CN109916968B - 一种电容式粮食水分传感器的精确测量方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电容式粮食水分传感器的精确测量方法及设备，包括以下步骤：A：给传感器及单片机供电；B：振荡电路输出信号；C：计算得到水分值。精确校准方法包括以下步骤：S1：零位初始测量；S2：温漂校准；S3：一致性校准；S4：粮食参数标定。所述传感器包括外壳、正负电极与检测电路板，所述检测电路板的电容检测端点与正负电极相连接。本发明由于采用了精确校准方法，这样便能够针对多样化的采样介质进行统一性的算法校准，而且采用具有物理隔离的供电电路，实现独立的供电，这样在检测过程中能够避免一切干扰源，还采用单总线通信方案，能够方便地解决粮库分布式布局需求。
Description
技术领域
本发明涉及水分检测技术领域，具体涉及一种电容式粮食水分传感器的精确测量方法及设备。
背景技术
目前粮食储量及烘干过程中，测试水分的大多手段依然是人工取样检验，过程复杂效率低下。公开号为CN200810055014.8的中国发明专利申请公开了一种“在线测量粮库粮食温度、水分的数字传感装置”，采用的是电容法对粮食电容进行检测并修正了温度对传感的影响，该方法采用金属片作为电极；根据有限元分析可得到，电磁干扰对传感器的影响很大，很难得到稳定及精确的传感器数据信息。
公开号为CN201610331177.9的中国发明专利申请公开了“一种电容式水分传感器组件的水分计算方法”采用二元函数对测量水分进行校准，因传感器在测量过程中，针对不同的测量介质，如水稻、小麦、玉米等作物，使用该方法并不能完全满足所有的测试场合。
因此，在传感器采集过程中，如何获得有效的采样数据，进行针对多样化的采样介质进行统一性的算法校准，是必须要考虑的问题，为此，提出一种电容式粮食水分传感器的精确测量方法及设备。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何实现对粮食水分的精确测量，提供了一种电容式粮食水分传感器的精确测量方法。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括：
一种电容式粮食水分传感器的精确校准方法，包括以下步骤：
S1：零位初始测量
将传感器在常温状态下的空气介质中，测量传感器的介电参数输出及温度；
S2：温漂校准
在温度范围为0～40℃的空气介质中，测量传感器的介电参数输出及温度；
S3：一致性校准
在不同的介电常数介质中，测量传感器的介电参数输出及温度，
并通过公式：
进行计算，其中，ε介电参数为被测物介电参数，F为传感器测量输出频率，k1,k2,k3为介电参数与输出频率的关系系数，通过介电参数与输出频率F测量获取；n1,n2为通过校准公式获取的校准参数；
S4：粮食参数标定
通过公式：
MC＝Sε介电参数 2+Qε介电参数+T
其中MC为被测物水分值，ε介电参数为被测物测量得到的介电参数，S,Q,T为待获取的水分校准系数。
一种电容式粮食水分传感器的精确测量方法，包括以下步骤：
A：给传感器及单片机供电
通过外部的电荷泵提供传感器与单片机及其工作电路的检测供电，当电荷泵充满电时，单片机断开外部供电；
B：振荡电路输出信号
由振荡电路输出信号频率，供单片机读取；
C：计算得到水分值
单片机定时读取振荡电路输出信号的频率值，根据如权利要求1所述的精确校准方法的校准参数，计算得到水分值，最后通过单总线进行通信。
一种电容式粮食水分传感器的精确测量设备，包括单片机与传感器，所述传感器包括外壳、正电极、负电极与检测电路板，所述检测电路板的电容检测端点分别与正电极、负电极通过导线相连接，所述正负电极均为圆环式金属壳，所述正电极、负电极与检测电路板均位于外壳的内部，所述检测电路板固定安装在正电极与负电极的内侧，所述正电极固定在检测电路板的外部中间位置，所述负电极的数量为两个，两个所述负电极分别固定在检测电路板的外部上下端位置，所述检测电路板的检测信号通过单总线与单片机进行通信，采用单总线通信方案，能够方便地解决粮库分布式布局需求。
优选的，所述检测电路板的上端设置有用于输出信号频率供单片机读取的振荡电路，所述振荡电路包括振荡器U1E、电阻R1、振荡电阻R2与待测电容C，振荡器U1E的1脚连接振荡电阻R2的1脚，同时连接到待测电容C的正端，振荡器U1E的2脚连接内部供电接地脚，振荡器U1E的3脚连接电阻R1的2脚，振荡器U1E的4脚连接检测电路板内部供电VCC脚，振荡器U1E的5脚连接振荡电阻R2的2脚。
