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1、SHANDONG毕业论文粮食水分在线测量系统设计学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2011 年 6 月摘要粮食问题是涉及到每一个国家国计民生的重大课题，解决这一问题的方法除去扩大耕地面积、提高单位面积产量外，粮食的安全储藏显得尤为重要。粮食干燥是粮食安全储藏的重要环节，它是一个连续的生产过程。其流程是首先将原粮经处理后送入干燥塔，再经过预热、干燥、缓苏，待冷却至常温，达到安全水分14%左右后排出干燥塔。在此过程中，粮食水分在线测量是制约粮食干燥系统的核心技术。在本次毕业设计中，确定了一种用于颗粒状的粮食水分在线测量系统。该系统将圆筒型结构的
2、粮食水分测量传感器置于干燥机的出口和入口处，粮食的水分变化导致传感器电容量的变化,经过精密的信号采集、转换与处理,完成粮食水分在线实时测量。本文的主要内容可归纳如下:(1)分析了粮食的介质特性，扼要介绍了现代水分检测技术的基本原理。指出了粮食水分检测技术尤其是快速检测技术的现实意义。(2)进行了电容测量电路的硬件设计，主要包括:传感器结构设计，各种电容检测电路的对比分析，电容电压转换电路设计，模数转换电路设计，温度检测电路设计以及存储电路设计，并对电路进行了调试和实际检测。(3)对粮食水分测量的软件部分设计，包括主程序和若干子程序，主要有巡回子程序、频率设置子程序、温度设置子程序、传感器选择子
3、程序和暂停子程序等。(4)粮食水分检测样本的制备，数据采集方案的设计及具体实施，最后通过对影响水分检测各因素之间的理论分析，指出了水分与电压、温度、重量之间的关系。关键词：粮食水分、在线测量、电容传感器、多元分析AbstractGrain counts for much for the national economy and peoples livelihood. To solve the problem of lack of grain, sage storage of grain is an effective measure besides enlarging area of plan
4、tation and increasing its output by unit acreage.During the process of grain storage grain dryness is a critical procedure, which in fact is a continuous process. The flow of grain dryness is as follows: put the grain being treated into drying tower, after process of warm-up, drying and cooling to n
5、ormal temperature, when the moisture of grain is 14%,which is sage moisture, it is time to be expelled from the drying tower. During the above drying course, the core technique is the online test technology, which can restrict performance of the drying system. In this paper, an online moisture test
6、system for grain is identified. In this system, cylindrical moisture sensors are put at the entry and outlet of the drying device. When the capacitance of moisture sensor changes aroused by grain moisture change, and the changing signals are collected, transformed and conditioned, the system accompl
