共振法、近红外法、蒸馏法等[3]。电烘箱法、蒸馏法等测量精度高，但其所需时间过长。核磁共振法与近红外法检测迅速且精度高，但成本较高。电阻法与电容法因其结构简单经济而被广泛使用，其中电容法的综合效果较好。目前已成熟上市或处于研究阶段的粮食水分检测仪主要针对小麦、水稻等大宗粮食，用于藜麦等小杂粮的水分检测仪仍较少见。王兆华等[4]以小米为对象对设计的有源电桥的电容式水分测量系统进行了可行性验证；王婧[5]基于电容法，利用LCR仪研究了燕麦、荞麦等小杂粮的介电特性与影响因素的相关关系，尚未进行硬件设计；郭文川等[6]针对小杂粮设计了一款电容式水分检测仪，但只对小米进行了建模验证。

试验拟以藜麦为研究对象，基于电容法，研究水分、温度及频率对藜麦电容的影响，并建立藜麦水分检测模型。基于MSP430F149单片机与AD5933阻抗测量集成芯片，设计一种藜麦水分快速检测仪，以期实现对藜麦水分的快速、连续检测。

1 试验原理

设计的藜麦水分检测仪采用自制变介质型同心圆式电容传感器，电极材料为紫铜，高97 mm，内电极Φ85 mm×2.5 mm，外电极Φ30 mm×2 mm，其结构图见图1。当电极高度远大于内外电极半径之差时，可有效抑制人体感应，忽略内外电极边缘效应的影响。按式(1)计算传感器检测电容值[7]。

(1)

式中：

C——电容值，pF；

ε0——真空介电常数，F/m：

εr——传感器所填介质的相对介电常数；

H——电极高度，mm：

R——外电极半径，mm：

r——内电极半径，mm。

当其他条件不变时，将不同含水率的藜麦放入传感器，εr改变而引起检测电容值变化，将电容代入相应模型则可测出当前藜麦的含水率。

图1 同心圆式电容传感器结构图

2 材料与方法

2.1 材料与主要仪器

白藜麦：初始含水率10.13%，山西省繁峙县；

电子天平：MP31001型，慈溪市华徐衡器实业有限公司；

电热鼓风箱：101-2AB型，北京心雨仪器仪表有限公司；

电子分析天平：BSM120.4型，上海卓精电子科技有限公司；

LCR仪：HIOKI-3532-50型，日本日置公司；

生化培养箱：SPX-50型，北京恒诺利兴科技有限公司；

数字温度表：VC6801型，深圳市驿生胜利科技有限公司；

同心圆式电容器：自制。

2.2 试验方法

2.2.1 样品制备 使用电子天平称取初始含水率的藜麦样品30份，每份约400 g，在其中加入不同质量的去离子水以配制出不同含水率的藜麦样品。喷水时不断搅拌以使其均匀吸水，配制含水率>16%的样品时遵循多次少量的原则。为保证样品在存放过程中不失水，将配制好的样品应放置于塑料密封桶中并标号，在室温下存放24 h 后装入塑封袋，置于冰箱冷藏2 d，每天取出摇动3～4次，每次摇动30 s左右，以促使样品吸水均匀充分。配制含水率低于初始含水率(10.13%)的样品时，需将其置于100 ℃电热鼓风箱烘干20 min后，先测得含水率再进行配制。

2.2.2 含水率的测定 按GB/T 5497—1985的105 ℃恒重法执行，每份样品取3组平行，并在每次取样前摇匀，取其平均值为最终检测结果。

2.2.3 电容的测定 使用LCR仪。测量前在LCR430E软件中预设参数，测量频率设为1～100 kHz范围内的50个奇数频率点。由于粮食的等效电路为RC并联电路，测量内容选择为并联模式下的电容。将配制好的样品以自由下落的形式倒入电容传感器的介质空腔内，并用塑料尺刮平溢出的藜麦，将数字温度表的探头插入试验样品内部后与电容传感器一同放入生化培养箱，探头位于传感器高度及内外电极距离的1/2位置处。将培养箱温度设定为5 ℃，待数字温度表显示的温度与设定温度一致后，测量所选频率下试验样品的电容。随后将生化培养箱的温度依次设定为10，15，20，25，30，35，40 ℃，以相同方法测量并记录各温度下的藜麦电容。

