一種用於電阻式水分測量傳感器的電路的製作方法
2023-05-31 11:35:56 2
一種用於電阻式水分測量傳感器的電路的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用於電阻式水分測量傳感器的電路，涉及糧食水分測量領域。該電路包括分別與CPU採集處理單元、升壓穩壓單元相連的電源單元，升壓穩壓單元分別通過第一標準電阻、第二標準電阻、第三限流電阻與電子切換開關相連；電子切換開關分別與CPU採集處理單元、運算放大器、第二三極體相連；運算放大器分別與第一三極體、第二三極體相連；運算放大器輸出端還通過電容與反向輸入端相連；升壓穩壓單元通過第一三極體與第二三極體相連；升壓穩壓單元通過轉換線性校正放大處理單元與A/D採集模塊相連；本實用新型測量被測糧食的水分時，測量速度較快，不僅測量範圍較寬，而且測量的穩定度較高，適用範圍比較廣泛。
【專利說明】—種用於電阻式水分測量傳感器的電路
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及糧食水分測量領域，具體涉及一種用於電阻式水分測量傳感器的電路。
【背景技術】
[0002]隨著社會的發展，用於測量物質水分的測量分析儀器已經廣泛應用於社會之中，目前，常見的測量分析儀器為電阻式水分測量儀和電容式水分測量儀；電阻式水分測量儀的測量穩定度較高，電容式水分測量儀的測量範圍較寬。
[0003]但是，電阻式水分測量儀和電容式水分測量儀分別存在以下缺陷:
[0004](I)電阻式水分測量儀式根據被測物的電阻特性與所含水分的對應比例，測量被測物的水分。因為被測物的電阻在測量水分範圍內急劇變化(從幾十歐姆到幾千兆歐姆)，被測物的電阻的非線性較差，因此，電阻式水分測量儀的測量電路的測量範圍較窄。
[0005](2)電容式水分測量儀測量被測物的水分時，傳感器構成的電容的介電常數，會因被測物水分的不同發生變化，進而使得電容的容量發生變化；電容式水分測量儀通過電容的容量與被測物的水分成比例關係，測量被測物的水分。在實際使用中，介電常數會受到被測物的密度、顆粒大小和顆粒形狀影響；例如:被測物為玉米，玉米顆粒有圓形和扁形，扁形的玉米顆粒或大或小，大顆粒玉米和小顆粒玉米均會使得傳感器電容的介電常數發生改變，進而影響電容式水分測量儀的測量穩定度。
[0006]電容式水分測量儀一般採用震蕩電路或者RC時間信號電路，組成震蕩電路或者RC時間信號電路的電子元件具有分布電容效應，其電容的容量一般為5PF?15PF，電容式水分測量儀的採樣傳感器構成的電容的容量一般為20PF?300PF，分布電容的容量佔據了傳感器構成的電容的容量中較大的比例。由於分布電容會隨溫度、時間的變化而變化，因此，震蕩電路的震蕩頻率或者RC時間信號均會隨著溫度和時間的變化發生改變，進而使得電容式水分測量儀測得的水分值容易漂移，測量穩定度較差。
[0007]此外，市場上還有其它水分測量儀器，例如微波、核磁共振、紅外等測量分析儀器，上述水分測量儀器不僅結構比較複雜，製造成本較高，而且測量的穩定度較低、漂移較大，需要經常校準和維護。上述水分測量儀器主要用在電阻式水分測量儀和電容式水分測量儀無法測量的地方(例如茶葉、菸草測量對象個體差異很大的對象、實驗室)，其適用範圍比
較單一。
實用新型內容
[0008]針對現有技術中存在的缺陷，本實用新型的目的在於提供一種用於電阻式水分測量傳感器的電路，該方法測量被測糧食的水分時，測量速度較快，適合動態、靜態連續採集與測量，不僅測量範圍較寬，測量精確度較高，而且被測糧食的水分的測量解析度好，測量的穩定度較高，適用範圍比較廣泛。
[0009]為達到以上目的，本實用新型採取的技術方案是:一種用於電阻式水分測量傳感器的電路，包括電源單元、通信接口單元、升壓穩壓單元、CPU採集處理單元、傳感器、第一標準電阻RB1、第二標準電阻RB2、第一限流電阻RA1、第二限流電阻RA2、第三限流電阻RA3、電子切換開關Kl、運算放大器ICl、電容Cl、第一三極體Ql、第二三極體Q2和信號轉換線性校正放大處理單元；
[0010]所述CPU採集處理單元包括用於提高測量速度的模擬/數字A/D採集模塊，電源單元分別與CPU採集處理單元、升壓穩壓單元相連，通信接口單元與CPU採集處理單元相連；