7、ishes its online real-time task of measurement. The main content is as follows:(1) Medium characteristic of grain is analyzed and principle of modern moisture measurement technology, especially the realistic meaning of celerity measurement is introduced.(2) Capacitive measurement hardware circuit de
8、signs, including: sensor design, Capacitor voltage conversion circuit design, Analog -digital conversion circuit design, the temperature detection circuit design and circuit design store. Circuit and the Commissioning and the actual detection(3) Moisture meter on the part of software design, includi
9、ng the main program and several subroutines, there are roving Subroutine, temperature settings Subroutine, Subroutine pressure settings, sensor selection, such as subroutines and suspended subprogram.(4) Preparation of sample of grain moisture measurement, design and implement of project, analysis o
10、f theory which affect moisture measurement. The relationship of moisture, voltage temperature and weight is pointed out.Key Words: Grain moisture, online test, Capacitance sensor, Multivariate Analysis目录摘要IAbstractII目录III第一章 绪论- 1 -1.1 课题的背景、目的和意义- 1 -1.1.1 课题的背景- 1 -1.1.2 课题的目的和意义- 1 -1.2 粮食水分在线测量技
11、术发展方向- 2 -1.3 粮食中的水分及粮食介电特性分析- 3 -1.3.1 粮食水分- 3 -1.3.2 粮食介电特性分析- 4 -1.4 粮食水分测量方法列举- 4 -1.4.1 电阻法在线测量粮食水分- 4 -1.4.2 电容法在线测量粮食水分- 5 -1.4.3 微波吸收法在线测量粮食水分- 6 -1.4.4 中子法在线测量粮食水分- 8 -1.4.5 红外线法在线测量粮食水分- 9 -1.4.6 其他在线粮食水分测量方法- 10 -第二章 总体方案设计- 12 -第三章 粮食水分在线测量硬件系统设计- 14 -3.1 粮食水分在线测量传感器设计- 14 -3.1.1 电容式传感器结
12、构设计- 14 -3.1.2 电容式水分传感器的构成及结构优化- 16 -3.2 电容检测电路设计- 17 -3.2.1 几种常用电容式水分测量电路的比较- 17 -3.2.2 电容电压转换电路设计- 18 -3.3 模数转换电路设计- 21 -3.3.1 AD7714各引脚功能- 22 -3.3.2 AD7714性能特点- 23 -3.3.3 AD7714片内寄存器及其功能- 23 -3.3.4 AD7714与单片机接口- 25 -3.4 温度传感器的设计- 26 -3.4.1 DS18B20数字温度传感器工作方式- 26 -3.4.2 DS18B20与单片机接口- 27 -3.5 测量参数
