谷物水分测试仪传感器的平面探头设计

　　针对谷物水分传感器平行极板探头安装难度大、高水分测量精度低等问题，将平行极板探头结构改进成为平面极板探头结构，并且通过增加保护极板减小干扰和杂散电容的影响，提出影响传感器敏感性、精度的平面极板探头的几个参数，采用有限元分析方法较分析了探头的电场分布和电容。根据能量的分布得到谷物测量深度、平面极板探头电容值同其驱动极宽与两感应极板间距（极距）之比的关系，当二者之比等于0.9时即为平面极板探头的优化尺寸。试验结果表明，该传感器测量含水率的误差在±1.5%范围内，测量含水率范围可达到6%-36%，测量温度范围-10-80℃。优化的平面极板探头提高了测量精度，降低了安装难度。

　　安全储藏是关系到国计民生的重大战略问题，它直接影响到粮食质量和粮食的市场生命力。谷物收获时一般含水率较高，容易造成谷物发热、发酵、变质和发芽率下降。为了确保谷物安全贮存，必须将收获后的谷物及时干燥，将谷物水分降至安全贮藏标准。

　　作为谷物水分传感器重要部分的探头技术发展相对较慢。目前电容式谷物传感器的探头主要有2种型式：圆筒型和平行极板型。圆筒型探头是同心圆柱型的，它需要垂直接入或嵌入干燥机谷物流道中，占用较大的高度空间，迫使干燥机加高，增加设备的体积和投资，现有干燥机加装时往往高度不够。此外，它内部的间断启闭采样装置也有堵塞或出现机械故障的危险。国内曾经研制过一种连续流动无启闭采样的装置，但要求通过圆筒的谷物流量小要达到6t/h，这在很多干燥机上是无法实现的。平行极板探头由2块平行极板构成，若应用在谷物干燥装置上在线测量谷物水分，则要求谷物从极板间流过，安装将十分困难。为了提高传感器的灵敏度，不得不加大传感器的初始电容值。这通常靠加大极板相对面积来实现，因此用于对传感器体积有特殊要求的场合则受到了限制。如果靠减小传感器极板间距来保证灵敏度，则传感器的量程又受到直接限制。

　　针对谷物水分传感器平行极板探头安装难度大、高水分测量精度低等问题，对在线式谷物水分传感器的探头进行了改进，研究设计了电容式谷物水分传感器平面探头，提出了平面极板探头结构的二维模型和设计参数，并采用有限元法分析了平面极板探头的电场强度和电场能量的分布规律，在此基础上给出了平行极板探头设计尺寸的优选方案。
由于电容式传感器的初始电容量很小，而且寄生电容较大，使得传感器工作很不稳定，影响测量精度，必须设法消除寄生电容对传感器的影响。以提高水分测量精度，降低安装难度为目的，根据电容传感器的特点，从传感器探头出发，对探头的结构和周边电场进行了深入研究，优化了传感器探头。当平面极板探头的驱动极宽与两感应电极的间距比d/q=0.9时即为探头的*尺寸。与传统的传感器探头相比，减少了杂散电容及其他干扰的影响。以小麦、玉米、水稻作为谷物样本，经过多次重复试验，测量了小麦、水稻、玉米在不同温度的含水率，试验研究表明该传感器测量含水率的误差在±1.5%范围内，测量含水率范围可达到6%-36%，测量温度范围-10-80℃。