陳 進，王月紅，練 毅，汪樹青，劉新怡

（江蘇大學機械工程學院，鎮(zhèn)江 212013）

0 引 言

糧食水分是影響糧食質量的重要因素，也是糧食儲存、收購、加工、運輸環(huán)節(jié)中必須檢測的重要指標[1-3]。隨著聯(lián)合收獲機智能化地不斷發(fā)展，智能收獲、測產(chǎn)已經(jīng)成為可能，在收獲過程中需對谷物含水率進行實時在線監(jiān)測。只有將收獲到的谷物重量折算到固定含水率的谷物重量時，所檢測產(chǎn)量信息才更加精確，才能更加全面的分析出損失率產(chǎn)生的原因[4-6]。國外的聯(lián)合收獲機如紐荷蘭CX6000以及CX5000等機型均已安裝谷物含水率實時監(jiān)測系統(tǒng)[7]；國內(nèi)的聯(lián)合收獲機尚未實現(xiàn)含水率的實時檢監(jiān)測。然而，從國外引進測量系統(tǒng)成本較高，不利于普及。為此，對聯(lián)合收獲機谷物含水率的在線監(jiān)測的研究具有重要意義。

現(xiàn)階段，谷物含水率的檢測方式主要有烘干法、電阻法、電容法、微波法、中子法等[8-10]。每種檢測方法各有利弊，綜合分析檢測精度、靈敏度、成本以及實現(xiàn)難度，電容式谷物傳感器的研制及使用較為普遍。電容式傳感器具有可靠性高、適應性強、動態(tài)響應好、易維護等優(yōu)點[11-14]。裘揆等[15]利用開關電容網(wǎng)絡設計了一種電容式谷物含水率檢測，通過電機帶動裝置的轉動，實現(xiàn)谷物干燥過程中的檢測。陳光宇等[16]利用LC振蕩電路的原理，實現(xiàn)輸出頻率隨電容變化而變化，設計了一種高頻電容式含水率檢測，用于離線抽樣檢測。此電路較為復雜，且對工作環(huán)境要求較高，在聯(lián)合收獲機上的環(huán)境噪聲較多，振動較大，此檢測方法不能在聯(lián)合收獲機進行檢測。方建卿[4]以CAV424芯片為核心所設計的聯(lián)合收割機含水率監(jiān)測裝置，每隔28 s完成1次谷物更新，更新速度較慢，谷物含水率的測量范圍為10%～25%。另外，CAV424的振蕩頻率較低，在低頻時，谷物的介電損耗較大，從而影響了測量的準確性，降低了測量范圍。

為實現(xiàn)谷物含水率在聯(lián)合收獲機上進行快速實時監(jiān)測，提高測量精度、增大測量范圍，本文根據(jù)電容式谷物含水率檢測原理設計高頻電容式谷物含水率在線監(jiān)測裝置。以10 MHz的高頻信號作為系統(tǒng)的激勵信號，對電容極板進行充放電，通過信號處理電路實現(xiàn)含水率的測量，并利用COMSOL軟件進行有限元分析對傳感器的結構進行優(yōu)化設計，減小邊緣效應，提高系統(tǒng)的靈敏度及可靠性。

1 監(jiān)測原理及整體方案設計

1.1 電容傳感器監(jiān)測原理

電容式含水率傳感器的工作原理是將被測谷物放置在2個電容極板之間，由于水的相對介電常數(shù)為80左右，而干燥谷物的相對介電常數(shù)為2.5左右，當谷物的含水率不同時，其相對介電常數(shù)εr會發(fā)生改變，導致電容值發(fā)生變化，從而測出谷物的含水率[17-19]。因為水稻和小麥的形狀、體積等基本屬性類似，本文所設計的谷物含水率監(jiān)測裝置對二者均可適用。

在檢測過程中 2極板之間的谷物可視為由干燥谷物（固相）、水（液相）以及空氣（氣相）3部分組成的等效模型[4]。設 2極板之間干燥谷物的等效寬度為 W1、水的等效寬度為 W2、空氣的等效寬度為 W3[20]，則 2極板之間總的相對面積為：

