CN108459032A - 一种双探头差分式微波在线测量含水率的装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微波应用技术领域，具体涉及一种双探头差分式微波在线测量含水率装置及测量方法。装置由微波探头单元、探头固定座、滑动平台、丝杠导轨单元、伺服电机单元及信号显示控制单元组成。双微波探头沿物料输送方向安装于探头固定座上，垂直高度相差1/4个微波波长，整体固定在丝杠导轨单元中的滑动平台上，伺服电机与丝杠导轨单元相连接控制滑动平台的移动，信号显示控制单元控制伺服电机转动使双微波探头分别处于相位极值点位置，通过同步延时的方式采集双探头数据进行差分反演运算处理，得到被测物料水分信息。本发明提高测量精度，可以实现传送带上粮食、砂石、化工品等材料含水率的快速无损伤检测。
Description
技术领域
本发明属于微波应用技术领域，具体涉及一种双探头差分式微波在线测量含水率的装置及测量方法。
背景技术
在粮食储运、食品加工、煤石开采、肥料生产等行业中，材料的含水率对产品性能、质量及生产效率有非常重要的影响。例如，粮食的储藏和运输过程，过高的含水率易引起发芽、霉变，含水率过低则会破坏内部结构，导致颗粒易碎、营养成分流失；在建筑行业，混凝土砂石和水分配比中，水分含量直接影响房屋桥梁等设施的建筑质量。因此在提倡高效、精准工农业的当下，材料含水率的快速、无损、高精度在线测量成为迫切需求。
水分测量最直接的方式是湿基法，采用物理或化学方式去除样品中水分，根据重量损失进行计算，这种方式耗时长、效率低，有破坏性，一般适用于定标和验证。间接测量方法包括电阻法、电容法、红外法、射线法及微波法等，每种方法的特点和适用范围各不相同。对于工农业在线测量领域，不但要求在材料动态传输过程中测量结果的快速准确，同时还应保证方法的安全性和非破坏性，这对检测技术提出了更高的要求。
微波水分检测是近些年发展起来的一项新技术，水的介电常数很高，在微波频段存在介电损耗的极大值，因此通过检测微波与材料作用后产生的能量损耗、相移等电磁波参数的变化，可换算出材料水分含量。微波检测具有穿透性好、测量速度快、抗干扰能力强、安全无损等特点，特别适用于工农业在线测量领域。
目前，微波法含水率在线测量分为透射和反射两种方式，透射法受到能量传输衰减限制，当生产线上被测材料厚度较大或含水率较高的情况下，透射衰减分辨率呈指数下降，同时传送带不同材质会对微波透射传输产生较大影响；反射法测量只需要确定被测材料的一个界面，测量结果不受材料厚度及传送带材质影响，但在颗粒材料含水率测量应用中，材料表面颗粒无规则分布对微波的散射干扰严重，导致动态测量存在较大误差。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺陷，为提高微波反射法含水率在线测量的精度，减小动态误差，本发明的目的在于提供一种双探头差分式含水率在线测量装置及测量方法，采用微波空间反射方式，通过发射接收一体的腔体混频探头与材料垂直入射降低散射误差；测量过程中双微波探头分别处于空间行驻波相位极大值与极小值位置，通过差分运算提高测量精度；采用延时测量的方式获取数据，使双微波探头测量结果与传送带传输同步，减小随机误差，得出被测材料含水率。
本发明通过如下技术方案实现：
