專利名稱：一種谷物水分實時測量裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種谷物水分測量裝置，尤其是一種采用電容法實時測量谷物水分的裝置。
背景技術：
代表信息時代作物生產(chǎn)管理技術思想革命的精準農(nóng)業(yè)實質是基于信息和知識來精細管理復雜的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)首先要求盡可能應用先進的信息采集手段來快速、實時、較低成本地獲取農(nóng)田小區(qū)的作物產(chǎn)量、品質等差異信息，以及影響作物生產(chǎn)的各種客觀數(shù)據(jù)，然后從大量的數(shù)據(jù)中提取有助于農(nóng)作管理科學決策的信息，最后通過各種變量農(nóng)作機械或人工調控管理等措施來達到預期的技術經(jīng)濟指標。在諸多的農(nóng)田信息當中，作物產(chǎn)量空間變異信息由于是農(nóng)田各種栽培管理決策的綜合反映，因此占有相當重要的地位。由于精準農(nóng)業(yè)的需要和衛(wèi)星定位系統(tǒng)的發(fā)展，已開發(fā)應用了安裝有產(chǎn)量和收割面積測量系統(tǒng)的谷物收割機。在實時測量產(chǎn)量時，也實時測量谷物的含水率，以便進行產(chǎn)量數(shù)據(jù)校準(折算成某一標準含水率的產(chǎn)量)和谷物質量的評價。
目前測量谷物水分的方法主要有電阻法、卡爾菲休法、平衡相對濕度法、電容法、聲學方法等。上述各種水分測試方法中，多數(shù)成本較高、結構復雜，或操作復雜，或不適于在線測試，有些還處于研究試驗階段。相比起來，電容式水分傳感器具有結構簡單、價格低廉、操作方便、堅固等優(yōu)點，適于實時測試，所以用得較多。電容法測谷物含水率的原理是平板式電容器所呈現(xiàn)的電容量可用下式表示
C=0.885ϵrAd---(1)]]>式中C—電容量；εr--介質相對介電常數(shù)；A--極板面積； d--極板間距離。
由(1)式可見，當極板面積A和距離d不變時，電容量只與介質相對介電常數(shù)有關。完全干燥的糧食介電常數(shù)一般為2～3，而水的介電常數(shù)可高達81.5。電容式水分傳感器以一定含水率的谷物為介質，含水率的變化會引起谷物介電常數(shù)的變化，從而引起承載一定谷物的容器的電容量的變化，檢測出電容量的信號再予以處理，即對應含水率的值。不過對于測量谷物水分的電容式傳感器，電容式傳感器的等效電路并非僅為純電容，而應為圖1所示電路，其中，Rp為并聯(lián)損耗電阻，它包括極板間的漏電損耗和極板間的介質損耗。這部分通常在低頻時較大，隨著頻率的升高，容抗減小，它的影響也就減弱。串連電阻Rs包括導線、金屬外殼及極板間的電阻損耗。這個值通常是很小的。電感L由電容傳感器本身的電感和外部引線的電感組成。電容式傳感器的總損耗系數(shù)(實際電容的有功功率與無功功率之比)為D=1RpwC+RsωC---(2)]]>式中ω——電振蕩的圓頻率?？梢钥闯?，隨著ω的不同，谷物的介質損耗也不同。
通常用的諧振電路測電容的方法，因為諧振頻率就是隨著電容量變化而變化，所以谷物的介質損耗是不恒定的，這樣必然帶來電容測量的系統(tǒng)誤差。設計穩(wěn)頻電路，利用鎖相環(huán)電路進行測量，如圖2所示，其中，LC壓控振蕩器連接用于測量谷物電容的電容式傳感器。當被測谷物的電容變化時，壓控振蕩器的輸出頻率變化，導致和晶體振蕩器的頻率差變化，通過鑒頻器輸出一控制電壓通過低通濾波器后再控制LC壓控振蕩器，控制輸出頻率與晶體振蕩器的頻率基本一致，這樣就保證了傳感器振蕩頻率的基本恒定，也可以通過控制LC壓控振蕩器的電壓大小來檢測電容量的大小。但該方法電路復雜且器件參數(shù)不易選擇，成本也較高，不易達到較好的測量效果。
