第42卷第8期東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)42(8)67-732011年8月Journal of Northeast Agricultural UniversityAugust 2011生物質(zhì)傳感器的電路設(shè)計(jì)與田間測(cè)試?yán)詈Ｖ?于勁松(上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院,上海20003)摘要:研究開發(fā)一種電容式生物質(zhì)近距離傳感器,該傳感器具有檢測(cè)生物質(zhì)(如玉米秸稈)存在與否的功能。在收割條件下,檢測(cè)和量化玉米秸稈是這一技術(shù)的一個(gè)應(yīng)用示例。在這項(xiàng)研究中,開發(fā)了一個(gè)非侵入型、電容式單面生物質(zhì)逼近傳感器,并對(duì)該生物傳感器是否適合生物質(zhì)數(shù)量的量化進(jìn)行了評(píng)價(jià)。利用有限元方法對(duì)一些電容式傳感器模型進(jìn)行了模擬,然后做出了這些傳感器并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果顯示,振蕩器的設(shè)計(jì)R1和R2的最佳操作參數(shù)分別為43kΩ和169kΩ,此時(shí)該文氏振蕩器的基本輸出頻率是245kHz。鎖相環(huán)電路中兩個(gè)外部電容(C1和Cn)和三個(gè)外部電阻(Rn,Rn和R)的最佳操作參數(shù)為10nF、1200pF、100kΩ、50k和200k。同時(shí),田間測(cè)試的結(jié)果顯示,該傳感器可以有效地鑒定玉米桔稈的存在。關(guān)鍵詞:生物質(zhì);電容式;玉米數(shù)量;精準(zhǔn)農(nóng)業(yè);傳感器中圖分類號(hào):S68511文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):100593692011)08006707Circuit design and field test of biomass sensor/I Haizhou, YU Jinsong(Instituteof Food Safety, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)Abstract: The primary objective of this study was to develop a capacitance-based biomass proximitysensor with the performance characteristics necessary to detect the presence of biomass (e., com stalks).The detection and quantification of com stalks under harvest conditions was chosen as an exampleapplication of this technology. In this study, a non-intrusive, capacitive, single-sided biomass proximity sensorwas developed, and the suitability of this sensor to biomass population quantification was evaluated. Anumber of capacitive sensor pattens were simulated using the finite element method, and then the pattemswere fabricated and tested in the laboratory. the results showed that the optimal operating parameters of R,and R2 in oscillator design are 43 kQ and 169 kQ, then the basic output frequency of the oscillator is 245 kHz.The best operating parameters of two extemal capacitors(Cn and Cn)and three extemal resistors( Rt, R2 andRI) in PLl circuit are 10 nF, 1 200 pF, 100 kQ, 50 kQ and 200 kQ. Meanwhile, the field test results showedthat the sensor can effectively identify the presence of com stalksKey words: biomass; capacitive; com population; precision agriculture; sensors使用生物質(zhì)傳感器確定的數(shù)量數(shù)據(jù)可以得到更一塊田地中精確到點(diǎn)的生物質(zhì)產(chǎn)量的區(qū)別。