[0011]所述升壓穩壓單元分別通過第一標準電阻RB1、第二標準電阻RB2與電子切換開關Kl相連；升壓穩壓單元依次通過傳感器、第三限流電阻RA3與電子切換開關Kl相連；
[0012]所述電子切換開關Kl的控制端與CPU採集處理單元相連；所述第一標準電阻RB1、第二標準電阻RB2、第三限流電阻RA3均通過電子切換開關Kl與運算放大器ICl的反相輸入端相連，所述第一標準電阻RB1、第二標準電阻RB2、第三限流電阻RA3均通過電子切換開關Kl與第二三極體Q2的電極C相連；
[0013]所述運算放大器ICl的同相輸入端接地，運算放大器ICl的輸出端通過第二限流電阻RA2分別與第一三極體Ql的發射極E、第二三極體Q2的發射極E相連；運算放大器ICl的輸出端還通過電容Cl與反向輸入端相連；
[0014]所述升壓穩壓單元通過第一限流電阻RAl與第一三極體Ql的電極C相連，第一三極體Ql的電極C與基極B相連，第一三極體Ql的發射極E與第二三極體Q2的發射極E相連，第二三極體Q2的基極B接地；升壓穩壓單元依次通過第一限流電阻RA1、轉換線性校正放大處理單元與A/D採集模塊相連；
[0015]所述第一標準電阻RBl的電阻值為1000?IOOOOkQ，第二標準電阻RB2的電阻值為10?IOOkQ ;第一限流電阻RAl的電阻值為10?51k Ω，第二限流電阻RA2的電阻值為4?6k Ω，第三限流電阻RA3的電阻值為I?5kQ。
[0016]在上述技術方案的基礎上，所述電容Cl的容量為1000?10000PF。
[0017]在上述技術方案的基礎上，所述電容Cl的容量為1000PF。
[0018]在上述技術方案的基礎上，所述第一標準電阻RBl的電阻值為10000k Ω，第二標準電阻RB2的電阻值為50kQ ;第一限流電阻RAl的電阻值為25kΩ，第二限流電阻RA2的電阻值為5.1kQ,第三限流電阻RA3的電阻值為2.5kQ。
[0019]與現有技術相比，本實用新型的優點在於:
[0020](I)本實用新型測量糧食作物的水分時，電路可以在很寬的範圍內產生與水分對應的線性震蕩頻率，進而能夠在「不需要換擋」的情況下不斷對被測糧食進行採樣和測量，因此，本實用新型測量被測糧食的水分時，採樣速度和測量速度較快，適合動態、靜態連續採集與測量。
[0021](2)本實用新型將所有採集到的不同電壓值進行分析比對後，計算得到被測糧食的水分；與現有技術中根據電容的介電常數和容量測量被測糧食的水分相比，本實用新型採用「比較計算法」測量被測糧食的水分，電路的分布參數對被測糧食的水分的影響較小。因此本實用新型測得的被測糧食的水分的不易漂移，其精確度較高。
[0022](3)本實用新型的測量精度和穩定度與第一標準電阻RB1、第二標準電阻RB2有關。第一標準電阻RBl針對低水分的被測糧食進行對比計算，第二標準電阻RB2針對中高水分的被測糧食進行對比計算，不僅能夠保證整個測量範圍內都具有較高的解析度和測量精度，而且測量範圍較寬。
[0023](4)本實用新型測量被測糧食的電阻時，通過第一三極體Ql產生的三角波信號計算被測糧食的水分，三角波信號頻率與被測糧食的水分成線性關係，第一三極體Ql輸出的三角波信號的幅度始終相同的，信號轉換線性校正放大處理單元是將幅度相同的三角波信號轉換成電壓信號，信號轉換線性校正放大處理單元實現的是頻率電壓轉換功能。因此被測糧食的水分的測量解析度好，測量的穩定度較高，適用範圍比較廣泛。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1為本實用新型實施例中用於電阻式水分測量傳感器的測量電路的電路圖。【具體實施方式】
[0025]以下結合附圖及實施例對本實用新型作進一步詳細說明。
[0026]參見圖1所示，本實用新型實施例中的用於電阻式水分測量傳感器的電路，包括電源單元、通信接口單元、升壓穩壓單元、CPU採集處理單元、傳感器、第一標準電阻RB1、第二標準電阻RB2、第一限流電阻RA1、第二限流電阻RA2、第三限流電阻RA3、電子切換開關K1、運算放大器ICl、電容Cl、第一三極體Ql、第二三極體Q2和信號轉換線性校正放大處理單元。
