扰动空隙对稻谷电容式水分传感器精度的影响

摘要  ［目的］揭示扰动空隙对电容式稻谷水分传感器检测精度的影响规律。［方法］基于Ansoft Maxwell 静电场分析模块，建立并试验验证了稻谷群粒电容分析模型；基于上述模型，分别对平行极板式、同轴极板式、平面极板式电容谷物水分传感器开展了扰动空隙模拟试验。［结果］稻谷含水率为11.39%～ 30.30%，群粒表观介电常数随含水率升高而增大，平均变化范围为5.74～41.13；稻谷群粒电容分析模型计算结果的相对误差小于5%，证实了该分析模型的有效性；扰动空隙模拟试验显示，扰动空隙越大，引起的水分检测误差越大；相同扰动空隙下，含水率越大，检测误差越大，扰动空隙分布在不同的位置对检测的影响程度不一样，分布在电容器中电场线越密集的区域，引起的误差越大；此外，模拟试验获得了3种不同类型的电容式稻谷水分传感器的平均检测极差分布规律，表明平行极板水分传感器检测精度受扰动空隙影响最小，同轴极板次之，平面极板受影响最大。［结论］研究结果对优化电容式谷物水分传感器设计、降低扰动空隙引起的检测误差、提高检测精度和可靠性等方面具有参考意义。

关键词  稻谷；水分传感器；电容；扰动空隙；Ansoft Maxwell

中图分类号  S22  文献标识码  A  文章编号  0517-6611（2024）21-0173-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.21.036

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effect of Disturbance Gaps on the Accuracy of Rice Capacitive Moisture Sensor

FANG Zhuang-dong，SUN Bin-yi，PENG Yuan-xuan et al

（Shanwei Academy of Agricultural Sciences， Shanwei， Guangdong 516600）

Abstract  ［Objective］To explore the effect of disturbance gaps on the detection accuracy of capacitive rice moisture sensors.［Method］A rice capacitance analysis model was developed and validated using the Ansoft Maxwell electrostatic field analysis module.Simulation experiments were conducted on parallel， coaxial， and planar capacitive rice moisture sensors based on the model. ［Result］Within the moisture content range of 11.39% to 30.30%， the apparent dielectric constant of rice grains increased with moisture content， with an average variation ranging from 5.74 to 41.13.The relative error of the rice capacitance analysis model was less than 5%， the model’s effectiveness was confirmed. Simulation experiments revealed that larger disturbance gaps lead to greater moisture detection errors.With the same disturbance gap， higher moisture content resulted in higher detection errors. Disturbance gaps located in different positions affected detection differently， with areas of dense electric field lines in capacitors exhibiting larger errors;moreover， simulation experiments identified patterns in the distribution of average detection tolerances across three types of capacitive rice moisture sensors， indicating that parallel plate sensors were least affected by disturbance gaps， followed by coaxial plates， and planar plates were most affected. ［Conclusion］The research results have reference significance for optimizing the design of capacitive grain moisture sensors， reducing detection errors due to disturbance gaps and enhancing both accuracy and reliability.

Key words  Rice;Moisture sensor;Capacitance;Disturbance gap;Ansoft Maxwell

基金项目  汕尾市省科技专项资金“大专项 +任务清单”项目（220126-225850658）。

作者简介  方壮东（1989—），男，广东揭阳人，博士，从事智能农业装备技术研究。

收稿日期  2024-05-27；修回日期  2024-07-10

水分在线检测技术可快速连续测量谷物含水率，为干燥控制系统提供水分信息反馈，是实现干燥过程动态跟踪和闭环控制的关键技术环节之一［1］。为获得谷物含水率的测量属性，科研人员围绕含水率、温度、填充空隙、激励电场频率等主要因素对谷物群粒表观介电特性的影响开展了广泛研究，发现单变量条件下，谷物群粒的表观介电常数分别随含水率、温度的增大而增大，随填充空隙的增大而减小，随激励电场频率的增大保持不变或减小［2-4］。基于谷物群粒的介电特性，在控制其他因素的条件下，向电容器填充谷物，通过测量待测谷物的表观介电常数或电容，可快速检测样品含水率。目前，用于检测谷物含水率的电容式传感器主要有平行极板、同轴极板和平面极板3种类型。平行极板电容水分传感器通过引入自动启闭蓄粮装置，实现静态测量，结果稳定性较好［5］；同轴极板式嵌入物料流道，可实时动态测量［6-7］；平面极板式结构简单、安装方便［8-9］。但由于谷物干燥工况复杂多变，存在高温、高湿、高粉尘、物料含杂等扰动因素，造成水分传感器内填充不均或出现扰动空隙，导致现有的电容水分在线检测设备存在精度低、可靠性差等问题［10］。科研人员通过加装辅助导流机构、溢流结构、联合独立应变量（介电常数和损耗因数）等方式试图消除或降低空隙波动对检测的影响，并开发了相应的在线水分检测装置［5-11］，但目前仍处在研究阶段，市面上仍缺乏可靠稳定的水分在线检测技术产品。谷物群粒可视为由干物质、水和空隙组成的混合电介质，空隙扰动引起的各组分比例、空间分布的变化均会影响群粒的表观介电特性，尚未厘清扰动空隙对电容式水分传感器的影响特性是造成当前谷物电容式水分在线检测技术存在诸多问题的根本原因。为此，该研究以稻谷为例，基于Ansoft Maxwell 静电场分析模块，通过建立稻谷群粒电容分析模型，考察扰动空隙的比例及分布对平行极板、同轴极板、平面极板3种类型的稻谷电容式水分传感器检测精度的影响，研究结果对优化谷物电容式水分传感器的结构设计、降低扰动空隙引起的检测误差、提高检测精度和可靠性等方面具有参考意义。