對(duì)這好的精確到點(diǎn)的作物密度圖。改良的作物密度圖有方面的了解可以使生產(chǎn)者作出適當(dāng)?shù)母倪M(jìn),從而提幾個(gè)方面的益處。首先,改進(jìn)的地圖能夠使生產(chǎn)者高生產(chǎn)效率。第二,種子公司可以從這些數(shù)量傳感做出更好的田間管理決策。生產(chǎn)者可以利用這些資器受益,定量的得到作物植株的存活率。種子的萌料,獲得一個(gè)地質(zhì)參考作物產(chǎn)量圖,該圖中能展示發(fā)率、秸稈存活率和單株產(chǎn)量數(shù)據(jù)的獲得,有助于收稿日期:2011-0410myh中國(guó)煤化工基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(3100080);上海高校優(yōu)秀青年教師專項(xiàng)基金(19080CNMH GYZ222作者簡(jiǎn)介:李海洲(1976-),講師,博士,研究方向?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)。 E-mail: haizhou@gmail con東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第42卷對(duì)農(nóng)民和種子公司之間的糾紛進(jìn)行仲裁。第三,傳度。非侵入式的方法可以減少動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間,并收感器確定的作物數(shù)量信息可以在與作物相關(guān)的其他集更多的信息,用于從背景噪音辨識(shí)出所需的生物領(lǐng)域的幫助研究人員。例如,這些數(shù)據(jù)可能有助量信息。于植物育種專家評(píng)估大型生產(chǎn)田地的新品種。最此外,非侵人式傳感器通常需要較少的維護(hù)后,估計(jì)得到的生物數(shù)量可用于進(jìn)行生物質(zhì)收集和不易受到機(jī)械污垢的影響,并有較長(zhǎng)的壽命?；谧龀鎏幚頉Q定。前人研究的成功經(jīng)驗(yàn),以及電容式近距離傳感器在玉米秸稈數(shù)量的傳感器的開發(fā),主要有侵入式其他領(lǐng)域的普遍應(yīng)用,選擇了電容式設(shè)計(jì)作為本研(機(jī)械)和非侵入式(電磁式)設(shè)計(jì)兩種。然而,那些究的重點(diǎn)。在產(chǎn)量變化范圍比較大的條件下,機(jī)械設(shè)計(jì)容易低1方法與設(shè)計(jì)估植株數(shù)量。1995-1997這種機(jī)械傳感器得到了11檢測(cè)模型設(shè)計(jì)改進(jìn),并進(jìn)行了田間測(cè)試?？梢钥闯鲈谟?jì)算的精確本研究中,玉米秸稈是生物質(zhì)近距離傳感器的度方面,該傳感器得到了改進(jìn),但該傳感器對(duì)玉米測(cè)試測(cè)試對(duì)象。周圍空氣和玉米秸稈之間的水分含數(shù)量產(chǎn)生了低估,在所有的操作條件下進(jìn)行的測(cè)試量的差異是辨識(shí)秸稈一個(gè)重要參數(shù)。電容式傳感器中,平均低估水平在44%。前人的研究認(rèn)為,電設(shè)計(jì)的目的根據(jù)水分含量變化引起的介電常數(shù)的變?nèi)菰O(shè)計(jì)的靈敏度低、感應(yīng)距離不足的缺點(diǎn),限制了化而產(chǎn)生一個(gè)電容變化的響應(yīng)。文氏振蕩器可以低水分含量的玉米秸稈的檢測(cè)準(zhǔn)確性H。比較了將頻率變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙葑兓；陬l率電壓轉(zhuǎn)換的非侵入式和侵入式檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)后,非侵鎖相環(huán)(PL)技術(shù),用來產(chǎn)生電壓信號(hào),并由數(shù)據(jù)入式的生物辨識(shí)技術(shù)是比較有效的,因?yàn)榍秩胧皆O(shè)采集系統(tǒng)(DAQ進(jìn)行記錄。電路圖設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集計(jì)中機(jī)械部件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間可能會(huì)限制運(yùn)行速系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。