电容式谷物水分传感器平面探头的研制

第26卷第2期2010年2月农业工程学报

TransactionsoftheCSAEVol.26No.2Feb.2010

185

电容式谷物水分传感器平面探头的研制

杨柳，毛志怀※，董兰兰

（中国农业大学工学院，北京100083）

摘要：针对谷物水分传感器平行极板探头安装难度大、高水分测量精度低等问题，将平行极板探头结构改进成为平面极板探头结构，并且通过增加保护极板减小干扰和杂散电容的影响，提出影响传感器敏感性、精度的平面极板探头的几个参数，采用有限元分析方法较精确分析了探头的电场分布和电容。根据能量的分布得到谷物测量深度、平面极板探头电容值同其驱动极宽与两感应极板间距（极距）之比的关系，当二者之比等于0.9时即为平面极板探头的优化尺寸。试验结果表明，该传感器测量含水率的误差在±1.5%范围内，测量含水率范围可达到6%～36%，测量温度范围-10～80℃。优化的平面极板探头提高了测量精度，降低了安装难度。关键词：传感器，探头，有限元方法，谷物水分，灵敏度doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.02.032中图分类号：TP212.3文献标识码：A文章编号：1002-6819(2010)-02-0185-05杨柳，毛志怀，董兰兰.电容式谷物水分传感器平面探头的研制[J].农业工程学报，2010，26(2)：185－189.

YangLiu,MaoZhihuai,DongLanlan.Developmentofplanepolarprobeofcapacitivegrainmoisturesensor[J].TransactionsoftheCSAE,2010,26(2):185－189.(inChinesewithEnglishabstract)

0引

言

安全储藏是关系到国计民生的重大战略问题，它直接影响到粮食质量和粮食的市场生命力。谷物收获时一般含水率较高，容易造成谷物发热、发酵、变质和发芽率下降[1]。为了确保谷物安全贮存，必须将收获后的谷物及时干燥，将谷物水分降至安全贮藏标准[2-3]。

作为谷物水分传感器重要部分的探头技术发展相对较慢。目前电容式谷物传感器的探头主要有2种型式：圆筒型和平行极板型[4]。圆筒型探头是同心圆柱型的[5]，它需要垂直接入或嵌入干燥机谷物流道中[6]，占用较大的高度空间，迫使干燥机加高，增加设备的体积和投资，现有干燥机加装时往往高度不够。此外，它内部的间断启闭采样装置也有堵塞或出现机械故障的危险。国内曾经研制过一种连续流动无启闭采样的装置，但要求通过圆筒的谷物流量最小要达到6t/h，这在很多干燥机上是无法实现的。平行极板探头由2块平行极板构成[7]，若应用在谷物干燥装置上在线测量谷物水分，则要求谷物从极板间流过，安装将十分困难。为了提高传感器的灵敏度，不得不加大传感器的初始电容值。这通常靠加大极板相对面积来实现，因此用于对传感器体积有特殊要求的场合则受到了限制。如果靠减小传感器极板间距来保

收稿日期：2009-09-16

修订日期：2009-12-24

证灵敏度，则传感器的量程又受到直接限制。

针对谷物水分传感器平行极板探头安装难度大、高水分测量精度低等问题，本文对在线式谷物水分传感器的探头进行了改进，研究设计了电容式谷物水分传感器平面探头，提出了平面极板探头结构的二维模型和设计参数，并采用有限元法分析了平面极板探头的电场强度和电场能量的分布规律，在此基础上给出了平行极板探头设计尺寸的优选方案。

1

1.1

平面极板探头结构

平面极板探头的演变

为解决以上问题，把2个平行极板布置在同一平面，这样同一平面的探头可方便地安装在谷物流动通道的外壁上，成为外壁的一部分，谷物从平板表面流过，平面探头不占用谷物流动通道，不会阻碍谷物流通。

同一平面的探头结构可以由平行极板探头结构演化而来，演化过程如图1所示：由图1a平行极板探头形变到图1b，最后演化成图1c所示平面极板探头结构[8]

。

基金项目：“十一五”国家科技支撑计划重点项目（2006BAD11A13-02.2）；2009年中国农业大学基本科研业务费专项资金（20090119）

作者简介：杨柳（1969—），女，湖北人，博士，副教授，主要从事农产品检测和工业自动控制方面的研究。北京中国农业大学工学院，100083。Email：yangliu@http://

※通信作者：毛志怀（1954—），博士，教授，中国农业工程学会会员（E041200005S），主要从事农产品干燥和农产品装备的研究。北京中国农业大学工学院，100083。Email：maozhh@http://

电容式谷物水分传感器平面探头的研制

186农业工程学报2010年

容[9]的影响。感应电极在安装时，和谷物干燥机械结合为

一体，因此，可认为感应电极的宽度是无穷大。

C

2WeU2

（1）

式中：C——电容；U——导体间的电势差；We——电

场总的贮能。

注：d——驱动电极的宽度，简称为极宽；q——两感应电极之间的距离，简称为极距；x——驱动极板与感应极板之间的距离，L——驱动电极和感应电极的长度；H——谷物测量深度