式中H為平行板之間谷物有效長度，m；1A、2A、3A分別表示極板所對應3種物質的等效相對面積，m2；A表示極板相對面積，m2。

設3種物質的相對介電常數(shù)分別為1ε、2ε、3ε，所對應的等效電容分別為1C、2C、3C，則總的電容值C為：

根據(jù)平行板電容器的基本計算公式以及式（2）可得：

式中ε0為真空中的介電常數(shù)，ε0= 8 .85× 1 0-12F/m；D為00極板間距，m。

設干燥谷物的密度為ρ1，質量為m1；水的密度為ρ2，質量為 m2；空氣質量可忽略不計。根據(jù)被測谷物含水率的定義可得谷物的含水率M為：

由于水的密度21ρ=，根據(jù)式（3）、（4）可得：

式中可看作為極板間谷物的孔隙比，用e表示。由于電容傳感器設計完成后 A、D為定值，令，則式（5）可表示為：

式中0K為極板結構常數(shù)。

由式（6）可知，谷物含水率M與輸出電容C呈單值函數(shù)的關系。因此通過檢測出電容值的變化即可檢測出谷物含水率的變化。

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)總體方案設計

本文所設計的谷物含水率監(jiān)測裝置以 STM32F103ZET6微控制器為核心，將電容值檢測電路輸出的電壓信號經(jīng)過微控制器內(nèi)部A/D轉換后，通過相關的數(shù)據(jù)處理，得到谷物含水率在顯示模塊ILI9341上進行實時顯示，并將數(shù)據(jù)存儲在SD卡中，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析，整體設計方案如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)整體方案框圖Fig.1 Overall scheme block diagram of monitoring system

激勵信號首先通過交流信號放大電路將其的幅值放大，放大后的激勵信號對電容極板進行充放電，當極板間谷物含水率不同時電容值不同，電容充放電時間也就不同，從而使輸出端信號的幅值不同。通過信號處理電路將傳感器的有用信號取出。再利用均方根轉換電路將信號處理后的交流信號為直流電壓信號，通過電壓信號反映出含水率的不同。最終根據(jù)檢測電壓變化與谷物含水率變化之間的關系，即可實現(xiàn)谷物含水率的測量。

2 傳感器結構設計

2.1 采樣裝置

本文所設計的谷物含水率監(jiān)測傳感器主要用于聯(lián)合收獲機上對谷物含水率進行實時在線監(jiān)測，與谷物破碎率、含雜率檢測系統(tǒng)共用 1個采樣裝置，以實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化、簡便化，采樣裝置如圖 2所示[21]。谷物采樣裝置安裝在升運器的出糧口，使谷物連續(xù)地進入采樣盒，保證了采集樣本的隨機性。采樣盒外側面下方固定有 1個推拉式電磁鐵，電磁鐵推拉桿與采樣盒的底板相連，如圖2b所示。為 t2，每次通電時長為 t3，通電時處于棄樣狀態(tài)。采樣盒裝滿谷物需要時間為t1，需滿足 t2- t3＞ t1。電磁鐵周期性通斷電，控制底板周期性往復運動，保證采樣盒周期性采樣棄樣。當聯(lián)合收獲機不進行谷物的收獲或者不需要對含水率進行監(jiān)測時，底板始終處于閉合狀態(tài)。

圖2 谷物采樣盒結構及裝置安裝示意圖（mm）Fig.2 Schematic and installation diagram of grain collection device (mm)

采樣盒的長、寬、高分別為140、40和90 mm，受采樣裝置的空間結構限制，所設計的電容傳感器采用平板式結構。

2.2 極板材料選擇

極板材料的優(yōu)劣對電容傳感器性能、重量等都有重要影響，極板材料應具有良好的導電性、優(yōu)良的化學穩(wěn)定性以及抗腐蝕性。平板式電容器極板一般有銅箔、鋁箔、銀箔等，這3種材料導電性能由高到低分別是銀箔、銅箔、鋁箔。用鋁箔作為極板材料時其純度需達到99.5%以上，對其表面光潔度、平整對的要求也較高，較難實現(xiàn)。雖然銅箔的導電性低于銀箔，但是其具有較好的延展性、易于焊接且價格相對較低。綜合考慮，采用銅箔作為本系統(tǒng)的極板材料。