文氏振蕩器鎖相環(huán)PL)放大器DIN91R3 R4U726+J-T1354To Data LoggerOUTPUT數(shù)據(jù)采集CD446AD6Z7AN圖1電路圖設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig 1 Functional diagram of sensor circuitry and data acquisition system基于電容變化來檢測(cè)水分含量的非侵入式傳感復(fù)雜性和提高成本,所以在研究中選擇了單面設(shè)技術(shù)是一種比較流行的技術(shù),它具有成本低、所需計(jì)。為了簡(jiǎn)化檢測(cè)模型的結(jié)構(gòu),研究過程中設(shè)計(jì)了維護(hù)少的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)殡p面設(shè)計(jì)(在該應(yīng)用中)需要使一個(gè)固態(tài)電極刑為了坦流設(shè)計(jì)的靈敏度,對(duì)中國(guó)煤化要長(zhǎng)的電線相連,這將會(huì)降低其性能、增加安裝的數(shù)可能會(huì)影三NMHC電極寬度,電第8期李海州等:生物質(zhì)傳感器的電路設(shè)計(jì)與田間測(cè)試極間距,電極厚度和電極長(zhǎng)度(見圖2)。在傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì),文氏振蕩器電路中的檢測(cè)元件是電容C1和C2(見圖4)。目標(biāo)電容是C3,C4,內(nèi)綠外緣C3和C6,它們受C的影響。把秸稈接地可以減少C的值并防止電荷在秸稈上集聚。后面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,沒有接地的秸稈之后,信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)降低。頂視圖電極幸運(yùn)的是,在收割條件下秸稈是天然接地的。圖4顯示了檢測(cè)單元、玉米秸稈和大地之間的的相互作用關(guān)系。檢測(cè)單元(C3,C4,C5和C)中的各個(gè)電極電極電之間以及玉米秸稈之間也會(huì)產(chǎn)生電容。寬度間」接地電極寬度C4二厚度圖2固態(tài)電極設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)元件15VLT1354Fig. 2 Critical parameter for solid electrode pattern-5v12電路設(shè)計(jì)元件2C5檢測(cè)單元能夠?qū)⒑啃畔⑥D(zhuǎn)換電容的信息。RclC3(秸為了檢測(cè)和處理該電容變化需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。在這項(xiàng)研究中,使用了一個(gè)振蕩器和頻率電壓轉(zhuǎn)換元件1器將電容的變化轉(zhuǎn)化成了電壓的變化。電路和數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)的功能圖如圖1所示。圖4包含檢測(cè)元件和玉米秸稈的文氏振蕩器電路文氏振蕩器用來將檢測(cè)元件的電容變化轉(zhuǎn)換成Fig 4 Circuit schematic of a wien-Bridge oscillator頻率的變化。文氏振蕩器(見圖3)是一種較常用的including the detection elements and corn stal低頻振蕩器,它使用了一個(gè)簡(jiǎn)單的電路輸出了一個(gè)正弦波。該文氏橋振蕩器的性能可以用數(shù)學(xué)增益分玉米秸稈是一種介電常數(shù)高于周圍空氣的絕緣析進(jìn)行描述,它提供了穩(wěn)定的振蕩頻率:在圖3材料,其介電常數(shù)的大小取決于秸稈水分含量。當(dāng)中,C=C=C2,R=R=R20秸稈接近檢測(cè)單元時(shí),電容C1、C2、C3、C4、C3和C6的值會(huì)增加。電容的變化會(huì)影響到振蕩器電路并產(chǎn)生相應(yīng)的頻率變化。電容的變化率(C有C無精桿)R6負(fù)反饋比相應(yīng)的電容值更重要,因?yàn)樗碚髁藗鞲衅鞯撵`敏度網(wǎng)。試驗(yàn)中使用了一個(gè)商用的鎖相環(huán)集成電路來做AT1354為頻率電壓轉(zhuǎn)換器。PLL是一個(gè)輸出信號(hào)的同步電路,同時(shí)對(duì)于頻率和相位來說它是個(gè)參考信號(hào)。在鎖相環(huán)鎖定之后,振蕩器的輸出信號(hào)和參考信號(hào)sⅤR2之間的相位差將是零或保持不變。這意味著鎖相環(huán)可以跟蹤輸入頻率的變化,并且鎖相環(huán)輸出電壓與R1+c1正反饋輸入頻率是成比例變化的,它也就是振蕩器的輸出。