CN109632833A - 一种应用于谷物含水率检测系统的微波天线检测距离优化装置及其方法 - Google Patents

一种应用于谷物含水率检测系统的微波天线检测距离优化装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于谷物含水率检测系统的微波天线检测距离优化装置及其方法，装置包括微波发射端、微波接收端、天线升降平台和控制单元；微波发射端和微波接收端分别滑动设置在天线升降平台的下半空间和上半空间，控制单元处理分析来自微波发射端和微波接收端的微波信号与超声波测距传感器信号，控制天线升降平台移动微波发射端和微波接收端调节检测距离。本发明微波天线检测距离优化方法综合考虑天线远场条件、含水率检测结果代表性和减小微波空间传输损耗这三个条件对检测距离设置的要求，帮助谷物含水率检测系统确定并自动调整至不同检测频率下的最优检测距离，提高谷物含水率检测系统的检测精度。

Description

一种应用于谷物含水率检测系统的微波天线检测距离优化装 置及其方法
技术领域
本发明涉及谷物含水率检测，尤其是涉及一种应用于谷物含水率检测系统的微波天线检测距离优化装置及其方法，主要适用于使用微波传递谷物含水率信息的检测系统中确定检测距离，综合考虑天线远场条件、含水率检测结果代表性和减小微波空间传输损耗这三个条件对检测距离设置的要求，能够帮助谷物含水率检测系统确定并自动调整至不同检测频率下的最优检测距离，是提高谷物含水率检测系统精度的关键装置。
技术背景
含水率是谷物的一个重要特性，对其物理、化学性质有着很大的影响。谷物的含水率影响其收获、存储、运输、加工等各个方面，更是某些粮食谷物质量评判的关键指标。微波检测方法作为一种新兴的谷物含水率检测方法，可以实现非接触式无损检测，其中的空间波透射法允许微波以空间辐射方式穿透待测的谷物，不仅可以检测谷物外表水，还可以检测谷物内部水分，含水率检测结果代表性好，故微波空间波透射法越来越多地应用到谷物含水率检测系统当中。
空间波透射法需要两只微波天线安装在被测物料的上下两侧，一只天线发射微波，另外一只接收微波，发射天线到被测物料的距离称为检测距离，在微波检测领域，利用微波获取材料特性的实验装置中，只为满足天线远场条件，一般可以通过手动粗略地调节该检测距离，而目前的使用微波传递谷物含水率信息的检测系统中，发射天线和接收天线的位置一般是固定的，发射天线到被测物料的检测距离完全是随机的，而且不易调整。关于检测距离的设置，首先就要考虑天线远场条件，避免收、发天线处在近场区，因为此时不但天线的方向图没有形成，而且在近场范围内的任何导电体甚至介质物体都被看成是天线电磁边界条件的一部分，影响天线的实际使用效果，远场条件限制了收、发天线间的最小距离，也就决定了发射天线到被测物料的检测距离最小值；其次，一定频率下波束宽度是确定的，检测距离直接决定微波辐射到被测物料的面积，为使绝大部分的被测物料囊括在微波的辐射面积内，提高含水率检测结果的代表性，应将检测距离设置的较大一些；最后，考虑到在实际的测量过程中，由于被测样品的不均匀，微波在穿透被测样品时发生反射、散射和绕射，产生较大的微波空间传输损耗，对测量产生不利影响，为了减小这三种作用的影响，通常将检测距离设置的小一点，发射天线和接收天线安装的位置离被测样品尽可能近一些，以保证穿透被测样品后的微波更多地被接收天线接收，反射微波更多地被发射天线接收。检测距离设置的优劣将直接决定谷物含水率检测系统的精度甚至是可行性，因此，亟需一种能够平衡上述三点对于检测距离设置的要求，帮助谷物含水率检测系统确定并自动调整至不同检测频率下的最优检测距离，提高谷物含水率检测系统精度的微波天线检测距离优化装置。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前的使用微波获取谷物含水率的检测系统中，发射天线到被测物料的检测距离是固定的，无法针对不同的检测对象或者不同的检测频率调整检测距离，并且检测距离的设置并没有充分考虑天线远场条件、含水率检测结果代表性和减小微波空间传输损耗这三个条件对检测距离设置的要求，设置不合理的检测距离造成谷物含水率检测系统精度大大降低的问题，提供一种在谷物含水率检测系统处于不同工作频率下时，能够综合考虑天线远场条件、含水率检测结果代表性和减小微波空间传输损耗三个条件，确定并自动调整检测距离至最优检测距离，提高谷物含水率检测系统精度的微波天线检测距离优化装置。
