第一章 绪论
铁产生场强恒定的磁场，探头位于磁极间以检测核磁共振信号。被测物料从中间非金属试样管中通过，射频振荡源产生一射频电磁波送到发射线圈，音频振荡器产生一调制频率送入调制线圈，两者同时辐射到试样上，调制出一系列共振谐波；共振信号由接收线圈接收，经检波放大后显示，并按该被测物料的校正曲线换算成物料中的H质子数(水分含量)。NMR传感器的测水范围0.05%~100%，其测量高浓度水分时的精度优于0.5%。为使测量正确，需使物料中氢原子有较长的弛豫时间，从而使其在磁场中能完全定位。NMR传感器的测量结果与物料流量、堆密度、温度有关。应尽量保持物料流动及其堆密度的均匀性，而温度用测温电路补偿。进一步，NMR传感器还可测定物料所含水分的型态。
3.声学法
粮食籽粒的弹性和振动特性取决于粮食水分含量，粮食籽粒碰撞物体表面而产生振动，发出声音。不同水分的谷物在流动过程中碰撞物体表面时所产生的声压不同，通过测量谷物在流动过程中碰撞物体表面时所生产的声压来测定粮食水分含量。声学法测量精度高，测量重复性好，能实现在线测量。
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第二章 总体方案设计
第二章 总体方案设计
在查阅大量资料的基础上，确定课题设计的测量系统包括各个测量信号的产生、数据存储、单片机控制、串行通信、显示等方面，比较其优缺点，决定采用电容式传感器测量水分方法进行设计。
粮食在干燥中的在线测量中有两种方案：第一种是干燥过程中进行取样测量，第二种是干燥过程中直接测量。
方案一：
粮食物料在流水线上被采样器自动取样，并送至检测仪入口，经均料机构对样品均料样后进入均样筒中，借重力作用自流进入测试区。有电容传感器将采集的信号经转换电路送入单片机系统，在单片机中进行数据分析和综合处理，最后对照函数曲线图货对照关系表即数据库，测量出粮食的水分值后，分别显示数据或打印输出。
方案二：
不经过采样，直接在线测量。
两种方案的比较：方案一附加了采样器，受温度，重量等影响小，测量的更加精确，并且可用微小电容传感器进行测量，后续电路选用灵活，比如选用差频式电容测量电路。但是设备稍微复杂。方案二直接在线测量，不加采样器，是通过后续单片机数码显示相关模拟量数值，工作人员通过采样数值拟合曲线进行测量，虽然电容值要比方案一的要大，并且受温度、重量等因素影响较大，但是通过非线性补偿等措施可减小误差，同时设备简单，提高效率。
综合考虑，选用方案二。
本系统如方框图所示主要包括：单片机控制模块（用AT89C52单片机作为控制核心）、粮食干燥塔出入口粮食水分在线检测传感器模块、温度信号采集模块、电容电压转换电路模块、模数转换模块、LED显示、键盘模块等。
测量时需在干燥塔入口处放置水分检测传感器1，在出口处放置水分检测传感器2，两个水分检测传感器均采用同芯柱型结构。粮食以一定的速度通过传感器时，其含水量可以通过测量圆筒内外壁之间电容的变化量，并采用信号的线性化处理与湿度补偿等措施，最终实现粮食水分的在线检测。
此方案具有结构简单、功能齐全、精确度及安全性好、便于控制等优点，比较适合粮食干燥塔环境的要求。
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第二章 总体方案设计
图2.1 粮食水分在线测量系统方框图
温度传感器 水分检测传感器 电容电压转换电路 A/D转换器 AT 89 C52单片机 LED显示 键盘 PC机
各部分功能说明如下：
水分检测传感器：粮食通过传感器，由于粮食中水分含量不同导致介电常数不同，水分在线传感器将介电常数的变化转换成电容大小的变化，从而反映粮食的水分。
电容电压转换电路：通过水分检测传感器得到的电容大小的变化，经过电容电压转换电路，得到电容与输出电压的关系，进而得到粮食水分与输出电压大小的关系。
A/D转换器：经电容电压转换电路输出的电压值是模拟量，必须经过模数转换电路转换成数字信号才能送入单片机系统进行数据处理。
单片机：对数据进行存储和处理。
键盘模块：对单片机进行操作，控制程序的执行。
LED显示：对测得的输出电压和温度进行显示，工作人员进行数据采集与处理，通过比对相关表格数据关系，得出水分含量。
PC机：和单片机进行通信，借助PC机对数据进行处理，拟合各模拟量的关系。
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第三章 粮食水分在线测量硬件系统设计
第三章 粮食水分在线测量硬件系统设计
在本章中主要通过对电容式粮食水分检测原理的介绍，分析常用的电容检测方法。给出了电容式粮食水分检测系统的硬件结构设计
3.1 粮食水分在线测量传感器设计
电容式粮食水分仪采用圆柱形容器作为传感器，与采用平板式容器作为传感器相比测量值受边缘效应影响小，操作也较方便。其结构原理如图3.1所示.
2R2 2R1 介质空腔
L 内极板
外极板
R2 R1
图3.1 同心柱形电容式传感结构
图3.1中：
R1——传感器内筒外径； R2——传感器内筒内径； L——传感器放入介质的高度； 3.1.1 电容式传感器结构设计
为了实现粮食干燥在线实时控制，本课题在干燥塔的出口和入口同时放置传
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第三章 粮食水分在线测量硬件系统设计
感器，实现双传感器提取信号，便于数值比对。
传感器均采用圆柱型结构，圆柱体内芯为柱状绝缘实体，与圆柱外壁间形成电容传感器的双电极，圆柱体底部与外壁间留有一定间隙，以保证粮食的流动并充满圆柱体。采用圆柱形容器作为传感器与采用平板式容器作为传感器相比测量值受边缘效应影响小，操作也较方便。
因为各种介质的介电常数不同，若在两个电极间充以空气以外的其他介质，使介电常数相应变化时，电容量也随之改变。
为了保证水分测量的精度，被测介质放入(流入)传感器内时应保证一致性，有规律流入传感器。同时，在传感器设计过程中，由于温度变化对湿度变化进而对电容变化的影响，而水分变化与电容变化呈非线性关系，因此，设计时应该考虑非线性补偿和温度补偿问题。这是该课题研究的主要技术难点内容之一。因此，圆柱体外壁直径、绝缘实体高度与直径、圆柱体底部与外壁间隙值、以及电容信号的引出方式均应在建立数学模型的基础上，通过科学计算与实验验证相结合得出。
当粮食积聚在圆柱型传感器内时，根据粮食含水量的不同，传感器的电容值不同，输出信号也不同，经过信号转换和处理，完成粮食湿度的测量。
柱形电容器由两个同芯金属圆柱面作为电极组成。两电极高为L，内电极半径为R1，外电极半径为R2。当L>>R2-R1是，可忽略圆柱的边缘效应。 设电容器两极板各带电荷+q和-q时，若忽略边缘效应，电荷均匀分布在内
q外两圆柱面上，圆柱每单位长度所带电荷的绝对值为?（??），由于两圆柱面
L间的电场具有轴对称性，故两圆柱间离开圆柱轴线距离为s处的电场强度的大小为：
E?? 2??0s两极板间的电势差为：
?U?U1?U2??Eds??R1R2R2R1RR??qds?ln2?ln2 2??0s2??0R12??0LR1由电容器电容的定义可求得柱型电容器的电容为：
C?2??0Lq?
RU1?U2ln2R1当放入介电常数为?的物质时相对介电常数为?r，有：?r?? ?0 - 15 -