基于駐波比原理的鮮玉米含水量快速檢測方法研究*

理蘇磊， 高紅菊， 馮 磊， 李 俐， 梁 棟

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

玉米是我國主要的農(nóng)作物之一，玉米的含水量直觀反映了作物的水分狀況，是玉米生長狀況的重要指標(biāo)。研究其水分含量可更加方便、實時的掌握玉米的生長狀況，從而對其生長過程和以后的存儲、加工等實現(xiàn)更精準(zhǔn)的檢測與控制[1]。

傳統(tǒng)的測量玉米水分方法有烘箱法、微波法等[2]，這些方法雖然測量準(zhǔn)確，但操作起來費(fèi)力、費(fèi)時，只適宜于實驗室使用，不利于現(xiàn)場快速檢測。近年來，農(nóng)業(yè)物料的介電特性得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，通過測量玉米的物理性質(zhì)，可間接得知玉米含水量，常用的方法包括：電容法、電導(dǎo)法、介電常數(shù)法等。本文采用的駐波比法就是通過測量玉米的介電常數(shù)變化間接得到玉米含水量的方法之一。

一般水的介電常數(shù)為80 F·m-1，空氣的介電常數(shù)為1 F·m-1，而植物組織的介電常數(shù)通常為2～4 F·m-1。玉米的介電常數(shù)主要受其含水量的影響。根據(jù)Skaar C的研究[3]，當(dāng)溫度與測試信號頻率一定時，含水量增加，其介電常數(shù)也相應(yīng)增加，介電常數(shù)和其含水量存在一定的線性相關(guān)性。由駐波比原理知，介電常數(shù)可由測量電壓測得，本實驗利用含水量與電壓差進(jìn)行回歸分析，得到一種標(biāo)定方程，利用方程可間接計算出玉米含水量。

1 駐波比法測量原理

用駐波比法測量玉米水分含量的裝置如圖1所示，該裝置由100 MHz高頻信號源、同軸傳輸線和雙針平行不銹鋼探針等組成[4]。

圖1 駐波比原理結(jié)構(gòu)圖

高頻信號源產(chǎn)生的高頻電磁波沿同軸傳輸線傳送到探針處，由于探針的阻抗與同軸傳輸線的阻抗不同，一部分信號被反射回信號源，在傳輸線上，入射波和反射波的疊加形成駐波，使得傳輸線上各點的電壓幅值發(fā)生變化。由駐波比原理知，取傳輸線兩端A,B兩點的差動信號作為輸出，可得

(1)

式中A為信號的幅值，ZL為長度為L的探針的阻抗，ZC為同軸傳輸線SYV—50—3的特征阻抗，50 Ω。在信號源幅值A(chǔ)和傳輸線阻抗ZC已知的情況下，傳輸線兩端A,B間的電壓差UAB只與探針阻抗ZL有關(guān)，而探針阻抗ZL為

(2)

式中L為探針的長度，D為兩探針間距，r為探針半徑，ε為被測玉米的介電常數(shù)，c為電磁波在被測物中的傳播速度。

由上式可知,在測試頻率f和探針幾何參數(shù)D,r及L確定的情況下，探針阻抗ZL的大小取決于介電常數(shù)ε的變化。當(dāng)含水量不同時，被測物的介電性質(zhì)也隨之發(fā)生變化，進(jìn)而探針阻抗改變并形成了不同的駐波比，這樣傳輸線上各點電壓幅值就會不一樣。因此,通過測量同軸傳輸線上不同兩點電壓幅值差，可達(dá)到測量玉米水分的目的。

2 實驗參數(shù)的選擇

測試頻率的選擇對測量的結(jié)果有很大的影響，由于是初次借助該方法用來測量玉米水分含量，綜合其他基于駐波比法測量含水量的研究[4～6]，本文選用100 MHz正弦波作為測試信號。信號源采用OX3276B定制恒溫晶體振蕩器，供電電壓為+5×(1±5 %)V，標(biāo)稱頻率為100 MHz。

雙針探頭[6]可以看作平行線結(jié)構(gòu)的傳輸線，探針阻抗與探針直徑呈反比，直徑較小的探針具有更高的阻抗，從而使其具有更好的輸出特性，同時，直徑較小的探針也更適合玉米顆粒(圖2)。本文根據(jù)玉米粒的結(jié)構(gòu)特點，采用長10 mm，直徑0.7 mm，間距8 mm的平行雙針探頭。

圖2 探針和玉米粒結(jié)構(gòu)示意圖

3 實驗方法與結(jié)果分析

3.1 實驗方法

本文選用中糯301玉米品種，2粒為1組，使用精度為0.001 g的天平測量每組的質(zhì)量，并記錄。將探針完全浸入玉米粒中(玉米選用玉米棒中部形狀完整、籽粒飽滿的顆粒作為實驗樣品)，利用DS1202CA數(shù)字示波器測量同軸傳輸線兩端各自的峰峰值，計算出該組2個點電壓差(差壓值為3次所測的平均值)；再將該組測試樣品放入烘箱進(jìn)行105 ℃恒溫恒重烘干處理，烘至玉米粒質(zhì)量不再降低為止，得到該組樣品的實際含水量。

烘干法測量玉米水分含量的公式如下

(3)

