张梦珠，杨 艳，戈振扬

（昆明理工大学现代农业工程学院，云南 昆明 650224）

0 引 言

为了保证农业物料的质量，测量其水分含量是农业物料加工、储藏、贸易等过程中必不可少的环节。因此，在农副产品的加工过程中，将水分含量作为工艺的一个关键控制参数具有重要的意义。如为了抑制微生物的生长繁殖以延长奶粉的保存期，其含水量应处于2.5%～3.0%之间，否则会引起返砂异或返潮[1]。所以为保证农业物料的质量并获得更好的经济效益，必须严格控制其水分含量。

粉粒体是物质的一种固有形态，对农业物料而言，其成分和状态因具有较大的分散性而给粉粒农业物料水分在线测量造成困难，尤其是在干扰严重的加工现场。现有的快速失重式水分仪可以实现对烧结混合料的水分进行测量，但该水分仪因测量方式为间歇式而不利于控制指标的提高。电测法中的电导法在粉粒农业物料的水分测量中也曾用过，可这种方法受传送带上物料随机波动的影响较大，且测量信号漂移因素会导致测量准确度的降低。由于粉粒农业物料中水分分布复杂，影响因素多[2]，很难同时满足检测精度和快速实时检测的要求，故从水分测量的原理出发，探索粉粒农业物料更合理的水分测量方法和技术具有极其重要的意义，进而在一定程度上满足实际生产中的迫切需求。

1 水分的测量方法及原理

水分的测量方法可分为直接法和间接法两大类，直接法是通过干燥法和化学法而直接检测出物料中的绝对含水量，其检测原理简单，准确度高，但因时耗长而不宜在线或现场测量；间接法则是通过湿度传感器测量出电导率、介电常数等与水分有关的物理量，经转换获得物料的水分值[3]，响应快，携带方便，但需解决其因温漂大、长期稳定性差等所带来的问题。物料水分的常用测量方法、原理及其应用范围见表1[4-5]。

自1960年以来，微波技术[6]一直是国内外物料水分测量的主流，微波技术受水分分布不均的影响小，为非接触式测量。随着水分测量方法研究的不断改进与创新，湿度传感器在水分测量中得到了不断的发展。目前，湿敏元件正从简单化向集成化、智能化、多功能化方向发展，如市场上的基于聚酰亚胺的温湿压集成传感器[7]和CMOS工艺兼容的温湿度传感器[8]，因其在测量过程中简化了对样品的预处理，从而节省了测量过程中的耗材，具有重现性好、经济、快速等优点。

2 粉粒农业物料的特性

2.1 粉粒农业物料水分存在形式

粉粒农业物料是指堆积在一起的大量未经包装的粒状、粉状物料，几何尺寸基本属于同一量级的集合体。粉粒农业物料含水量的常用表示方法有干基法和湿基法2种。

在粉粒农业物料中，水分根据存在形式可以分为以下4种：（1）以完整分子形式存在于粉料外部的自由水，也称为机械水，其排出温度为120～150℃；（2）粘附于层间内以不完整分子形式存在的层间水，通常要排出这类水分需要的温度处于300～500℃之间；（3）存在于物料晶格内部的结晶水，是不完整分子，要在200～800℃范围内才能排出；（4）不以水分子形式存在的结构水，结构水与物料中其他成份牢固结合而直接参与了粉料内部结构组成。水分的计算方法采用的是经典的恒温烘干法，先在烘炉里烘干器皿并在烘炉中进行冷却；接下来称量空器皿的重量记为a，在加入约3g的粉末称重后记为b；然后在烘炉里将器皿敞口在102℃烘干3h；最后在烘炉里将器皿冷却至室温并记下其重量c。该方法的重复性可达到±1%，因此在水分检测中选用恒温烘干法做标定[9]。

水分的计算公式为

式中：a——器皿的质量；

b——器皿和粉末的质量；

c——器皿和干燥后粉末的质量。

2.2 粉粒农业物料的主要特性

（1）粒径。粒径是用来形容粒子尺寸大小的物理量，当被测颗粒的某种物理特性或物理行为与某一直径的同质球体（或组合）最相近时，就把该球体的直径（或组合）作为被测颗粒的等效粒径，最大可达6mm，一般为 0.5～3mm。

