生物质传感器的电路设计与田间测试

第42卷第8期东北农业大学学报42(8)67-732011年8月Journal of Northeast Agricultural UniversityAugust 2011生物质传感器的电路设计与田间测试李海洲,于劲松(上海理工大学医疗器械与食品学院,上海20003)摘要:研究开发一种电容式生物质近距离传感器,该传感器具有检测生物质(如玉米秸秆)存在与否的功能。在收割条件下,检测和量化玉米秸秆是这一技术的一个应用示例。在这项研究中,开发了一个非侵入型、电容式单面生物质逼近传感器,并对该生物传感器是否适合生物质数量的量化进行了评价。利用有限元方法对一些电容式传感器模型进行了模拟,然后做出了这些传感器并在实验室进行了测试。结果显示,振荡器的设计R1和R2的最佳操作参数分别为43kΩ和169kΩ,此时该文氏振荡器的基本输出频率是245kHz。锁相环电路中两个外部电容(C1和Cn)和三个外部电阻(Rn,Rn和R)的最佳操作参数为10nF、1200pF、100kΩ、50k和200k。同时,田间测试的结果显示,该传感器可以有效地鉴定玉米桔秆的存在。关键词:生物质;电容式;玉米数量;精准农业;传感器中图分类号:S68511文献标志码:A文章编号: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使用生物质传感器确定的数量数据可以得到更一块田地中精确到点的生物质产量的区别。对这好的精确到点的作物密度图。改良的作物密度图有方面的了解可以使生产者作出适当的改进,从而提几个方面的益处。首先,改进的地图能够使生产者高生产效率。第二,种子公司可以从这些数量传感做出更好的田间管理决策。生产者可以利用这些资器受益,定量的得到作物植株的存活率。种子的萌料,获得一个地质参考作物产量图,该图中能展示发率、秸秆存活率和单株产量数据的获得,有助于收稿日期:2011-0410myh中国煤化工基金项目:国家自然科学基金(3100080);上海高校优秀青年教师专项基金(19080CNMH GYZ222作者简介:李海洲(1976-),讲师,博士,研究方向为传感器技术。 E-mail: haizhou@gmail con东北农业大学学报第42卷对农民和种子公司之间的纠纷进行仲裁。第三,传度。非侵入式的方法可以减少动态响应时间,并收感器确定的作物数量信息可以在与作物相关的其他集更多的信息,用于从背景噪音辨识出所需的生物领域的帮助研究人员。例如,这些数据可能有助量信息。于植物育种专家评估大型生产田地的新品种。最此外,非侵人式传感器通常需要较少的维护后,估计得到的生物数量可用于进行生物质收集和不易受到机械污垢的影响,并有较长的寿命。基于做出处理决定。前人研究的成功经验,以及电容式近距离传感器在玉米秸秆数量的传感器的开发,主要有侵入式其他领域的普遍应用,选择了电容式设计作为本研(机械)和非侵入式(电磁式)设计两种。然而,那些究的重点。在产量变化范围比较大的条件下,机械设计容易低1方法与设计估植株数量。1995-1997这种机械传感器得到了11检测模型设计改进,并进行了田间测试。可以看出在计算的精确本研究中,玉米秸秆是生物质近距离传感器的度方面,该传感器得到了改进,但该传感器对玉米测试测试对象。周围空气和玉米秸秆之间的水分含数量产生了低估,在所有的操作条件下进行的测试量的差异是辨识秸秆一个重要参数。电容式传感器中,平均低估水平在44%。前人的研究认为,电设计的目的根据水分含量变化引起的介电常数的变容设计的灵敏度低、感应距离不足的缺点,限制了化而产生一个电容变化的响应。文氏振荡器可以低水分含量的玉米秸秆的检测准确性H。比较了将频率变化转变为电容变化。基于频率电压转换的非侵入式和侵入式检测方法的优点和缺点后,非侵锁相环(PL)技术,用来产生电压信号,并由数据入式的生物辨识技术是比较有效的,因为侵入式设采集系统(DAQ进行记录。电路图设计和数据采集计中机械部件的动态响应时间可能会限制运行速系统设计如图1所示。