2.3 基于COMCOL的平行板電容器結構優(yōu)化

平行板電容器在檢測過程中，電容器邊緣存在發(fā)散的電場現(xiàn)象，即在靠近邊緣的地方電場線呈彎曲狀，稱為邊緣效應[22]。邊緣效應的存在不僅會使會使電容器的靈敏度降低，而且使輸出結果產(chǎn)生非線性。極板厚度、極板間距、相對面積是影響邊緣效應的重要因素[22-25]。利用傳統(tǒng)經(jīng)典的電磁場理論很難精確具體地分析電容器所存在的邊緣場效應，給傳感器的結構設計與優(yōu)化增加了一定的難度，本文借助有限元分析軟件 COMSOL Multiphysics（簡稱COMSOL）對電容極板以及其作業(yè)環(huán)境進行模擬，得出邊緣場效應與極板之間的關系，對傳感器的結構進行優(yōu)化[26]，減小邊緣效應的產(chǎn)生。

2.3.1 建模與網(wǎng)絡劃分

利用COMSOL對電容極板以及工作環(huán)境構建三維實體模型。在仿真過程中極板的厚度小于等于1 mm，自由分割四分體網(wǎng)格的方法在微小區(qū)域更易自動生成較小的網(wǎng)絡，并且最大程度上保持了網(wǎng)格表面與三維模型表面的一致性，使求解精度更加接近于實際情況[27]。因此，本文采用自由分割四分體網(wǎng)格的方法對實體模型進行網(wǎng)格的劃分，創(chuàng)建一系列有限元節(jié)點，得到的計算區(qū)域與網(wǎng)格如圖3所示。在仿真過程中，谷物被模擬成均勻分布的實體，其介電常數(shù)根據(jù)仿真時實際情況設定為1～50[26]，上下極板材料為銅箔。選用電流場（electric current）作為物理場，上極板加交流激勵，下極板接地。通過求解器中的電容計算，測得極板兩端的電容值。

圖3 電容極板網(wǎng)格劃分Fig.3 Grid division of capoacitor plate

2.3.2 邊緣效應仿真分析

引起邊緣效應的因素主要有極板厚度、極板間距、相對面積，采用控制變量法分別改變極板相對面積A、極板間距D以及極板厚度h，得到仿真電容值C。根據(jù)平行板電容器理論公式，計算出電容的理論值 C0，仿真電容值C與理論值C0的比值之間的關系C/C0即可反映出邊緣效應的程度。由于稻粒的長度為6～10 mm[28-29]，為了防止稻?？ㄔ?極板之間，極板間距應大于等于10 mm，因此在控制變量中極板間距D取值為10 mm。隨著極板厚度的增加，其邊緣散射電場線寬度越寬（及邊緣效應的影響較大）[23]，綜合考慮邊緣效應以及極板的強度，選用厚度h為0.1 mm的銅箔作為極板進行仿真試驗。由于采樣盒與含雜、破碎率檢測系統(tǒng)共用，在確保含雜、破碎率檢測系統(tǒng)能夠正常檢測情況下，選取相對面積為3 000 mm2的極板進行仿真。

極板相對面積A、極板間距D以及極板厚度h和C/C0之間的關系如圖4所示。

圖4 極板結構參數(shù)與邊緣效應之間的關系Fig.4 Relationship between plate structure parameters and edge effect

由圖 4可知：當極板間距、極板厚度一定時，邊緣效應與極板的相對面積呈負相關；當極板相對面積、極板厚度一定時，邊緣效應隨著極板間距的增大而增大；當極板相對面積、極板間距一定時，邊緣效應與極板的厚度呈正相關。