[0027]第一標準電阻RBl的電阻值可以為1000?IOOOOkQ，第二標準電阻RB2的電阻值可以為10?IOOkQ。第一限流電阻RAl的電阻值可以為10?51kQ，第二限流電阻RA2的電阻值可以為4?6kQ，第三限流電阻RA3的電阻值可以為I?5kQ。電容Cl的容量可以為1000?10000PF。
[0028]本實施例中第一標準電阻RBl的電阻值為IOOOOkQ，第二標準電阻RB2的電阻值為50kQ。第一限流電阻RAl的電阻值為25kΩ，第二限流電阻RA2的電阻值為5.1kQ，第三限流電阻RA3的電阻值為2.5kQ。電容Cl的容量為1000PF。
[0029]CPU採集處理單元包括用於提高測量速度的高速A/D (模擬/數字)採集模塊，電源單元分別與CPU採集處理單元、升壓穩壓單元相連，通信接口單元與CPU採集處理單元相連。
[0030]升壓穩壓單元分別通過第一標準電阻RB1、第二標準電阻RB2與電子切換開關Kl相連；升壓穩壓單元依次通過傳感器、第三限流電阻RA3與電子切換開關Kl相連。
[0031]電子切換開關Kl的控制端與CPU採集處理單元相連；第一標準電阻RB1、第二標準電阻RB2、第三限流電阻RA3均通過電子切換開關Kl與運算放大器ICl的反相輸入端相連，第一標準電阻RB1、第二標準電阻RB2、第三限流電阻RA3均通過電子切換開關Kl與第二三極體Q2的電極C相連。運算放大器ICl的同相輸入端接地，運算放大器ICl的輸出端通過第二限流電阻RA2分別與第一三極體Ql的發射極Ε、第二三極體Q2的發射極E相連；運算放大器ICl的輸出端還通過電容Cl與反向輸入端相連。
[0032]升壓穩壓單元通過第一限流電阻RAl與第一三極體Ql的電極C相連，第一三極體Ql的電極C與基極B相連，第一三極體Ql的發射極E與第二三極體Q2的發射極E相連，第二三極體Q2的基極B接地。升壓穩壓單元依次通過第一限流電阻RA1、轉換線性校正放大處理單元與A/D採集模塊相連。
[0033]本實用新型實施例中的用於電阻式水分測量傳感器的電路的測量方法，包括以下步驟:
[0034]S1:將電子切換開關Kl與第二標準電阻RB2連通，第二標準電阻RB2、運算放大器運放ICl和電容Cl形成第一積分電路；將糧食放入傳感器內。電源單元分別為升壓穩壓單元和CPU採集處理單元供電，升壓穩壓單元為傳感器提供測量電壓，測量電壓為15V?24V (本實施例中的測量電壓為20V)。
[0035]S2:電流流經電子切換開關Kl當前接通的電阻，為電容Cl充電，進而使得運算放大器ICl的輸出電壓從O向負電壓方向發生線性變化。
[0036]S3:運算放大器ICl的輸出電壓小於-0.7V時，第二三極體Q2導通，電容Cl通過第二限流電阻RA2和第二三極體Q2放電，第二三極體Q2飽和，進而使得運算放大器ICl的輸出電壓線性升聞。
[0037]S4:運算放大器ICl的輸出電壓在-0.7V以上時，第二三極體Q2截止。電流流經電子切換開關Kl當前接通的電阻後，為電容Cl充電，運算放大器ICl的輸出電壓從O向負電壓方向發生線性變化，進而使得運算放大器ICi產生周期三角波。
[0038]S5:重複執行步驟S2?步驟S4，第一三極體Ql與第二三極體Q2形成共發射極E電路，第一三極體Ql的電極C產生與步驟S4中運算放大器ICl產生的周期三角波頻率相同、幅度不同的周期三角波信號。信號轉換線性校正放大處理單元將周期三角波信號進行線性化處理、並轉換形成電壓信號，CPU採集處理單元的A/D採集模塊採集電壓信號的電壓值。
[0039]S6:切換電子切換開關Kl與第一標準電阻RBl連通，第一標準電阻RB1、運算放大器ICl和電容Cl形成第二積分電路；重新執行步驟S2?步驟S5後，轉到步驟S7。
[0040]S7:切換電子切換開關Kl與第三限流電阻RA3和傳感器連通，第三限流電阻RA3、運算放大器ICl和電容Cl形成第三積分電路；重新執行步驟S2?步驟S5後，轉到步驟S8。
[0041]S8:A/D採集模塊將所有採集到的不同電壓值(電子切換開關Kl與第二標準電阻RB2連通得到的第一電壓值，電子切換開關Kl與第一標準電阻RBl連通得到的第二電壓值，電子切換開關Kl與第三限流電阻RA3連通得到的第三電壓值)進行分析比對，得到傳感器與第三限流電阻RA3串聯的電阻值，將當前電阻值減去第三限流電阻RA3的電阻值，得到傳感器的電阻值；根據傳感器的電阻值計算得到被測糧食的水分。
