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谷物湿度测量系统的设计

时间:2012-12-01 14:05来源:农业机械 2006年 第08期 作者:朱亚东,师帅兵,胡 点击:
通过比较市场上几种湿度传感器的优缺点,对谷物介电特性进行了分析,设计出一种谷物湿度传感器,并论述了谷物湿度测量系统的组成及工作原理。实践证明,该谷物湿度测量系统具有成本低、测量精度高和使用方便等特点,有一定的应用价值。

朱亚东,师帅兵,胡 磊
(西北农林科技大学机电学院,杨凌 712100)

摘 要:通过比较市场上几种湿度传感器的优缺点,对谷物介电特性进行了分析,设计出一种谷物湿度传感器,并论述了谷物湿度测量系统的组成及工作原理。实践证明,该谷物湿度测量系统具有成本低、测量精度高和使用方便等特点,有一定的应用价值。
关键词:湿度传感器;谷物;介电特性

0 引言
随着科学技术的发展和人们生活水平的不断提高,湿度的检测不仅在工业生产过程中广泛应用,而且在农业生产过程中必不可少,特别是在谷物的运输与储存过程中,检测并控制好谷物的湿度具有重要意义。在常规的环境参数中,湿度是很难准确测量的一个参数。传统的谷物测湿方法是通过称量烘干前后谷物的质量来求湿度,这种方法的缺点是测量速度慢。用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法,也早已无法满足现代科技发展的精度的要求。近年来,国内外在湿度传感器研发方面取得了长足的进步。湿度传感器正从简单的湿敏元件向集成化和智能化检测的方向迅速发展,将湿度测量技术提高到新的水平[1]。

1 常用湿度传感器的优缺点
湿度传感器就感湿材料而言,大致可以分为3类,即电解质型、半导体陶瓷型和有机高分子聚合物型。高分子湿度传感器虽然起步较晚,但发展迅速,是目前研究最多和应用较广的一类新型湿度传感器,可分为电阻型、电容型、声表面波型和光学型等,并以前两类最为常用。
1.1 电阻式湿度传感器
电阻式湿度传感器的感应速度较快,结构紧凑,而且适应性也优于机械式传感器[2]。现有的电阻式湿度传感器大都采用与敏感层粘着方式,相互保持一定间隔,配置一对极薄的电极并对其间的电阻变化进行测量。湿敏层的电阻一般都相当高,而电阻值过大时湿度传感器输出的测量电路就相当复杂,并且易受外来噪声和漏阻的影响,不能做高精度传感器输出的测量。只有通过增大电极的对向面积或减小电极的间隙,来降低湿度传感器的电阻值。现有的电阻式湿度传感器大都采用照相印刷技术制作电极,尺寸精度受到限制,电极间隙也不可能减小到理想的程度。因此,电阻式湿度传感器的小型化便成为问题。
1.2 电容式湿度传感器
电容式湿度传感器作为第3代湿度传感器的代表,以其测量范围宽、响应速度快、温漂小、稳定性好和使用方便等特点,得到了广泛的应用,但目前国内外生产的产品普遍存在着价格昂贵这一不利因素[3]。
本文根据谷物的介电常数随谷物湿度变化而改变的特性,采用湿度传感器的传统工艺,研制出了性能较为理想的廉价电容式湿度传感器。

2 湿度传感器的原理
随着湿度传感器技术的飞快发展,其测量的原理也得到了充分的完善。湿度传感器分为水分子亲和力型湿度传感器与非水分子亲力型湿度传感器。水分子亲和力型湿度传感器是利用水分子有较大的偶极矩、易于吸附在固体表面并渗透到固体内部的特性制成的湿度传感器。其测量原理是感湿材料在吸湿或脱湿过程改变其自身的性能,从而构成不同类型的湿度传感器。
非水分子亲和力型湿度传感器主要的测量原理为:利用潮湿空气和干燥空气的热传导之差来测定湿度;利用微波在含水蒸汽的空气中传播,水蒸汽吸收微波使其产生一定的能量损耗,传输损耗的能量与环境空气中的湿度有关,并以此来测定湿度;利用水蒸汽能吸收特定波长的红外线来测定空气中的湿度。
本文研制的谷物湿度传感器属于非水分子亲和力型湿度传感器,主要利用微波在穿过谷物时,谷物吸收微波导致一定的能量损耗及传输损耗的能量与谷物湿度有关的原理制成。