图2电容传感器平面极板探头（带保护极）结构图Fig.2Structurediagramoftheplanepolarprobeofcapacitive

senorwithprotectpole

图4平面探头电容传感器（带保护极）电力线

Fig.4Electricfieldofplanepolarprobeofcapacitivesensor

withprotectpole

2

2.1

结果与分析

探头的电容与非均匀电场中电场能量成正比，电场能量高的地方电容高，即测量的灵敏度就高。所以我们可以通过分析电场能量的分布来确定探头能够感测的范围。电场总能量如式（2）所示。

平面极板探头电场的有限元分析

首先画出平面探头的几何尺寸，假设相互平行的电极长度无限，如图3为谷物水分传感器二维模型示意图。设定驱动电极的电位为5V，感应电极和保护电极的电位为0，基板由聚酰胺制成，其相对介电常数为4.3，谷物相对介电常数为3.2

。

We

1

D EdV2V

（2）

式中：D——电位移量；E——电场强度；V——电场所

在区域的体积。

在电场区域中各点的电场能量[11]如式（3）所示1

D E2

式中：W——电场区域中各点的电场能量

W

（3）

图5是对称中线上电场贮能的空间分布。由图4可见，电场贮能在对称中线上的分布很不均匀，在靠近驱动电极处，贮能约为2.6e-007J，而在离开电极8cm处，贮能为1e-009J。在离开电极更远处，贮能更低，无法检测到其微弱信号，可忽略不计。因此，可认为该探头在谷物相对介电常数为3.2时检测谷物的深度H为8cm

。

注：d——驱动电极的宽度，简称为极宽；q——两感应电极之间的距离，简称为极距

Fig.3

图3谷物水分传感器二维型示意图

Two-dimensionmodeldiagramofgrainmoisturesensor

由于保护电极的存在，使驱动电极和感应电极间电力线的形状受到影响，此时平面探头电容传感器（带保护极）的电力线分布可以用图4示意。如果假设两电极间的电力线为圆弧曲线或椭圆弧曲线来计算边缘场电容器电容值，显然会有较大的误差。因此，对于图2所示的电容器，直接解析计算其电场分布和电容很困难，必须采用数值计算方法。

探头电容与电场能量分析：本文通过电场能量[10]来计算电容，即

图5对称中线上电场贮能的空间分布Fig.5Spatialdistributionofelectricfieldenergy

onsymmetricmidline

2.2

平面极板探头优化尺寸的有限元仿真分析

平面极板探头的设计应该从探头的敏感特性、测量

电容式谷物水分传感器平面探头的研制

第2期杨柳等：电容式谷物水分传感器平面探头的研制187

深度、工艺性、安装方便性等几方面考虑。为了确定平面极板探头设计参数驱动电极的宽度d与两感应极板间距q之比的取值，本文用Maxwell有限元分析软件[12-14]作了仿真计算，分别分析d/q变化对平面探头灵敏度以及测量深度H的影响。

1）探头灵敏度与d/q的关系

平面极板探头电容器电容的大小同极宽与极距之比d/q有关，还受探头表面谷物相对介电常数的影响。在设计电容式谷物水分传感器探头时，希望在不同谷物水分情况下，电容值差别越大越好，也就是传感器的灵敏度越高。

本文采用有限元数值计算方法，取d=4cm，以探头的极宽与极距之比d/q为参数，计算出每米长度探头在不同谷物相对介电常数时的电容值，如表1所示。

表1不同极宽与极距比时单位长度探头电容容值Table1Capacitancevaluesofunitlengthofprobewith

differentratiosofpolewidthtodistance

d/q/(cm·cm-1)

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

电容值/PF

相对介电常数为3.2

12.417.221.526.934.637.545.355.671.3

相对介电常数4.3

15.422.127.534.544.147.660.371.291.3

电容值差3.04.96.07.69.510.115.015.620.0

的点（记为Wm点）与能量为1/100最大值能量时对应点（记为Wm/100点）之间的距离可用来作为探头测量深度H的参考值。表2为谷物相对介电常数3.2时，d/q值不同的情况下，对称中线上Wm点与Wm/100点之间距离的变化，即近似为谷物水分传感器探头的测量深度H的

变化。

注：X轴——d/q（极宽与极距比），Y轴——对称中线离开驱动电极的距离，cm；Z轴——电场能量。

图6谷物相对介电常数3.2时电场能量随d/q值沿对称中线上的分布

Fig.6Electricfieldenergydistributionalongsymmetric

centerlineasrelativedielectricconstant3.2表2不同d/q时对称中线上Wm点与Wm/100点之间的距离Table2DistancebetweenthepointWmandpointWm/100on

thesymmetrycenterlinewithdifferentd/q

d/q(cm·cm-1)

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

距离H/cm14.512.611.310.69.47.96.55.65.1

注：d/q——极宽与极距比，下同。

由表1可见，在相对介电常数为3.2和4.3两种情况下，随着d/q值从小到大的变化，单位长度探头电容值均逐渐增加。此外，对比相对介电常数为3.2和4.3两种情况，随着d/q越大，不同的相对介电常数在相同d/q时二者电容值之差越大，即谷物含水率不同的情况下，电容值差别随d/q增大而增加，因而传感器的灵敏度也就增高。

