CN104597059A - 一种微波高速在线烟支密度和水分检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微波非电量测量装置，尤其涉及一种利用微波进行烟支密度和水分的高速在线检测装置，所述的检测装置由微波信号发生模块、谐振腔模块、检波模块、高速数据采集模块、数据处理模块以及恒温控制模块组成，以在烟支高速运行的情况下，提供稳定性高、测量精确的烟支密度和水分数据，并采用模块化设计，结构简单。

Description

一种微波高速在线烟支密度和水分检测装置

技术领域

本发明涉及一种微波非电量测量装置，尤其涉及一种利用微波进行烟支密度和水分的高速在线检测装置。

背景技术

在烟支的实际生产过程中，对烟支的密度和水分的的检测和控制是十分重要的，这是衡量烟支质量的两个关键指标。以前烟支密度和水分的检测是使用两套设备分开来进行检测的，不能同时检测出烟支的密度和水分情况，特别是水分检测，大都是在离线状态下进行测量的，不能进行高速在线测量。在测量方法上，烟支密度的检测方法包括秤量法、红外检测法、放射性物质检测法等，而水分的检测方法包括烘干法和远红外检测法等。这些方法要么不能高速在线检测，要么受温度等环境影响，不能进行精确测量，要么是有辐射性物质，对周围的环境和人员造成污染和伤害。这些方法虽然有些还在使用，但随着技术的更新，都会慢慢的被淘汰。最近几年，出现了一种利用微波进行烟支密度和水分测量的方法，但这种方式使用早期的微波技术，设计复杂，技术落后，不易维护，还存在测量精度低和稳定性差等缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足而提供一种微波高速在线烟支密度和水分检测装置，在提高稳定性的同时，能对烟支的密度和水分进行快速、精确的测量。

本发明的目的是这样实现的：

     一种微波高速在线烟支密度和水分检测装置，所述的检测装置由微波信号发生模块、谐振腔模块、检波模块、高速数据采集模块、数据处理模块以及恒温控制模块组成，所述的微波信号发生模块发出两种不同频率的微波信号连接到谐振腔模块的输入端，所述的谐振腔模块的输出端连接到检波模块输入端，所述的检波模块输出端连接到高速数据采集模块的输入端，所述的数据处理模块连接高速数据采集模块，所述的数据处理模块又连接到微波信号发生模块，所述的数据处理模块也与恒温控制模块连接，所述的微波信号发生模块连接到检波模块。

基于以上所述，所述的微波信号发生模块包括晶体谐振电路、可变频率控制电路、微波选择开关、锁相环和压控振荡器，所述的晶体谐振电路用以产生稳定的谐振频率，所述的可变频率控制电路用以产生两种不同频率的微波信号，所述的微波选择开关用以在晶体谐振电路和可变频率控制电路之间切换，送给锁相环，所述的锁相环用以通过负反馈信号来对微波信号的稳定性进行控制，稳定后送入至压控振荡器，所述的压控振荡器用以产生两路微波频率信号，并且一路送至谐振腔模块，另一路送至微波检测模块。

基于以上所述，所述的谐振腔模块为一烟支通过装置，包括腔体外壳和腔体内壳，所述的腔体内壳边缘设置有法兰，所述的法兰扣装在腔体外壳口部边缘，所述的腔体外壳和腔体内壳之间预留空腔，所述的腔体外壳和腔体内壳的中心部位贯穿有一圆形通道，所述的圆形通道内插装有一起保护的测量管，所述的腔体外壳上下部分别贯穿有微波信号输入探针和微波信号输出探针。

基于以上所述，所述的法兰与腔体外壳之间通过螺栓连接。

基于以上所述，所述的检波模块由两部分组成，一部分用来对谐振腔的输出微波信号进行检波，得到经过烟支吸收后的微波能量值，一部分用来对微波信号发生模块的微波信号检波，得到原始微波信号的变化情况，用来修正烟支的密度和水分计算。

基于以上所述，所述的高速数据采集模块是由高速AD转换模块组成，主要用来对检波后的微波信号进行高速的转换和采样，将模拟信号转换为数字信号传输到数据处理模块。

基于以上所述，所述的数据处理模块是整个装置的控制中心，其核心由一块高速DSP芯片组成，主要用来切换微波信号，协调整个装置的运行，处理高速数据采集模块采集的微波信号数据，经过计算和分析，得到烟支的密度数据和水分数据。同时控制恒温装置，得到一个温度恒定的工作环境，提高系统稳定性。

