谷物含水率检测系统设计与验证分析

谷物含水率检测系统设计与验证分析

杜章辉，刘珏

武汉轻工大学，电气与电子工程学院，湖北武汉 430048

摘  要：谷物含水率是决定谷物储存品质和安全性的关键参数，其准确快速的检测对于保障粮食安全、降低损耗具有重要意义。本篇描述了一种基于电容法的谷物含水率无损检测系统，为谷物含水率检测设计与优化提供技术参考。采用多导体阵列电容器捕捉谷物含水率变化引起的电容变化，通过谷物微小电容检测的硬件电路将电容变化转化为电信号，并利用软件系统进行数据处理，实现谷物含水率的高精度测量。

关键词：谷物、含水率、电容法、检测系统

1引言

谷物作为人类主要的粮食来源，在粮食供应链中占据着至关重要的地位。因此，保证谷物的存储品质和安全性对于确保粮食供应具有极其重要的意义[1]。谷物在收获、运输、储存和加工过程中，含水率是影响其品质和安全性的关键参数。含水率过高会导致谷物发霉变质，不仅降低谷物品质，还可能产生黄曲霉素等有害物质，威胁人体健康；含水率过低则可能导致谷物过度干燥、破损，增加经济损失[2]。因此，开发一种能够快速、准确检测谷物含水率的技术对于提高粮食储存效率、降低经济损失、保障人类健康具有重要的实际意义[3]。

传统的谷物含水率检测方法主要依赖于烘干称重法，即通过测量谷物在烘干前后的质量差来计算含水率[4]。然而，此方法操作繁琐，耗时长，且无法实现对谷物的无损检测。随着科技的发展，非破坏性检测技术因其操作简便、检测速度快、对样品无损害等优势而受到广泛关注。电容法作为一种非破坏性检测技术，在众多领域已经得到了成功的应用[5]。

因此,本篇设计了一种基于电容法的圆柱形导体棒谷物含水率无损检测系统。该系统采用多导体阵列电容器作为检测单元，能够敏感地捕捉谷物含水率变化引起的电容变化。通过所设计的硬件电路，将电容变化转化为电信号，再利用软件系统对信号进行处理，从而实现对谷物含水率的准确测量。该系统的开发，不仅能够提高谷物含水率检测的效率和精度，还有助于促进粮食存储技术的进步，对保障全球粮食安全具有重要意义。

2试验准备

2.1系统搭建

本研究采用自主设计的微小电容检测装置上进行不同含水率谷物的微小电容测量试验。检测系统主要由上位机、电容检测电路、装满物料的谷仓组成，其硬件电路由以STM32F1系列单片机为主控核心的控制电路和以PCap01-AD芯片为电容测量核心的数据采集电路构成；上位机交互程序采用LabVIEW软件开发平台，通过图形化编程语言设计上位机界面，直观地展示了采集的电容数据。主要包含配置串口控件、读写控件、状态指示器、数据显示和输入控件以及波特率等参数选择控件来实现数据传输并展示的功能。通过设置芯片的测量端口、测量模式、采集速率等参数寄存器，完成谷物微小电容数据的采样配置。

由于铜具有良好的导电性和延展性，选取铜棒作为电容器的导体。在谷仓内将八根导体棒电极分成两排四列垂直于烘干仓底板安装，第一排导体棒与第二排导体棒组成60°的夹角依次间隔放置。设计厚度为2mm，高为15mm的同导体棒直径的圆心筒作为导体棒电极的座子，方便导体棒阵列固定于烘干仓底板之上。

2.2谷物样品特性

试验选取湖北省某大型粮食加工厂所生产的水稻并在其工厂制备不同含水率的试验样品。样品经筛选过滤处理，还原烘干仓中水稻水分检测的真实条件,考虑稻含水率范围以及装置的实际试验条件，确定样品的含水率范围，湖北地区水稻收获时含水率在20%左右，通过自然晒干或仪器烘干的方式降低水稻水分，当水稻水分低于梯度水分标准时，将水稻放入桶中加湿再均匀烘干处理，利用电阻式水分仪初测水稻样品含水率。

每组水稻样品经过上述处理含水率达到期望含水率值后，将样品装入保鲜袋封装保存。通过105℃恒重法复量每组水稻的含水率，具体为：先将培养皿烘干至恒重，从保鲜袋取一定量水稻样品放入培养皿测量质量，放入105℃的干燥箱内烘干，干燥后取出水稻样品再次测量质量，循环操作，直至最后两次干燥后质量为恒重，停止干燥，通过公式计算水稻的准确含水率并做好记录。