13、存储电路设计- 28 -3.5.1 I2C总线简介- 28 -3.5.2 用AT89C52单片机模拟I2C总线工作方式- 29 -3.5.3 E2PROM存储芯片24WC02的工作方式- 29 -3.5.4 24WC02与单片机接口- 30 -3.6 单片机系统与PC机的通讯- 31 -第四章 粮食水分在线测量软件系统设计- 32 -4.1 单片机系统软件设计- 32 -4.1.1 主程序- 32 -4.1.2 电容值测量程序设计- 33 -4.1.3 温度测量程序设计- 33 -4.1.4 E2PROM与单片机接口程序设计- 35 -4.1.5 通讯中断服务程序- 37 -4.2 上位机软件
14、设计- 38 -4.2.1 上位机编程语言及软件功能介绍- 38 -4.2.2 上位机与单片机通讯功能的实现- 39 -第五章 测量数据的采集和处理- 41 -5.1 样品数据的采集- 41 -5.2 采样数据处理- 41 -5.2.1 粗大误差的剔除- 41 -5.2.2 有效数字与数字修约- 42 -5.2.3 水分测量数据的处理- 42 -5.3 水分测量数据分析- 42 -5.3.1 水分-电压关系- 42 -5.3.2 水分-温度关系- 43 -5.3.3 水分-重量关系- 44 -总结- 45 -参考书目- 46 -致谢- 48 -附件- 49 -第一章 绪论1.1 课题的背景、目
15、的和意义1.1.1 课题的背景粮食是人类生存的物质基础，粮食质量的好坏是关系到国计民生的大事，而粮食中的水分是影响粮食质量的重要因素，它也是国内外粮食部门严格控制的一项重要的质量指标。随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，粮食水分的检测越来越引起育种、征购、生产、加工、储藏、运输和消费等各个环节的重视，粮食水分已成为科研与生产过程中的法定计量参数。但由于水分分布复杂，影响因素较多，很难实现既准确又快速的现场检测。传统的烘干失重法和电参数法己不能满足现代社会水分检测的需要，电解质物理学、半导体物理学、化学、微生物学、传感器技术、信息融合技术、专家系统等诸学科的发展，为水分检测的研究提供了新的科
16、学依据。粮食中的水分不仅是粮食籽粒细胞的必要组成部分，还是维持粮食籽粒本身生命活动和保持色、鲜、味及使用品质所必需的，因此，粮食水分既不能过高，也不能过低，要保持适宜。水分过高，重量加重，浪费运力和仓容，而且促使粮食生命活动旺盛，容易引起粮食发热、霉变、生虫和其它生化反应，以至于使粮食变质。水分过低，会破坏其有机物质，损坏干物质，减少重量。所以，粮食水分的检测是安全存储的主要根据，同时又是加工工艺选择和技术参数配备的依据，还是粮食商业环节中以质论价的依据。据国家粮食储备局公布:我国粮食年产量达4500亿公斤，在收购、储藏、运输等过程中，因水分含量过高而造成的损失高于5%，折合人民币200亿元，
17、损失巨大。近二十年来，国内外研究生产了各种水分快速测定仪，以求取代耗时费电、不宜现场使用的传统烘箱干燥法。目前的水分测定仪受检测原理限制，检测的局限性较大，普遍存在检测误差大与重复性差等问题，未能得到用户的首肯和国家有关部门的认可。长期以来，粮食与种子收购现场的水分检测一直不能摆脱人工检测的感官判断方法。1.1.2 课题的目的和意义1.解决粮食市场需求国家粮食问题是涉及到每一个国家国计民生的重大课题，党和政府对于这个问题十分重视。解决这一问题的方法除去扩大耕地面积、提高单位面积产量外，减少损耗、提高品质、科学储粮对解决粮食问题具有十分重要的意义。虽然我国是世界主要产粮国家之一，但在粮食总产量中
18、，高水分粮食约占20%左右。特别是在我国北方，粮食收购中，玉米水分一般都在23%一28%左右，有时高达40%。因此，高水分粮食的干燥在粮食储藏中显得尤为关键。在粮食储运过程中关键环节是粮食水分控制，即粮食干燥过程控制是一个重要问题。利用粮食干燥机降低粮食水分是粮食安全储藏的重要环节。粮食干燥是一个连续的生产过程，其流程是首先将原粮经处理后送入干燥塔，再经过预热、干燥、缓苏，待冷却至常温，达到安全水分14%后排出干燥塔。在此过程中，粮食水分测试是必不可少的常规检验，由于影响因素复杂，难以实现在线快速测量，传统的烘干失重法和电参数法已不能满足现代社会水分检测的需要，电解质物理学、半导体物理学、化学