試驗(yàn)中,使用了一個(gè)通用運(yùn)算放大器(運(yùn)放)來放大鎖相環(huán)世陽拉匹配進(jìn)行電壓偏移調(diào)圖3文氏振蕩器電路原理整、提供與中國(guó)煤化工輸入范圍匹配,CNMHGFig 3 Circuit schematic of a Wien-Bridge oscillator以提高數(shù)字東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第42卷13田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)田間測(cè)試實(shí)驗(yàn)中使用了一個(gè)Cae-IH2344收割機(jī)以及一個(gè)附屬的Ce-IH1063型6行玉米割臺(tái)。傳感器安裝在了最右邊的收割行。在傳感器的數(shù)據(jù)輸出端連接了一個(gè)12位的數(shù)據(jù)采集單元自0.5本:天然橡膠(DAQ)(美國(guó)國(guó)家儀器,USB6008),該采集單元量控位量1由位于收割機(jī)駕駛室的便攜式計(jì)算機(jī)控制。一個(gè)多電極間距芯屏蔽線用于給傳感器系統(tǒng)供電,并將傳感器的數(shù)5mm“●→10mm20 mm據(jù)輸出口與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接在一起。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與便攜式計(jì)算機(jī)之間用一個(gè)3m長(zhǎng)的USB線來接地電極寬度(mm)Ground electrode wide連接。數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率設(shè)定在10KS·8-,電圖6不同接地電極寬度和電極間距條件下固態(tài)電極的壓輸入范圍為±5V。試驗(yàn)中用 LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬電容變化記錄和輸出波形(電壓的大小與時(shí)間)。每個(gè)測(cè)試樣本(見圖5)是一個(gè)長(zhǎng)約91m(30英Fig. 6 Modeled capacitance change for solid electrodepattern at different ground electrode widths and inter尺)的行段。除了兩端的各15個(gè)秸稈,以及中間的electrode gaps兩個(gè)秸稈保留以外,樣本行內(nèi)的其他秸稈均要砍掉,為中間的兩個(gè)基準(zhǔn)秸稈留下空隙。在收獲前024從中間這兩個(gè)秸稈中隨機(jī)挑選一個(gè)砍掉,作為秸稈x測(cè)試數(shù)據(jù)Date一數(shù)據(jù)平均值Mean含水率的參考標(biāo)準(zhǔn)。15個(gè)秸稈2個(gè)基準(zhǔn)秸稈15個(gè)秸稈收個(gè)前砍掉器粘稈間距2cm0.10然橡膠量位量10.041020304050607080接地電極寬度(mm長(zhǎng)約91Ground electrode width圖5田間測(cè)試樣本布置圖T不同接地電極寬度條件下固態(tài)電極的實(shí)測(cè)電容變化Fig 3 Field tesFig 7 Measured capacitance char different groundelectrode widths2結(jié)果與分析0241*測(cè)試數(shù)據(jù)Date2.1檢測(cè)模型的測(cè)試結(jié)果022—數(shù)據(jù)平均值Me最初的固態(tài)接地電極的優(yōu)化是通過建模和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)完成的。結(jié)果表明對(duì)檢測(cè)單元的整體性能影日0.11響最大的兩個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù):接地電極寬度和電極間0.16距。模擬及實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6-8所示。當(dāng)寬傳感器粘桿間距2cm0.14度小于40mm時(shí),接地電極寬度對(duì)電容變化有著測(cè)試位量位置很強(qiáng)的積極影響;但當(dāng)寬度大于50mm時(shí),就會(huì)0.10產(chǎn)生負(fù)面的影響(見圖7)。在對(duì)電極間距的考察中20發(fā)現(xiàn)了類似的趨勢(shì)(見圖8)。為了平衡性能和設(shè)計(jì)尺寸,選擇了下面的檢測(cè)單元設(shè)計(jì)參數(shù):正極寬2mm,圖8不同申極間距條件下固態(tài)電極的實(shí)測(cè)電容變化電極間距20mm,接地電極寬50mm,電極長(zhǎng)度Fg8Mas中國(guó)煤化工 -ifferent inCNMHG100mm。第8期李海州等:生物質(zhì)傳感器的電路設(shè)計(jì)與田間測(cè)試71選擇了最終的設(shè)計(jì)參數(shù)之后,使用了橡膠稈R1和R2為50k』時(shí),測(cè)量和模擬結(jié)果分別為152(ε=5)來代替秸稈對(duì)檢測(cè)單元的性能進(jìn)行了模擬,和950kHz以確定其性能特點(diǎn)。