3试验与结果分析

3.1试验

从待检测的谷物中随机选择一定量的样本，以保证测试结果的代表性，并确保测试环境（如温度、湿度）的稳定，以防环境因素对检测结果产生影响。在进行样本测试之前，先对谷物含水率检测系统进行校准，确保检测精度，根据测试需要，设置检测系统的相关参数，如检测频率、电压等。将选定的谷物样本均匀放置于多导体阵列电容器中，确保电容器与谷物样本之间的接触良好，启动检测系统，进行谷物含水率的测量。系统通过硬件电路捕捉谷物含水率变化引起的电容变化，并将其转化为电信号，利用软件系统对采集到的电信号进行分析处理，计算出谷物的含水率。通过检测系统的显示界面读取谷物含水率的测量结果，将测量结果与标准烘干法的结果进行对比分析，评估检测系统的准确性和可靠性。将所有测试结果及相关参数记录下来，以便于后续分析和存档，并根据测试结果和误差分析，对检测系统进行必要的调整和优化，以提高未来测试的准确性和效率。

3.2结果分析

本试验旨在全面验证基于电容法的谷物含水率检测系统在实际应用中的测量范围、精度误差以及重复性，特别关注于水稻为待测目标。试验首先涉及到精心制备的水稻样本，这些样本通过自然风干和加湿方法调整至不同的含水率水平，覆盖从8%至30%的预期范围，并使用国际标准烘干法作为基准进行含水率的标定。在此基础上，将样本分为20个组别，每个组别包含特定含水率的水稻样本，通过电容法检测系统对每组样本进行至少5次的重复测量，以确保数据的准确性和可靠性。通过将电容法检测结果与烘干法的基准值进行比较，计算最大相对误差和平均相对误差，从而评估检测系统的测量精度。为了进一步验证系统的重复性，从低、中、高含水率的样本中各随机选取一组，进行10次连续测量，通过计算标准差和变异系数来评估测量结果的稳定性。本试验不仅关注于检测系统的技术性能指标，如测量范围和精度，也重视系统在实际应用中的稳定性和重复性。图 1、图 2和图 3分别为标准烘干法、电阻式水分仪和本系统的水稻含水率检测值。

图 1  标准烘干法测量值

图 2  电阻式水分仪测量值

图 3  电容法测量值

从以上三种测量方法的数据结果可知，针对含水率8%~30%的含水率样本，三种测量方式的含水率曲线趋势都基本吻合。但是，标准烘干法测量效率低、耗时并且主要应用于实验室测量，而电阻式水分仪每次检测需要损坏粮食且随着含水率的增加粮食的电解质会影响检测精度。因此，综合考虑检测方法的安装方式、机械结构以及造价成本，本篇设计的平行导体式含水率检测装置具有机械结构简单、造价成本低以及安装方便等优势，具有一定的市场前景。通过这一系列的系统性测试和评估，本试验为基于电容法的谷物含水率检测系统在水稻含水率测量中的应用提供了坚实的科学依据，证明了其在农业生产和粮食加工等领域的实用性和可靠性

4结语

利用粮食加工厂的设备通过对不同含水率水稻的电容数据进行标定，建立水稻电容与其含水率的模型关系，将电容值转换成含水率。制作不同含水率的水稻样本，分别通过标准烘干法、电阻式水分仪以及本篇设计的电容式谷物含水率检测系统测得其含水率，通过数据对比，其数据曲线与标准含水率测量方法相吻合，验证了电容式谷物含水率检测系统的检测精度稳定性，其结果能为生产实践提供一定的参考依据。

5参考文献

[1]陈武东,李喜陆,苏东鹤等.谷物干燥水分监测技术探析[J].农机使用与维修,2023(04):18-20.

[2]侯华铭,崔清亮,郭玉明.全喂入谷子联合收获机脱出物含水率对其悬浮特性的影响[J].农业工程学报,2018,34(24):29-35.

[3]黄操军,段玉波,李爱传等.基于DSP和单片机的谷物含水率准动态检测技术研究[J].农业工程学报,2008(05):127-130.

[4]蔡泽宇,刘政,张光跃等.谷物含水率测量技术研究进展[J].中国农机化学报,2021,42(04):99-109.

[5]李庆中,高玉根,张道林等.谷物含水率在线测试系统的研究[J].农业机械学报,1995(03):80-84.