1  稻谷群粒电容分析模型构建

1.1  稻谷在容腔中的空隙分布

在充满稻谷的容腔中，主要有两类空隙形成。一类是受填充方式、容器约束、颗粒形态、物理性质等因素影响，如籽粒内部空隙和粒间空隙，在一定的条件下，这两部分空隙是物料填充特性的体现，总称为系统空隙，可用空隙率表示（稻谷的空隙率为50%～65%）［12］。另一类是由于杂物混入、容器倾斜、填充不足等外部扰动因素产生的空隙，在该研究中称为扰动空隙，如图1所示。谷物中掺杂的稻草、石子混入谷堆占据空间，这类杂物的介电常数较小，就考察介电特性来说，也可将其归为扰动空隙。扰动空隙是影响电容式稻谷水分传感器精度与稳定性的主要因素，其大小及分布对检测精度将造成不同程度影响。

1.2  稻谷群粒介电模型构建

设稻谷充满容器，以容器内壁面视为模型边界，则该模型主要由稻谷籽粒、系统空隙、扰动空隙构成。稻谷籽粒由干物质和水分构成；系统空隙由空气占据，与稻谷含水率和填充方式有对应关系，共同表征介电特性，可视为一种均匀电介质εg；扰动空隙的介电特性由占据该空间的物质（空气、杂物）所决定，可视为另一种均匀电介质εt；因此，稻谷群粒的介电模型可简化为由多种不同的均匀电介质组成的混合物模型，介电特性由各部分电介质共同表征，如式（1）所示。

ε=f（εg，εt）（1）

式中：ε为稻谷群粒的表观介电常数；εg为稻谷籽粒与系统空隙共同形成的表观介电常数；εt为扰动空隙的表观介电常数。

1.3  稻谷群粒介电常数测定试验

1.3.1  材料。

选用新收南方长粒稻，筛选颗粒饱满籽粒并除杂。将稻谷平摊筛盘，置于恒温恒湿箱，在热风温度60 ℃、湿度50%环境下干燥。间隔一定干燥时间从筛盘中随机取样，并放置在5 ℃的冰箱内调质，让籽粒内部水分均匀分布。试验前将稻谷样品放置于室温环境，待温度达到平衡，采用105 ℃烘箱法测定湿基含水率，获得含水率分别为11.39%、14.03%、16.33%、19.19%、23.65%、25.79%、30.30%的7个试验样品。

1.3.2  测定方法。

稻谷群粒表观介电常数由已知尺寸和材质的平行极板电容式传感器测定，如图2所示。传感器的检测容腔由厚度3.0 mm的普通玻璃制成，电容极板由厚1.0 mm的PCB板制成，内侧面覆铜并引出导线与LCR电桥测试仪连接。稻谷在相同高度以自由落体方式填充传感器，充满后由刮板刮平。电容由LCR电桥测试仪测定，型号为同惠TH2827B，精度0.01%，测试频率为1 kHz。

测定所用的电容传感器极板间的介质由稻谷群粒和玻璃材质的容器壁组成，在换算稻谷介电常数时需先计算出稻谷群粒的电容。稻谷和玻璃器壁沿电场线分布，可等效为电容的串联，忽略边缘效应，传感器总电容按公式（2）计算［13］。

1C=1Cg+2Cw（2）

式中：C为传感器总电容（pF）；Cg为稻谷群粒电容（pF）；Cw为玻璃器壁电容（pF）。

由式（2）可得稻谷群粒电容为