實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題在于，針對現(xiàn)有技術的不足，提出一種谷物水分實時測量裝置，不僅可以實現(xiàn)實時測量，還可以保證穩(wěn)頻，電路簡單，測量精度高，且成本低廉。
本實用新型是通過如下的技術方案實現(xiàn)的一種谷物水分實時測量裝置，包括用于測量谷物電容的電容式傳感器、用于處理電容式傳感器信號的轉換接口集成電路、供電電路，所述的電容式傳感器的信號輸出端與轉換接口集成電路的測量端連接，所述的轉換接口集成電路的輸出端與輸出接口連接，所述供電電路的輸入端通過供電接口外接電源，輸出端與轉換接口集成電路的電源端連接。
在所述轉換接口集成電路的測量端并聯(lián)有用于與待測谷物呈現(xiàn)出的谷物電容構成測量電容器的電容。
在所述轉換接口集成電路的輸出端和輸出接口之間依次連接有放大電路和電壓-電流轉換電路，轉換接口集成電路的輸出端分別與放大電路的輸入端、參考電壓端連接，放大電路的輸出端與電壓-電流轉換電路的輸入端連接，電壓-電流轉換電路的輸出端與輸出接口連接。
所述的轉換接口集成電路為德國AMG公司生產(chǎn)的型號為CAV424的具有信號采集處理、差分電壓輸出功能的集成電路。
所述的放大電路為運算放大器，所述的電壓-電流轉換電路為一集成電路。
該測量裝置還設有溫度補償電路，所述的溫度補償電路包括溫度傳感器、放大電路、電壓-電流轉換電路、穩(wěn)壓器，所述的溫度傳感器的信號端與放大電路的輸入端連接，穩(wěn)壓器的輸出端與放大電路的參考電壓輸入端連接，放大電路的輸出端與電壓-電流轉換電路的輸入端連接，電壓-電流轉換電路的輸出端與輸出接口連接。
所述的穩(wěn)壓器為輸出為2.5V的穩(wěn)壓器。
本實用新型電路簡單，僅僅使用了一個單片芯片CAV424以及一些簡單的外圍器件，沒有使用傳統(tǒng)的谷物水分傳感器的種種負責電路，成本低，性能穩(wěn)定，并且通過溫度補償電路將溫度因素對含水率測量的影響考慮進去，且溫度信號的提取、轉換、傳輸都與傳感器核心部分的輸出信號量級一致，便于后續(xù)的信號處理和顯示。


圖1為電容式傳感器的等效電路圖；圖2為現(xiàn)有技術中的電容式傳感器的原理框圖；圖3為本實用新型所用轉換接口集成電路的管腳圖；圖4為本實用新型所用轉換接口集成電路的外圍電路連接示意圖；圖5為實施例一的電路原理圖；圖6為實施例二的溫度補償電路及信號的放大和轉換電路原理圖；圖7為應用本實用新型進行實時測量的原理框圖。
具體實施方式
以下結合具體的實施例和附圖對本實用新型的技術方案進行詳細的說明。
本實用新型包括用于測量谷物電容的電容式傳感器、用于處理電容式傳感器信號的轉換接口集成電路、供電電路，所述的電容式傳感器的信號輸出端與轉換接口集成電路的測量端連接，轉換接口集成電路的用于輸出與電容式傳感器信號端輸出的谷物電容呈線性關系的電壓的輸出端與輸出接口連接，所述供電電路的輸入端通過供電接口外接電源，輸出端與轉換接口集成電路的電源端連接。
在本實用新型中，所述的轉換接口集成電路可以采用德國AMG公司開發(fā)的型號為CAV424的集成電路。CAV424具有較大的應用靈活性，是一個多用途的處理各種電容式傳感器信號的完整的轉換接口集成電路，它同時具有信號采集(相對電容量變化)處理和差分電壓輸出的功能。CAV424能夠測量出一個被測電容和參考電容的差值。它可以檢測10pF到2nF的電容值(即參考電容值的5％到100％的變化范圍)。它的電壓輸出級是一個可達Vmax＝±1.4V的差分信號，可以較方便地進行后續(xù)處理。CAV424的管角圖、外圍電路連接圖分別如圖3、圖4所示。CAV424的振蕩頻率如下式所示fOSC=IOSC2·ΔVOSC·(COSC+COSC,PAR,INT+COSC,PAR,EXT)]]>從上式可見，CAV424的振蕩頻率是由參考電容、外接電路等因素確定，在測量過程中是個恒定值。因此，可以解決穩(wěn)頻的問題，保證了介質損耗的恒定性。