19、、微生物学、传感器技术、信息融合技术、专家系统等诸学科的发展，为水分检测的研究提供了新的科学依据。2.为进口设备国产化配套，取代进口由于干燥设备所处自然环境较为恶劣，一般干燥设备的更新换代时间为五到六年。目前国内使用的粮食干燥设备基本是国外进口，其“粮食水分测量系统”基本处于更新阶段，每年粮食领域都有稳定的需求。本项目的研究，必将打破单纯依靠国外进口产品的局面，我们产品将依赖较高的性能价格比，为进口设备国产化配套，从而逐渐替代进口产品。不但创造了自身良好的经济效益，同时也创造良好的社会效益。本课题的实施对整个粮食行业的管理水平的提高，增强国家对粮食行业的宏观调控，增强国际竞争力，尤其是在我国W
20、TO冲击波结束后，在国际粮食行业立于不败之地都有十分重要的意义。3.具有明确应用背景和广阔前景本课题研究成果主要应用在粮食干燥机生产厂家、粮食储运部门等，也可应用于农副产品、轻工、化工、制药、环保等部门的颗粒状物质烘干、储备设备上，具有明确的应用背景和广阔的应用前景。所以，粮食水分测量对于国民经济建设和人民生活有着重要的实际意义，能产生巨大的社会和经济效益。1.2 粮食水分在线测量技术发展方向快速、准确、适应性强始终是粮食水分检测仪的研制目标，虽然国内外研究机构研制生产了各种水分快速测定仪，以求取代耗时费电、不宜现场使用的传统烘箱干燥法，根据水分仪所存在的问题，及目前的研究资料分析，高性能水分
21、仪的开发主要有以下几个方面的发展趋势。研究有效的数据融合技术，通过对多个物理量检测而实现的复合型水分仪。由于水分检测受多种因素影响，目前可以确定温度、密度和重量是影响最明显的物理量，因此将这些物理量同时采集，通过大量的实验数据，利用数据融合技术，找出一种能够综合各个量影响的水分测量关系曲线，最终获得准确的水分测量结果。开发专门化或通用化水分仪。针对不同的需求，开发仪器。如专门为种子管理部门开发的针对低含水量的种子检测的微量水分仪；用于北方粮食收购的低温高水测量的水分仪；具有与传送机构配套结构的在线测量式水分仪等。通用化水分仪仍有相当大市场需求，仪器的设计将引进智能化接口技术，使检测设备网络化，
22、提高对检测系统的管理效率和管理水平。进一步探讨新型的更准确测量含水量的检测技术探讨新的、影响因素少、处理简单的水分检测技术，这一方面有待于科研人员的进一步研究。1.3 粮食中的水分及粮食介电特性分析1.3.1 粮食水分粮食水分是指粮食中含有的结合水与自由水的总称。结合水也称结晶水，是通过化学作用吸附在粮食细胞内或粮食分子结构中的水分。分析粮食组织结构可知，粮粒以化学键力与水吸附时，像化学反应一样放出较多的热量，这称为化学吸附。这样吸附的水，粮食细胞内与粮粒内亲水物质结合得很牢固，是在粮粒生长过程中自然形成的，存在于粮性质很稳定，难以解吸。这种水称为胶状结合水，简称结合水。自由水也称游离水，是通
23、过物理吸附作用凝聚在粮食颗粒内部的毛细管内和分子间隙中的水分；粮粒是具有生理作用的物质，水分子可以通过毛细管的呼吸作用进入粮粒内部。在毛细管内壁凝聚一层水分子，并层层吸附，形成多层分子，有的水分子还进入粮粒分子的间隙。靠分子间的作用力而吸附的这部分水称为游离水。游离水与粮粒结合得不牢固，其含量是不稳定的，随环境湿度的变化而变化，在粮食密闭的情况下，由于粮粒的呼吸机能作用，将与环境的湿度达到相应平衡。如果环境湿度降低，则粮粒内部的游离水分逸出，呈现散湿；如果环境湿度升高，则呈现吸湿，粮食的水分增加。所谓粮食的含水量应是结合水与游离水之和。由于结合水与粮食内亲水物质结合很牢固，不随环境湿度的变化而
24、变化。因而平时检测指示的水分指的是游离水。游离水具有水的一般性质，对粮食储藏与加工等有着重要的影响。粮食含有适当的水分是粮食维持生命和保持其固有的色、气、味以及种用品质和食用品质所必需的。这种情况在储藏中也常称为临界水。如果粮食中的水分超过了临界水，将会促进粮食呼吸作用旺盛，消耗干物质，产生自热，给霉茵、细菌等微生物和储粮害虫的生殖提供了条件，从而影响粮食储藏与加工的品质，甚至会导致发霉劣变，造成严重的经济损失。1.3.2 粮食介电特性分析粮食是由淀粉、蛋白质、脂肪等高分子有机化合物以及水分和少量矿物质组成的混合物，不同品种的粮粒内部存在着不同结构、不同性质的基因，因此粮食的介电特性是各种物质