一种双探头差分式微波在线测量含水率的装置，包括伺服电机单元1、丝杠导轨单元2、滑动平台3、探头固定座4、第一双微波探头5、第二双微波探头6及信号显示控制单元9；其中，所述的伺服电机单元1固定于丝杠导轨单元2的上方，伺服电机单元1的电机信号线与信号显示控制单元9相连，当有控制信号输入时，由伺服电机单元1的电动机将电能转换为动能，牵引丝杠导轨单元2的滚珠丝杠转动；滑动平台3安装于丝杠导轨单元2之上，随着滚珠丝杠的转动，滑动平台3可以沿着直线导轨上下自由移动；探头固定座4安装固定于滑动平台3之上，第一双微波探头5、第二双微波探头6分别安装于探头固定座4的左右两侧不同位置的探头安装孔上；所述传送带8位于第一双微波探头5及第二双微波探头6的下方，对被测物料7进行传输运送，与测量装置不直接接触；所述被测物料7平铺于传送带8上方，保持相对平整地通过第一双微波探头5、第二双微波探头6下方进行测量；信号显示控制单元9为装置提供电源输出，对伺服电机单元1进行控制，并采集第一双微波探头5及第二双微波探头6的测量输出信号，进行相应的运算处理输出含水率数值。
进一步地，所述的第一双微波探头5及第二双微波探头6均由微波腔体振荡器和喇叭天线组成，微波腔体振荡器采用BJ100标准矩形波导，产生X波段微波信号，频率范围为8-12GHz，功率范围为5-30mw，直流激励电压为8-12V；喇叭天线采用角锥或圆锥形，在10GHz的中心频率增益不小于10dB。
进一步地，所述的第一双微波探头5及第二双微波探头6安装垂直高度差为1/4个微波工作波长。
进一步地，所述的探头固定座4上的两个探头安装孔的中心间距等于1/4个微波工作波长，探头安装孔与滑动平台3表面的水平距离等于传送带8宽度的1/2。
进一步地，所述的丝杠导轨单元2，由位于中间的滚珠丝杠、位于两侧的直线导轨、位于下部的装置底座组成。
进一步地，所述的被测物料7为粮食、砂石或化工品的颗粒状堆积材料。
进一步地，所述的信号显示控制单元9包括A/D转换器、单片机运算控制单元、电机驱动模块、电源模块及显示输出模块，其中，A/D转换器实现对微波探头模拟信号的采集和转换，单片机运算控制单元实现数字信号采集、内部运算处理、电机驱动模块的控制及显示输出模块的控制功能；电源模块将220V50Hz的民用市电转换为系统各单元电路所需的直流电源。
一种双探头差分式微波在线测量含水率的装置的测量方法，具体步骤如下：
S1、测量装置初始化复位；
根据被测物料7的实际传输高度不同，装置首先进行初始化复位，使靠近被测物料7的微波探头的喇叭天线端口紧贴被测物料7的表面；
S2、确定微波探头的最佳测量灵敏度位置；
由信号显示控制单元9控制伺服电机单元1转动，使第一双微波探头5及第二双微波探头6的高度逐渐上升，微波探头信号输出呈周期性变化，由信号显示控制单元9对测量数据进行采集和比较，当使靠近被测物料7的微波探头的输出信号达到最大峰值时，伺服电机单元1停止转动，微波探头处于最佳测量灵敏度位置；其中，微波探头信号输出形式如下：
式中，混频电导g1为常数，US是反射回波幅值，与被测材料含水率正相关，是反射回波相位相对值，微波探头每移动1/2个波长距离，值变化360度，(具体混频原理及传感器设计参考文献：张涛,李陈孝.基于混频技术的反射式微波含水率测量装置；中国,CN102262096A[P],2011-11-30)；
S3、双微波探头同步延时测量；
第一双微波探头5与第二双微波探头6的水平间距为d3，为保证双探头在传送带8以速度Vs运输过程中测量区域相同，信号显示控制单元9在完成对靠近被测物料7的微波探头的数据采集后，延时Δt后对另外一个微波探头进行数据采集，时间间隔Δt计算方式如下：
Δt＝d3/Vs (2)
S4、数据差分反演运算处理；
进行同步延时测量后，由信号显示控制单元9进行数据差分反演运算，得出被测物料7的实时含水率，两个微波探头的输出信号分别为x5和x6，则含水率Y的差分反演运算方式如下：
Y＝K(x5-x6)+b (3)
式中K、b为线性拟合系数，当被测物料7的具体材料确定后，拟合系数为常量，K、b的确定方法可以通过预先测量已知含水率样品的双微波探头信号输出变化反推得到。
S5、材料含水率实时显示输出。
