第三章 粮食水分在线测量硬件系统设计
则电容为：
C??rC0
放入介质后的电容：
C?2?L?r?0 R1lnR2把?0?1?12?8.85?10(F/m)代入上式，电容的计算公式为： 936??10C??rLR1.8ln2R1
对于水分含量为M的粮食，其对应的相对节电常数为?r，当粮食水分含量发生变化（M??M）时，其相对介电常数亦相应变化为?r???r，由此而引起的电容变化为：
C??C?2?L?r?0???r1?R2??r?lnR1?? ?即：
?C??r ?C?r?C??与粮食相对介电常数的相对变化r之间呈线性C?r所以，电容值相对变化
关系。可以通过测量电容值得变化球的粮食介电常数的变化。介电常数?随被测
介质水分变化而变化，通过测量传感器输出电容C的变化间接得到介质水分含量。
3.1.2 电容式水分传感器的构成及结构优化
传感器采用同心柱型电容器，由两个同心金属圆柱筒面组成,具体形状截面图如图3.1。这种形状的传感器便于粮食颗粒状物的装入,而且采用同心柱型传感器可减小边缘效应对电容值的影响。两柱面高为 L,内圆柱外表面半径为R1,外圆柱内表面半径为R2。当L>>R2-R1 时,可忽略圆柱两端的边缘效应影响。
2??L同心柱型电容式传感器的计算公式为 C?
R2lnR1其中式中C为电容值；?为介质介电常数；L为电容柱面高;R2为电容外极板半径；R1为电容内极板半径装入粮食前后电容的变化量为(?? 为传感器未装
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粮食前的介电常数)
L=2?（???0）R2lnR1R2 =K?(???0)
R2lnR1?C?C?C0取极板的长度远大于R2与R1的差,即L=KR2,K为大于1的常数,则可按变化量ΔC最大来确定R1和R2的比例关系,求ΔC的一阶导数,令
??c?0 ?R2??R2?R2则??C??=K?(???0)?lnR1??得lnR2?1?0 R11?R1??0 R2??R1?满足上式的条件为R2=eR1。按照R2 = eR1(e为自然对数底数)关系制做电容器,可保证放入样品前后有最大的电容变化量,这意味着提高了传感器的灵敏度,有益于后续电路的设计。
电容式传感器采用同芯柱型传感器，这种传感器如果柱高远大于两极板间距时边缘效应较小，而且该传感器的形状适合粒状物的水分检测。本次设计采用的水分检测传感器结构为R2=260mm,R1=105mm,L=400mm，用厚度为0.5mm的紫铜作为传感器的材质。在外极板外面加装了金属屏蔽罩极板与检测电路连线较短,且连线外加屏蔽线，这样，减小了外界寄生电压的干扰。
3.2 电容检测电路设计
3.2.1 几种常用电容式水分测量电路的比较
传统的电容传感器以两个电极的结构为主，它具有电容量小(一般为几个pF到几百个pF)、有良好的动态特性、可进行非接触式测量等特点。
目前用于检测小电容的方法主要有以下几种: ① 运算放大电路
运算放大器电路如图3.2，把被测电容CX放在运算放大器的负反馈支路上，当运算放大器的输入阻抗Rir1和放大倍数很大时，有下式成立:
V0??CxVi C0其中Vi为激励信号，V0为输出信号，C0为固定电容，Cx为被测电容。
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.CO7CX2U16Vi3RinVo4.
图3.2运算放大器电路
放大式测量电路具有好的线性和高抗干扰能力、精度高，适于自动、在线测量。但电路要求电压稳定、固定电容C0稳定，并且输入阻抗足够大。测量范围受固定电容C0和放大器放大倍数限制。 ② 谐振电路
如图3.3所示，电容传感器的电容Cx作为谐振回路（L2、C2、Cx）的一部分，谐振回路通过电感耦合，从稳定的高频振荡器中取得震荡电压，当Cx发生变化时，谐振回路的阻抗发生相应的变化，经整流和放大后，取得相应的电压变化。谐振式电路的特点是灵敏度高，但工作点不容易选择好，易受电缆的杂散电容的影响。
.