本发明具有如下的优点：

以在烟支高速运行的情况下，提供稳定性高、测量精确的烟支密度和水分数据，并采用模块化设计，结构简单。

附图说明

图1是本发明所提供的微波高速在线烟支密度和水分检测装置的原理框图。

图2是本发明所提供的微波高速在线烟支密度和水分检测装置的工作流程图。

图3是本发明中的微波信号发生模块原理框图。

图4是本发明所提供的微波高速在线烟支密度和水分检测装置的计算控制流程图。

图5是本发明所提供的微波高速在线烟支密度和水分检测装置的恒温控制电路图。

图6是本发明所提供的微波高速在线烟支密度和水分检测装置的谐振腔结构示意图。

图7是本发明所提供的微波高速在线烟支密度和水分检测装置的微波谐振曲线图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明作进一步的描述。

    如图1所示，一种微波高速在线烟支密度和水分检测装置， 所述的检测装置由微波信号发生模块、谐振腔模块、检波模块、高速数据采集模块、数据处理模块以及恒温控制模块组成，所述的微波信号发生模块发出两种不同频率的微波信号连接到谐振腔模块的输入端，所述的谐振腔模块的输出端连接到检波模块输入端，所述的检波模块输出端连接到高速数据采集模块的输入端，所述的数据处理模块连接高速数据采集模块，所述的数据处理模块又连接到微波信号发生模块，所述的数据处理模块也与恒温控制模块连接，所述的微波信号发生模块连接到检波模块。为保证数据的稳定性，微波信号发生模块、谐振腔模块、检波模块都放在恒温装置内。特点是微波信号发生模块发出两种不同频率的微波信号连接到谐振腔模块的输入端，谐振腔模块的输出端连接到检波模块进行微波能量检波，将其结果输出到高速数据采集模块，数据处理模块读取高速数据采集模块的数据，进行分析和处理，得到烟支的密度和水分数据。

基于以上所述，所述的微波信号发生模块包括晶体谐振电路、可变频率控制电路、微波选择开关、锁相环和压控振荡器，所述的晶体谐振电路用以产生稳定的谐振频率，所述的可变频率控制电路用以产生两种不同频率的微波信号，所述的微波选择开关用以在晶体谐振电路和可变频率控制电路之间切换，送给锁相环，所述的锁相环用以通过负反馈信号来对微波信号的稳定性进行控制，稳定后送入至压控振荡器，所述的压控振荡器用以产生两路微波频率信号，并且一路送至谐振腔模块，另一路送至微波检测模块。

基于以上所述，所述的谐振腔模块为一烟支通过装置，包括腔体外壳1和腔体内壳5，所述的腔体内壳5边缘设置有法兰，所述的法兰扣装在腔体外壳1口部边缘，所述的腔体外壳1和腔体内壳5之间预留空腔7，所述的腔体外壳1和腔体内壳5的中心部位贯穿有一圆形通道6，所述的圆形通道6内插装有一起保护的测量管8，所述的腔体外壳1上下部分别贯穿有微波信号输入探针2和微波信号输出探针3。

基于以上所述，所述的法兰与腔体外壳1之间通过螺栓连接。

基于以上所述，所述的检波模块由两部分组成，一部分用来对谐振腔的输出微波信号进行检波，得到经过烟支吸收后的微波能量值，一部分用来对微波信号发生模块的微波信号检波，得到原始微波信号的变化情况，用来修正烟支的密度和水分计算。

基于以上所述，所述的高速数据采集模块是由高速AD转换模块组成，主要用来对检波后的微波信号进行高速的转换和采样，将模拟信号转换为数字信号传输到数据处理模块。

基于以上所述，所述的数据处理模块是整个装置的控制中心，其核心由一块高速DSP芯片组成，主要用来切换微波信号，协调整个装置的运行，处理高速数据采集模块采集的微波信号数据，经过计算和分析，得到烟支的密度数据和水分数据。同时控制恒温装置，得到一个温度恒定的工作环境，提高系统稳定性。