文氏振荡器锁相环PL)放大器DIN91R3 R4U726+J-T1354To Data LoggerOUTPUT数据采集CD446AD6Z7AN图1电路图设计和数据采集系统设计Fig 1 Functional diagram of sensor circuitry and data acquisition system基于电容变化来检测水分含量的非侵入式传感复杂性和提高成本,所以在研究中选择了单面设技术是一种比较流行的技术,它具有成本低、所需计。为了简化检测模型的结构,研究过程中设计了维护少的优点。因为双面设计(在该应用中)需要使一个固态电极刑为了坦流设计的灵敏度,对中国煤化要长的电线相连,这将会降低其性能、增加安装的数可能会影三NMHC电极宽度,电第8期李海州等:生物质传感器的电路设计与田间测试极间距,电极厚度和电极长度(见图2)。在传感器系统设计,文氏振荡器电路中的检测元件是电容C1和C2(见图4)。目标电容是C3,C4,内绿外缘C3和C6,它们受C的影响。把秸秆接地可以减少C的值并防止电荷在秸秆上集聚。后面的实验结果显示,没有接地的秸秆之后,信号的强度会降低。顶视图电极幸运的是,在收割条件下秸秆是天然接地的。图4显示了检测单元、玉米秸秆和大地之间的的相互作用关系。检测单元(C3,C4,C5和C)中的各个电极电极电之间以及玉米秸秆之间也会产生电容。寬度间」接地电极宽度C4二厚度图2固态电极设计关键参数元件15VLT1354Fig. 2 Critical parameter for solid electrode pattern-5v12电路设计元件2C5检测单元能够将含水量信息转换电容的信息。RclC3(秸为了检测和处理该电容变化需要设计相应的电路。在这项研究中,使用了一个振荡器和频率电压转换元件1器将电容的变化转化成了电压的变化。电路和数据采集设计的功能图如图1所示。图4包含检测元件和玉米秸秆的文氏振荡器电路文氏振荡器用来将检测元件的电容变化转换成Fig 4 Circuit schematic of a wien-Bridge oscillator频率的变化。文氏振荡器(见图3)是一种较常用的including the detection elements and corn stal低频振荡器,它使用了一个简单的电路输出了一个正弦波。该文氏桥振荡器的性能可以用数学增益分玉米秸秆是一种介电常数高于周围空气的绝缘析进行描述,它提供了稳定的振荡频率:在图3材料,其介电常数的大小取决于秸秆水分含量。当中,C=C=C2,R=R=R20秸秆接近检测单元时,电容C1、C2、C3、C4、C3和C6的值会增加。电容的变化会影响到振荡器电路并产生相应的频率变化。电容的变化率(C有C无精杆)R6负反馈比相应的电容值更重要,因为它表征了传感器的灵敏度网。试验中使用了一个商用的锁相环集成电路来做AT1354为频率电压转换器。PLL是一个输出信号的同步电路,同时对于频率和相位来说它是个参考信号。在锁相环锁定之后,振荡器的输出信号和参考信号sⅤR2之间的相位差将是零或保持不变。这意味着锁相环可以跟踪输入频率的变化,并且锁相环输出电压与R1+c1正反馈输入频率是成比例变化的,它也就是振荡器的输出。试验中,使用了一个通用运算放大器(运放)来放大锁相环世阳拉匹配进行电压偏移调图3文氏振荡器电路原理整、提供与中国煤化工输入范围匹配,CNMHGFig 3 Circuit schematic of a Wien-Bridge oscillator以提高数字东北农业大学学报第42卷13田间试验设计田间测试实验中使用了一个Cae-IH2344收割机以及一个附属的Ce-IH1063型6行玉米割台。传感器安装在了最右边的收割行。在传感器的数据输出端连接了一个12位的数据采集单元自0.5本:天然橡胶(DAQ)(美国国家仪器,USB6008),该采集单元量控位量1由位于收割机驾驶室的便携式计算机控制。一个多电极间距芯屏蔽线用于给传感器系统供电,并将传感器的数5mm“●→10mm20 mm据输出口与数据采集系统连接在一起。数据采集系统与便携式计算机之间用一个3m长的USB线来接地电极宽度(mm)Ground electrode wide连接。数据采集卡的采样频率设定在10KS·8-,电图6不同接地电极宽度和电极间距条件下固态电极的压输入范围为±5V。