面向宽范围棉花回潮率传感的低电压分段电阻测量电路及其温压补偿研究

《Computers and Electronics in Agriculture》：A low-voltage segmented resistance measurement circuit with temperature and pressure compensation for wide-range cotton moisture sensing

本文提出了一种集成温度与压力补偿的低电压分段式电阻测量电路，创新性地实现了2 kΩ至200 GΩ的宽范围电阻测量（MR）。通过对比不同开关元件特性，研究确定光耦为最优选择（泄漏电流仅2.101 pA），最终电路平均相对误差为1.285%，信噪比（SNR）达44.161 dB。所构建的棉花回潮率预测模型R2达0.985，为棉花采收、加工及储运过程中的实时水分监测提供了安全高效的解决方案。

　　

Highlight

本研究的亮点在于开发了一种适用于棉花回潮率（MR）传感的低电压分段电阻测量电路，通过创新的分段测量架构，成功覆盖了从2 kΩ到200 GΩ的宽范围电阻测量，并集成了温度和压力补偿功能。

Moisture regain sensing principle based on resistance method

棉花回潮率（MR）是指棉花中水分含量相对于其干重的百分比。基于电阻法的传感原理在于棉花回潮率与电导率之间的相关性：微小的MR变化会显著影响棉花的导电性能。

Analysis of switch characterization

为优化自适应电阻测量前端，本研究对四种开关拓扑（继电器、BJT、光耦、MOSFET）进行了实验评估。实验结果表明，光耦在泄漏电流（低至2.101 pA）、开关稳定性及噪声抑制能力方面表现最优，是高阻值测量场景下的理想选择。

Conclusion

本文提出了一种新型低电压电阻测量电路，通过分段测量方法实现了2 kΩ至200 GΩ的宽范围电阻测量。该电路创新性地集成了温度和压力补偿模块，显著提升了测量精度。主要贡献包括：（1）针对电阻测量模拟前端的多通道切换需求，通过对比分析确定了光耦为最优开关元件；（2）所设计的电路在宽范围测量中表现出高精度（平均相对误差1.285%）和高信噪比（平均SNR 44.161 dB）；（3）建立的MR预测模型具有优异的预测性能（R2=0.985，RMSE=0.322%），为棉花产业提供了可靠的实时水分监测方案。