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粮食水分检测方案及综合分析 摘要：粮食在收购、存储、运输和加工的过程中，水分的检测和控制非常重要，现对目前的粮食水分检测方案进行总结和综合分析，在重点讲述电容式和微波吸收式水分无损检测方法的原理、框图、传感器特性以及实现方案的同时，系统地阐述了国内外现有的各种粮食水分的测量的常用方法、原理及其测量特性。最后，本文给出粮食水分检测方案的综合分析，同时展望了粮食水分检测未来可能的发展趋势。粮食水分检测系统必定是逐渐朝着系统化、通用化、数字化方向发展的。 检索工具：书籍、网络 关键词：粮食水分；水分检测；总结分析 1 引言 粮食的水分含量是评价粮食品质的重要指标，是粮食检测的基本项目。正常的粮食都含有适量的水分，并且水分含量通常保持在一定范围之内，这是粮食维持生命及保持其固有良种品质和食用品质所必需的。由于受到收获早晚、成熟度及气候条件的影响，粮食的水分含量是变化的数值。粮食水分的检测方法概括起来可分为无损检测和有损检测两大类。无损检测是指在不破坏待测物原来的状态和化学性质等前提下，通过粮食本身的物理、光学及化学特性来测其含水量[1]；有损检测则是指在测量的过程中待测物粉碎或发生了化学变化，致使其不能保持原有的形状、结构或组分。在这两类中，无损检测的方法更经济、快捷，发展也最为迅速，是当今世界水分检测的主流。现就粮食水分检测浅谈其常用的测量方案并进行综合分析。 2 粮食水分无损检测的主要方法 2.1 直接干燥法 2.1.1 基本原理 直接干燥法是指将待测样品置于烘箱中，根据 ASAE 标准，在 130 ℃的温度下保持 19 h，测量前后的质量差，即为其水分含量。 2.1.2 方案分析 直接干燥法虽然测量原理简单且技术成熟，但测量周期较长，人为干扰因素多，并且不能进行在线测量. 2.2 电容法 2.2.1基本原理 电容法是根据水分的介电常数远远大于粮食中其它成分的介电常数，水分含量的变化势必引起电容量变化的原理，通过测量与样品中水分变化相对应的电容变化即可知粮食的水分含量[2].代表仪器为 SCY-1A，其测量精度≤0.3%，测量时间为 5s，测水范围为 10%~20%，主要影响因素为温度、品种和紧实度。该法可进行在线测量。 2.2.2电容式水分仪传感器的测量原理 电容式水分仪采用圆柱形容器作为传感器,与采用平板式容器作为传感器相比,测量值受边缘效应影响小,操作也较为方便。其结构原理如图1所示[3-4]。 柱型电容器由两个同心金属圆柱面作为电极组成,两电极高为L,内电极半径为r,外电极半径为R。当LR-r时,可忽略圆柱的边缘效应,设电容器两极板各带电荷+q和-q时,电荷均匀分布在内外两圆柱面上,圆柱每单位长度所带电荷的绝对值为K(K=qL),由于两圆柱面间的电场具有轴对称性,故两圆柱间离开圆柱轴线距离为s处的电场强度的大小为: 两极板间的电势差为： 由电容器电容的定义可求得柱型电容器的电容为: 当放入介电常数为的物质时相对介电常数为r为: 放入介质后的电容为： 把 （5），电容的计算公式即为 对于水分含量为M的粮食,其对应的相对介电常数为r,当粮食水分含量发生变化为M+?M时,其相对介电常数亦相应变化为r+?εr,由此而引起的电容变化为: 所以,电容值相对变化与粮食相对介电常数的相对变化之间呈线性关系。可以通过测量电容值的变化求得粮食介电常数的变化。 2.2.3 电容值的检测方法 目前微小电容值的检测方法有运算放大电路法、电桥电路法、谐振电路法以及脉冲宽度调制法等,本文采用了直流充/放电检测方法来对微小电容进行检测。该方法不仅有抗杂散电容的能力,而且电路简单,检测电路如图2所示。但是它有一些缺点:（1）模拟电路的后续部分需要对直流信号进行放大,会产生零点漂移:（2）充/放电检测电路中,采用了CMOS电子开关,会产生注入电流,从而影响测量精度;（3）在开关切换的瞬间,相邻两个开关要经历由开到关、由关到开的过渡过程,然后再达到稳定的充电或放电状态,影响不可忽略,有效的方法是让两个开关做到先关后开。 在这个电路中,开关S1和S4关闭, S2, S3断开的半个周期是充电周期,电荷为: Q1=Vc?Cx （8） Q1经放大器1冲电到电容上,这个循环过程以频率f重复着,这样得到一个校小的流入放大器的平均电流: I1=f?Q1=f?Vc?Cx (9) 放大器1上得到一个平均输出电压: V1=-I1?Rf=-f?Vc?Cx?Rf (10) 开关S1和S4断开,S