优选的，粮库内部分布式安装有垂直设置的传感器线缆，所述传感器线缆包括缆线、总线连接器与至少两个传感器节点，每个所述传感器节点具有一个传感器，多个传感器节点之间通过缆线相连接，所述总线连接器安装在缆线的上端。
优选的，所述粮库的一侧上端位置固定安装有网关，所述传感器线缆与网关相连接，其连接方式为单总线连接。
本发明相比现有技术具有以下优点：该电容式粮食水分传感器的精确测量方法，由于采用了精确校准方法，这样便能够针对多样化的采样介质进行统一性的算法校准，而且采用具有物理隔离的供电电路，实现独立的供电，这样在检测过程中能够避免一切干扰源，还采用单总线通信方案，能够方便地解决粮库分布式布局需求。
附图说明
图1是本发明的总体架构示意图；
图2是本发明的传感器线缆的结构示意图；
图3是本发明的传感器的结构示意图；
图4是本发明的工作流程示意框图；
图5是本发明的单片机工作电路原理图；
图6是本发明的自供电充放电电路原理图；
图7是本发明的振荡电路原理图。
图中：1、粮库；2、传感器线缆；21、传感器节点；22、总线连接器；23、缆线；3、网关；4、传感器；41、负电极；42、正电极；43、检测电路板；44、外壳。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1-7所示，本实施例提供一种技术方案：一种电容式粮食水分传感器的精确测量方法，包括以下步骤：
A：给传感器及单片机供电
将电容C2作为电荷泵，提供传感器与单片机及其工作电路的检测供电，当电容C2充满电时，单片机通过IO2及IO3端口断开外部供电；
B：振荡电路输出信号
振荡电路输出信号频率，供单片机读取；
C：计算得到水分值
单片机定时读取振荡电路输出信号的频率值，根据精确校准方法的校准参数，计算得到水分值，最后通过单总线进行通信。
步骤C中的精确校准方法包括以下步骤：
S1：零位初始测量
将传感器在25℃下的空气介质中，测量传感器的介电参数输出及温度；
S2：温漂校准
在温度范围为0-40℃的空气介质中，测量传感器的介电参数输出及温度；
S3：一致性校准
在不同的介电常数介质中，测量传感器的介电参数输出及温度；并通过公式：
进行计算，其中，ε介电参数为被测物介电参数，F为传感器测量输出频率，k1,k2,k3为介电参数与输出频率的关系系数，通过介电参数与输出频率F测量获取；n1,n2为通过校准公式获取的校准参数；
S4：粮食参数标定
通过公式：
MC＝Sε介电参数 2+Qε介电参数+T
其中MC为被测物水分值，ε介电参数为被测物测量得到的介电参数，S,Q,T为待获取的水分校准系数。
本实施例还提供了一种电容式粮食水分传感器的精确测量设备，包括单片机与传感器4，传感器4包括外壳44、正电极42、负电极41与检测电路板43，正电极42为内径12mm、外径13mm、长度3mm的铜环，负电极41为内径12mm、外径13mm、长度1mm的铜环，检测电路板43的电容检测端点分别与正电极42、负电极41通过导线相连接，正电极42、负电极41与检测电路板43均位于外壳44的内部，检测电路板43固定安装在正电极42与负电极41的内侧，正电极42固定在检测电路板43的外部中间位置，负电极41的数量为两个，两个负电极41分别固定在检测电路板43的外部上下端位置，检测电路板43的检测信号通过单总线与单片机进行通信，采用单总线通信方案，能够方便地解决粮库分布式布局需求。
进一步地，粮库1内部分布式安装有垂直设置的传感器线缆2，传感器线缆2包括缆线23、总线连接器22与至少两个传感器节点21，每个传感器21节点具有一个传感器4，多个传感器节点21之间通过缆线23相连接，总线连接器22安装在缆线23的上端。
进一步地，单片机通过外设控制传感器4进行充电、检测、计算及通信，检测相关电路包括单片机工作电路、自供电充放电电路与振荡电路。
单片机工作电路包括单片机U1A、电阻R3、电容C1，自供电充放电电路包括可控开关S1、可控开关S2与电容C2，振荡电路包括振荡器U1E、电阻R1、振荡电阻R2与待测电容C。
单片机U1A的1脚连接电容C1的1脚，单片机U1A的2脚连接振荡器U1E的5脚，单片机U1A的3脚连接电阻R1的1脚，单片机U1A的4脚连接可控开关S2的3脚，单片机U1A的5脚连接可控开关S1的3脚，单片机U1A的7脚通过ONEWIRE连接单总线，单片机U1A的16脚连接电阻R3的2脚；
