第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
“民以食为天，食以安为先”。粮食安全是关乎国计民生的一件大事。我国水稻种植面积约 33 千万公顷，是世界水稻种植第一大国，大米是我国的主要口粮。水稻收获后水分含量大，若不及时充分干燥，易霉烂变质。近年来，我国经济发展迅速，大量农村劳动力向城市转移，导致了农村土地大范围的自发流转，使种植规模逐步扩大。尤其是 2013 年中央一号文件提出了鼓励和支持土地承包后，农业规模化经营更加蓬勃发展。同时，农业规模化经营推进了联合收割机的快速推广，大量高水分稻谷集中收获，收获期最多为 7~10 天，收获后亟需快速充分干燥以满足贮存条件。若采用传统自然晾晒的方式，需要大量晒场及人工劳动力，且干燥效果受气候因素影响大，因而人工自然晾晒已无法满足稻谷干燥的需要，迫切需要推广机械化稻谷干燥模式。欧美、俄罗斯和日本等国的谷物机械化干燥技术起步早、水平高且应用普及，谷物收获后机械化干燥比例达 90%以上。我国机械化谷物干燥技术始于对苏联研制的大型混流式谷物干燥机的仿制，逐步发展，经过高校、企业和各级农机研究所的探索研究，已开始进行自主研发。当前已有数十家专业研发生产谷物干燥机的企业，研制的谷物干燥机包括大中型混流式、中小型横流低温循环式和小型移动仓内循环式，但大多数产品主要针对玉米烘干，可用于稻谷烘干的产品较少。且国内生产的谷物干燥机智能化水平普遍偏低，用于在线检测的谷物水分传感器的检测精度和检测可靠性较差，无法满足实际应用需求，导致谷物机械化干燥过程中只能利用谷物温度来间接控制水分，谷物出机含水率无法精确控制[1-6]。稻谷含水率是衡量稻谷品质主要的技术经济指标，含水率过高促使稻谷中微生物生命活动旺盛，导致稻谷发热霉变；含水率过低，减少了稻谷的重量、降低了稻谷的品质，严重影响水稻种植的经济收益。在稻谷机械化干燥过程中，对稻谷含水率的控制至关重要，稻谷含水率过高或过低，都将造成巨大的损失，因而为了保证稻谷烘干过程经济高效，烘干结果精确可靠，亟需研制一款经济可靠的稻谷水分检测传感器。
........
1.2 谷物水分检测方法
近些年来，随着农业机械化生产的发展，谷物水分检测技术迅速发展，谷物水分检测的新思想及新方法层出不穷。根据谷物水分检测过程中是否对谷物样品的物理或化学特性造成不可逆破坏，谷物水分检测方法可分为有损检测和无损检测两大类[7-12]。
1.2.1 谷物水分有损检测方法
谷物水分有损检测方法需要对谷物样品进行物理粉碎或化学变化，使其不能恢复原状。主要有：烘箱法、甲苯蒸馏法、卡尔费休法、直流电阻法、减压干燥法和快速失重法等。
（1）烘箱法
烘箱法是利用电烘箱对被测谷物进行加热干燥，使水分蒸发，通过烘干前后谷物的质量差来计算谷物含水率的检测方法。其检测精度高，但需要的检测时间过长，多用于实验室检测，其中 105℃恒重法作为标准法用来衡量其他水分检测方法的精度。
（2）甲苯蒸馏法
甲苯蒸馏法是一种化学测水方法，利用与水不相容的甲苯、二甲苯溶剂与检测样品粉末混合成沸点较低的二元共沸体系，加热蒸馏出样品中的水分。但在蒸馏过程中蒸馏瓶壁易附着一定的蒸馏水分，导致水分检测出现误差。
..........
