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1、二九届毕业设计存档编号：毕 业 设 计论文题目 电容传感器在粮食水分检测中的应用（英 文） The Application Of Capacitive Grain Moisture Sensor学 院 专 业 姓 名 学 号 指导教师 2009年 5 月 26 日电容传感器在粮食水分检测中的应用摘 要 水分检测技术是一门涉及多学科的综合性技术。几十年来，通过科技人员的不懈努力，已取得了令人可喜的成果。但由于水分检测影响因素较多，现有的水分仪在检测精度及重复性上一直不能取得令人满意的效果。本次毕业设计，作者进行了一些探索性的尝试，为水分检测传感器的设计提供了新的依据。本文的主要内容可归纳如下:（
2、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,指出了各自的优缺点。（2）运用机理建模原理建立了电容式粮食水分传感器的物理模型，得出了电容式粮食水分传感器电容参数与被测粮食含水量的数学模型。（3）对数学模型进行了Matlab仿真和分析，设计了电容传感器的具体检测电路。（4）运用粮食的导电浴盆效应得出了传感器的等效电路，分析了影响传感器电容量的因素。关 键 词粮食水分；电容传感器；数学模型；Matlab仿真；检测电路Abstract The technology of moisture measurement is a synthetic technology relating
3、to many subjects.During the past several decades,by the researchers hardwork,some prominent successes have been achieved.Whereas,due to the influences of several other factors in moisture measurement,the measurement precision and the repeatability are not satisfied.In the thesis，more advanced method
4、 and exploring study is carried out.These provide new ideas for the design of the moisture measurement sensor.The major points of the thesis include: (1)It analyzes the medium property of grain.The principles of current moisture instruments are analyzed and their merits and defects are pointed out.
5、(2)It also establishes the physical model of capacitive grain moisture sensor by using mechanism modeling theory and deduces the mathematical model for its capacitance parameters and moisture content of measured grain. (3)The Matlab and analysis of mathematical model are also presented.And then a me
6、asuring circuit of the capacitive sensor is designed. (4)It also obtains the equivalent circuit of sensor by using electric conductivity bathtub effect of grain, analyzes the factors that may influence the capacitance of sensor.Key WordsGrain Moisture;Capacitive Sensor;Mathematical Model;Matlab;Meas
7、uring Circuit目 录摘 要.1Abstract.20.绪 论50.1粮食中的水分及粮食介电特性分析50.2粮食水分检测的意义60.3国内外水分检测水平71.水分测量方法概述71.1干燥法81.1.1电烘箱法81.1.2干燥称重法81.1.3红外烘干法81.2化学法91.2.1蒸馏法91.2.2卡尔费休法91.3射线法91.3.1红外线法91.3.2微波法101.4电测法101.4.1电导法101.4.2电容法112.电容传感器的数学建模112.1电容传感器的基本工作原理及物理模型112.1.1 电容传感器基本工作原理112.1.2 电容传感器的物理模型122.1.3 电容式水分传感
8、器的结构优化132.2 传感器数学模型的建立143.传感器的数学模型Matlab仿真及其检测电路的设计163.1数学模型的Matlab仿真163.2电容传感器检测电路的设计193.2.1 电容传感器特点及常用测量方法193.2.2 检测电路总体框图193.2.3 用到的关键芯片193.2.4 测量原理213.2.5 测量电路223.3 电容传感器检测系统软件设计233.3.1主程序流程图233.3.2中断程序的设计244 传感器影响因素的分析2541 传感器的等效电路2542 电容传感器的误差274.2.1 传感器的温度误差274.2.2 传感器的其他误差275.总 结28致 谢29参 考 文
9、 献300.绪 论粮食是人类赖以生存的物质基础，在国民经济建设及各个行业中起着举足轻重的作用。粮食质量的好坏倍受人们的关注，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质量指标。随着科学技术的发展和人们的生活水平的提高，粮食的水分检测越来越引起征购、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、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
10、分检测的研究提供了新的科学依据。 0.1粮食中的水分及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结构与成分的综合反映1。小麦、稻谷、玉米、高梁、大豆等主要粮食品种中，淀粉成为这些粮食的主要成分。淀粉是以葡萄糖为基本结构单元，形成直链状和支链状高分子化合物结构。在分子中含有轻基、梭基氧原子等极性点，能以氢链的形式和水分子结合。蛋白质可分成单纯蛋白质和结合蛋白质两类，不论哪类蛋白质，当受酸、碱或酶的作用时，均可水解成各种氨基酸，在化学结构上的共同特点是在梭基邻位的碳原子
11、上有一个氨基，在肤链的侧链中尚有未结合的极性基因团，如氨基、梭基、酚基、轻基等。蛋白质的立体结构十分复杂，分子量大者百万计，小者在一万以上，水分子与各种极性基因结合的机会是很多的。分析粮食组织结构可知，粮粒以化学键力与水吸附时，象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，是在粮粒生长过程中自然形成的，存在于粮食细胞内与粮粒内亲水物质结合得很牢固，性质很稳定，难以解吸。这种水称为胶状结合水，简称结合水。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。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
12、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，它具有普通水的性质，能导电。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变化。因而平时检测指示的水分指的是游离水。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
13、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。 0.2粮食水分检测的意义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2。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，以致使粮食变质。水分过低
14、，会破坏其有机质，损坏干物质减少重量。所以，粮食水分的测定是安全存储的主要依据，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。粮食在收购、储藏、运输等过程中，因水分含量过高而造成损失高于5%，折合人民币的损失就是上百亿元，损失巨大。在其它行业，如化工、医药、造纸、纺织、冶金等行业，水分也是决定产品质量的基本工艺参数，水分的准确测定是产品质量的重要保证。水分对金属产品的影响也很严重，它可导致金属氧化和生锈。综上所述，水分检测对于国民经济建设和人民生活有着巨大的社会和经济效益。 0.3国内外水分检测水平上世纪六十年代以来，世界各国对水分检测技术的发展都十分重视。水分检
15、测的新技术和新方法不断产生，先进的水分检测仪正在各个行业被推广与应用。之前具有较先进技术并占有较大水分仪份额的国外研究机构与生产机构有:日本KETT研究所、日本岛津制作所、美国Denver公司，其中，日本KETT研究所研制的将小型红外烘箱与电子天平结为一体的FD一620型水分快速测定仪，将红外与杠杆式双盘天平结为一体的F一lB型快速水分测定仪，以被测物质为电容介质的量杯式PM-5013型水分快速测定仪等产品，用于各种谷物、油料、食品等物质的水分测定仪，已成为广泛应用的定型产品3。国内的水分检测技术研究起步较晚，七十年代前基本采用烘干失重法和化学方法，自从八十年代初开始研究新型水分检测方法。我国还从八十年代中期