式中m1為烘干前該組玉米和托盤的質(zhì)量，m2為烘干后該組玉米和托盤的質(zhì)量，m3為托盤的質(zhì)量。

3.2 可行性分析

為了驗證本實驗方法的可行性，選取同時期同品種的4株玉米作為實驗樣本，并標(biāo)記為1#～4#，分別對該4組樣本從2013年5月10日～2013年5月11日進(jìn)行實時監(jiān)測輸出電壓差。每天早、中、晚各記錄一次，數(shù)據(jù)如圖3所示。

由圖3可看出：當(dāng)樣品水分含量高時，其介電常數(shù)相應(yīng)較大，測得的電壓差也相對較高；反之，亦然，表明了整個實驗結(jié)果基本走勢是正確的、合理的，說明采用該方法測量玉米水分含量是切實可行的。

3.3 標(biāo)定實驗

由于初次利用該方法測量玉米水分，考慮到其實驗特點，另取同種樣品若干，每間隔數(shù)小時后對其進(jìn)行一次測量，以得到不同梯度的水分含量。對烘干法得到的玉米含水量與測得的輸出電壓差進(jìn)行線性擬合，得到兩者關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 輸出電壓差與玉米含水量之間的關(guān)系

由此得到玉米水分含量與輸出電壓差的標(biāo)定方程

y=0.142x+0.187 7.

(4)

其相關(guān)系數(shù)為

R2=0.906 2.

由圖4和標(biāo)定方程可知，測得的電壓差與玉米水分含量之間存在較好的線性相關(guān)性。根據(jù)標(biāo)定方程可計算出本次實驗的非線性誤差和靈敏度。

1)非線性誤差

規(guī)定條件下是傳感器校準(zhǔn)曲線與擬合直線間的最大偏差(Δmax)與滿量程輸出(YFS)的百分比，該值越小，表明線性特性越好，其公式如下

Ef=Δmax/YFS×100 %.

(5)

因此,可得所設(shè)計傳感器的非線性誤差為

=±1.519 %.

(6)

由于標(biāo)定方程是由所測得數(shù)據(jù)擬合得到的，這些數(shù)據(jù)不可能全部落在擬合直線上。所以,非線性誤差總是存在的，本實驗結(jié)果非線性誤差為±1.519 %，誤差較小，且在合理范圍內(nèi)。

2)靈敏度

靈敏度是系統(tǒng)輸出的變量對系統(tǒng)特性或參數(shù)變化的敏感程度。靈敏度的高低反映系統(tǒng)在特性或參數(shù)改變時偏離標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的程度。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)知，本實驗的靈敏度為

(7)

本次實驗中選取的玉米含水量為45 %～75 %，測得電壓差為2～3.8 V，所得靈敏度尚屬良好，若選取玉米水分范圍更廣，可得更低靈敏度，線性度更高。

3.4 實驗驗證

另取20組玉米實驗樣品，測得其電壓差，根據(jù)已得的標(biāo)定方程計算得到該組傳感器測量值，之后，再用烘干法測量該組的實際含水量，將兩者數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以驗證所得標(biāo)定方程的適用性。

表1 測量值與烘干法之間的誤差

上表給出了測量值與烘干法存在的誤差，最大誤差是2.7 %，最小誤差是-0.3 %。本實驗的擬合曲線是用探針在整個玉米棒上選取其中2粒測得的，而實際烘干時是分別從玉米棒上對其單獨烘干得到的。另外，溫度漂移、系統(tǒng)誤差、測量環(huán)境也會對結(jié)果造成一定的影響，這些難免都會影響總的誤差，但其最大誤差不超過±3 %，測量的平均誤差為-1.15 %，測量結(jié)果在可接受范圍之內(nèi)。

4 結(jié)束語

本文從電磁波與介質(zhì)相互作用的基本原理出發(fā)，首次利用駐波比原理測量玉米水分含量，通過對測得的電壓值與烘干法所得水分值進(jìn)行擬合，得到標(biāo)定方程，再通過反復(fù)實驗將測得電壓值代入標(biāo)定方程得到的值與烘干法所得值進(jìn)行對比。

實驗結(jié)果得知，測量輸出電壓差與玉米水分含量之間有較好的線性相關(guān)性，誤差不超過±3 %，相關(guān)系數(shù)為0.906 2，經(jīng)過實驗驗證，平均誤差為-1.15 %，測量的玉米水分范圍為45 %～75 %。實驗表明:利用基于駐波比原理間接的快速檢測玉米水分含量的方法是可行的。

參考文獻(xiàn):

[1] 孫 健，周展明，唐懷建．國內(nèi)外糧食水分快速檢測方法的研究[J]．糧食儲藏，2007(3):46-49.

[2] 楊 軍，楊衛(wèi)民．玉米水分測定方法的比較[J]．糧食儲藏，2003(2):46-54.

[3] Skaar C.Dielectric properties of wood at several radio frequencie-s[J].Tech Publ N Y st Coll,1948,69:36.

[4] 趙燕東，王一鳴．基于駐波率原理的土壤水分測量方法的研究[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2002，33(4):109-111.

[5] 王海蘭，白陳祥，趙燕東．喬木莖體水分傳感器探針結(jié)構(gòu)實驗[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2009，40(1):176-179.

[6] 孫宇瑞．土壤探針阻抗計算方法的理論分析與實驗研究[J]．土壤學(xué)報，2002，39(1):120-126.