本发明解决技术问题所采取的技术方案是：一种应用于谷物含水率检测系统的微波天线检测距离优化装置，包括微波发射端、微波接收端、天线升降平台和控制单元；微波发射端与微波接收端安装在天线升降平台上，微波发射端位于天线升降平台的下半空间，微波接收端位于天线升降平台的上半空间，天线升降平台提供Z轴方向的移动；微波发射端用于发射微波信号和根据超声波信号测量检测距离，微波接收端用于接收微波信号和根据超声波信号测量其与被测谷物间的距离，天线升降平台用于改变微波发射端和微波接收端在Z轴方向的位置来调节检测距离，控制单元处理分析来自微波发射端和微波接收端的微波信号与超声波测距传感器信号，控制天线升降平台移动微波发射端和微波接收端调节检测距离；控制单元根据远场条件确定检测距离的最小值dmin，由含水率检测结果代表性条件确定检测距离的最大值dmax，控制天线升降平台移动微波发射端和微波接收端从检测距离的最大值dmax开始，由减小微波空间传输损耗逐步逼近(dmin,dmax)中的最优检测距离dbest。
所述微波发射端包括微波发射天线、发射天线移动平台、发射端超声波测距传感器和发射端滑块；微波发射天线安装在发射天线移动平台的中心，天线口径面朝上，发射端超声波测距传感器和发射端滑块固定在发射天线移动平台上，发射天线移动平台通过发射端滑块滑动连接到天线升降平台。
所述微波接收端包括微波接收天线、接收天线移动平台、接收端超声波测距传感器和接收端滑块；微波接收天线安装在接收天线移动平台的中心，天线口径面朝下，接收端超声波测距传感器和接收端滑块固定在接收天线移动平台上，接收天线移动平台通过接收端滑块滑动连接到天线升降平台。
所述天线升降平台包括机架、导轨、发射端升降推杆和接收端升降推杆。机架是天线升降平台的基础，其是由铝合金型材和连接件组成的立体框架，长宽高尺寸为780*380*1250mm；四支导轨安装在机架高边的内侧，两两相对，与微波发射端和微波接收端的滑块相配合，允许微波发射端和微波接收端在导轨上升降运动；四支发射端升降推杆安装在机架的上部，其固定端固连在机架高边的外侧，伸出端通过销钉连接到微波发射端中发射天线移动平台的四个角点，伸出端伸出时带动发射天线移动平台沿导轨向下运动，微波发射端下降，伸出端缩回时带动发射天线移动平台沿导轨向上运动，微波发射端上升，四支发射端升降推杆的行程均达到500mm，满足微波发射端升降运动的要求；四支接收端升降推杆安装在机架的下部，其固定端固连在机架高边的外侧，伸出端通过销钉连接到微波接收端中接收天线移动平台的四个角点，伸出端伸出时带动接收天线移动平台沿导轨向上运动，微波接收端上升，伸出端缩回时带动接收天线移动平台沿导轨向下运动，微波接收端下降，四支接收端升降推杆的行程均达到500mm，满足微波接收端升降运动的要求；为避免发射端升降推杆和接收端升降推杆的运动之间发生干涉，发射端升降推杆和接收端升降推杆的固定端安装在机架高边不同平面的外侧，相互错开。
所述控制单元包括嵌入式计算机系统、微控制器、微波信号发生器、第一检波器、第二检波器、第三检波器、鉴相器、A/D转换器和环形器；嵌入式计算机系统、微波信号发生器、A/D转换器的输出端、发射端升降推杆、接收端升降推杆、发射端超声波测距传感器和接收端超声波测距传感器均与微控制器相连，微波信号发生器产生的微波信号一路连到第一检波器和鉴相器，另一路连到环形器；环形器的一个端口连接到微波发射天线，另一个端口连接到第二检波器；微波接收天线连到第三检波器和鉴相器；第一检波器、第二检波器、第三检波器和鉴相器均与A/D转换器的输入端相连；嵌入式计算机系统是控制单元的核心，它主要承担整个谷物含水率检测系统的计算任务，微控制器负责控制受控部件以及超声波测距传感器信号的处理，微波信号发生器产生含水率检测系统的微波信号；第一检波器、第二检波器和第三检波器均用于测量微波信号的衰减，鉴相器用于测量微波信号的相移。