试验中用 LabVIEW进行数据模拟电容变化记录和输出波形(电压的大小与时间)。每个测试样本(见图5)是一个长约91m(30英Fig. 6 Modeled capacitance change for solid electrodepattern at different ground electrode widths and inter尺)的行段。除了两端的各15个秸秆,以及中间的electrode gaps两个秸秆保留以外,样本行内的其他秸秆均要砍掉,为中间的两个基准秸秆留下空隙。在收获前024从中间这两个秸秆中随机挑选一个砍掉,作为秸秆x测试数据Date一数据平均值Mean含水率的参考标准。15个秸秆2个基准秸秆15个秸秆收个前砍掉器粘秆间距2cm0.10然橡胶量位量10.041020304050607080接地电极宽度(mm长约91Ground electrode width图5田间测试样本布置图T不同接地电极宽度条件下固态电极的实测电容变化Fig 3 Field tesFig 7 Measured capacitance char different groundelectrode widths2结果与分析0241*测试数据Date2.1检测模型的測试结果022—数据平均值Me最初的固态接地电极的优化是通过建模和实验室实验完成的。结果表明对检测单元的整体性能影日0.11响最大的两个设计参数:接地电极宽度和电极间0.16距。模拟及实验室实验结果如图6-8所示。当宽传感器粘杆间距2cm0.14度小于40mm时,接地电极宽度对电容变化有着测试位量位置很强的积极影响;但当宽度大于50mm时,就会0.10产生负面的影响(见图7)。在对电极间距的考察中20发现了类似的趋势(见图8)。为了平衡性能和设计尺寸,选择了下面的检测单元设计参数:正极宽2mm,图8不同申极间距条件下固态电极的实测电容变化电极间距20mm,接地电极宽50mm,电极长度Fg8Mas中国煤化工 -ifferent inCNMHG100mm。第8期李海州等:生物质传感器的电路设计与田间测试71选择了最终的设计参数之后,使用了橡胶秆R1和R2为50k』时,测量和模拟结果分别为152(ε=5)来代替秸秆对检测单元的性能进行了模拟,和950kHz以确定其性能特点。在一系列的标本-传感器间距范围的输出电容的变化如图9所示。位置1和5分1200别是正、负极边缘,位置2到位置4均匀地分布在1000该模型的宽度方向上。这些结果表明,该固态电极Pspice模拟:=50k在正极附近(位置1)是最敏感的。C2=13p测试2.0=50kC=C= 1.3 pFR阻值k』)RResistance图10R1对振荡器频率影响的模拟和测试结果Fig. 10 Modeled and measured effect of R, on the0.5oscillation frequency位置 Position1400图9沿检测元件宽度方向上不同传感器秸秆间距和位置P「拟的模拟电容变化1000R2=0k=C2=13pF测试to-stalk distances and positions along the width of theR=50kn2.2电路建模和实验室测试试验中首先利用 Pspice(商用电路建模套件)对010015020025030R阻值Q)文氏桥振荡器进行了仿真设计,然后在实验室中制作了它的原型。在模拟和实验测试过程中,检测单图11R2对振荡器频率影响的模拟和测试结果元的电容均设定为13pF,该电容是经过优化得到Fg1 Modeled and measured effect of R2 on oscillation的电容值。在选择基本操作频率时,只对电阻(Rtrequency和R2)进行了调整。试验中使用一个亳安级的热噪声电流来启动振荡器。 PSPICE模拟为制作振荡器结果的不同可能是由于在PCB板上与传感器的物理原型提供了概念的指导。试验中,将振荡器低电容共同存在的寄生电容造成的。由于传感器的以及电阻R1和R2的电位器制作在了印刷电路板电容小于15pF,所以复杂的电路板布局引入的寄上。确定其他电阻值时,R1和R2的值可以通过电生电容对传感器电容来说是不能忽略的。