第二章 电容式谷物水分传感器设计
2.1 电容传感器类型及选择
电容式传感器通过将非电量转化为电容量来实现对非电量的检测，根据变化参数的不同，可分为变极矩型、变面积型和变介质型三种类型。谷物水分传感器将被测谷物含水率的变化转化为电容量的变化，本质上是一个变介质型的电容传感器。平面极板型是将平行极板型电容器的两块极板放置于同一平面上，在极板的一侧加上与正极板等电位的屏蔽极板，以减小周围环境对谷物含水率测量的影响，在极板的另一侧通过监测谷物介电常数的变化监测谷物含水率的变化。如图 2.3 所示。平面极板型电容传感器虽解决了平行极板型电容传感器有效面积小，检测灵敏度低的问题，但其仍易受外部电磁场的影响，检测稳定性差。同轴圆筒型电容器是由两个同轴圆筒型金属面嵌套而成。当测量颗粒性谷物样品时，谷粒间存在间隙导致其介电常数较小，采用同轴圆筒型电容器，可通过增大极板有效面积，提高传感器检测灵敏度，且外极板包络内极板，十分有效地抑制了人体感应对检测结果的影响。因而本设计选用了同轴圆筒型电容器。
...........
2.2 电容传感器结构的优化设计
虽然随着外圆筒与内圆筒的比值x的增大，电容器总电容C 逐渐增大，电容器灵敏度逐渐增大，但随着外圆筒与内圆筒的比值x的增大，同轴圆筒型电容器外圆筒半径R 越大，长度L越大，结构越臃肿，且单位长度电容器的灵敏度越小、利用率越低。同时，同轴圆筒型电容谷物水分传感器还应满足：1、极板厚度小以削弱边缘效应；2、几何对称以保证电场良好的梯度均匀性；3、两圆筒间固定衬套介电损耗小；4、应有自动料斗以保证颗粒状谷物在圆筒型电容器中良好的倾倒均匀性。出于现场安装对同轴圆筒型电容传感器大小的限制、屏蔽外部电磁场的需要，试验采用的传感器结构 R 20mm1 、 R 40mm2 、 L 80mm，如图 2.5 所示。
........
第三章 稻谷电阻抗谱实验及分析.........15
3.1 实验材料、设备及方法.............15
3.1.1 实验材料.......15
3.1.2 实验设备.......16
3.1.3 实验方法.......17
3.2 实验结果分析.........18
3.2.1 激励频率对检测电容值的影响...........19
3.2.2 含水率对检测电容值的影响.....21
3.2.3 温度对检测电容值的影响.........23
3.3 本章小结.......23
第四章 稻谷水分检测模型的确定.........25
4.1 多元回归分析.........25
4.2 SPSS..... 26
4.3 稻谷水分检测模型的建立..........26
4.4 本章小结........30
第五章 稻谷水分传感器检测电路设计.........31
5.1 电容式稻谷水分传感器总体设计.......31
5.2 电容式稻谷水分传感器检测电路硬件设计...........31
5.2.1 电容检测模块.........31
5.2.2 温度检测模块.........34
5.2.3 控制与显示模块.....35
5.3 电容式稻谷水分传感器检测电路软件设计...........37
5.4 本章小结.......41
第六章 稻谷水分传感器性能评估
6.1 试验
为对研制的稻谷水分传感器稻谷含水率检测性能进行评估，使用其对稻谷含水率进行检测，与 105℃恒温干燥法的检测结果进行对比，分析研制的稻谷水分传感器及检测电路的检测精度。
6.1.1 实验材料
水稻品种选取为镇稻十号，为收获季节于田间使用收割机收获，以与实际稻谷烘干的作物条件保持一致，将其放置于保鲜冰箱中使用密封塑料袋进行密封保存，初始含水率大约为 28%（湿基）。在稻谷水分传感器性能评估试验过程中，为使用于测量的不同含水率的水稻样品与实际水稻烘干过程中的水稻情况保持一致，本文采取边烘干边检测的方式进行实验，对烘干前后的样品进行 105℃恒重法标定其含水率，在稻谷水分传感器性能评估试验过程中每个实验点的稻谷含水率通过使用精密天平对稻谷样品称重，结合 105℃恒重法标定的起始及结束含水率推算获得.本文采用自动料斗固定测量样品体积，在 40~80℃的温度范围内随机抽取 5个环境温度点，且尽量保证温度取样点均匀，进行稻谷水分传感器性能评估试验，以温度 43℃、湿度 70%为例，试验步骤如下所示：一、使用 105℃恒温烘箱法，对待干燥稻谷的含水率进行初始标定；二、均匀选取 200g 稻谷样品作为试验稻谷样本；三、均匀选取稻谷样品装满自动料斗，再使用自动料斗将选取的稻谷样品均匀倾倒入同轴圆筒型电容器，以保证每次检测所用的稻谷样品体积基本保持一致。四、使用恒温恒湿箱对稻谷水分检测过程中环境温湿度进行调控，温度设置为43℃，湿度设置为 70%，待恒温恒湿箱温湿度控制稳定后，使用研制稻谷水分传感器及检测电路对稻谷谷温及含水率进行检测并记录。
.........