25、结构与成分的综合反映。结合水不参加导电，但电特性分析它仍保持强极性分子的介电特性。游离水具有普通水的性质，能导电。从电磁理论分析，粮食的介电特性应是由粮食的各种成分、分子结构的电性所共同决定的，但大量实验测量表明，失去游离水分的干燥粮食，相对介电常数很小，这表明尽管淀粉、蛋白质等是有极分子，但它们表现的极性很弱。而水的相对介电常数高达81。显然影响粮食介电特性的主要因素是粮食中的游离水分。这就为通过对介电特性的测定而确定粮食含水量提供了理论根据。但真正实现准确的测量，需要认真分析影响介电特性的多变因素。1.4 粮食水分测量方法列举目前，粮食水分检验有许多种方法，但归结起来不外乎直接法和间接法两
26、种。直接法是通过干燥或化学反应后直接测出粮食的绝对含水量。采用此法测量的精度一般较高，但检测时间较长费用较大，不适宜在线测水；间接法是通过测量与粮食水分相关的物理量(如电导率、介电常数等)变化规律来测出粮食中水分含量。在线粮食水分测量除要求保证测量精度、满足测量的实时性外，还要重视测量数据的可重复性、测量信息的保真性、以及测量与测量数据处理的智能化程度。粮食水分的测量方法主要有电阻法、电容法、微波法、中子法、核磁共振法以及红外线法、声学方法等。1.4.1 电阻法在线测量粮食水分亦称电导法。是利用粮食物料中含水量不同，其导电率不同的原理测量粮食水分的方法。电阻法有两种应用形式，即直流电阻法和交流
27、阻抗法。传统意义上的电阻法即为直流电阻法，直流电阻法测量装置结构简单、价格便宜。但其受被测粮食的状态影响极大，且不宜用于测量微量水和高含水粮食。应用中，颗粒过大或粮食较干燥均影响测量精度。所以，直流电阻法测量水分时需对被测粮食颗粒破碎取样。如不破碎，一则所测信息只反映表面水分；二则因干燥粮食的电阻高，所得检测信号弱，受干扰影响大 测量信号的信噪比小，易于失真。干燥粮食一般为绝缘体，其直流电阻很大，如稻谷电阻为10M/cm数量级，而水的电阻为10M/cm数量级。被测样本的含水量越高，电阻越小。将破碎后的试样置于取样器的两测量电极之间，对电极施加恒定压力，其电阻R 与水分M的关系即测量的数学模型为
28、： (1.1)式中、为常数。测量电阻值还与粮食温度、品种、密实度和电极间距离有关。温度升高、极间距变小、密实性加强都使得电阻变小。基于直流电阻法测量原理，为改善测量信号的传输和抗干扰性能，一种创新的电阻测量方法是通过电路设计将测量输出的电阻信号转化为频率信号，通过测频测周方法来测量粮食含水量；另一种正在发展中的方法是通过测量RC回路中时间常数的方法来间接获取粮食水分值。与直流电阻法不同，高频阻抗法是一种新型的粮食水分测量方法。如上所述，粮食的直流电阻很大，使得测量电阻信号很弱，影响测量精度。研究发现，在150350KHz的交流电场激励下，粮食呈现导电浴盆效应，即存在粮食水分的敏感频带，施加这一
29、粮食水分敏感频带的激励信号，可以实现粮食水分的快速检测。对被测粮食施加水分敏感频带的外加交变电场，粮食水分与其交流阻抗呈对数关系： (1.2)式中，、为常数。阻抗的变化也同样还与粮食温度、品种、密实度和电极间距有关。粮食阻抗具有负温度系数特性。但由于粮食在敏感频带的交流阻抗较小，检测信号相对较大，误差因素的影响也相对较小。交流阻抗法不受被测品种的限制，测量时间12 s。但要比照烘干失重法对测量品种进行标定。1.4.2 电容法在线测量粮食水分电容法根据不同含水量的粮食，其介电常数不同的原理来检测粮食水分。优点是结构相对简单、价格便宜。缺点是受温度影响大，且无法在线检测高水分冷冻粮食如玉米的水分。
30、国内该类检测仪多为在线取样测量而非在线直接测量。电容法测量水分根据传感器结构形式不同分两种类型，即量筒或量杯取样传感器和平板式电容传感器。设在量筒或量杯取样传感器中粮食的装料高度，介电常数为，则电容： (1.3)式中，为常数，为空气介电常数，a为内圆筒外半径，b为外圆筒内半径。式(1.3)表明，容量的变化正比于被测样品介电常数的变化。但介电常数的变化与水分含量的变化并非线性关系，即电容量与水分含量的关系为非线性。另一方面，电容量也受温度变化的影响，温度升高，变大。因此，在电容法测量水分中，非线性补偿和温度补偿十分重要。与上述同心圆柱式不同，平板电容器较少受外界干扰，设两平板间距为d，高为H，宽
