CN109085185A - 一种测量粮食含水率的双重入式谐振腔在线测量装置 - Google Patents

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    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P7/00—Resonators of the waveguide type
    • H01P7/06—Cavity resonators

Abstract

本发明公开了一种测量粮食含水率的双重入式谐振腔在线测量装置，属于微波应用技术领域。该测试装置包括两个互耦对接的重入式样品腔和测试腔，其中样品腔中心位置设置有一样品桶，测试腔外侧对称设置有两个耦合结构，所述耦合结构通过探针伸入测试腔内，实现测试腔与测量仪器之间的耦合。该测量装置既可以提高测试效率与测试精度，并且可以消除样品堆积密度对测试结果的影响，提高了测量装置的实用性。

Description

一种测量粮食含水率的双重入式谐振腔在线测量装置
技术领域
本发明属于微波应用技术领域，具体涉及一种由高Q值、双重入式谐振腔组成的基于复介电常数测试的高精度粮食含水率检测装置。
背景技术
粮食含水率是粮食品质评价的重要指标之一，它的检测对粮食的存储、收购、运输、加工等环节都具有十分重要的意义。粮食过高的含水率，容易导致粮食的发芽、霉变等，不利于其存储与运输。而粮食过低的含水率则会影响它的营养价值，降低种子的发芽率。因此，高精度粮食含水率的检测对提高粮食品质，提高经济收益起着至关重要的作用。
粮食含水率的检测通常采用烘箱法，即计算粮食干燥前后重量的比值。这种方法检测精度高，但是耗时较多，且操作条件要求较复杂，因此在实际应用中很少采用。国内外粮食含水率的检测通常还采用间接法，即通过检测与水含量有关的物理量(介电常数、反射系数等)来测定粮食的含水率。间接法中按照其工作机理不同又可以分电阻法、电容法、中子法、微波法或红外法等，其测量耗时、精度和操作复杂程度等各不相同。
采用微波检测技术检测粮食含水率，是利用粮食介质对微波的反射、透射、谐振等物理特性，通过微波空间辐射与介质发生相互作用，能够在线、无损、高精度检测，且操作简单。当微波检测的粮食电介质为低损耗物料，通常采用谐振腔法检测。
2003年期刊“Analysis and design of a re-entrant microwave cavity forthe characterisation of single wheat grain kernels.IEE PROCEEDINGS-SCIENCEMEASUREMENT AND TECHNOLOGY，2003，p113-117”中利用单重入式谐振腔对单粒粮食进行含水率检测。此方法谐振腔仅对单粒粮食含水率进行检测，一次检测的样本数量过少，对整个粮食含水率预估的等价模型存在明显缺陷。
本发明采用的双重入式谐振腔结构对粮食水含量进行在线检测，不仅解决了上述方法中单粒检测效率过低和模型缺陷等问题，同时该测量方法的Q值更高，检测精度更准确。
发明内容
本发明提供了一种测量粮食含水率的双重入式谐振腔在线测量装置，该测量装置既可以提高测试效率与测试精度，并且可以消除样品堆积密度对测试结果的影响。
一种测量粮食含水率的双重入式谐振腔在线测量装置，包括两个互耦对接的重入式样品腔和测试腔，其中样品腔中心位置设置有一样品桶，测试腔外侧对称设置有两个耦合结构，所述耦合结构通过探针伸入测试腔内，实现测试腔与测量仪器之间的耦合。
进一步地，所述样品腔与测试腔外侧为金属外壳。
进一步地，所述样品桶与样品腔的金属外壳之间紧密贴合。
本发明装置采用微波法测水含量，依靠测量微波频率下样品的介电特性及其与材料含水量的相关性求得其含水率。该技术基于样品的复介电常数ε(ε＝ε′-jε″)，可以用谐振技术来测量。其中谐振腔中心频率的偏移与其复介电常数的实部ε'有关，而振幅变化与复介电常数的虚部jε″有关。因此可以通过测量谐振腔谐振频率f与-3dB频率宽度BW数值的变化以此来推测样品的含水率。
当本发明装置测量大量的样品时，必须要考虑样品堆积密度对测量结果的影响。假设定义与函数率关联函数
其中fu和BWU是无负载情况下测得的谐振频率和带宽，而fL和BWL是有负载的谐振腔的谐振频率和带宽。研究发现如果对于具有恒定水分的不同数量样品进行测量，Ψ是恒定的，由此证明角度Ψ与样本的堆积密度无关。因此实验通过同一样品不同数量情况下的多个角度Ψ值，利用多项式插值方法找到一条统计平均直线与其含水率对应。即本发明装置测量样品含水率的计算流程如下：
(1)测量无载谐振腔的频率和带宽。
(2)将测试样品填入谐振腔，并测量不同加载情况下的谐振频率和带宽。
(3)根据不同的点(fL-fU，BWL-BWU)通过多项式插值算法拟合出一条与样品含水率相关的直线。
(4)利用烘箱法测得加载样品的标准含水率，并与步骤(3)所得Ψ对应，这样就可以得到一系列与标准含水率对应的Ψ值表。
(5)采用本装置测得待测样品的Ψ值，通过查表就可得到待测样品的含水率。
本发明装置具有以下有益效果：
1、本发明装置为在线测试系统，检测效率和样品等效模型建立合理。
2、本发明装置的谐振腔工作在TM010模式。相对于其他模式，该模式的谐振腔拥有更高的Q值，从而可以提高系统的测量精度。
3、本发明装置采用双重入式谐振腔设计,能够形成更均匀的场分布，这样可以消除样品堆积密度影响。
4、本发明装置采用样品腔体与测试腔体分离，更方便待测样品的填充，提高了系统的实用性。
附图说明
图1为本发明的粮食含水率测量装置的三维立体图
图2为本发明的粮食含水率测量装置的主视图
图3为本发明的粮食含水率测量装置的俯视图
图4为本发明的粮食含水率测量装置的主视剖面图
图5为本发明的粮食含水率测量装置的左腔侧视剖面图
图6为本发明的粮食含水率测量装置的右腔侧视剖面图
图中：1.样品腔，2.测试腔，3.耦合结构，4.固定螺丝，5.样品桶。6.样品腔与测试腔之间的互联孔。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。
本测量装置由左右两个重入式谐振腔互耦对接构成，两个谐振腔分别为样品腔和测试腔，其外壳为金属铜。所述样品腔中心放置有一个聚四氟乙烯材料制成的圆柱形样品桶；右边的测试腔外侧对称设置有一对耦合结构，耦合结构通过探针伸入测试腔内，用于实现谐振腔与测量仪器之间耦合；左、右重入式谐振腔通过互联孔间电场耦合实现互联。
具体的，本实施例测量装置尺寸参数如下：样品桶的外直径c为30mm，厚度为2mm，高为60mm。测量装置金属外壳内空腔部分，a＝20mm，b＝60mm，d＝13mm，e＝10mm，f＝30mm，g＝10mm。
本发明的测量步骤如下：
1、测量前首先校准网络幅相检测模块，然后用同轴电缆连接网络幅相检测模块和该检测装置。
2、将盛样品的样品桶放置进样品腔，等待测试。
3、首先测量空腔时(放置有空样品桶)整个谐振腔的传递参数，记录空腔传递函数数据，然后将待测样品(粮食)放入样品桶，记录加载负载(粮食)后传递函数数据。
4、将网络幅相检测模块记录的空腔和加载负载的传递函数数据利用解析或数值求解方式进行反演，得到被测量样品的含水率。
本发明通过测量粮食装载前后的谐振频率与带宽实现粮食含水率的检测，具有较高的测量精度和稳定性，并可修正由于粮食的堆积密度带来的测量误差，且能适应粮食加工现场的高温、高压等复杂工况。