[0042]S9:CPU採集處理單元將被測糧食的水分值輸出至通信接口單元，用戶能夠通過通信接口單元得知並使用被測糧食的水分值。
[0043]本實用新型的工作原理如下:
[0044]第三限流電阻RA3的電阻值較大，能夠防止電路元器件(例如傳感器、運算放大器IC1、第一三極體Ql等)因電流過大而損壞。電子切換開關Kl依次切換至第二標準電阻RB2、第一標準電阻RBl和第三限流電阻RA3，因為第二標準電阻RB2的電阻值、第一標準電阻RBl的電阻值、傳感器與第三限流電阻RA3串聯的電阻值均不同，所以運算放大器ICl輸出端對應產生的三角波頻率不同，A/D轉換器採集信號採集的第一電壓值、第二電壓值、第三電壓值也不同。因此，將現有的第二標準電阻RB2、第一標準電阻RBl的電阻值，與傳感器和第三限流電阻RA3串聯的電阻值進行比對後，就能計算出第三限流電阻RA3和傳感器串聯的電阻值。
[0045]本實用新型不局限於上述實施方式，對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本實用新型的保護範圍之內。本說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員公知的現有技術。
【權利要求】
1.一種用於電阻式水分測量傳感器的電路，其特徵在於:包括電源單元、通信接口單元、升壓穩壓單元、CPU採集處理單元、傳感器、第一標準電阻RB 1、第二標準電阻RB2、第一限流電阻RA1、第二限流電阻RA2、第三限流電阻RA3、電子切換開關K1、運算放大器IC1、電容Cl、第一三極體Q1、第二三極體Q2和信號轉換線性校正放大處理單元； 所述CPU採集處理單元包括用於提高測量速度的模擬/數字A/D採集模塊，電源單元分別與CPU採集處理單元、升壓穩壓單元相連，通信接口單元與CPU採集處理單元相連；所述升壓穩壓單元分別通過第一標準電阻RB1、第二標準電阻RB2與電子切換開關Kl相連；升壓穩壓單元依次通過傳感器、第三限流電阻RA3與電子切換開關Kl相連； 所述電子切換開關Kl的控制端與CPU採集處理單元相連；所述第一標準電阻RB1、第二標準電阻RB2、第三限流電阻RA3均通過電子切換開關Kl與運算放大器ICl的反相輸入端相連，所述第一標準電阻RB1、第二標準電阻RB2、第三限流電阻RA3均通過電子切換開關Kl與第二三極體Q2的電極C相連； 所述運算放大器ICl的同相輸入端接地，運算放大器ICl的輸出端通過第二限流電阻RA2分別與第一三極體Ql的發射極E、第二三極體Q2的發射極E相連；運算放大器ICl的輸出端還通過電容Cl與反向輸入端相連； 所述升壓穩壓單元通過第一限流電阻RAl與第一三極體Ql的電極C相連，第一三極體Ql的電極C與基極B相連，第一三極體Ql的發射極E與第二三極體Q2的發射極E相連，第二三極體Q2的基極B接地；升壓穩壓單元依次通過第一限流電阻RA1、轉換線性校正放大處理單元與A/D採集模塊相連； 所述第一標準電阻RBl的電阻值為1000?IOOOOkQ，第二標準電阻RB2的電阻值為10?IOOkQ ;第一限流電阻RAl的電阻值為10?51kQ，第二限流電阻RA2的電阻值為4?6kQ，第三限流電阻RA3的電阻值為I?5kQ。
2.如權利要求1所述的用於電阻式水分測量傳感器的電路，其特徵在於:所述電容Cl的容量為1000?10000PF。
3.如權利要求2所述的用於電阻式水分測量傳感器的電路，其特徵在於:所述電容Cl的容量為1000PF。
4.如權利要求1所述的用於電阻式水分測量傳感器的電路，其特徵在於:所述第一標準電阻RBl的電阻值為IOOOOkQ，第二標準電阻RB2的電阻值為50k Ω ;第一限流電阻RAl的電阻值為25kQ，第二限流電阻RA2的電阻值為5.1k Ω，第三限流電阻RA3的電阻值為2.5kQ。
【文檔編號】G01N27/04GK203798767SQ201420219318
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年4月30日 優先權日:2014年4月30日
【發明者】萬志雄, 李巍 申請人:武漢凱特復興科技有限責任公司