振荡器 L1L2C1CxC2整流放大
图3.3 谐振电路方框图
.3.2.2 电容电压转换电路设计
电容信号相对其他传感器输出信号而言处理较为复杂,我们采用专用电容式信号转换电压输出接口集成电路。传感器输出的电容信号与一个标准的参考电容值相比较，其差值转换为二个积分器电压振幅的变化，该差分信号通过低通滤波器转换为直流电压信号,经高精度仪表运算放大器输出。其电路原理框图如图3.4
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所示。 C1 C2
信号电压/电流积分器1 低通运算参考振荡图3.4 电容电压转换原理框图
其中C1为一个标准参考电容，C2为粮食水分的电容变化值。传感器的测定信号始终是带有误差的，但是通过适当的修正方法可以将测量误差限制在我们所希望的范围之内。借助微处理器，在建立数学模型的基础上，可以对测量信号进行数字化的修正和补偿。借助一个温度传感器提供相应的电压信号,可以完成多个温度定标点(依据实际情况设定) 的温度误差修正。利用这种精密可靠的数字化修正技术可以使测量达到一个较高的精度。本文采用德国AMG公司的电容式信号转换电压输出接口集成电路CAV414。用专用集成芯片代替传统的多个分立元件，大大提高了测试精度和产品可靠性，为后步电路信号采集和处理以及控制提供了有力保证。该集成电路在工业控制、距离检测、压力检测、湿度检测和物料(位)检测中均有应用。 1.CAV414的特点
1) 宽的工作电压范围：6~35V，参考电压源：5V 2) 宽的工作温度范围：-25℃~+85℃
3) 高的检测灵敏度：5%~100%的相对电容变化 4) 检测速度2kHz
5) 输出电压可调：0~5/10V或其他 6) 极性保护，最大输出电流限制 7) 通过两个电阻使输出电压可调 2.CAV414结构和功能
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图3.5 CAV414的电路方框图
CAV414是一个多用途的处理电容式传感器信号的完整的转换接口集成电路，它同时具有信号采集(电容数值变化)、处理和电压输出的功能。CAV414能够检测一个被测电容和参考电容的差值。它可以检测从10pF到2nF的电容值，当然这是指与参考电容值的5%到100%的变化范围内的电容值。电压输出级是由一个高精度的仪表运算放大器和一个运算放大器组成。只需要很少几个外接元件就可以使CAV414成为多用途的电容式信号转换成电压输出接口电路。
表3.1 CAV414管脚图 引脚 符号 功能 引脚 符号 功能 1 RCOSC 基准振荡器电容电流调节电阻 9 VCC 电源电压6~35V 2 RCX1 10 GND 积分器1电容电流调节电阻 芯片地 3 RCX2 11 VREF 积分器2电容电流调节电阻 5V基准电压 4 RL 12 COSC 低通滤波器的增益调节电阻 基准振荡器电容 5 LPOUT 13 CL2 低通滤波器2角频率电容 低通滤波器输出 6 VM 14 CX2 2V基准电压 容性传感器可变电容 7 GAIN 15 CL1 低通滤波器1角频率电容 增益调节 8 VOUT 16 CX1 电压输出 容性传感器固定电容 3.CAV414的工作原理
它用一个通过电容COSC频率可调的参考振荡器驱动二个构造对称的积分器并使它们在时间和位相上同步。参考电容CX1和可变电容CX2的值决定了二个积分器的振幅。由于每个积分器具有很高的共模抑制比和高的分辨率，所以二个积分器的振幅差就给出了电容CX1和CX2之间的差值。该差分信号(振幅电压差值)经过低通滤波器滤波，它的角频率和增益可以用几个外接的元件来调整。由低通滤波器输出的信号连接到一个仪表放大器和一个输出级。通过该二级将信号转换
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