在图2中，是本发明的工作流程图，在加电后，DSP对各个模块进行初始化工作，为模块提供合理的工作环境，特别是对微波信号发生模块进行合适的初始化处理，让其利用一个高精度的晶振产生两种不同频率的微波信号，频率之间的差值大约在3db左右，DSP通过信号来控制微波切换开关进行切换，产生这两种不同频率以固定周期进行交替的微波信号，这个微波信号一路直接接入到微波谐振腔的输入探针，另一路结果耦合器进行耦合，再接入到微波检测电路中进行检波。进入到谐振腔的微波信号，在经过烟支等材料的吸收后，产生能量损耗，安装在谐振腔上的输出探针探测到微波信号，并将其送到一路微波检波模块进行检波，得到其电压值（能量值），两种不同的频率的微波信号在同一个材料上得到的电压值是不一样的，其内蕴含着烟支的密度和水分信息，这两个电压值送到AD采样模块，将其转换为数字信号后送到DSP处理，DSP使用一定的计算公式计算出烟支的密度和水分数据，并将这些数据转换为模拟量和脉冲输出到后继的设备进行检测和控制。

在图3中，是本发明的微波信号发生模块原理框图，使用高精度的稳定晶振产生一个标准的、稳定的、不变的参考信号基准，在这个晶振产生的信号的基础上，经过一个锁相环产生二个高频的信号，这两个信号的频率相差大约3db左右，分别称之为高频率微波信号和低频率微波信号，这两个信号经过高速微波开关，由DSP来进行选择控制，产生这两个微波信号的交替信号，这个交替信号经过一个鉴相器和锁相环后，送给一个压控振荡器（VCO）,产生高频微波信号，送到谐振腔；另外对这个高频微波信号进行一次耦合，将耦合后的信号送到一个微波检测模块进行检波，得到这个高频微波信号的变化值，对后继的控制和计算进行修正。

在图4中，是本发明所提供的微波高速在线烟支密度和水分检测装置的烟支密度值和水分值的计算控制流程图。DSP首先控制微波信号产生模块产生一路频率交替变化的微波信号，并对其进行选择控制。当前是高频率微波信号段时，通过DSP控制AD转换模块采集检波后的微波能量值作为U_低；当前是低频率微波信号段时，通过DSP控制AD转换模块采集检波后的微波能量值作为U_高；这2个值都存储在DSP的RAM中，使用公式计算U _密     =（U_高          + U_低              ）和计算U _水     =1/（U_高          - U_低              ），计算出烟支在谐振腔内时对应于两个频率点时，反应密度的中间量U_密和反应水分的中间量U_水，然后在按照公式水分值=m* U _水       * U _水           +n* U _水 +k，密度值=a* U _密         * U _密           +b* U _密 +c+d* U _温度补偿 +f* U_水分补偿，式中，m、n、k、a、b、c、d、f都是已知数学模型中的常量，保存在DSP的ROM中，在上电初始化时读取使用；U_温度补偿是采集谐振腔温度的变化量；U_水分补偿是通过计算当前水分值，计算出其变化量。在计算出当前烟支的密度值和水分值后，将其转换为模拟信号（单源方式）或脉冲信号（三源方式）输出。

在图5中，是本发明所提供的微波高速在线烟支密度和水分检测装置的恒温控制电路图。谐振腔和部分关键微波电路的恒温控制是影响烟支密度和水分检测精度的一个关键因素，因此对这些关键部件的恒温控制就十分重要。在本发明中，将微波信号发生模块、谐振腔模块、检波模块都放在恒温装置内。该恒温装置使用多片晶体管式加热器，使用PT100作为温度测量的传感器，通过DSP进行数据采集和分析控制，采用PID算法，达到智能恒温闭环控制的目的。对于温度的控制点采用多点分布式加热方式，在多点进行加热，保证整个装置都能被加热；同样，也采用多点温度采样的方式，传感器分布在装置的多个点上，通过对多点进行采样。在DSP上使用其自带的多路12位的AD转换模块对多点的温度进行采集，通过PID算法进行合理温度控制。本发明中，使用2个PT100作为温度测量器件，PT100的一端接地，另一端分别通过R22、R23连接到3.3V电压上，当温度变化时，PT100两端所产生的电压差就会发生变化，将这两个PT100的电压值分别通过R102、R107接入到2个运算放大器的正输入管脚上，同时在其输入管脚上分别通过R103、R106电阻，连接到-0.250V电源上，对PT100所产生的电压值进行调零处理，这样可以增加其放大倍数，提高检测精度。将这两个代表着加热装置温度的电压值经过运算放大器进行放大处理后，将其接入到DSP自带的AD转换模块的输入管脚上，通过AD采样，计算出装置的实际温度，将这个温度和设定值比较，采样PID算法，通过控制DSP的PWM管脚输出信号的占空比，达到控制装置温度的目的。这个PWM脉冲经过运算放大器D10驱动后，接入到一个固态继电器上，固态继电器的输出端连接多个晶体管式的加热器件，高脉冲控制开始加热，低脉冲控制停止加热。