寄生电容位器进行调整,调整范围是从10到250kD。振荡具有不可测量和不稳定的特点。寄生电容的产生会频率使用通用计数器进行测量。试验中,通过不断导致非常复杂的电容相互作用。对 PSpice模型来调整电阻值来确定基本操作频率。说,当寄生电容不能忽略不计时,它就不能准确地模拟与实验结果如图10和11所示。实验结果反映实际电路的情况。表明,当R1值增加时,振荡器基础工作频率会减考虑到模拟与实测结果之间的巨大差距,以及少。但是,改变R2的值对基础工作频率的影响不该模型并不能中国煤化性,研究中大。对这两个数值来说,关注的是 PSPICE模拟输专注于用测量CNMHG因此,R1出和印刷电路板的测量输出之间的差异。例如,当和R2的最佳值是过头型明疋。试验中研究了东北农业大学学报第42卷针对R1和R2的一个二维测试矩阵是,R1和R2的定的。测试结果表明,高水分含量的秸秆(水分含值设定在10,25,50,100,150,200和250k。量=85%)对振荡器输出频率产生了9kHz变化影振荡器和检测单元附着在了一个静态测试结构上,响。设置多于两个的安全系数,以确保操作频带宽将传感器-样品间距设置为2cm,使用一个介电常度能够包含所有可能的振荡器的输出频率和基线漂数为8的橡胶杆作为测试样本。针对R1和R2各个移情况。因此,选择了20kHz的偏移频率,它相组合,试验中测试了有样本和无样本的基本频率,当于40kHz的工作频段宽度。偏移频率是通过选并对振荡器频率的相对变化进行了计算。择外部电阻R12的适合值确定的。外部元件(R1对应于R1和R2的振荡器的输出频率变化如图R2和C1)近似值,是通过锁相环数据表中针对512所示。颜色较深的表示灵敏度高的区域。试验V电源电压的电压控制振荡器(CO)曲线来确定中确定了三个相对敏感的区域(区域1,2,3)。1区的。其中C1的值为10nF;在电阻R1和R12的阻只代表了一个局部的最大值,而不是全局的。2区值约为100和50kΩ时,获得了需要的中心频率和代表的振荡器稳定的区域是值得商榷的。实验测试偏移频率。的该区域的频率具有较大的漂移。因此,选择3区外部元件的最终值是通过试验确定的,试验中作为R和R2的最佳组合。实验室测试中,对R1使用了一个可编程的电源(安捷伦E3631A)和一个和R2的值做了进一步修正,以确定最佳的操作参通用计数器。可编程的电源作为vCO的输入,C1数。最终,R1和R2的值分别为43和169kΩ。该的值设为10nF。可编程的电源供应器设置为CC的文氏振荡器的基本输出频率是245kHz。1/2(25V),以生产VCO的输出引脚中心频率。VCO的输出使用通用计数器进行测量,并通过调整R的值来获得目标输出频率。电源电压从V=(0.9V)变化到V。(4.1V),并通过调整R1的值来获得所需的偏移频率(20kHz)。C1、R1和R12的最终值分别为10nF,100k和33kn时。PLL的动态特性(锁定时间、PLL带宽及、稳定性)决定于它的低通滤波器(C1和R1)。低通滤e波元件的初始值是用飞利浦公司的PLL设计软件设计的。在软件设计时作了几个假设:秸秆出现的频率是18Hz,每个秸秆的通过时间是55ms,假设5010015020025玉米秸秆直径为1cm(非常小的秸秆直径),联合收R阻值k』)R割机的收割速度为6.5kmh(非常高收割速度),Resistance图12R1和R2的传感器灵敏度一橡胶杆(e=8)、传感器-样和平均秸秆间距10cm(典型间距为15cm)。秸秆本间距=2cm出现的频率18Hz,每个秸秆的通过时间55ms是Fig. 12 Sensor sensitivity with R, and Rrrubber rod (e玉米收获时一个合理的极限值。实际上,传感器的8)and 2 cm sensor-specimen distance反应时间大大低于55ms。对该设计来说,锁定时间设定为2,阻尼系数()约为07(04<<1)。低通本设计中使用的锁相环是一个74HCT4046通滤波器最终的元件值,是在连接了振荡器和PL电用锁相环集成电路。通过对两个外部电容(C1和路后,在信噪比分析的基础上通过实验确定的。峰Ca)和三个外部电阻(Rn,R和R)进行筛选,最与峰之间的噪声值约为80mV,信号值通常高于lV。