（2）休止角。休止角是指粉粒农业物料堆积层的自由表面在静平衡状态下，与水平面形成的最大角度，也叫静止摩擦角或堆积角。

（3）分散度。分散度反映粉体在空气中分散的难易程度，其测量方法是将10 g试样从一定高度落下后，测量接料盘外试样占试样总量的百分数，其与试样的分散性、漂浮性和飞溅性有关，若分散度超过50%，说明该样品具有很强的飞溅倾向。

表1 物料水分的常用测量方法、原理及其应用范围

（4）吸湿性。吸湿性反映的是粉粒农业物料从周围环境中吸取水分的能力，吸湿性不仅影响到测量结果的准确性，而且会加剧其他特性的作用，因此在设计水分检测仪器时，对粉粒物料的这一特性应予以重视。

综合来说，粉粒农业物料的特性对水分测量的影响是[10]：粉粒农业物料的吸湿性引起其水分增加、休止角增大、分散度减小、粒径减小，使得粒子接近球形，导致粘附性增强，影响到测量准确度，同时损害测量仪器。为了解决这个问题，在设计水分仪时，应选用适当的制造材料，并在检测仪器与粉粒农业物料直接接触处采取一定的保护措施，以防止物料堆积在检测仪器周围而影响测量的真实性。此外，粉粒农业物料的温度特性也是一个不可忽略的特性，当其温度低于0℃时，物料易出现返潮或冻结而影响测量准确度；若其温度超过120℃或是瞬时超过150℃时，会导致检测仪器损坏，因而在进行粉粒农业物料水分检测时要适度控制温度。

3 粉粒农业物料的水分测量

目前典型的粉粒农业物料水分测量方法有中子测定法、红外线测定法和电测法。

3.1 中子测定法

国内外中子测定法常用于水分的在线连续测量[11]，测出中子源产生的快速中子在次级反应中被氢原子慢化的慢中子数后，粉粒物料的水分值就反映出来了。因粉粒农业物料中的含氢量决定了中子源在高压电冲击作用下释放的快中子单位时间内变成慢中子的数量，而物料的含水量与其含氢量成定比关系。该方法的局限性体现在直接测量的是含氢量，而物料中的结晶水、化合水和碳氢化合物中的氢都影响着含氢量，势必导致计算复杂，耗费高。同时，中子水分仪使用的前提条件是计数率的稳定性，在纯水中或物料中的固定测点，连续几次测量的计数差应保证在5以内，超过5则认为仪器漂移，应对其进行调修[12]，而对于含水量低的粉粒物料，中子水分仪很难满足其测量精度的需求。最新研究表明，对传统的中子水分仪进行改进，即采用透射加散射测量方式对物料水分进行测量，可以有效降低被测量物料水分分布不均匀所引起的测量误差，适用于水分分布复杂的现场测量[13]，但其精度依然不能够满足粉粒农业物料的测量要求。此外，采用中子测定法的响应速度慢，中子水分计的中子源多选用100 mCi Am-Be源，不仅成本高，其核辐射还需特殊防护。

3.2 红外线测定法

相较传统的恒温烘干法、红外线测定法可以在最短的时间内达到最大的加热功率[14]，使样品在高温下得以快速干燥。粉粒农业物料中的水分测量利用了水分可吸收特定波长的红外线这一特性，先测出从料面反射的光能量，再结合光电转换和比量运算，便能准确测出水分值。目前，市场上的四束光红外水分计的探头应用了风冷和除尘保护措施，虽然在一定程度上解决了粉粒物料的粒度、颜色、表面特性对测量准确度的影响，但成本高，且物料成分和距离对准确度影响的问题仍很难解决。再者，用于烧结混合料水分测控的MMC-21水分测量控制系统，它以先进的MS-21红外水分仪为核心，具有测量准确度不受环境相对湿度的影响等优点；采用了增强型滤光镜镀膜技术，可以有效避免空气的绝对湿度对测量的干扰；针对性的采用了一些算法，大大提高测量精度[15]。但该系统采用的是加湿测量原则，其加入水分的含量高达20%以上，对粉粒农业物料而言，容易引起水分分布不均，不能精确实时地应用于其测量。