结论
当前谷物水分检测原理及方法纷繁多样，适用于不同的检测环境及检测需要。本文在充分分析了谷物水分传感器技术国内外研究现状的基础上，选择传感器结构简单、成本低、可靠性高、便于现场维护，适用于对谷物水分进行在线连续测量的电容式谷物水分测量方法。并针对电容式谷物水分传感器器检测结果受一系列其他因素的影响，普遍存在测量稳定性差、精度低等问题，设计了稻谷电阻抗谱实验，建立了稻谷水分检测模型，最后集成了稻谷水分传感器软件、硬件及检测模型，完成了稻谷水分传感器及检测电路的设计。具体工作内容及结论如下：
（1）对比分析了不同电容式传感器结构的优缺点，根据本文设计需求，选择了同轴圆筒形电容器，并通过同轴圆筒型电容器电容大小的物理分析，给出了同轴圆筒型电容器结构的优化设计方案。
（2）基于电容式谷物水分测量的影响因素—谷物品种、密实度、温度，设计了稻谷电阻抗谱测量实验，研究了在不同频率的激励电压、不同温度下稻谷的电阻抗谱特性。得到在相同条件下，稻谷电容值随激励频率的增大而逐渐减小、随含水率的增大而逐渐增大、随温度的升高而逐渐增大。确定了稻谷水分最佳激励频率为 2kHz。
（3）本章基于多元回归分析方法，在最佳激励频率 2kHz 下，使用 SPSS 对稻谷电阻抗谱实验得到的三分之二检测实验点进行了多元回归模型的建立，剔除了异常实验点，绘制了标准化残差图并对其进行了拟合程度检验，且稻谷水分检测模型多元判定系数2R =0.933，拟合检验结果良好。并使用余下三分之一检测实验点对稻谷水分检测模型进行了评估，通过标准化残差分析可得，稻谷水分检测模型拟合度良好。
（4）采用模块化设计思想，完成了由电容检测模块、温度检测模块、控制与显示模块组成的电容式稻谷水分传感器检测电路硬件设计。对比分析不同电容检测集成芯片的优缺点，选择了 ADI 公司的 AD5933；根据稻谷样品温度检测范围的需要，选择了 PT100 温度传感器+PT100 温度变送器；根据 ADC 信号采样、IIC通信、控制及显示需求，选用了探索者 STM32F407 开发板。采用模块化设计思想，完成了电容数据采集、温度数据采集、数据处理和显示组成的电容式稻谷水分传感器检测电路软件设计。配置了负责电容数据采集的 AD5933、负责温度数据采集的 PT100 温度传感器+PT100 温度变送器、负责数据处理和显示的 STM32407 开发板。
（5）采用自行设计的稻谷水分传感器对镇稻十号的含水率进行检测，并采用105℃恒温干燥法对其进行了对比试验。结果证明，研制的稻谷水分传感器及检测电路检测误差绝对值的标准差为 1.514%，仍存在较大的检测误差，需要对其进行进一步的优化设计。
..........
参考文献（略）