经差分反演运算处理后，通过信号显示控制单元9中的显示输出模块对被测物料7的含水率进行实时显示输出。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
本发明的测量装置能够对传送带上粮食、砂石或其他颗粒材料的含水率进行快速、高精度无损测量，使测量结果不受材料厚度、传送带材质及传输速度影响。该装置结构简单，动态测量精度高、稳定性强，能够实现自动、连续的数据采集运算输出，尤其适用于传送带物料厚度较大及含水率较高的场景。
附图说明
图1为本发明的一种双探头差分式微波在线测量含水率的装置的结构示意图；
图2为本发明的一种双探头差分式微波在线测量含水率的装置的侧视图；
图3为本发明的一种双探头差分式微波在线测量含水率的装置的信号显示控制单元的结构示意图；
图4为本发明的微波探头的信号输出与位置变化关系图；
图5为本发明实施例1不同含水率玉米双探头测量输出结果图；
图6为本发明的一种双探头差分式微波在线测量含水率的装置的差分输出及线性拟合结果图；
图中：伺服电机单元1、丝杠导轨单元2、滑动平台3、探头固定座4、第一双微波探头5、第二双微波探头6、被测物料7、传送带8、信号显示控制单元9。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步地说明。
实施例1：
如图1所示，一种双探头差分式微波在线测量含水率的装置，包括伺服电机单元1、丝杠导轨单元2、滑动平台3、探头固定座4、第一双微波探头5、第二双微波探头6及信号显示控制单元9；其中，所述的伺服电机单元1固定于丝杠导轨单元2的上方，伺服电机单元1的电机信号线与信号显示控制单元9相连，当有控制信号输入时，由伺服电机单元1的电动机将电能转换为动能，牵引丝杠导轨单元2的滚珠丝杠转动；滑动平台3安装于丝杠导轨单元2之上，随着滚珠丝杠的转动，滑动平台3可以沿着直线导轨上下自由移动；探头固定座4安装固定于滑动平台3之上，第一双微波探头5、第二双微波探头6分别安装于探头固定座4的左右两侧不同位置的探头安装孔上；所述传送带8位于第一双微波探头5及第二双微波探头6的下方，对被测物料7进行传输运送，与测量装置不直接接触；所述被测物料7平铺于传送带8上方，保持相对平整地通过第一双微波探头5、第二双微波探头6下方进行测量；信号显示控制单元9为装置提供电源输出，对伺服电机单元1进行控制，并采集第一双微波探头5及第二双微波探头6的测量输出信号，进行相应的运算处理输出含水率数值。
所述的第一双微波探头5及第二双微波探头6均由微波腔体振荡器和喇叭天线组成，中心频率为10.5GHz，功率为20mW，直流激励电压为8V，波导腔体采用BJ100标准长度22.9mm，宽度10.2mm，喇叭天线采用圆锥形结构，由合金或金属膜材质制作，辐射角度为±6度，在中心频率10.5GHz的有效增益为15dB左右，对应的微波工作波长为2.85cm，第一双微波探头5及第二双微波探头6的垂直高度差d1为1/4波长等于0.71cm。
玉米材料传送带8采用槽型托辊结构，宽度为50cm-120cm之间，传输速度Vs为0.8-2.5m/s，探头固定座4上的探头安装孔与滑动平台3表面的水平距离d4为传送带宽度一半25cm-60cm，双微波探头安装水平间距d3为40-60cm之间，根据公式2计算，双微波探头同步延时测量时间间隔Δt为0.16-0.75s，装置完成单次双探头测量时间小于1秒，满足快速实时测量应用。
所述的丝杠导轨单元2，由位于中间的滚珠丝杠、位于两侧的直线导轨、位于下部的装置底座组成。