31、为b，平板电容器测量电容： (1.4)设待测粮食中干物质和水分在电容中的等效高度分别为，相应的等效电容分别为及 ，则总电容： (1.5)式中，分别为待测粮食、粮食中干物质、水分的介电常数。记待测粮食的水分(含水率，以重量计)为，记干物质密度为，已知水的密度为1。得 (1.6)介电常数是随温度变化的，水的介电常数由此随粮粒大小及在电容中的充实度而变，在表观上表现为粮食的容重不同。因此，在模型中可进一步引人密度和温度的修正关系。除了对能形式化和参数化的影响因素，在建立水分测量模型时进行合并关联外，通行的方法是将温度影响用热敏元件硬件补偿，或通过软件修正；密实度通过机械恒压装置解决。同时看到，粮食品
32、种对测量精度的影响之消除至今尚无良方。1.4.3 微波吸收法在线测量粮食水分微波为300 MHz300 GHz间的电磁波，是无线电波中波长最短的部分。微波测量法是利用水对微波能量的吸收和微波空腔谐振频率、相位等参数随水分变化的原理进行水分测量的。微波水分测量优点：灵敏度高，速度快，安全，不损物料，价格适中，可在线连续测量，测量信号易于联机数字化、可视化，在线测量的取样器装料要求低，所测结果为体积总体水而有代表性，比表面测量技术要优越多。缺点：检测下限不够低。如谐振腔端口阻抗匹配不良，易引起驻波干扰。测量值与物料成分有关，不同品种需单独标定。近年来，全固态高可靠性微波功率源、10 GHz专门波段
33、的使用以及比对参数测量技术应用，有效地消除了物料密度、成分、形状等的影响，使微波水分测量技术广泛应用于粮食、纸张、原油、棉纱等各种对象的水分测量中。一般来说，低浓度水分测量选用微波透射技术，高浓度水分测量选用微波反射技术。粮食水分测量中多用透射法，通过计量透过物料后微波能量的衰减达到测量目的。微波透射法水分测量装置由微波功率发生器、可变或固定衰减器、隔离器、微波传输波导、微波发射器和接收器、检波和选频放大器、微波功率计等部件组成。所用微波波段为S波段(12 GHz)或 X波段(910 GHz)。S波段微波穿透性强，较适合大尺寸物料。X波段微波穿透率较弱，但对物料成分不敏感，用得最广。粮食中水的
34、介电特性比其中干物质的介电特性值高很多，且水对微波特别敏感。这里所谓介电特性指介电常数和损耗因子，分别是相对复介电的实部和虚部。水的相对介电常数高达80，而粮食在干燥状态下为25，水在超高频范围内存在介电损耗的最大值。利用超高频能量通过含水粮食产生能量损耗、相移或发射波参数的变化可以换算出粮食水分值。根据电磁能量关系，超高频能量在含水物质中的衰减量(dB)为： (1.7)式中，为相对水分含量；为密度因素；为材质因素；为空气一被测物之间反射系数的模；为水的衰减系数；为被测物厚度；为含水物质的相数。当t足够大时，得到近似的被测物的相对水分含量 (1.8)式(1.8)示出，及是与被测物料的材质有关的
35、。粮食种类很多，且成分各不相同，测量的影响因素较多。、要消除密度变化的影响，需对微波在试样中传播的衰减和相位移同时测量所谓的“双参量技术”，这种方法可以实现“密度不相关”测量。研究表明 ，频率为9.4GHz的平面波通过厚度为、疏密度为的粮食层而传播，测得的波的衰减为，相位移为。结果表明：两个波参量(和)和粮食含水量之间大体上呈线性关系。而且，当单位厚度的和除以相应于每一含水率的物料的疏密度时，这些参量和含水量的关系仍然是线性的，由两个线性关系模型获得 (1.9)式中a，b，c，d均为特定谷物的回归系数。式(1.9)即为与物料堆密度不相关的水分测量模型。对于取样为单粒粮食的水分测量，尤对形状不规
36、则的谷物颗粒(如玉米)，要得到颗粒含水量与其大小和形状不相关的关系，则需在互为90角的两个位置上对微波谐振腔内有无物料两种情况下的频率偏移和传输系数变化作两次测量。通过频率偏移和传输系数变化与颗粒介电特性的关系导出谷物颗粒含水量。1.4.4 中子法在线测量粮食水分中子法测量水分的原理是利用射线源放射的高速中子与被测粮食水分中的氢碰撞而减速，用监测器测出减速的中子数量就可以测量粮食水分。按检测原理分类，包括中子减速扩散法、中子减速透射法、中子衰减法和中子散射法。按检测器装置构造分类，包括固定式、手提式和取样式，用于粮食水分在线测量装置应取固定式。中子法测量水分的线性度高，不用取样，不破坏被测物自