3 结果与分析

3.1 含水率对电容的影响

由图2可知，电容值随藜麦含水率的增高而变大；当藜麦含水率低于20%时，电容随含水率增长速度的变化较为缓慢，超过20%后，电容的增长速度急剧增大。其他频率下样品的电容变化也呈现类似规律。水是一种极性分子，电偶极矩很强，其在常温下的相对介电常数约为藜麦干质的20倍，是影响藜麦电容的主要因素。当含水率较低时，藜麦内部主要为结合水，自由水含量很小，此时细胞呼吸强度较弱，活动性不高，离子运动缓慢，水分对相对介电常数的影响不大。当含水率变大时，自由水含量增加，其扩散至外部而形成多层分子膜，电偶极矩随之变大，同时细胞呼吸强度变强，使离子活动性增强，此时极化程度呈增强趋势，相对介电常数逐渐增大，导致其电容增大[7-10]。

图2 21 kHz下含水率对各温度梯度下藜麦电容的影响

3.2 频率对电容的影响

由图3可知，在试验激励频率范围内，电容随测量频率的增大而变小，低频时电容下降的幅度显著，而在高频率时电容变化速度放缓，甚至产生重合。其他温度下样品的电容变化也呈现此规律。藜麦在外加电场作用下会产生极化现象。低频时，电荷大量积累使样品总电量增加，导致其电容变大。随着频率的逐渐增大，电场的变化周期开始改变，偶极子的转向速度不能跟上外电场的变化速度，其转向时间将大于电场变化周期，直至频率达到某一值时完全停止极化。因此，随着测量频率的升高，藜麦相对介电常数呈下降趋势，导致其电容变小[11-13]。

图3 频率对25 ℃下不同含水率藜麦电容的影响

3.3 温度对电容的影响

由图4可知，含水率一定时样品电容整体随温度上升而变大，而且高含水率样品的变化趋势比低含水率样品明显。相对介电常数反映了静态电场下分子极化和热运动的动态平衡。温度上升促使水分子电离，离子浓度增加，在电场作用下将加速水分子的转向极化。同时温度上升会加强水分子的热运动，阻碍水分子的转向极化。当温度上升产生的极化效果大于热运动效果时，藜麦的相对介电常数增大，导致其电容增大[14-17]。

图4 温度对21 kHz下不同含水率藜麦电容的影响

使用其余40个检测点的数据对21 kHz下的藜麦水分检测模型进行验证，由标准化残差分布情况可知，检测模型藜麦水分测量模型能够较好地描述藜麦含水率与温度、检测电容值的相关关系。模型如下：

M=19.39-13.646×C-1.605×T+2.885×C×T+19.384×C2+0.663×T2-0.616×C×T2-14.78×T×C2-4.126×C3-0.334×T3+6.933×C2×T2+10.451×lnC，

(2)

式中：

C——Z-score标准处理后的检测电容值；

T——Z-score标准处理后的检测温度值；

4 藜麦水分快速检测仪设计

4.1 硬件设计

藜麦水分快速检测仪以MSP430F149单片机最小系统板为核心，连接自制同心圆式电容传感器、AD5933阻抗测量芯片、TFT触摸显示屏及DS18B20数字温度传感器构成。TFT屏识别出测量命令后，AD5933、DS18B20开始分别采集电容、温度信号，信号经MSP430F149运算处理后代入藜麦水分检测模型计算含水率，并在TFT屏显示。藜麦水分快速检测仪的整体结构示意图如图5所示。

4.1.1 电容检测 电容检测功能由集成了频率发生器和12位、1MSPS(每秒采样1百万次)模数转换器的高精度阻抗测量芯片AD5933实现，其功能框图如图6所示[10-13]。