2.3.3 電容極板參數(shù)優(yōu)化

由于影響電容邊緣效應的因素較多，為了得到主次因素及合理水平，選取極板厚度h、極板間距D、相對面積A為試驗因素，以仿真電容值與理論電容值的比值C/C0（下稱電容比值）以及靈敏度S為試驗指標，選用L9（34）正交表進行正交試驗仿真。試驗因素水平如表 1所示。正交試驗方案如表2所示。

表1 試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of experiments

表2 正交試驗方案Table 2 Orthogonal test scheme

對每個試驗進行仿真時，選用水稻籽粒作為研究對象，其介電常數(shù)通過參數(shù)化掃描使其值在 1～50進行變化[26]，每個試驗得到50個仿真電容值Cx，其次計算不同的電容的理論值C0x。由于電容的邊緣場效應與谷物的介電常數(shù)無關，因此每個試驗的 Cx/C0x（x=1，2，3，…，50）相同，記錄下每組試驗的Cx/C0x，即正交試驗的試驗指標之一。利用每組試驗隨介電常數(shù)變化所得到的50個電容值Cx繪制出水稻籽粒介電常數(shù)-電容值曲線圖，如圖5所示。

根據(jù)靈敏度計算公式k =Δy Δx 可知，曲線斜率可表示為靈敏度。對圖5中的每條曲線做一元線性回歸分析，得到不同參數(shù)的回歸方程，根據(jù)回歸方程的參數(shù)可以用來衡量每個試驗所對應的靈敏度。

正交試驗的試驗結果如表3所示。為了評價3個因素電容傳感器的影響，尋找主要因素以及最佳結構方案，對正交試驗的結果進行了方差分析，如表4。

圖5 電容與水稻籽粒介電常數(shù)的關系Fig.5 Relationship between capacitance and rice grain dielectric constant

表3 試驗結果Table 3 Test results

表4 電容比值-靈敏度方差分析Table 4 Analysis of variance for capacitance ratio and sensitivity

從表 4可知，在對電容比值方差分析中，h的F>F0.1(2,2)=9，表明極板厚度對電容比值的影響較為顯著；D和A的F

表5中，針對電容比值進行極差分析時，A1和A2的平均響應相同，所以有2組較優(yōu)的方案h1D3A2或h1D3A1。但是針對靈敏度進行極差分析時，A2的平均響應大于A1，其靈敏度相對較高。因此，最終選定最佳組合為h1D3A2，即極板厚度為0.15 mm，極板間距為20 mm，極板間相對面積為 3 000 mm2。極板實物如圖 6a所示，安裝位置如圖6b所示。

表5 電容比值-靈敏度正交試驗結果Table 5 Results of orthogonal experiments of capacitance ratio and sensitivity

圖6 極板結構及安裝示意圖Fig.6 Plate structure and installation diagram

3 谷物含水率監(jiān)測裝置軟、硬件設計

3.1 硬件設計

3.1.1 電容極板充放電電路設計

為了更加準確地檢測出谷物含水率、簡化電路結構、降低成本，根據(jù)電容式谷物含水率檢測的原理，即隨著電容值的不同，激勵信號對電容極板進行充放電后輸出信號的電壓值也就不同，對電容極板充放電電路進行設計。分別利用1、10和 100 Hz、1、10和 100 kHz、1、10和 100 MHz等不同頻率的信號源對電容器進行充放電，電容值的變化范圍為5～95 pF，通過Multisim對電路進行仿真試驗。電容傳感器在電路中的等效模型如圖7a所示，由電容C32和電阻R31并聯(lián)構成，C29為隔直電容，R33與 C32構成一階 RC電路，從而使激勵信號對電容進行周期性充放電。根據(jù)電路的分壓原理對圖7a進行分析可得：