电容C1的2脚连接检测电路板内部电源接地脚，电阻R3的1脚连接检测电路板内部电源VCC脚，电阻R1的2脚连接振荡器U1E的3脚；
可控开关S1的1脚连接外部供电电源正，2脚连接检测电路板内部供电VCC脚，可控开关S2的1脚连接外部供电电源负，2脚连接检测电路板内部接地脚，电容C2的1脚连接检测电路板内部电源正，2脚连接检测电路板内部接地脚；
振荡器U1E的1脚连接振荡电阻R2的1脚，同时连接到待测电容C的正端，2脚连接内部供电接地脚，3脚连接R1的2脚，4脚连接检测电路板内部供电VCC脚，5脚连接振荡电阻R2的2脚；
待测电容C的负端连接检测电路板内部接地脚。
进一步地，电荷泵C2电量过低后，可通过单片机的IO2及IO3控制触发可控开关S2及可控开关S1闭合外部电源和外部地，也可通过IO2及IO3低电平触发可控开关S2及可控开关S1的闭合，实现外部电源对电荷泵C2的充电，从而实现自动充放电及定时读取粮食水分参数。
综上所述，本实施例的电容式粮食水分传感器的精确测量方法，由于采用了精确校准方法，这样便能够针对多样化的采样介质进行统一性的算法校准，而且采用具有物理隔离的供电电路，实现独立的供电，这样在检测过程中能够避免一切干扰源，还采用单总线通信方案，能够方便地解决粮库分布式布局需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种电容式粮食水分传感器的精确校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：零位初始测量
将传感器在常温状态下的空气介质中，测量传感器的介电参数输出及温度；
S2：温漂校准
在温度范围为0～40℃的空气介质中，测量传感器的介电参数输出及温度；
S3：一致性校准
在不同的介电参数介质中，测量传感器的介电参数输出及温度，
并通过公式：
进行计算，其中，ε介电参数为被测物介电参数，F为传感器测量输出频率，k1,k2,k3为介电参数与输出频率的关系系数，通过介电参数与输出频率F测量获取；n1,n2为通过校准公式获取的校准参数；
S4：粮食参数标定
通过公式：
MC＝Sε介电参数 2+Qε介电参数+T
其中MC为被测物水分值，ε介电参数为被测物测量得到的介电参数，S,Q,T为待获取的水分校准系数。
2.一种电容式粮食水分传感器的精确测量方法，其特征在于,包括以下步骤：
A：给传感器及单片机供电
通过外部的电荷泵提供传感器与单片机及其工作电路的检测供电，当电荷泵充满电时，单片机断开外部供电；
B：振荡电路输出信号
由振荡电路输出信号频率，供单片机读取；
C：计算得到水分值
单片机定时读取振荡电路输出信号的频率值，根据如权利要求1所述的精确校准方法的校准参数，计算得到水分值，最后通过单总线进行通信。
3.一种电容式粮食水分传感器的精确测量设备，其特征在于：采用如权利要求2所述的测量方法进行粮食水分值测量工作，包括单片机与传感器，所述传感器包括外壳、正电极、负电极与检测电路板，所述检测电路板的电容检测端点分别与正电极、负电极通过导线相连接，所述正负电极均为圆环式金属壳，所述正电极、负电极与检测电路板均位于外壳的内部，所述检测电路板固定安装在正电极与负电极的内侧，所述正电极固定在检测电路板的外部中间位置，所述负电极的数量为两个，两个所述负电极分别固在检测电路板的外部上下端位置，所述检测电路板的检测信号通过单总线与单片机进行通信。
4.根据权利要求3所述的一种电容式粮食水分传感器的精确测量设备，其特征在于：所述检测电路板的上端设置有用于输出信号频率供单片机读取的振荡电路，所述振荡电路包括振荡器U1E、电阻R1、振荡电阻R2与待测电容C，振荡器U1E的1脚连接振荡电阻R2的1脚，同时连接到待测电容C的正端，振荡器U1E的2脚连接内部供电接地脚，振荡器U1E的3脚连接电阻R1的2脚，振荡器U1E的4脚连接检测电路板内部供电VCC脚，振荡器U1E的5脚连接振荡电阻R2的2脚。
5.根据权利要求3所述的一种电容式粮食水分传感器的精确测量设备，其特征在于：粮库内部分布式安装有垂直设置的传感器线缆，所述传感器线缆包括缆线、总线连接器与至少两个传感器节点，每个所述传感器节点具有一个传感器，多个传感器节点之间通过缆线相连接，所述总线连接器安装在缆线的上端。
6.根据权利要求5所述的一种电容式粮食水分传感器的精确测量设备，其特征在于：所述粮库的一侧上端位置固定安装有网关，所述传感器线缆与网关相连接，其连接方式为单总线连接。
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