所述的信号显示控制单元9，单片机运算控制单元采用32位ARM核心STM32F103系列处理器，采用3.6V供电，芯片工作频率设置为72MHz，为降低成本，A/D转换器选用STM32处理器内部集成模数转换器，12位转换精度和1μs的单次转换采集时间满足测量需求。电机驱动模块选用MA860H系列电机驱动器，采用24V-48V直流电压供电，额定电流4A-6A，通过STM32处理器的PWM脉冲输出控制驱动伺服电机单元1电机转动，电机采用86式步进电机设计，输出扭矩范围为4-10NM，控制丝杠导轨单元2中滑动平台3的有效滑动距离大于20cm，最大垂直载重大于5Kg。显示输出模块采用1602液晶屏设计，分别显示测量材料及实时含水率。
具体地，本发明装置应满足如下安装参数要求：
1)探头固定座4上下两个横向探头安装孔的中心间距为d1等于1/4个微波工作波长，则安装后第一双微波探头5与第二双微波探头6垂直高度差同样为d1，此时双探头输出彼此反相，相差180度相角；
2)含水率测量过程中，靠近传送带的第一双微波探头5与被测物料7表面间距为d2，此距离影响微波探头的测量灵敏度，在测量初始阶段由装置通过微波相位极值检测确定最佳灵敏度位置d2大小；
3)微波探头5与微波探头6安装后水平间距为d3保持不变，在线测量过程中由信号控制处理单元9结合d3以及传送带上物料传输速度Vs进行运算，确定双探头同步测量的数据采集时间间隔Δt；
4)探头固定座4上的探头安装孔与滑动平台3表面的水平距离为d4，如附图2装置结构侧视示意图，d4大小等于传送带8宽度的1/2，以保证第一双微波探头5与第二双微波探头6相对于传送带8的中心位置测量。
具体地，本发明所述第一双微波探头5与第二双微波探头6由微波腔体振荡器和喇叭天线组成，微波腔体振荡器采用BJ100标准矩形波导设计，产生X波段微波信号，频率范围为8-12GHz，功率范围为5-30mw，直流激励电压为8-12V，喇叭天线采用角锥或圆锥形设计，在10GHz的中心频率增益不小于10dB。波导腔内部安装有振荡二极管及混频二极管，微波本振信号由振荡二极管产生，通过喇叭天线发出，与材料作用后反射的回波信号在混频二极管上与微波本振信号混频，信号输出形式如下：
式中，混频电导g1为常数，US是反射回波幅值，与被测材料含水率正相关，是反射回波相位相对值，微波探头每移动1/2个波长距离，值变化360度，(具体混频原理及传感器设计参考文献：张涛,李陈孝.基于混频技术的反射式微波含水率测量装置；中国,CN102262096A[P],2011-11-30)。
本发明中第一双微波探头5与第二双微波探头6垂直高度差为1/4个波长，彼此相位相差180度，根据公式(1)可知混频后输出信号I0彼此反相。装置通过对微波探头5与被测物料8的表面间距d2的调节，使微波探头5与微波探头6分别处于相位为0度和180度位置，此时装置具有最佳测量灵敏度。
实施例2
一种双探头差分式微波在线测量含水率的装置的测量方法，具体步骤如下：
S1、测量装置初始化复位；
根据被测物料7的实际传输高度不同，装置首先进行初始化复位，使靠近被测物料7的微波探头的喇叭天线端口紧贴被测物料7的表面；
S2、确定微波探头的最佳测量灵敏度位置；
由信号显示控制单元9控制伺服电机单元1转动，使第一双微波探头5及第二双微波探头6的高度逐渐上升，微波探头信号输出呈周期性变化，由信号显示控制单元9对测量数据进行采集和比较，当使靠近被测物料7的微波探头的输出信号达到最大峰值时，伺服电机单元1停止转动，微波探头处于最佳测量灵敏度位置；其中，微波探头信号输出形式如下：
式中，混频电导g1为常数，US是反射回波幅值，与被测材料含水率正相关，是反射回波相位相对值，微波探头每移动1/2个波长距离，值变化360度，(具体混频原理及传感器设计参考文献：张涛,李陈孝.基于混频技术的反射式微波含水率测量装置；中国,CN102262096A[P],2011-11-30)；