實施例一的電路原理圖如圖5所示。
圖5中，Cmois為水分傳感器的谷物容器盛載一定含水率的谷物所呈現(xiàn)出來的電容量，也就是本電路要測量的量；本實施例中所用的電容式傳感器為美國AgLeader公司的PF3000型傳感器，LM7805用來做5V的穩(wěn)壓電源，外接一大于5V的直流電源，輸出一穩(wěn)定的5V電壓；CAV424芯片為核心器件，外接了一些器件，其中Cosc為確定頻率的參考振蕩器電容；Cx1為參考電容器；Cfix為一固定的電容，與Cmois之和構成測量電容器，即可通過電路測量出參考電容值的5％～100％的變化電容值；CL1，CL2為芯片外接的以組成濾波器的電容；RL1，RL2為調節(jié)輸出差分電壓增益的電阻；Rcx1，Rcx2，Rosc分別為調節(jié)芯片積分器電流的電阻；Cvm為負載電容，以穩(wěn)定一固定2.5V電壓的輸出；5腳輸出電壓Vout與6腳固定的2.5V電壓輸出構成差分輸出，其大小與被測電容量Cmois成線性對應關系。
為了便于后續(xù)的信號處理，在本實施例中還可以設有放大電路和電壓-電流轉換電路，如圖6所示，LM358T U3是運算放大器；AD694 U4是電壓—電流轉換器，其能將一定的電壓轉換為4～20mA的電流，從CAV424芯片輸出的電壓輸出端5腳、6腳輸出的電壓信號經(jīng)過LM358T U3的放大后，經(jīng)過電壓—電流轉換器AD694 U4轉換為4～20mA的電流輸出。
由于谷物的電容量不僅與其本身的含水率有關，而且與谷物的壓實度、溫度等因素有關。在線測量中谷物壓實度變化不大，基本上可以忽略，但谷物的溫度是個明顯的影響因素。因此需要考慮溫度補償，因此可以在本實用新型中增加一溫度信號測量電路，通過標定來進行補償。具體的如實施例二。
在實施例二中，包括如實施例一中的用于測量谷物電容的電容式傳感器、用于處理電容式傳感器信號的轉換接口集成電路、供電電路，為了進行溫度補償，在本實施例中增加了溫度補償電路，由于用于測量谷物電容的電容式傳感器、用于處理電容式傳感器信號的轉換接口集成電路、供電電路與實施例一相同，在此不再贅述，只詳細的說明該溫度補償電路。所述的溫度補償電路如圖6所示，包括溫度傳感器AD590、放大電路LM358T U6、電壓-電流轉換電路AD694 U7、穩(wěn)壓器LT1019 U5，所述的溫度傳感器AD590用于檢測在線測量的谷物溫度，并把該溫度信號輸送到放大電路LM358T U6，經(jīng)過LM358T U6的信號放大后，輸出到電壓-電流轉換電路AD694 U7，經(jīng)過其轉換為4～20mA的電流輸出。其中，穩(wěn)壓器LT1019 U5輸出2.5V的穩(wěn)定電壓，78L09 U8為穩(wěn)壓電源，用來提供9V的穩(wěn)定電壓。
當應用本實用新型進行實時測量時，其原理框圖如圖7所示，傳感器的差分電壓經(jīng)過電壓—電流轉換器轉換為4～20mA的電流后輸出到換算模塊，經(jīng)過換算模塊的換算后輸出到處理模塊；溫度傳感器輸出的溫度信號經(jīng)過放大后經(jīng)過電壓—電流轉換器轉換為4～20mA的電流后輸出到換算模塊，經(jīng)過換算模塊的換算后也輸出到處理模塊，經(jīng)過處理模塊處理后，輸出到顯示器中顯示出濕度值和溫度值。
具體的測量過程為將本實用新型安裝于聯(lián)合收割機上，通電以后，傳感器中的谷物的電容量將通過轉換接口集成電路測量出來并轉換成電壓信號；谷物的溫度信號也同時被檢測出來轉換成電壓信號；通過信號轉換，將兩組信號轉換成4～20mA的電流信號；電流信號傳輸至測產(chǎn)系統(tǒng)的控制器經(jīng)過采樣和處理，在谷物產(chǎn)量監(jiān)視器上顯示出濕度值和溫度值。