3.3 电测法

电测法的原理是利用传感器将水分含量转换为相应的电量进行测量[16]。其中接触于粉粒农业物料的2个电极即为传感元件。该法能够在1%～100%范围内进行全程测量，测量准确度可达0.25%～0.5%，响应速度快、灵敏度高、成本低，故广泛应用于粉粒农业物料水分的在线实时测量，尤其适用于谷物、纤维类物料的水分测定。

综合考虑成本、维护的方便性、测量精度以及水分分布对测量结果的影响，基于湿度传感器的测量系统能更好地实现粉粒农业物料水分的测量。

4 湿度传感器的原理及选择

作为湿度传感器核心的湿敏元件可分为高分子材料、电解质和多孔性陶瓷3类[17]。若根据输出信号则可分为电阻型和电容型2类，下面将具体比较分析这2种湿度传感器。

4.1 电容式湿度传感器

测量原理是基于粉粒农业物料的相对介电常数远远小于水的相对介电常数[18]。对粉粒农业物料而言，在常温下的相对介电常数为1.8～2.2，而水在16.3℃时，其相对介电常数高达81.5，在其他温度下也约为80。粉粒农业物料含水量的多少直接影响其相对介电常数的变化，这样就可以利用粉粒农业物料作电容器的极板间介质，当电容器的极板面积、板间距离为定值时，通过测量该电容的电容值变化即可测出粉粒物料的相对介电常数ε值，从而求出被测料的含水量[19]。电容式湿度传感器不仅测量精度高，还具有非接触式的优点。如采用复数电压法测量方法，并利用MS320LF2407A作为主控器件设计的电容式湿度传感器测试系统，能够实现多通道湿度传感器的高速、高精度自动化测量，在对30～100 pF的小电容测量时，其引用误差为0.12%，可以实现高精度快速测量[20]。基于电容式湿度传感器的谷物水分测量电路，具有测量范围广、测试速度快、计量标准、显示直观、使用方便等特点，且测量范围为4%～24%，测量水分的准确度≤±0.5%，能够满足颗粒状农业物料水分的测量要求[21]。如果改变一下测量探头，其测量范围和准确度也满足粉粒农业物料水分测量的条件。

4.2 电阻式湿度传感器

测量原理是电阻随被测物料相对湿度（RH）的变化而变化。在不同湿度范围内，电阻型湿度传感器中的导电载流子是不同的，有电子、离子、质子和偶极子[22-25]。电阻式湿度传感器的适用范围比机械式传感器广、感应时间短、结构紧凑，目前市场上较常见的如磺化聚苯乙烯薄膜式湿度传感器。就现有的电阻式湿度传感器而言，多采用与敏感层粘着方式，相互保持一定间隔，对所配置的一对薄电极间的电阻变化进行测量。一般感湿层的电阻都很高，通过增大电极相对面积或缩小电极的间隔，以降低湿度传感器的电阻值[26]。因此，势必要对湿度传感器降低的电阻值进行测量，但是当物料含水量很低时，电阻会很大，而电阻值过大时湿度传感器输出的测量电路就相当复杂，并且易受外来噪声和漏阻的影响，很难保证传感器测量的高准确度输出。如DGJ-1型电阻式谷物水分测试仪，该装置精确度高、稳定性好，但需要严格的控制环境条件，否则很难满足水分示值的准确性和稳定性[27]，而粉粒农业物料的环境波动大，很难满足其测量准确度的要求。

4.3 湿度传感器的选择

比较电容式湿度传感器和电阻式湿度传感器的测量原理，同时考虑测量的准确度要求，选择电容式湿度传感器来测量粉粒农业物料的含水量。根据被测物料不同，电容的电极结构也有所不同，主要有平板形、同心圆柱形等电极结构[28]。考虑到粉料休止角对测量的影响，选用圆锥形电极结构，且圆锥形电极结构可以比较有效地抑制人体感应。但是由于粉粒农业物料的含水量引起的电容量的变化很小，通常其含水量变化10%时电容值才变化几pF。为了解决这一问题，需借助放大电路和转换电路将其转换成电压信号输出。