在一系列的標(biāo)本-傳感器間距范圍的輸出電容的變化如圖9所示。位置1和5分1200別是正、負(fù)極邊緣,位置2到位置4均勻地分布在1000該模型的寬度方向上。這些結(jié)果表明,該固態(tài)電極Pspice模擬:=50k在正極附近(位置1)是最敏感的。C2=13p測(cè)試2.0=50kC=C= 1.3 pFR阻值k』)RResistance圖10R1對(duì)振蕩器頻率影響的模擬和測(cè)試結(jié)果Fig. 10 Modeled and measured effect of R, on the0.5oscillation frequency位置 Position1400圖9沿檢測(cè)元件寬度方向上不同傳感器秸稈間距和位置P「擬的模擬電容變化1000R2=0k=C2=13pF測(cè)試to-stalk distances and positions along the width of theR=50kn2.2電路建模和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試試驗(yàn)中首先利用 Pspice(商用電路建模套件)對(duì)010015020025030R阻值Q)文氏橋振蕩器進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì),然后在實(shí)驗(yàn)室中制作了它的原型。在模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程中,檢測(cè)單圖11R2對(duì)振蕩器頻率影響的模擬和測(cè)試結(jié)果元的電容均設(shè)定為13pF,該電容是經(jīng)過優(yōu)化得到Fg1 Modeled and measured effect of R2 on oscillation的電容值。在選擇基本操作頻率時(shí),只對(duì)電阻(Rtrequency和R2)進(jìn)行了調(diào)整。試驗(yàn)中使用一個(gè)亳安級(jí)的熱噪聲電流來啟動(dòng)振蕩器。 PSPICE模擬為制作振蕩器結(jié)果的不同可能是由于在PCB板上與傳感器的物理原型提供了概念的指導(dǎo)。試驗(yàn)中,將振蕩器低電容共同存在的寄生電容造成的。由于傳感器的以及電阻R1和R2的電位器制作在了印刷電路板電容小于15pF,所以復(fù)雜的電路板布局引入的寄上。確定其他電阻值時(shí),R1和R2的值可以通過電生電容對(duì)傳感器電容來說是不能忽略的。寄生電容位器進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整范圍是從10到250kD。振蕩具有不可測(cè)量和不穩(wěn)定的特點(diǎn)。寄生電容的產(chǎn)生會(huì)頻率使用通用計(jì)數(shù)器進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)中,通過不斷導(dǎo)致非常復(fù)雜的電容相互作用。對(duì) PSpice模型來調(diào)整電阻值來確定基本操作頻率。說,當(dāng)寄生電容不能忽略不計(jì)時(shí),它就不能準(zhǔn)確地模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10和11所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映實(shí)際電路的情況。表明,當(dāng)R1值增加時(shí),振蕩器基礎(chǔ)工作頻率會(huì)減考慮到模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果之間的巨大差距,以及少。但是,改變R2的值對(duì)基礎(chǔ)工作頻率的影響不該模型并不能中國(guó)煤化性,研究中大。對(duì)這兩個(gè)數(shù)值來說,關(guān)注的是 PSPICE模擬輸專注于用測(cè)量CNMHG因此,R1出和印刷電路板的測(cè)量輸出之間的差異。例如,當(dāng)和R2的最佳值是過頭型明疋。試驗(yàn)中研究了東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第42卷針對(duì)R1和R2的一個(gè)二維測(cè)試矩陣是,R1和R2的定的。測(cè)試結(jié)果表明,高水分含量的秸稈(水分含值設(shè)定在10,25,50,100,150,200和250k。量=85%)對(duì)振蕩器輸出頻率產(chǎn)生了9kHz變化影振蕩器和檢測(cè)單元附著在了一個(gè)靜態(tài)測(cè)試結(jié)構(gòu)上,響。設(shè)置多于兩個(gè)的安全系數(shù),以確保操作頻帶寬將傳感器-樣品間距設(shè)置為2cm,使用一個(gè)介電常度能夠包含所有可能的振蕩器的輸出頻率和基線漂數(shù)為8的橡膠桿作為測(cè)試樣本。