由于C32<

通過Multisim對電路進行仿真，得到電容-電壓曲線關系如圖 7b所示，其中橫軸為電容 C32，縱軸為輸出電壓 U0。

圖7 Multisim仿真電路和不同晶振對電容充放電輸出曲線Fig.7 Multisim simulation circuit and output curve of charge and discharge of capacitor with different crystal oscillator

從圖7b中可以看出，當激勵信號小于1 MHz時，輸出電壓保持不變；當激勵信號為大于1 MHz時，隨著電容值的增加，激勵信號對電容充放電后的輸出電壓減小。當激勵信號頻率為20、50和100 MHz時，電容值在0～20 pF時其輸出隨著輸入的變化較為明顯，但是隨著電容值的增大輸出電壓的變化率減??；當激勵信號為小于等于8 MHz時，電容值在0～20 pF時其輸出隨輸入的變化趨勢相較10 MHz來說不明顯。由于電容傳感器電容值的變化范圍在25～40 pF，因此本文中采用10 MHz的信號作為系統(tǒng)的高頻激勵信號。

3.1.2 均方根轉換電路設計

激勵信號對電容極板充放電后其輸出波形為非正弦波，隨著谷物含水率的不同，充放電后波形的幅值相應的發(fā)生變化。為了得到含水率與電壓變化之間的關系，采用均方根轉換電路將電容充放電后的非正弦波轉換為直流電壓信號輸出。

本文選擇型號為 AD8361的均方根響應檢測芯片進行信號的轉換。AD8361采用單電源供電，工作電流為1.1 mA，功耗小。芯片采用雙平方電路比較轉換技術和激光修正技術，測量線性度較高，可將頻率為2.5 GHz、幅值為 700 mV以下任意波形的信號轉換為直流電壓信號輸出，內(nèi)部含有一個放大倍數(shù)為7.5倍的放大電路，提高輸出信號的幅值。AD8361的電路連接圖如圖8所示。

圖8 均方根轉換電路Fig.8 RMS conversion circuit

圖8 中C31、C33、C35為去耦電容，其作用是降低電源噪聲，防止供電電源產(chǎn)生抖動，影響電路的穩(wěn)定性。電阻R32和電容C34構成一階高通濾波器對AD8361的輸入信號進行濾波處理，提高信號的可靠性，高通濾波器的截止頻率為8 MHz。

3.2 系統(tǒng)軟件設計

為了實現(xiàn)谷物含水率的實時測量與存儲，將電容傳感器對的電壓信號經(jīng)過 A/D轉換口 PB0送入STM32F103ZET6微處理器，利用STM32芯片內(nèi)部自帶的ADC模塊將電壓信號轉換為數(shù)字信號，并根據(jù)傳感器檢測到的電壓信號與實際谷物含水率之間的關系模型，計算出當前的谷物含水率。

在 ILI9341觸摸彩屏上設計了“實時顯示”、“數(shù)據(jù)查詢”觸摸按鍵，可以根據(jù)需求進行數(shù)據(jù)的讀取。實現(xiàn)“實時顯示”功能時，利用STM32的定時/計數(shù)功能，設定時間間隔，每過1 s將數(shù)據(jù)處理后的谷物含水率送入ILI9341觸摸彩屏進行實時顯示，并將數(shù)據(jù)存儲在SD卡中。實現(xiàn)“數(shù)據(jù)查詢”功能時，通過讀取先前存儲在SD卡中的數(shù)據(jù)并在ILI9341觸摸彩上顯示出來。程序流程和觸摸屏界面如圖9所示。

圖9 軟件設計流程圖及人機交互界面Fig.9 Software design flow chart and human-computer interaction interface

4 試驗及結果分析

4.1 激勵信號驗證試驗

通過Multisim對電路進行仿真試驗可知，當激勵信號頻率大于1 MHz時，其對電容進行充放電輸出電壓隨電容值的變化較為明顯，本文將利用函數(shù)信號發(fā)生器的作為信號源，對輸出信號進行分析。