如图4所示为初始含水率6.8％的玉米样品测量结果，横坐标显示第一微波探头5与被测物料7的表面间距d2的改变，纵坐标为探头输出电压变化值。随着距离的不断增加，探头输出信号呈连续周期性变化，符合公式1理论推导。在测量步骤S2阶段，由信号显示控制单元9对传感器输出信号进行采集和比较，确定纵坐标波峰最大电压值为1.61V，所对应的横坐标第一微波探头5的位置d2等于9.8mm，对于10.5GHz微波频率一个完整波长为28.5mm，第一微波探头5与第二微波探头6垂直高度差d1为1/4波长等于7.1mm，因此第二微波探头6与被测物料7表面间距为16.9mm，输出信号处于周期内最小值附近。
S3、双微波探头同步延时测量；
第一双微波探头5与第二双微波探头6的水平间距为d3，为保证双探头在传送带8以速度Vs运输过程中测量区域相同，信号显示控制单元9在完成对靠近被测物料7的微波探头的数据采集后，延时Δt后对另外一个微波探头进行数据采集，时间间隔Δt计算方式如下：
Δt＝d3/Vs (2)
S4、数据差分反演运算处理；
进行同步延时测量后，由信号显示控制单元9进行数据差分反演运算，得出被测物料7的实时含水率，两个微波探头的输出信号分别为x5和x6，则含水率Y的差分反演运算方式如下：
Y＝K(x5-x6)+b (3)
式中K、b为线性拟合系数，当被测物料7的具体材料确定后，拟合系数为常量，K、b的确定方法可以通过预先测量已知含水率样品的双微波探头信号输出变化反推得到。
首先准备已知含水率测量样品。本例中通过自然晾晒风干的玉米初始含水率为6.8％，等分为9份测量样品，以含水率约3％递增进行人工加水混合配比，搅拌均匀后密封静置24小时以上，最终得到玉米样品含水率的范围为6.8％-30.1％。经过步骤2操作后，装置处于最佳灵敏度位置，随后对不同含水率样品进行双探头差分测量，测量结果如图5所示，上方正方形数据点为第一微波探头5输出x5，下方圆形数据点为第二微波探头6测量输出x6，随玉米含水率增加二者变化趋势相反。图6纵坐标为双探头数据差分运算x5-x6结果，横坐标为含水率Y的变化，采用origin软件进行数据拟合后得到图中的线性关系方程为：
Y＝65(x5-x6)-39.95 (4)
对应公式3得到线性拟合系数K为65，b为-39.95，通过上述方法完成对装置标定后，后续玉米含水率在线测量过程中，信号显示控制单元9得到双探头测量数据x5与x6后，根据公式4完成含水率Y的反演转换与输出。
S5、材料含水率实时显示输出。
经差分反演运算处理后，通过信号显示控制单元9中的显示输出模块对被测物料7的含水率进行实时显示输出。
Claims (8)
1.一种双探头差分式微波在线测量含水率的装置，其特征在于，包括伺服电机单元(1)、丝杠导轨单元(2)、滑动平台(3)、探头固定座(4)、第一双微波探头(5)、第二双微波探头(6)及信号显示控制单元(9)；其中，所述的伺服电机单元(1)固定于丝杠导轨单元(2)的上方，伺服电机单元(1)的电机信号线与信号显示控制单元(9)相连，当有控制信号输入时，由伺服电机单元(1)的电动机将电能转换为动能，牵引丝杠导轨单元(2)的滚珠丝杠转动；滑动平台(3)安装于丝杠导轨单元(2)之上，随着滚珠丝杠的转动，滑动平台(3)可以沿着直线导轨上下自由移动；探头固定座(4)安装固定于滑动平台(3)之上，第一双微波探头(5)、第二双微波探头(6)分别安装于探头固定座(4)的左右两侧不同位置的探头安装孔上；所述传送带(8)位于第一双微波探头(5)及第二双微波探头(6)的下方，对被测物料(7)进行传输运送，与测量装置不直接接触；所述被测物料(7)平铺于传送带(8)上方；信号显示控制单元(9)为装置提供电源输出，对伺服电机单元(1)进行控制，并采集第一双微波探头(5)及第二双微波探头(6)的测量输出信号，进行处理输出含水率数值。