針對(duì)R1和R2各個(gè)移情況。因此,選擇了20kHz的偏移頻率,它相組合,試驗(yàn)中測(cè)試了有樣本和無樣本的基本頻率,當(dāng)于40kHz的工作頻段寬度。偏移頻率是通過選并對(duì)振蕩器頻率的相對(duì)變化進(jìn)行了計(jì)算。擇外部電阻R12的適合值確定的。外部元件(R1對(duì)應(yīng)于R1和R2的振蕩器的輸出頻率變化如圖R2和C1)近似值,是通過鎖相環(huán)數(shù)據(jù)表中針對(duì)512所示。顏色較深的表示靈敏度高的區(qū)域。試驗(yàn)V電源電壓的電壓控制振蕩器(CO)曲線來確定中確定了三個(gè)相對(duì)敏感的區(qū)域(區(qū)域1,2,3)。1區(qū)的。其中C1的值為10nF;在電阻R1和R12的阻只代表了一個(gè)局部的最大值,而不是全局的。2區(qū)值約為100和50kΩ時(shí),獲得了需要的中心頻率和代表的振蕩器穩(wěn)定的區(qū)域是值得商榷的。實(shí)驗(yàn)測(cè)試偏移頻率。的該區(qū)域的頻率具有較大的漂移。因此,選擇3區(qū)外部元件的最終值是通過試驗(yàn)確定的,試驗(yàn)中作為R和R2的最佳組合。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中,對(duì)R1使用了一個(gè)可編程的電源(安捷倫E3631A)和一個(gè)和R2的值做了進(jìn)一步修正,以確定最佳的操作參通用計(jì)數(shù)器。可編程的電源作為vCO的輸入,C1數(shù)。最終,R1和R2的值分別為43和169kΩ。該的值設(shè)為10nF?？删幊痰碾娫垂?yīng)器設(shè)置為CC的文氏振蕩器的基本輸出頻率是245kHz。1/2(25V),以生產(chǎn)VCO的輸出引腳中心頻率。VCO的輸出使用通用計(jì)數(shù)器進(jìn)行測(cè)量,并通過調(diào)整R的值來獲得目標(biāo)輸出頻率。電源電壓從V=(0.9V)變化到V。(4.1V),并通過調(diào)整R1的值來獲得所需的偏移頻率(20kHz)。C1、R1和R12的最終值分別為10nF,100k和33kn時(shí)。PLL的動(dòng)態(tài)特性(鎖定時(shí)間、PLL帶寬及、穩(wěn)定性)決定于它的低通濾波器(C1和R1)。低通濾e波元件的初始值是用飛利浦公司的PLL設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)作了幾個(gè)假設(shè):秸稈出現(xiàn)的頻率是18Hz,每個(gè)秸稈的通過時(shí)間是55ms,假設(shè)5010015020025玉米秸稈直徑為1cm(非常小的秸稈直徑),聯(lián)合收R阻值k』)R割機(jī)的收割速度為6.5kmh(非常高收割速度),Resistance圖12R1和R2的傳感器靈敏度一橡膠桿(e=8)、傳感器-樣和平均秸稈間距10cm(典型間距為15cm)。秸稈本間距=2cm出現(xiàn)的頻率18Hz,每個(gè)秸稈的通過時(shí)間55ms是Fig. 12 Sensor sensitivity with R, and Rrrubber rod (e玉米收獲時(shí)一個(gè)合理的極限值。實(shí)際上,傳感器的8)and 2 cm sensor-specimen distance反應(yīng)時(shí)間大大低于55ms。對(duì)該設(shè)計(jì)來說,鎖定時(shí)間設(shè)定為2,阻尼系數(shù)()約為07(04<<1)。低通本設(shè)計(jì)中使用的鎖相環(huán)是一個(gè)74HCT4046通濾波器最終的元件值,是在連接了振蕩器和PL電用鎖相環(huán)集成電路。通過對(duì)兩個(gè)外部電容(C1和路后,在信噪比分析的基礎(chǔ)上通過實(shí)驗(yàn)確定的。峰Ca)和三個(gè)外部電阻(Rn,R和R)進(jìn)行篩選,最與峰之間的噪聲值約為80mV,信號(hào)值通常高于lV。終確定了該鎖相環(huán)電路的操作參數(shù)。首先確定了電因此,在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中最終的信噪比是大于10的。路的中心頻率和偏移頻率。選擇的中心頻率要與振低通濾波器中Cn和R1最終參數(shù)值為1200pF和蕩器的基本輸出頻率(245kHz)相匹配,中心頻率200kD。的值是通過對(duì)外部電阻R1進(jìn)行選擇確定的。偏移23田間測(cè)中國(guó)煤化工頻率是由預(yù)期秸稈水分含量對(duì)振蕩器輸出的影響決田間試HCNMHG性的收割工況第8期李海州等:生物質(zhì)傳感器的電路設(shè)計(jì)與田間測(cè)試73的數(shù)據(jù)。在預(yù)試驗(yàn)中,秸稈水分含量(MC)和傳感準(zhǔn)確地反映實(shí)際電路的情況。