本发明的另一目的是提供一种应用于谷物含水率检测系统的微波天线检测距离优化方法，该方法在上述的装置中实现，该方法包括如下步骤：
1)嵌入式计算机系统发送命令给微控制器，微控制器控制微波信号发生器产生含水率检测系统的微波信号；微波信号一路作为入射波信号传输至第一检波器和鉴相器；微波信号的另一路经环形器和微波发射天线辐射到待测谷物，再经微波接收天线接收作为透射波信号传输至第三检波器和鉴相器；从微波发射天线返回的部分信号作为反射波信号经环形器传输至第二检波器；由第一检波器、第二检波器、第三检波器和鉴相器产生的响应信号经过A/D转换器和微控制器的处理后，上传给嵌入式计算机系统；
2)嵌入式计算机系统根据远场条件确定检测距离的最小值dmin：
天线的辐射远场区是天线实际使用的区域，天线的远场条件为：
式中D是微波发射天线物理口径的最大尺寸，λ是微波的工作波长，r是被测对象距微波发射天线的距离；远场条件要求检测距离的最小值dmin＝rmin＝2D2/λ；嵌入式计算机系统根据当前微波的工作频率f计算微波的工作波长λ，再由远场条件确定检测距离的最小值dmin，记录下dmin的值并传输给微控制器；
3)由含水率检测结果代表性条件确定检测距离的最大值dmax：
大部分被测物料囊括在微波辐射面积内就可以保证含水率检测结果的代表性；根据半功率点波束宽度和待测物料的宽度计算出使得所有的待测物料囊括在微波的辐射面积内时的检测距离，计算公式为：
式中W是待测物料的宽度，HPBW是半功率点波束宽度，d是微波发射天线到待测物料的检测距离；继续增大检测距离，微波会作用到非待测物料而引入噪声，而且会加重微波泄露，所以由式可确定检测距离的最大值dmax；嵌入式计算机系统查询内置的参数表得到当前微波工作频率下微波发射天线的半功率点波束宽度HPBW，再根据式计算检测距离的最大值dmax，记录下dmax的值并传输给微控制器；
4)由减小微波空间传输损耗确定(dmin,dmax)中的最优检测距离dbest：
微波空间传输损耗的计算需要用到天线理论中的弗里斯(Friis)传输公式，具体公式如下：
式中PR是微波接收天线的输出功率，PT是微波发射天线的输入功率，GT是微波发射天线的增益，GR是微波接收天线的增益，R代表传输距离即检测距离的两倍，微控制器根据发射端超声波测距传感器测出的检测距离d，控制发射端升降推杆去调节微波发射端的竖直位置，直到检测距离达到其最大值dmax；微控制器通过A/D转换器读取第一检波器和第二检波器的测量结果计算出PT，读取第三检波器的测量结果计算出PR，再由PT和PR计算出微波空间传输损耗；微控制器控制控制发射端升降推杆缩回，带动微波发射端上升，传输距离减小微波空间传输损耗降低，逼近最优检测距离dbest，按上述过程计算出当前检测距离下微波空间传输损耗及其变化率；重复这一过程直至微波空间传输损耗变化率小于1％，认为此时的检测距离是最优检测距离dbest；需要说明的是在检测距离调节过程中，微控制器会同时调节微波发射端和微波接收端的位置，使二者对称布置在待测物料的上下两侧。
本发明带来的有益效果是：是针对目前使用微波传递谷物含水率信息的检测系统，综合考虑天线远场条件、含水率检测结果代表性和减小微波空间传输损耗这三个条件对检测距离设置的要求，帮助谷物含水率检测系统确定并自动调整至不同检测频率下的最优检测距离，是能够提高谷物含水率检测系统精度的微波天线检测距离优化装置。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明微波天线检测距离优化装置的轴测示意图，图中放样台属于谷物含水率检测系统而非本发明，故未标注序号；