在图6中，是本发明所提供的微波高速在线烟支密度和水分检测装置的谐振腔结构示意图。该谐振腔包括腔体外壳1和腔体内壳5，外壳1和内壳5的材料均是殷钢，表面镀金；外壳1和内壳5中间没有连接的部分腔体7是微波工作的空间。在外壳1和内壳5中间是一个贯穿的通道6，通道6为圆形，在其内壁放置一个圆形的测量管8（保护套），避免烟草灰尘和胶水等物质进入到腔体中，烟支在测量管8中通过，并被测量。外壳1和内壳5的连接通过螺钉4。在外壳1的上部分安装一个微波信号输入探针2，用来向腔体发送微波信号；在外壳1的下部分安装一个微波信号输出探针3，用来接收腔体的微波信号，并送到检波模块。谐振腔尺寸结构的设计要考虑到腔体为空腔时的品质因子Q值的大小，Q值越大，烟支密度和水分的检测灵敏度就越高。Q值的大小受谐振腔的材料、直径和长度等因素的影响。

在图7中，是本发明所提供的微波高速在线烟支密度和水分检测装置的微波谐振曲线图。这个曲线反应了谐振腔在有无烟支时期谐振曲线的变化情况。曲线1是没有烟支时的标准的一个谐振腔的谐振曲线，f₀是谐振腔的中心点工作频率。曲线2是有烟支通过时的一个谐振腔的谐振曲线，f₁是该曲线的中心点工作频率。在实际工作时，微波信号在高频率微波和低频率微波两者之间交替变化，对应于这个曲线，得到2个微波频率对应的微波能量值U_高和U_低，当不同的烟支经过这个谐振腔时，其产生的U_高和U_低不同的，就可以反映出当前烟支的密度值和水分值的变化情况。

本发明的工作原理为：在加电后，DSP对各个模块进行初始化工作，为模块提供合理的工作环境，特别是对微波信号发生模块进行合适的初始化处理，让其利用一个高精度的晶振产生两种不同频率的微波信号，频率之间的差值大约在3db左右，DSP通过信号来控制微波切换开关进行切换，产生这两种不同频率以固定周期进行交替的微波信号，这个微波信号一路直接接入到微波谐振腔的输入探针，另一路结果耦合器进行耦合，再接入到微波检测电路中进行检波。进入到谐振腔的微波信号，在经过烟支等材料的吸收后，产生能量损耗，安装在谐振腔上的输出探针探测到微波信号，并将其送到一路微波检波模块进行检波，得到其电压值（能量值），两种不同的频率的微波信号在同一个材料上得到的电压值是不一样的，其内蕴含着烟支的密度和水分信息，这两个电压值送到AD采样模块，将其转换为数字信号后送到DSP处理，DSP使用一定的计算公式计算出烟支的密度和水分数据，并将这些数据转换为模拟量和脉冲输出到后继的设备进行检测和控制。

本发明的工作流程及密度值和水分值的计算和处理过程如下：

第一步：确定2个交替的微波信号的频率。确定方式为：首先通过扫描腔体，找到腔体中有烟支时的最佳工作频率点，然后在这个频率点的基础上，减少3db的最为高频率工作点，再减少3db最为低频率工作点。确定后使用DSP控制微波信号发生模块交替产生这两个频率的微波信号。

第二步：使用检波模块对谐振腔输出的微波信号进行检波，检波后的电压值通过一个高速AD采样芯片进行模拟量到数字量转换，同时，通过DSP来确定当前检波后的电压值对应的是高频率脉冲段还是低频率脉冲段，并分别将这个电压值保持为U_低和U_高。

第三步：利用公式：

U _密       =（U_高          + U_低              ）

U _水       =1/（U_高          - U_低              ）

计算出反应密度值的变化量U_密和反应水分值的变化量U_水。

第四步：利用公式：

   水分值=m* U _水  * U _水           +n* U _水 +k

计算出烟支的当前水分值。

第五步：利用公式：

   密度值=a* U _密  * U _密           +b* U _密 +c+d* U _温度补偿 +f* U_水分补偿

计算出烟支的当前密度值。

第六步：参数的标定。公式中的m、n、k、a、b、c、d、f都是数学模型中的常量，这些常量在初期是需要进行标定的。标定方法是选择已知密度值和水分值的烟支，首先在腔体中多次插入密度值相同而水分值不同的烟支，分别得到其U_密和U_水的值，然后带入水分计算的公式，通过联合方程求解，平均求得m、n、k的值。然后在腔体中多次插入水分值相同而密度值不同的烟支，先不考虑温度补偿和水分补偿的因素，带入公式：密度值=a* U _密  * U _密           +b* U _密 ，通过联合方程求解，多次平均求得a、b、c的值。最后再改变腔体的温度，插入同一烟支计算出常量d；改变烟支的水分，插入同一烟支计算出常量f即可。