37、然结构，在不影响物料正常运动下实现非接触连续在线测量。缺点为：氢的散射特性不稳定，理论尚未完善。需人工标定，精度受密度、测量体的影响大，使用时需作生物防护。作为测量的核心关键部件是快中子源和慢中子检测器。水分子中的氢原子决定了快中子的慢化速度。中子质量与氢原子核的质量相当，而一般物料中的其他元素原子核的质量比中子质量大。一个快中子碰上一个重元素的原子核，产生弹性散射，根据弹性碰撞理论，能量基本上不消失。而中子碰上氢原子核产生弹性散射，平均要把一半能量交与氢核，所以当快中子在含氢核的介质中经过几次碰撞就可以被减速为慢中子。快中子束穿过物料，被物料中H原子核衰减减速，因此穿过物料后传感器测到的慢中
38、子(即被减速后的中子)密度或快中子密度(即中子束透射率)即为物料中日原子浓度(即其含水量)的函数 (1.10)式中，T为透射率，且T=IIo，即透过物料后、前的中子束强度之比；A、B、均为常数；m为水分浓度。以中子减速传感器为核心的实用中子水分仪，由快中子源、探头和计数器三部分组成。快中子源通常用封人密闭容器内的AmBe，计数器由线性放大器、脉高选择器、低压高压电源、单通分析器、源衰减补偿器以及其他计算电路组成，检测探头，即中子减速水分传感器的功能是在线检测穿过物料后的中子束的快、慢中子数，可用BF正比计数管、电晕放电慢中子计数管、He气体正比计数管和Li锂玻璃闪烁计数管等。中子法实质上测出的
39、是物料中氢原子浓度。故测算的水分为体积百分含量，换算成重量百分率需除以密度。其检测精度与物料水分浓度有一均匀梯度关系，与物料温度关系不大，但与物料堆密度有关。中子减速传感器可在很广泛范围内测量物料水分，可以检测众多物料水分，也可以安装在物料传送管道、运送带、料斗上测量工艺过程中物料的水分。1.4.5 红外线法在线测量粮食水分波长在0.721000范围的射线为红外线。利用近红外线具有的吸收特性，被吸收的能量与所测物质的含水量有关的原理来测量水分的方法即为红外线法。红外法测水具有快速准确、非接触无损伤地连续测量的特点。但该方法属于表面测量技术，难以反应整个物料的体积水分(内部水分)，测量精度受粮食
40、形状、大小、密度的影响。选择波长为1.64或1.94(均为水分吸收峰值波长)单色光作红外辐射源，根据比尔朗伯定理，红外线通过水分时被有选择地吸收，通过被测样品后光强 (1.11)式中，为投射出的光强，k为吸收系数，t为被测物厚度。写成 (1.12)理论上，若，为定值，则与为显线性。但由于红外线照射到被测样品是无规则散射，除水分外，被测物的杂质对红外线也会吸收和散射，而且随被测样品成分的变化，光能的损失也不同。为减少误差影响因素，通常采用参比技术，即双波长法、三波长法、四波长法。一般用最易被水分吸收的波长为1.94的红外射线作为测量波长，同时用几乎不被水分吸收的1.81波长作为参比。由上述两种波
41、长的滤光片对红外光轮流切换，根据被测物对这两种波长的能量吸收的比值，便可判断含水量。红外测量仪的光学结构有反射式、透射式和反射透射联合式三种。反射式同侧安装发射接收系统，可根据特定的红外反射谱来测定粮食水分。透射式的发射和接收系统分别位于被测物的两侧，安装精度要求较高，主要用于测量薄而透光的物质。粮食透光性较差，必须用前者。红外反射式传感器组成包括红外光源（常用碘灯）、透镜、反射镜、调制盘、红外探测器等。测量范围0.02%100%水，测量精度0.5%1.0% 。应用面甚广。1.4.6 其他在线粮食水分测量方法除上述方法外，另有基于电阻和电容方法的介电损失角方法与复阻抗分离法、基于氢原子能量吸收
42、的核磁共振方法以及声学方法等。1.介电损失角方法与复阻抗分离电容法当电容传感器充满谷物介质时，它的电特性不单纯受电容影响，而且还受电阻的影响。当在其两极间施加交流激励信号，其阻抗包括容抗和阻抗。在理想情况下，即传感器由纯电容组成时，和相位差为90，但当有介质电阻存在时，和相位差不再为90，而有一个偏离角称为介电损失角。谷物含水率不同，介电损失角不同，并且呈单值分段线性关系。介电损失角方法是经济实用的水分测量方法之一，测量精度较高，最大测量误差小于1% ，尤为重要的是在测量高水分时仍能获得较好的精度和重复性。复阻抗分离电容法从另一途径解决容抗和阻抗的共生问题 通过复阻抗分离电路的设计，有效消除电