Claims (4)

1.一种测量粮食含水率的双重入式谐振腔在线测量装置，其特征在于：该测量装置包括两个互耦对接的重入式样品腔和测试腔，其中样品腔中心位置设置有一样品桶，测试腔外侧对称设置有两个耦合结构，所述耦合结构通过探针伸入测试腔内，实现测试腔与测量仪器之间的耦合。
2.如权利要求1所述的一种测量粮食含水率的双重入式谐振腔在线测量装置，其特征在于：所述样品腔与测试腔外侧为金属外壳。
3.如权利要求2所述的一种测量粮食含水率的双重入式谐振腔在线测量装置，其特征在于：所述样品桶与样品腔的金属外壳之间紧密贴合。
4.采用如权利要求1所述的一种测量粮食含水率的双重入式谐振腔在线测量装置测量样品含水率的方法，其计算流程如下：
(1)测量无载谐振腔的频率fu和带宽BWU；
(2)将不同的测试样品填入谐振腔，并测量不同加载情况下的谐振频率fL和带宽BWL；
(3)通过多项式插值算法计算不同含水率样品的Ψ值，拟合出一条与样品含水率相关的直线；
(4)利用烘箱法测得加载不同样品的标准含水率，并与步骤(3)所得Ψ值对应，得到与标准含水率对应的Ψ值表；
(5)采用本装置测得待测样品的Ψ值，通过查表得到待测样品的含水率。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112230068A (zh) * 2020-09-21 2021-01-15 电子科技大学 基于重入式同轴腔的可调频复介电常数测试系统及方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0511651A2 (en) * 1991-04-30 1992-11-04 Ivac Corporation In-line fluid monitor system and method
EP0889321A1 (de) * 1997-07-02 1999-01-07 TEWS ELEKTRONIK Dipl.-Ing. Manfred Tews Feuchte- und Dichtesensor
CN1654948A (zh) * 2004-02-12 2005-08-17 特鲁菲舍尔股份有限公司及两合公司 用于测量产品介电性能的微波传感器
CN1869669A (zh) * 2001-03-15 2006-11-29 豪尼机械制造股份公司 测量装置
CN101145629A (zh) * 2006-09-12 2008-03-19 中国电子科技集团公司第四十一研究所 一种可以实时校准的微波谐振传感器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0511651A2 (en) * 1991-04-30 1992-11-04 Ivac Corporation In-line fluid monitor system and method
EP0889321A1 (de) * 1997-07-02 1999-01-07 TEWS ELEKTRONIK Dipl.-Ing. Manfred Tews Feuchte- und Dichtesensor
CN1869669A (zh) * 2001-03-15 2006-11-29 豪尼机械制造股份公司 测量装置
CN1654948A (zh) * 2004-02-12 2005-08-17 特鲁菲舍尔股份有限公司及两合公司 用于测量产品介电性能的微波传感器
CN101145629A (zh) * 2006-09-12 2008-03-19 中国电子科技集团公司第四十一研究所 一种可以实时校准的微波谐振传感器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
卢智远等: "烟支湿度与密度检测的微波谐振腔传感器研究", 《传感技术学报》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112230068A (zh) * 2020-09-21 2021-01-15 电子科技大学 基于重入式同轴腔的可调频复介电常数测试系统及方法

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