2.如权利要求1所述的一种双探头差分式微波在线测量含水率的装置，其特征在于，所述的第一双微波探头(5)及第二双微波探头(6)均由微波腔体振荡器和喇叭天线组成，微波腔体振荡器采用BJ100标准矩形波导，产生X波段微波信号，频率范围为8-12GHz，功率范围为5-30mw，直流激励电压为8-12V；喇叭天线采用角锥或圆锥形，在10GHz的中心频率增益不小于10dB。
3.如权利要求1所述的一种双探头差分式微波在线测量含水率的装置，其特征在于，所述的第一双微波探头(5)及第二双微波探头(6)安装垂直高度差为1/4个微波工作波长。
4.如权利要求1所述的一种双探头差分式微波在线测量含水率的装置，其特征在于，所述的探头固定座(4)上的两个探头安装孔的中心间距等于1/4个微波工作波长，探头安装孔与滑动平台(3)表面的水平距离等于传送带(8)宽度的1/2。
5.如权利要求1所述的一种双探头差分式微波在线测量含水率的装置，其特征在于，所述的丝杠导轨单元(2)，由位于中间的滚珠丝杠、位于两侧的直线导轨、位于下部的装置底座组成。
6.如权利要求1所述的一种双探头差分式微波在线测量含水率的装置，其特征在于，所述的被测物料(7)为粮食、砂石或化工品的颗粒状堆积材料。
7.如权利要求1所述的一种双探头差分式微波在线测量含水率的装置，其特征在于，所述的信号显示控制单元(9)包括A/D转换器、单片机运算控制单元、电机驱动模块、电源模块及显示输出模块，其中，A/D转换器实现对微波探头模拟信号的采集和转换，单片机运算控制单元实现数字信号采集、内部运算处理、电机驱动模块的控制及显示输出模块的控制功能；电源模块将220V50Hz的民用市电转换为系统各单元电路所需的直流电源。
8.如权利要求1所述的一种双探头差分式微波在线测量含水率的装置的测量方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1、测量装置初始化复位；
根据被测物料(7)的实际传输高度不同，装置首先进行初始化复位，使靠近被测物料(7)的微波探头的喇叭天线端口紧贴被测物料(7)的表面；
S2、确定微波探头的最佳测量灵敏度位置；
由信号显示控制单元(9)控制伺服电机单元(1)转动，使第一双微波探头(5)及第二双微波探头(6)的高度逐渐上升，微波探头信号输出呈周期性变化，由信号显示控制单元(9)对测量数据进行采集和比较，当使靠近被测物料(7)的微波探头的输出信号达到最大峰值时，伺服电机单元(1)停止转动，微波探头处于最佳测量灵敏度位置；其中，微波探头信号输出形式如下：
式中，混频电导g1为常数，US是反射回波幅值，与被测材料含水率正相关，是反射回波相位相对值，微波探头每移动1/2个波长距离，值变化360度；
S3、双微波探头同步延时测量；
第一双微波探头(5)与第二双微波探头(6)的水平间距为d3，为保证双探头在传送带(8)以速度Vs运输过程中测量区域相同，信号显示控制单元(9)在完成对靠近被测物料(7)的微波探头的数据采集后，延时Δt后对另外一个微波探头进行数据采集，时间间隔Δt计算方式如下：
Δt＝d3/Vs (2)
S4、数据差分反演运算处理；
进行同步延时测量后，由信号显示控制单元(9)进行数据差分反演运算，得出被测物料(7)的实时含水率，两个微波探头的输出信号分别为x5和x6，则含水率Y的差分反演运算方式如下：
Y＝K(x5-x6)+b (3)
式中K、b为线性拟合系数，当被测物料(7)的具体材料确定后，拟合系数为常量，K、b的确定方法可以通过预先测量已知含水率样品的双微波探头信号输出变化反推得到。
S5、材料含水率实时显示输出。
经差分反演运算处理后，通过信号显示控制单元(9)中的显示输出模块对被测物料(7)的含水率进行实时显示输出。
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