43、阻参量的影响，而只保留电容参量的变化。2.核磁共振法核磁共振法是粮油产品理化性质测定的一种普适性方法，可测定固体液体含油、含脂，测定果中含核，测定瓜果熟度。优点是检测迅速，精度高，无破坏，测量范围宽。核磁共振法测量原理为：某些原子核和电子一样有自旋现象，故亦有核磁矩。氢原子质量数为奇数，其自旋量子数为1/2，据量子力学原理，其在磁场中一面自旋，一面取一定角度绕磁场作圆锥形转动，即所谓的拉摩尔进动。氢原子核对外磁场只有两种取向(两个角)绕磁场转动，如果磁场磁力线向氢核提供的能量正好等于氢核磁矩从一个位相角变到另一位相角所需的能量，氢核就能吸收这部分能量而改变其进动状态，即产生了核磁共振吸收信号。
44、由于存在于固相中的水分子(氢原子)比液相中的在核磁共振波谱图上的吸收峰要宽，就使得检测含氢固体物料中的含氢液体(如水)成为可能。核磁共振(NMR)仪由传感器和波谱仪两部分组成。波谱仪包括射频信号发生器及信号放大、显示装置等部件。而NMR传感器则由磁铁和探头组成。磁铁产生场强恒定的磁场，探头位于磁极间以检测核磁共振信号。被测物料从中间非金属试样管中通过，射频振荡源产生一射频电磁波送到发射线圈，音频振荡器产生一调制频率送入调制线圈，两者同时辐射到试样上，调制出一系列共振谐波；共振信号由接收线圈接收，经检波放大后显示，并按该被测物料的校正曲线换算成物料中的H质子数(水分含量)。NMR传感器的测水范围
45、0.05%100%，其测量高浓度水分时的精度优于0.5%。为使测量正确，需使物料中氢原子有较长的弛豫时间，从而使其在磁场中能完全定位。NMR传感器的测量结果与物料流量、堆密度、温度有关。应尽量保持物料流动及其堆密度的均匀性，而温度用测温电路补偿。进一步，NMR传感器还可测定物料所含水分的型态。3.声学法粮食籽粒的弹性和振动特性取决于粮食水分含量，粮食籽粒碰撞物体表面而产生振动，发出声音。不同水分的谷物在流动过程中碰撞物体表面时所产生的声压不同，通过测量谷物在流动过程中碰撞物体表面时所生产的声压来测定粮食水分含量。声学法测量精度高，测量重复性好，能实现在线测量。第二章 总体方案设计在查阅大量资料
46、的基础上，确定课题设计的测量系统包括各个测量信号的产生、数据存储、单片机控制、串行通信、显示等方面，比较其优缺点，决定采用电容式传感器测量水分方法进行设计。粮食在干燥中的在线测量中有两种方案：第一种是干燥过程中进行取样测量，第二种是干燥过程中直接测量。方案一：粮食物料在流水线上被采样器自动取样，并送至检测仪入口，经均料机构对样品均料样后进入均样筒中，借重力作用自流进入测试区。有电容传感器将采集的信号经转换电路送入单片机系统，在单片机中进行数据分析和综合处理，最后对照函数曲线图货对照关系表即数据库，测量出粮食的水分值后，分别显示数据或打印输出。方案二：不经过采样，直接在线测量。两种方案的比较：方
47、案一附加了采样器，受温度，重量等影响小，测量的更加精确，并且可用微小电容传感器进行测量，后续电路选用灵活，比如选用差频式电容测量电路。但是设备稍微复杂。方案二直接在线测量，不加采样器，是通过后续单片机数码显示相关模拟量数值，工作人员通过采样数值拟合曲线进行测量，虽然电容值要比方案一的要大，并且受温度、重量等因素影响较大，但是通过非线性补偿等措施可减小误差，同时设备简单，提高效率。综合考虑，选用方案二。本系统如方框图所示主要包括：单片机控制模块（用AT89C52单片机作为控制核心）、粮食干燥塔出入口粮食水分在线检测传感器模块、温度信号采集模块、电容电压转换电路模块、模数转换模块、LED显示、键盘模块等。测量时需在干燥塔入口处放置水分检测传感器1，在出口处放置水分检测传感器2，两个水分检测传感器均采用同芯柱型结构。粮食以一定的速度通过传感器时，其含水量可以通过测量圆筒内外壁之间电容的变化量，并采用信号的线性化处理与湿度补偿等措施，最终实现粮食水分的在线检测。此方案具有结构简单、功能齐全、精确度及安全性好、便于控制等优点，比较适合粮食干燥塔环境的要求。AT89