2）探头测量深度H与d/q的关系

同样，取d=4cm，以探头的极宽与极距之比d/q为参数，有限元数值计算方法可计算电场能量沿对称中线上的分布。图6为谷物相对介电常数3.2时电场能量随d/q值沿对称中线上的分布。

由图可见，d/q值不同时，对称中线上能量分布的最大值以及沿对称中线上的分布均不相同。当比值较小时，电场能量小；当比值较大时，电场能量大。由于探头可能安装在直径较小的谷物通道上，因此希望此距离不能太大，相当于测量深度H不要太大，由图6可见，d/q值越大，测量深度H越小。

d/q值一定时，对称中线上能量最大值在Y轴上对应

2.3

结果分析

综上所述，从谷物水分传感器平面探头的灵敏度和测量深度来考虑，d/q值选取值应尽量大。同时考虑到d/q值较大或较小时都会提高对加工工艺的要求。因此，选取平面极板探头的极宽与极距比d/q=0.9。

以小麦作为谷物样本，表3示出多次重复试验[15]不同温度下的小麦含水率。同时以玉米和水稻为样本经过多次重复试验测量其在不同温度下的含水率，试验结果表明：该传感器有较高的测量精度和较大的适应范围，传感器测量含水率的误差为±1.5%，测量含水率范围可达到6%～36%，测量温度范围-10～80℃，完全满足目前国内外谷物干燥系统的控制精度和对环境温度的要求。

电容式谷物水分传感器平面探头的研制

188农业工程学报

表3小麦含水率重复性试验结果

Resultsofrepeatabilityexperimentsofwheatmoisture

%

15℃测量值9.6210.1911.4212.7613.3813.8414.5415.2616.0318..0520.0622.2124.1625.2526.2927.7829.2830.3530.9233.4933.2436.02

25℃测量值9.6510.2411.4312.9013.4513.8814.5315.4216.0517.9620.1022.2124.2225.3726.4028.1929.1130.3431.1733.2833.3936.18

50℃测量值9.6810.2611.4612.9513.5213.9814.4315.5816.0518.0719.8222.2224.2925.4326.5427.5529.4030.3631.2833.0333.5136.32

标准值9.6010.2011.4012.8013.4013.8014.5015.3016.0018.0020.0022.2024.1025.3026.2028.0029.2030.3031.0033.4034.0036.10

最大相对误差0.80.60.51.20.91.3-0.51.50.50.4-0.90.10.80.51.3-1.50.70.20.9-1.11.50.6

2010年

contentduringgraindrying[J].TransactionsoftheCSAE,2007,23(9)：137－140.(inChinesewithEnglishabstract)

Table3

测量次数12345678910111213141516171819202122

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3结论

由于电容式传感器的初始电容量很小，而且寄生电容较大，使得传感器工作很不稳定，影响测量精度，必须设法消除寄生电容对传感器的影响。论文以提高水分测量精度，降低安装难度为目的，根据电容传感器的特点，从传感器探头出发，对探头的结构和周边电场进行了深入研究，优化了传感器探头。当平面极板探头的驱

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动极宽与两感应电极的间距比d/q=0.9时即为探头的最优

尺寸。与传统的传感器探头相比，减少了杂散电容及其他干扰的影响。以小麦、玉米、水稻作为谷物样本，经过多次重复试验，测量了小麦、水稻、玉米在不同温度的含水率，试验研究表明该传感器测量含水率的误差在±1.5%范围内，测量含水率范围可达到6%～36%，测量温度范围-10～80℃。

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Developmentofplanepolarprobeofcapacitivegrainmoisturesensor

YangLiu,MaoZhihuai※,DongLanlan

(CollegeofEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)

Abstract:Aimedtotheproblemsofdifficultinstallationandlowmeasurementaccuracyinhighmoisture,thegrainmoisturesensorhasimprovedfromthetraditionalparallelpolarplateprobetoplanepolarplateprobe.Theplanepolarprobewithprotectpolewasusedtodecreasetheaffectofthestraycapacitanceandinterference,andsomecriticalparametersoftheplanepolarprobethatinfluencedsensitivityandaccuracyofthesensorwereproposed.Thefiniteelementmethodwasusedtoanalyzetheelectricfieldandcapacitanceoftheplanepolarprobe.Theresultsshowedthattherelationsbetweenmeasurementdepthofgrain,capacitanceofplanepolarprobeandtheratioofthewidthofprobe’sdrive-platetotheclearancebetweentwoinduction-plates,andtheoptimizedsizeoftheprobewasobtainedwhentheratiowas0.9.Experimentalresultprovedthatmaximumerrorformeasuringmoistureofthesensorwas±1.5%,measuringmoisturerangedfrom6%to36%,andmeasuringtemperaturerangedfrom-10to80℃.Thisstudycontributesinoptimizingthemeasurementaccuracyandloweringthedifficultyofinstallationoftheplanepolarprobe.Keywords:sensor,probe,finiteelementmethod,grainmoisture,sensitivity