谷物在升運至車倉的過程中，一部分將通過取樣口灌入取樣通道，當通道滿足到便于測量的程度時，通道上安置的料位傳感器將開始動作，驅動電機開始運轉，帶動螺旋輸送器將取樣通道里的谷物往凈糧升運器中回送。這個過程周而復始，促使谷物不斷更新，從而完成了谷物水分的在線實時測量。
最后所應說明的是以上實施例僅用以說明而非限制本實用新型的技術方案，盡管參照上述實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解依然可以對本實用新型進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求范圍當中。
權利要求1.一種谷物水分實時測量裝置，其特征在于包括用于測量谷物電容的電容式傳感器、用于處理電容式傳感器信號的轉換接口集成電路、供電電路，所述的電容式傳感器的信號輸出端與轉換接口集成電路的測量端連接，所述的轉換接口集成電路的用于輸出與電容式傳感器信號端輸出的谷物電容呈線性關系的電壓的輸出端與輸出接口連接，所述供電電路的輸入端通過供電接口外接電源，輸出端與轉換接口集成電路的電源端連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的谷物水分實時測量裝置，其特征在于在所述轉換接口集成電路的測量端并聯(lián)有用于與待測谷物呈現(xiàn)出的谷物電容構成測量電容器的電容。
3.根據(jù)權利要求1所述的谷物水分實時測量裝置，其特征在于在所述轉換接口集成電路的輸出端和輸出接口之間依次連接有放大電路和電壓-電流轉換電路，轉換接口集成電路的輸出端與放大電路的輸入端連接，放大電路的輸出端與電壓-電流轉換電路的輸入端連接，電壓-電流轉換電路的輸出端與輸出接口連接。
4.根據(jù)權利要求1-3任一所述的谷物水分實時測量裝置，其特征在于所述的轉換接口集成電路為德國AMG公司生產(chǎn)的型號為CAV424的具有信號采集處理、差分電壓輸出功能的集成電路。
5.根據(jù)權利要求3所述的谷物水分實時測量裝置，其特征在于所述的放大電路為運算放大器，其兩個輸入端分別與轉換接口集成電路的兩個輸出端連接，運算放大器的輸出端與電壓-電流轉換電路的輸入端連接。
6.根據(jù)權利要求3或5所述的谷物水分實時測量裝置，其特征在于所述的電壓-電流轉換電路為型號為AD694的集成電路。
7.根據(jù)權利要求1所述的谷物水分實時測量裝置，其特征在于該測量裝置還設有溫度補償電路，所述的溫度補償電路包括溫度傳感器、放大電路、電壓-電流轉換電路、穩(wěn)壓器，所述的溫度傳感器的信號端與放大電路的輸入端連接，穩(wěn)壓器的輸出端與放大電路的參考電壓輸入端連接，放大電路的輸出端與與電壓-電流轉換電路的輸入端連接，電壓-電流轉換電路的輸出端與輸出接口連接。
8.根據(jù)權利要求7所述的谷物水分實時測量裝置，其特征在于所述的穩(wěn)壓器為輸出為2.5V的穩(wěn)壓器。
專利摘要本實用新型公開了一種谷物水分實時測量裝置，包括用于測量谷物電容的電容式傳感器、用于處理電容式傳感器信號的轉換接口集成電路、供電電路，所述的電容式傳感器的信號輸出端與轉換接口集成電路的測量端連接，所述的轉換接口集成電路的用于輸出與電容式傳感器信號端輸出的谷物電容呈線性關系的電壓的輸出端與輸出接口連接，所述供電電路的輸入端通過供電接口外接電源，輸出端與轉換接口集成電路的電源端連接；本實用新型電路簡單，成本低廉，性能穩(wěn)定，測量準確，且輸出信號的量級一致，便于后續(xù)的信號處理和顯示。
文檔編號G01N27/22GK2709978SQ200420077708
公開日2005年7月13日 申請日期2004年7月5日 優(yōu)先權日2004年7月5日
發(fā)明者黃季平, 方建卿, 李民贊, 汪懋華 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學