1 引言
许多固态物在生产、储运、销售过程中都需要对其含水率进行检测。含水率检测的精确与否直接影响企业的生产成本、管理效率与效益。本文从工程实际出发，介绍一种有效的固态物含水率测量方法，系统简单、成本低、灵敏度高。
固态物含水率的测量方法中最简便、实用的方法是电测法，电测法又分为电导式和电容式两种。其主要原理是利用含水率变化会引起物体的电导率或介电常数的变化，对物体的电导率或介电常数进行测量，利用一定的变换关系，就可以得到物体的含水率[1]。本文提出利用mcs-51单片机来实现电容式固态物含水率测 量系统。
2 测量原理
以电容器为敏感元件，当被测物置于两极板中时，载有被测固态物的电容器的相对介电常数可以表示为:
装有被测物的电容式传感器的电容量是相对介电常数 ε′的函数，ε″为损耗因子。被测物的含水率直接影响电容器的相对介电常数ε′，因此，电容量是两极板之间物质的介电常数ε′的函数。当被测物的含水率增 加时，ε′变大，引起电容值变大。所以，测量电容的值，通过一定的变换关系，就可以得出相应被测物的含水率[1][2]。
3 硬件电路
系统整体硬件结构如图1所示，采用ad9850作为信号发生电路。芯片ad9850采用了dds(direct digital synthesis)技术，内部集成了高速、高性能的d/a转换器和比较器，实现了完全数字化的可编程频率发生器。ad9850的频率输出范围宽，输出波 形的频率分辨率为0.0291hz，输出波形的温度稳定性为150ppm/℃，完全满足电容检测电路对激励波形幅值和频率稳定性的要求。而且可以利用软件 很方便的改变输出信号的幅值和频率，对于软件算法的实施提供了良好的条件。
图1 系统整体硬件结构图
电容检测电路采用电容—电压变换电路，其原理如图2所示，其中cx为被测电容，r7为已知电阻，a为高输入阻抗的运放。此电路为典型的微分电路，利用输出 电压的变化来测量电容cx的变化[3]。
图 2 电容检测电路原理图
由式(3)可以得出输出电压的平均值与被测电容cx成正比关系。因此，可以利用此关系将电容检测电路输出信号的平均值经a/d转换器转变为数字信号后由单片机完成电容值的计算，进而求解出被测物的含水率。通常被测电容cx的容值很小，约在30pf～250pf范围。因此，分布电容会对测量精度造成很大影响，而且这些分布电容很难完全消除。因此我们将这些分布电容和电容测量电路看作整体，确保这些分布电容的稳定性，在此基础上，利用软件来消除其对测量过程与结果的影响。保证分布电容的稳定性，采用如下措施:
(1) 将电容测量电路置于封闭的空气介质环境中，避免环境湿度的变化对分布电容的影响;
(2) 由温度传感器获得环境温度并送到单片机中，利用软件对这些分布电容进行温度补偿，以减小温度对分布电容的影响;
(3) 在电路板布线中，充分考虑走线规则，以减小分布电容，同时布线中也采取了各种屏蔽措施。
采用模块化设计思想设计硬件电路，以总线形式将转换后的数字信号传输给专用的便携式二次表或者上位pc机。如用户需要便携式仪表，可配备具有液晶显示的二 次表;如用户没有便携需求，则可以选用专用的pc机软件。
4 软件设计
由式(3)可知，通过电容测量电路输出电压的平均值 即可计算出电容值，从而得到固态物含水率。为了消除系统误差，这里采用两种不同频率而幅值相同的正弦波作为激励信号，由式(3)得:
由以上推导过程可以看出，这种计算方法可以有效消除或降低测量电路中的直流偏量对测量结果的影响以及有关缓变干扰对 测量电路的影响，从而有效地提高了测量系统的稳定性。
系统通过软件控制ad9850产生两种已知频率和幅度的正弦波，作为电容测量电路的激励信号，平均值电路分时输出的和经a/d分时采到单片机，同时计算机 将温度传感器输出的频率信号转换成相应的温度量，来补偿由于温度的变化而给测量结果带来的误差，精确计算出被测电容cx的容值，进而解算出被测物的含水 率。软件具体的流程见图3。
图 3 软件流程图
5 结束语
本文介绍的这种测量固态物含水率方法，实现的结构简单、成本低、适用范围较宽。初步的实验研究结果表明:对微弱电容的测量精度优于1%。具有较好的实用价 值。
参考文献
[1]樊尚春,邓敏.固态物含水 率测量技术[j]. plc&fa,2002,(5):46-48.
[2] stuart o.nelson,chari v.k.kandala and kurt c.lawtence.moisture determination in a single grain kernels and nuts by rf impedance measurements.ieee transaction on instrumentation and measurement,vol. 41,no.6，dec.1992.1027-1030.
[3] 沙占友等. 模拟与数字万用表检测及应用技术[m]. 北京:电子工业出版社,2000.