3 系统组成及其工作原理
3.1 谷物的介电特性分析
微波法操作简单,测量精度高,范围广,可以实现在线连续测量,在测量中不会受到物质的颜色和结构等因素的影响。同时,微波的穿透能力很强,能检测物质表层和内部的水分含量,因此微波穿透法测湿获得了广泛的应用[4]。考虑到谷物颗粒结构的不规则性以及测量的是其内部的水分含量,需要一种强穿透力的测量方法,因此微波测量方法是一种比较理想的选择。
把谷物放在室温为23℃的房间内,让其自然干燥(时间长短依每次测量所要求的湿度定)。每次电参量测量之后,用天平称其质量,精度为0.1mg。最后一次电测量之后,放在105℃的烘箱里烘烤16h,以确定其干燥质量(mD)。对于每次测量,都根据其相应的湿质量(mD+mW)和最终的干燥质量(mD)算出相应的湿度[5]。
利用实验室微波测试设备对谷物的介电特性进行分析,最后得出谷物介电常数以及损耗因子与谷物湿度之间的关系。
3.2 湿度传感器的感湿原理
湿度传感器采用的是平板电容器结构,在绝缘基片上用平面工艺分别形成上电极、介质层和下电极。介质层由谷物组成,其介电常数随其相对湿度呈线性关系,即
        
式中 εx—材料在不同相对湿度下的介电常数;
ε0—0%RH介电常数;
k—常数;
u—相对湿度;
Cx—元件在不同相对湿度时的电容量;
s—电容极板面积;
d—介质层厚度;
K—静电力常量。
对于一个固定的元件,可以设,则Cx=k1+k2u。
由上式可以看出,Cx与u呈线性关系,从而由传感器电容量的大小即可决定环境中的相对湿度[6]。
3.3 信号转换系统
电容传感器在电路构成中等效于一个电容器件,其电容量随着所测谷物湿度的增大而增大。如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号,常用的方法有两种:一是将该电容置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中,所产生的正弦波电压信号经整流和直流放大,再A/D转换为数字信号;二是将该湿敏电容置于555振荡电路中,将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号,可直接被计算机所采集。本文采用第2种转换方法。
频率输出的555测量振荡电路如图1所示。集成定时器555芯片外接电阻R4,R2与湿敏电容C,构成了对C的充电回路。7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C的放电回路,并将引脚2和引脚6端相连,引入到片内比较器,便成为一个典型的多谐振荡器,即方波发生器。另外,R1用于平衡温度系数,R3是防止输出短路的保护电阻。
图1 频率输出的555振荡电路
该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下:首先,电源Vs通过R4和R2向C充电,经t充电后,Uc达到芯片内比较器的高触发电平,约为0.67Vs,此时输出引脚3端由高电平突降为低电平;然后,通过R2放电,经t放电时间后,Uc下降到比较器的低触发电平,约为0.33Vs,此时输出引脚3端又由低电平跃升为高电平。如此循环下去形成方波输出。其充放电时间为
t充电=C(R4+R2)ln2
t放电=CR2ln2
因而,输出的方波频率为
F=1/(t充电+t放电)=1/[C(R4+2R2)ln2]
可见,空气湿度通过555测量振荡电路转变为与之呈反比的频率信号[7]。
3.4 信号处理系统
传感器的信号由AT89C51单片机进行采集。AT89C51单片机是一个低功耗和高性能的8位CMOS微处理芯片,片内含4k字节的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128字节的随机存取数据存储器(RAM),40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含两个外中断口,两个16位可编程定时计数器,两个全双工串行通信口。AT89C51单片机可以按照常规方法编程,也可以在线编程。
最后是显示电路,系统发送的数据由AT89C51的串口送入寄存器74LS64,再经8位数据总线双向传送接受器74LS245驱动LED进行数据显示。该模块的功能是对所检测的湿度信号进行显示。
4 结束语
本文将电容式湿度传感器与AT89C51单片机相结合,经硬件电路和软件程序设计形成的自动控制系统能够实现对谷物湿度的实时测量,并根据湿度计算谷物含水量。该系统大大降低了成本,同时达到了一个较高的精度要求。试验证明,该控制系统稳定可靠,能够满足一般谷物湿度测量的要求。由于湿度传感器的测量受环境温度和谷物密度的影响,所以本系统具有一定的局限性。

参考文献
[1] 高美珍.基于PLC16单片机和HM1500的湿度测量[J].电子工程师,2004,30(10):22~23.
[2] 王亚峰,杨清风.电阻式湿度传感器制作工艺的革新[J].计量技术,2007(7):77~78.
[3] 秦永和.湿度传感器测试系统[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2003.
[4] 杨 苹,严珩铭,于文益.基于微波谐振器的谷物湿度检测系统[J].机械工程学报,2007,43(1):229.
[5] 尤田束,王春山,叶红.测量谷物颗粒湿度的微波谐振腔法初步研究[J].农业工程学报,1994,10(2):92~93.
[6] 卢崇考,周明军.电容式高分子湿敏材料感湿机理探讨及选择方法[C]//东北传感技术研究所第七届学术年会论文集.哈尔滨:东北传感技术研究所科学技术委员会,1996.
[7] 林月芳.粮库温湿度测量与防火防盗监测系统[D].北京:中国农业大学,2003

(责任编辑:lsgy100)
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