由于函數(shù)信號發(fā)生器所產(chǎn)生的信號頻率最高為20 MHz，因此，試驗中分別采用1、10、20 MHz頻率信號對標準電容器進行充放電，并針對不同頻率的信號對信號處理電路的相關參數(shù)進行改變，測得輸出電壓信號。試驗結果如圖10所示。

圖10 不同晶振信號激勵對電容充放電試驗結果Fig.10 Test results of charge and discharge of capacitor with different crystal oscillator

由圖10可以看出，10和20 MHz的激勵信號對電容進行充放電時輸出電壓的變化率較大。當激勵信號為10 MHz時，輸出曲線的分辨率相對較高，能夠更加準確地檢測出谷物含水率。因此，本文采用頻率為 10 MHz的高頻信號作為系統(tǒng)的激勵信號源。

通過MATLAB軟件對10 MHz頻率的曲線進行擬合，擬合的函數(shù)關系式為：

式中x表示電容值，pF；y表示輸出電壓幅度，V；其中決定系數(shù)R2=0.9969。

4.2 傳感器標定與測量范圍分析

4.2.1 傳感器的標定

為了得到含水率測量電路輸出電壓與含水率之間的關系，采用 105 ℃標準烘干法測得水稻籽粒含水率對傳感器進行標定[30]。分別將浸泡0、1、2、3、4、5 h的水稻籽粒放入烘箱中進行烘干處理，根據(jù)烘干前后的質量差得到其含水率，烘干前通過傳感器測得每組試樣的電壓值，每組試樣所測得的數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 標定數(shù)據(jù)Table 6 Calibration datas

根據(jù)表 6對測定的數(shù)據(jù)進行非線性擬合得電壓與含水率的關系為：

式中M為谷物含水率，%；U為電壓值，V；其中決定系數(shù)R2=0.990 7。根據(jù)式（10）對軟件程序中電壓與含水率之間的轉換關系進行編寫，以使谷物含水率實時顯示。

4.2.2 傳感器測量范圍分析

為了傳感器的測量范圍，通過浸泡不同時長的谷物獲得不同的含水率；利用所設計的傳感器對不同含水率的谷物進行電壓檢測，檢測值為橫軸；同時采用105℃烘干法測量每組谷物的實際含水率，將測量值作為縱軸；根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制的谷物含水率與輸出電壓曲線圖如圖11所示。

圖11 谷物含水率與輸出電壓圖Fig.11 Diagram of relationship between grain moisture content and output voltage

如圖11所示，當谷物含水率大于10%小于30%時，傳感器的輸出電壓隨谷物含水率的變化與所擬合的曲線基本一致。當谷物含水率大于30%小于10%時，隨著含水率的變化，傳感器的輸出電壓不發(fā)生改變。因此本文所設計的含水率監(jiān)測系統(tǒng)的含水率檢測范圍為 10%～30%。檢測范圍相較于文獻[4]的10%～25%提升了5%。

4.3 室內(nèi)靜態(tài)試驗與結果分析

測量精度是驗證傳感器性能的重要特征參數(shù)之一，通過所設計的含水率檢測裝置和 105 ℃烘干法對不同含水率的谷物進行室內(nèi)靜態(tài)試驗。檢測的環(huán)境溫濕度為：溫度25.0 ℃，濕度33%RH。以105 ℃烘干法測得的含水率為 12.33%、15.74%、18.61%、21.50%和 25.47%的 5組水稻籽粒作為試驗對象，利用含水率檢測裝置進行實際監(jiān)測，并與 105 ℃烘干法測得的值進行比較。每組試驗重復10次，取平均值，結果如表7所示。

表7 水稻籽粒含水率監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 7 Test datas of grain moisture content

從表7可知，監(jiān)測系統(tǒng)的平均相對誤差在1%以內(nèi)，監(jiān)測結果較為穩(wěn)定；但當谷物含水率較低時，監(jiān)測系統(tǒng)最大相對誤差較??；當含水率較高時，最大相對誤差相對較大；然而，當含水率大于 20%時，谷物含水率監(jiān)測裝置檢測到的最大相對誤差基本保持不變。本測量儀的最大相對誤差為 1.57%，可監(jiān)測的含水率最小變化在0.01%。相較于文獻4相對測量誤差降低了21.5%。