然而物料的相对介电常数受温度的影响会发生明显变化，故为消除温度漂移，同时为保证测量的稳定性、实时性和精确性，实现误差最小化，需要进行温度补偿。具体方法如Huang J等[29-30]所报道，可以简单概括为：初设粉粒物料温度范围为T0-T1，再确定这2点温度下的C-M关系曲线，并得到相应的水分值 M0、M1，此时的含水量就表示为 M=M1+（M1-M0）（T-T1）/（T1-T0），水分测量微机系统中还应包含有相应的校准公式处理软件[31]。

5 基于电容式湿度传感器的自动化水分测量系统

关于水分含量的自动化测量系统的报道也有很多，典型代表如2009年研制的一套用于检测湿度传感器性能的自动测试系统[32-33]。该文通过比较粉粒农业物料水分测量的几种主要方法，参阅各种湿度测量电路的设计[34]，提出了基于电容式湿度传感器的自动化水分测量系统。系统由激励源、电容式湿度传感器、振荡电路、采样-保持电路、检波器、单片机以及相关组件构成。其中激励源为7805集成电路，因其内部有热过载、过流和短路保护，便于电路使用安全可靠；振荡电路中的二极管稳幅电路简单而经济，在连续测量过程中维持了振荡的条件；检波器1和检波器2将检测到的水分信号分别连接至长尾式差动放大电路的2个输入端，在抑制零漂的同时降低了共模信号的放大倍数，从而提高共模抑制比；单片机带有A/D转换芯片和LED液晶显示器，其A/D转换芯片对差动放大电路输出的信号进行模/数转换后，发送到LED液晶显示器显示出粉粒农业物料水份值，系统原理图如图1所示。

图1 水分测量系统原理图

6 结束语

基于电容式湿度传感器的自动化水分测量系统不仅提高了准确度、效率，且简化了数据的处理过程。目前，电容湿度传感器用于粉粒农业物料水分测量的研究成果不乏其数，但依然存在一些明显的不足，如测量值易受物料温度、流动密度的影响，电容信号不能被准确放大、测量准确度不高等。亟待解决的问题就是如何提高电容传感器测试的准确性、重复性和自动化程度。探讨基于电容湿度传感器，借助于单片机控制平台和支持可视化编程的集成开发环境的自动测量系统，将成为水分测量技术的主流，高效融合各种测量方法和检测系统的结构化技术将成为研究的焦点。

[1] Baechler R，Morgan J，Gumy P.Milk powder[P].United States：US 2007/0286937 A1，2006-6-6.

[2] 贺乃宝，高倩.智能水分测试系统[J].电器时代，2005（3）：118-119.

[3] 张志诚.煤介电特性及水分测量理论与方法研究[D].北京：华北电力大学，2008.

[4] 路纹纹.棉花水分测试仪的设计研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2008.

[5] 李业德.基于介质损耗因数的粮食水分测量方法[J].农业工程学报，2006，22（2）：14-17.

[6]Moschler W W，Hanson G R，Gee T F，et al.Microwave moisture measurementsystem for lumber drying[J].Forest Products Journal，2007（57）：69-74.

[7] 曾欢欢，赵湛，王奇.聚酰亚胺电容式湿度传感器的研制及进展[J].中国机械工程，2009（1）：196-199.

[8] 韦波，杨子健，王劲松，等.基于CMOS制造工艺的电容式湿度传感器[J].仪表技术与传感器，2009（10）：18-21.

[9] Cataldo A，Tarricone L，et al.TDR moisture measurements in granular materials:from the siliceous sand test case to the applications for agro-food industrial monitoring[J].Computer Standard and Interfaces，2010，32（3）：86-95.

[10]程克勤.粉粒状物料性能与其气力输送特性[J].硫磷设计与粉体工程，2004（6）：13-25.