第六步：参数保存。在标定完参数后，需要把参数都保存在DSP的ROM空间内，在下次启动时，直接将各个参数读取处理，直接使用。

第七步：将计算出来的密度值和水分值进行DA转换，将其转为模拟量（电压值），对于单源方式的输出，将其转化为电流驱动的方式输出；而对于三源方式的输出，则需要将这个电压值转换为脉冲的方式输出。

本发明的优势在于：可以在烟支高速运行的情况下，提供稳定性高、测量精确的烟支密度和水分数据，并采用模块化设计，结构简单。

以上所述者，仅作为本发明最佳实施例而已，并非用于限制本发明的范围，凡依本发明申请专利范围所做的等效变化或修饰，皆为本发明所涵盖。

Claims (7)

1.一种微波高速在线烟支密度和水分检测装置，其特征在于：所述的检测装置由微波信号发生模块、谐振腔模块、检波模块、高速数据采集模块、数据处理模块以及恒温控制模块组成，所述的微波信号发生模块发出两种不同频率的微波信号连接到谐振腔模块的输入端，所述的谐振腔模块的输出端连接到检波模块输入端，所述的检波模块输出端连接到高速数据采集模块的输入端，所述的数据处理模块连接高速数据采集模块，所述的数据处理模块又连接到微波信号发生模块，所述的数据处理模块也与恒温控制模块连接，所述的微波信号发生模块连接到检波模块。

2.根据权利要求1所述的一种微波高速在线烟支密度和水分检测装置，其特征在于：所述的微波信号发生模块包括晶体谐振电路、可变频率控制电路、微波选择开关、锁相环和压控振荡器，所述的晶体谐振电路用以产生稳定的谐振频率，所述的可变频率控制电路用以产生两种不同频率的微波信号，所述的微波选择开关用以在晶体谐振电路和可变频率控制电路之间切换，送给锁相环，所述的锁相环用以通过负反馈信号来对微波信号的稳定性进行控制，稳定后送入至压控振荡器，所述的压控振荡器用以产生两路微波频率信号，并且一路送至谐振腔模块，另一路送至微波检测模块。

3.根据权利要求1所述的一种微波高速在线烟支密度和水分检测装置，其特征在于：所述的谐振腔模块为一烟支通过装置，包括腔体外壳（1）和腔体内壳（5），所述的腔体内壳（5）边缘设置有法兰，所述的法兰扣装在腔体外壳（1）口部边缘，所述的腔体外壳（1）和腔体内壳（5）之间预留空腔（7），所述的腔体外壳（1）和腔体内壳（5）的中心部位贯穿有一圆形通道（6），所述的圆形通道（6）内插装有一起保护的测量管（8），所述的腔体外壳（1）上下部分别贯穿有微波信号输入探针（2）和微波信号输出探针（3）。

4.根据权利要求3所述的一种微波高速在线烟支密度和水分检测装置，其特征在于：所述的法兰与腔体外壳（1）之间通过螺栓连接。

5.根据权利要求1所述的一种微波高速在线烟支密度和水分检测装置，其特征在于：所述的检波模块由两部分组成，一部分用来对谐振腔的输出微波信号进行检波，得到经过烟支吸收后的微波能量值，一部分用来对微波信号发生模块的微波信号检波，得到原始微波信号的变化情况，用来修正烟支的密度和水分计算。

6.根据权利要求1所述的一种微波高速在线烟支密度和水分检测装置，其特征在于：所述的高速数据采集模块是由高速AD转换模块组成，主要用来对检波后的微波信号进行高速的转换和采样，将模拟信号转换为数字信号传输到数据处理模块。

7.根据权利要求1所述的一种微波高速在线烟支密度和水分检测装置，其特征在于：所述的数据处理模块是整个装置的控制中心，其核心由一块高速DSP芯片组成，主要用来切换微波信号，协调整个装置的运行，处理高速数据采集模块采集的微波信号数据，经过计算和分析，得到烟支的密度数据和水分数据,同时控制恒温装置，得到一个温度恒定的工作环境，提高系统稳定性。