由于浸泡后的谷物表面為“濕潤”狀態(tài)，在監(jiān)測過程中其表面的水分會“附著”在容器或者電容極板上從而引起誤差；其次，在使用所研制的傳感器進行測量與烘干法檢驗過程中存在時間差，導致部分水分的流失引起誤差。

4.4 田間在線監(jiān)測試驗

為了驗證本文提出的谷物含水率監(jiān)測裝置的可行性與可靠性，2017年8月28日在黑龍江省嫩江市多寶山鎮(zhèn)建邊農(nóng)場進行了小麥收獲試驗（如圖 12所示），小麥品種為克春11號，其自然屬性如下：高度62 cm，千粒質量41.58g，草谷比0.95%，每公頃產(chǎn)量5001 kg。聯(lián)合收獲機為雷沃重工股份有限公司研制的試驗樣機 GV5，其割幅寬度為 4.25 m，留茬高度為 18 cm，清選損失率為0.057%，含雜率為1.59%，破碎率為0.076%。將研制的谷物含水率傳感器安裝在圖 2所設計的采樣盒上，并將采樣盒安裝在聯(lián)合收獲機的糧箱上部（圖2c）。試驗時，使底板處于閉合狀態(tài)，每隔10 m進行1次含水率的在線監(jiān)測；聯(lián)合收獲機的前進速度為1 m/s，每完成10 m作業(yè)后停機，并人工將采樣盒中的小麥籽粒收集在密封容器中，便于后續(xù)采用 105 ℃烘干法檢測谷物含水率，與監(jiān)測值進行對比；試驗重復8次，結果如表8所示。

圖12 田間作業(yè)圖Fig.12 Field word diagram

表8 田間試驗結果Table 8 Results of field experiments

田間試驗結果表明，所設計的含水率監(jiān)測裝置也可適用于小麥籽粒。

通過表 8所示的試驗結果可以看出，測量結果的最大相對誤差為 2.07%，符合項目預設（≤5%）要求。與臺架試驗結果相比，田間試驗的相對誤差較大，其原因是田間試驗時環(huán)境因素惡劣、振動較大?？赏ㄟ^設計減震裝置，減小采樣盒的振動；通過提高監(jiān)測裝置的密封性與隔熱性減小環(huán)境對電子元器件的影響。

5 結 論

1）本文利用COMSOL有限元分析方法，針對電容極板的厚度、極板間距、相對面積進行了三因素三水平的正交試驗優(yōu)化仿真，結果表明三因素對靈敏度的影響不顯著對邊緣效應的影響較為顯著，其中，影響邊緣效應的主次因素為極板的厚度>極板間距>相對面積。最終選取極板厚度為0.15 mm，極板間距為20 mm，極板間相對面積為3 000 mm2。

2）本文根據(jù)電容檢測的基本原理，通過Multisim電路仿真，利用不同頻率的激勵信號對電容進行充放電，得到電容與輸出電壓之間的關系。仿真結果表明，輸出電壓隨著電容值的增加而減少；特別地，當激勵信號頻率為10 MHz時，輸出電壓隨電容值得變化較為明顯，易于更加精確的檢測出其相對變化。因此，本文中采用10 MHz的信號作為系統(tǒng)的高頻激勵信號。

3）研制的谷物含水率監(jiān)測裝置進行了室內(nèi)靜態(tài)監(jiān)測試驗以及田間在線監(jiān)測試驗，室內(nèi)靜態(tài)試驗的最大相對誤差為 1.57%，田間在線監(jiān)測試驗的最大相對誤差為2.07%。

本文所設計的谷物含水率在線監(jiān)測裝置為聯(lián)合收獲機的智能測產(chǎn)提供了可靠的計算參數(shù)，進一步提高了測產(chǎn)精度。與此同時，在一定程度上有效指導收獲過程，減小谷物損失率。

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