[11]林长林，肖宪东，潘忠明.DF-5740型快中子水分仪在酒钢的应用[J]. 矿冶工程，2009，29（2）：99-101.

[12] 王永义.中子测水技术的应用[J].地下水，2007，29（2）：45-46.

[13]龚亚林，赵中华，吴志强，等.中子水分仪测量方式的改进研究[J].同位素，2010，23（1）：22-27.

[14]Huang X D，Zhang Y，et al.Design and implement of infrared moisture instrumentdata sample system[J].Infrared Technology，2008，30（6）：335-338.

[15]王宏伟.烧结混合料水分测控系统在本钢的应用[J].本钢技术，2009（5）：32-34.

[16]Tutov E A.MOS structures with amorphous tungsten trioxide for capacitive humidity sensors[J].Semiconductors，2008，42（13）：1561-1563.

[17]Wang J，Wang X H，Wang X D.Study on dielectric properties of humidity sensing nanometer materials[J].Sensors and Actuators B：Chemical，2005，108（1-2）：445-449.

[18]水在不同温度下的密度、粘度、介电常数和离子积常数KW 值[EB/OL].[2008-01-19]http：//www.cheml.com/Artic-le/ShowArticle.asp?A-rticleID=552.

[19]Ocera A，Dionigi M，Fratticcioli E.Sorrentino RA novel t echnique for complex permittivity measurement based on a planar four port device[P].France：EuMC Conference Procdeeing，2005.

[20]俞斌，贾雅琼.电容式湿度传感器的测试方法及其DSP的实现[J].仪表技术与传感器，2008（4）：77-79.

[21]程宝平，黄继昌.湿度传感器在谷物水分测量电路中的应用[J].太原科技，2009（2）：84-85.

[22]Faia P M，Furtado C S，Ferreira A J.AC impedance spectroscopy：a new equivalent circuit for titania thick film humidity sensors[J].Sensorand Actuators B：Chemical，2005，107（1）：353-359.

[23]Zhang T，Yuan H，et al.Analysis of dc and ac properties of humidity sensor based on polypyrrole materials[J].Sensors and Actuators B：Chemical，2008，131（2）：687-691.

[24]Baker C A，Doyle D D，et al.Improved experimental limit on the electric dipole moment of the neutron[J].Phys Rev Lett，2006，97（13）：1801-1805.

[25]Wang J，Song G.Mechanism analysis of BaTiO3and polymer QAR composite humidity sensor[J].Thin Solid Films，2007，515（24）：8776-8779.

[26]Lv X，Li Y，Li P，et al.A resistive-type humidity sensor based on crosslinked polyelectrolyte prepared by UV irradiation [J].Sensors and ActuatorsB： Chemical，2009，135（2）：581-586.

[27]张建伟，于高文，任忠民.DGJ-1型电阻式谷物水分测试仪检定装置的研制[J].工业计量，2008（A01）：56-57.

[28]苏凤.电容湿度传感器性能研究[D].成都：西南交通大学，2008.

[29]Huang J，Zhang Y Z，Lin H.Study of the preparation technology and mechanics of the compound temperature humidity sensor [J]. Rare Metal Materials and Engineering，2006，35（3）：375-376.

[30]Cao J，Zhang J W.Lumber moisture content（MC）online measuring system based on dynamic compensation method[C]∥Pr-oceedings of 3rd International Symposium on Instrumentation Science and Technology：Xi’an，China，2004（8）：1017-1022.

[31]Bai X B，Zhang J W，Zhao Z F.Design of an intelligent and automatic lumber moisture content measuring system[J].China Wood Industry，2006，20（3）：35-37.

[32]Hautefeuille M.Miniaturised multx-MEMS sensor development[J].Microelectronics Reliability，2008，48（6）：906-910.

[33]Feng Y L，Wang S J.Development of an auto test system for humidity sensors[J].Sensors and Actuators A：Physical，2009，152（1）：104-109.

[34]邵思飞，周美丽，何二朝.一种湿度测量电路的设计[J].现代电子技术，2008，31（20）：4-6.