表1 模型汇总

图5 藜麦水分快速检测仪结构示意图

图6 AD5933功能框图

在1～100 kHz范围内，AD5933可输出分辨率为0.1 Hz的正弦波作为激励信号，外部复阻抗产生的响应信号由片上模数转换器采样后送入DSP，经离散傅里叶处理后存为实部R和虚部I。根据式(3)和式(4)计算阻抗模值M和相位P。

(3)

(4)

通过式(3)计算得出的结果不是实际导纳的幅值，应乘以增益因子进行校正，校正公式：

(5)

式中：

G——增益因子；

Z——Vin和Vout引脚之间接入的校正阻抗；

PGA——取1或5。

将式(5)代入式(6)即可求出实际导纳的幅值|Y|：

|Y|=G×M。

(6)

式(4)计算得出的相位同时考虑了Vin和Vout引脚间分别接入校正阻抗、待测阻抗时测得的相位，实际相位的计算公式：

θ=θu-θs，

(7)

式中：

θ——实际相位；

θu——Vin和Vout引脚间接入待测阻抗时的相位；

θs——Vin和Vout引脚间接入校正阻抗时的相位。

检测电容值C最终计算公式：

(8)

式中：

|Y|——实际导纳的幅值，S；

φ——实际导纳的相位角(φ=-θ)，°；

ω——测量频率的角速度，rad/s。

4.1.2 控制与显示 控制与显示模块选择以MSP430F149单片机为核心处理器的DM430-L型系统板及其配套的DMTFT-28型TFT触摸显示屏。模块主要功能为电容采集的启停控制及所采集数据的处理、运算及显示。

4.1.3 温度检测 温度检测模块选用具有单总线接口的不锈钢封装式DS18B20数字温度传感器，其具有体积小、精度高、成本低、响应快、易与单片机连接的特点。

4.2 软件设计

藜麦水分快速检测仪的软件设计主要包括：控制程序、藜麦电容采集程序、温度检测程序、数据处理及显示程序，编程工具为IAR WORKBENCH V3.10软件。藜麦水分快速检测仪的总体程序流程图如图7所示。

控制程序通过识别用户点击位置的坐标值来执行启动及结束程序，收到启动命令后，电容数据采集程序进行I2C协议初始化，将相关参数写入AD5933后开始采集电容。采集次数设为10次，并对采集结果进行中位值平均滤波，即去掉最大值和最小值后计算算术平均值。温度检测程序开始执行D18B20初始化及温度采集任务。然后，数据处理与显示程序将采集的电容数据与温度数据均进行Z-score标准化处理后代入藜麦水分检测模型，计算出含水率后通过TFT屏显示。

图7 总体程序流程图

4.3 精度检验结果及分析

对设计的藜麦水分快速检测仪进行精度检验，配制10份不同含水率的藜麦样品，并用105 ℃恒重法对其进行水分标定。使用检测仪在5～40 ℃内随机选取3个温度下进行测量。藜麦水分快速检测仪的检测误差如表2所示。

由表2可知，藜麦水分检测的误差绝对值最小为0.01%，最大为4.26%，对于含水率在23.36%以下的藜麦样品，检测结果中有80.95%的数据的误差绝对值小于1%。藜麦水分检测的相对误差(绝对值)最小为0.02%，最大为14.58%，平均相对误差为4.17%，测量时间小于2 s。在检测高含水率样品时的部分结果误差很大，可能是由于温度从5 ℃升至40 ℃过程中水分蒸发以及检测模块杂散电容的干扰等因素导致。

表2 藜麦标准值和检测值误差表

5 结论

使用LCR仪研究了温度(5～40 ℃)、含水率(10.14%～29.55%)、测量频率(1～100 kHz)对藜麦电容的影响，建立了藜麦水分与电容、温度的多元回归模型，并以此为依据设计了藜麦水分快速检测仪。对设计的检测仪进行了性能评估试验，结果表明，检测值与标准值的平均相对误差为4.17%，测量时间小于2 s，检测仪具有一定的应用价值。为了提高仪器的检测精度及便携性，后续可采用铜箔作为电极材料。同时，还可增加屏蔽罩等屏蔽装置以增强仪器检测抗干扰能力，进一步完善检测仪。