振蕩器的設(shè)計(jì)中對(duì)R1器-秸稈間距被確定為影響傳感器性能的關(guān)鍵因素。和R2進(jìn)行了優(yōu)化研究,確定R1和R2的最佳操作收獲之前要對(duì)每個(gè)樣本中每個(gè)秸稈的位置進(jìn)行記參數(shù)分別為43和169k9,此時(shí)該文氏振蕩器的基錄。每個(gè)秸稈位置被精確記錄到01英尺(-3cm)。本輸出頻率是245kHzo并排的秸稈或雙秸稈之間的空隙也被記錄了下來。此外,試驗(yàn)中還對(duì)鎖相環(huán)的電路操作參數(shù)進(jìn)行莖的直徑大于26cm和小于15cm的使用卡鉗進(jìn)了篩選。最終鎖相環(huán)電路中兩個(gè)外部電容(Cn和行了測(cè)量和記錄。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。Cn)和三個(gè)外部電阻(R1,Rn和R1)的最佳操作參數(shù)為10nF、1200pF、100k9、50k和200k』。同時(shí),田間測(cè)試的結(jié)果顯示,該傳感器可以有效地鑒定玉米秸稈的存在?；鶞?zhǔn)稍稈1.51.0[1 KimS Dale B E Global potential bioethanol production from wastedcrops and crop residues []. Biomass and Bioenergy, 2004, 26(4):361-3756465666768697071122] Wang M. Greet 1.5: Transportation fuel-cycle model[EB/OL]時(shí)間()TimeArgonneI:ArgonneNationalLaboratoryHttp://www.ipdanl圖13田間預(yù)試驗(yàn)傳感器的典型輸出信號(hào)ov/anlpubs/ 1999/10/34035 pdf. 2000Fig. 13 Typical sensor output signal from the field test [3] Birrell S J, Sudduth K A. Com population sensor for precisionfarming N ASAE Paper No. 951334. St Joseph, Mich ASAE. 1995.收獲前記錄了每個(gè)秸稈的位置,因此圖5中的[4] Nichols S w. Method and apparatus for counting crope) US Patent每個(gè)秸稈可以與圖13中的每個(gè)峰相對(duì)應(yīng)?？梢娫揘o.6073427.2000.傳感器可以有效地鑒定秸稈的存在。這為下一步使[5 Webbne.Rel- time system for determining com plant population用該生物質(zhì)傳感器繪制精確到點(diǎn)的作物密度圖打下in situ at harvest time[D]. Knoxville Tenn: University of Tennessee,了良好的基礎(chǔ)3結(jié)論[6] Moody H. Unpublished com population sensor development labo-ratory report[D]. Knoxville, Tenn: University of Tennessee, 2002這項(xiàng)研究的具體目標(biāo)是開發(fā)、制作和測(cè)試檢測(cè)[7] Gottlieb I. Practical oscillator handbook[M] Oxford U K:Newn玉米秸稈的電容式近距離傳感器。在這項(xiàng)研究中所Press, 1991.取得的成果的基礎(chǔ)上,可得出以下結(jié)論:[8] Williams J. Analog Circuit design: Art, science, an固態(tài)電極的檢測(cè)單元設(shè)計(jì)參數(shù):正極寬2mm,[M] Woburn Mass: Newnes Prese, 1991電極間距20mm,接地電極寬50mm,電極長(zhǎng)度(9 I Mamishev V A K Dundara F,RinY.Yang,etal. Interdigital100mm;固態(tài)電極在正極附近是最敏感的。sensors and transducer]. Proc IEEE, 2004, 92(5): 808-845通過對(duì)電路建模和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試發(fā)現(xiàn):對(duì) PSpice [10] Baxter L K Capacitive sensors: Design and application[M].Pisca模型來說,當(dāng)伴生電容不能忽略不計(jì)時(shí),它就不能tawny NJ: IEEE Press, 1996中國(guó)煤化工CNMHG