电容式谷物水分传感器平面探头的研制

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

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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

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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 …… 此处隐藏：8300字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……