终确定了该锁相环电路的操作参数。首先确定了电因此,在实验室试验中最终的信噪比是大于10的。路的中心频率和偏移频率。选择的中心频率要与振低通滤波器中Cn和R1最终参数值为1200pF和荡器的基本输出频率(245kHz)相匹配,中心频率200kD。的值是通过对外部电阻R1进行选择确定的。偏移23田间测中国煤化工频率是由预期秸秆水分含量对振荡器输出的影响决田间试HCNMHG性的收割工况第8期李海州等:生物质传感器的电路设计与田间测试73的数据。在预试验中,秸秆水分含量(MC)和传感准确地反映实际电路的情况。振荡器的设计中对R1器-秸秆间距被确定为影响传感器性能的关键因素。和R2进行了优化研究,确定R1和R2的最佳操作收获之前要对每个样本中每个秸秆的位置进行记参数分别为43和169k9,此时该文氏振荡器的基录。每个秸秆位置被精确记录到01英尺(-3cm)。本输出频率是245kHzo并排的秸秆或双秸秆之间的空隙也被记录了下来。此外,试验中还对锁相环的电路操作参数进行茎的直径大于26cm和小于15cm的使用卡钳进了筛选。最终锁相环电路中两个外部电容(Cn和行了测量和记录。实验结果如图13所示。Cn)和三个外部电阻(R1,Rn和R1)的最佳操作参数为10nF、1200pF、100k9、50k和200k』。同时,田间测试的结果显示,该传感器可以有效地鉴定玉米秸秆的存在。基准稍秆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]时间()TimeArgonneI:ArgonneNationalLaboratoryHttp://www.ipdanl图13田间预试验传感器的典型输出信号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.收获前记录了每个秸秆的位置,因此图5中的[4] Nichols S w. Method and apparatus for counting crope) US Patent每个秸秆可以与图13中的每个峰相对应。可见该No.6073427.2000.传感器可以有效地鉴定秸秆的存在。这为下一步使[5 Webbne.Rel- time system for determining com plant population用该生物质传感器绘制精确到点的作物密度图打下in situ at harvest time[D]. Knoxville Tenn: University of Tennessee,了良好的基础3结论[6] Moody H. Unpublished com population sensor development labo-ratory report[D]. Knoxville, Tenn: University of Tennessee, 2002这项研究的具体目标是开发、制作和测试检测[7] Gottlieb I. Practical oscillator handbook[M] Oxford U K:Newn玉米秸秆的电容式近距离传感器。在这项研究中所Press, 1991.取得的成果的基础上,可得出以下结论:[8] Williams J. Analog Circuit design: Art, science, an固态电极的检测单元设计参数:正极宽2mm,[M] Woburn Mass: Newnes Prese, 1991电极间距20mm,接地电极宽50mm,电极长度(9 I Mamishev V A K Dundara F,RinY.Yang,etal. Interdigital100mm;固态电极在正极附近是最敏感的。sensors and transducer]. Proc IEEE, 2004, 92(5): 808-845通过对电路建模和实验室测试发现:对 PSpice [10] Baxter L K Capacitive sensors: Design and application[M].Pisca模型来说,当伴生电容不能忽略不计时,它就不能tawny NJ: IEEE Press, 1996中国煤化工CNMHG