图2是本发明微波发射端的轴测示意图；
图3是本发明微波接收端的轴测示意图；
图4是本发明微波发射端和微波接收端与天线升降平台相配合的轴测示意图；
图5是本发明微波天线检测距离优化装置的结构框图，主要展示控制单元的组成；
图中，微波发射端1、微波接收端2、天线升降平台3、控制单元4、微波发射天线11、发射天线移动平台12、发射端超声波测距传感器13、发射端滑块14、微波接收天线21、接收天线移动平台22、接收端超声波测距传感器23、接收端滑块24、机架31、导轨32、发射端升降推杆33、接收端升降推杆34、嵌入式计算机系统401、微控制器402、微波信号发生器403、第一检波器404、第二检波器405、第三检波器406、鉴相器407、A/D转换器408和环形器409。
具体实施方式
下面将结合附图和实例对本发明进一步说明。
图1中，标注序号的四部分构成了微波天线检测距离优化装置，包括微波发射端1、微波接收端2、天线升降平台3和控制单元4。微波发射端1通过滑块和导轨连接到天线升降平台3，位于谷物含水率检测系统装置的下部；微波接收端2通过滑块和导轨连接到天线升降平台3，位于谷物含水率检测系统装置的上部，微波发射端1与微波接收端2之间形成了一个测量空间，被测物料就放置在这个测量空间中。控制单元4位于控制箱内，控制箱安装在谷物含水率检测系统装置的侧面。
如图2所示，微波发射端1包括微波发射天线11、发射天线移动平台12、发射端超声波测距传感器13和发射端滑块14。微波发射天线11安装在发射天线移动平台12的中心，微波发射天线11使用定向天线中的喇叭天线，喇叭口径面朝向上方的待测样品，发射天线移动平台12是微波发射端1的基础，它是由铝合金型材和连接件组成的矩形框架，在发射天线移动平台12的四个角点附近安装有四个发射端滑块14，发射天线移动平台12通过这四个发射端滑块14滑动连接到天线升降平台机架3的导轨31上，发射端超声波测距传感器13安装在发射天线移动平台12上，其超声波的发射端和接收端均朝向上方的待测样品。
如图3所示，微波接收端2包括微波接收天线21、接收天线移动平台22、接收端超声波测距传感器23和接收端滑块24。微波接收天线21安装在接收天线移动平台22的中心，微波接收天线21使用定向天线中的喇叭天线，喇叭口径面朝向下方的待测样品，接收天线移动平台22是微波接收端2的基础，它是由铝合金型材和连接件组成的矩形框架，在接收天线移动平台22的四个角点附近安装有四个接收端滑块24，接收天线移动平台22通过这四个接收端滑块24连接到天线升降平台机架3的导轨31上，接收端超声波测距传感器23安装在接收天线移动平台22上，其超声波的发射端和接收端均朝向下方的待测样品。
如图4所示，展示了微波发射端1和微波接收端2与天线升降平台3的连接方式和相对位置，微波发射端1通过滑块和导轨连接到天线升降平台的机架上，位于谷物含水率检测系统装置的下部；微波接收端2通过滑块和导轨连接到天线升降平台的机架上，位于谷物含水率检测系统装置的上部。天线升降平台3包括机架31、导轨32、发射端升降推杆33和接收端升降推杆34。机架31是天线升降平台3的基础，其是由铝合金型材和连接件组成的立体框架，长宽高尺寸为780*380*1250mm；四支导轨32安装在机架31高边的内侧，两两相对，与发射端滑块14和接收端滑块24相配合，允许微波发射端1和微波接收端2在导轨32上升降运动；四支发射端升降推杆33安装在机架32的上部，其固定端固连在机架31高边的外侧，伸出端通过销钉连接到微波发射端1中发射天线移动平台12的四个角点，伸出端伸出时带动发射天线移动平台12沿导轨向下运动，微波发射端1下降，伸出端缩回时带动发射天线移动平台12沿导轨向上运动，微波发射端1上升，四支发射端升降推杆33的行程均达到500mm，满足微波发射端1升降运动的要求；四支接收端升降推杆34安装在机架31的下部，其固定端固连在机架31高边的外侧，伸出端通过销钉连接到微波接收端2中接收天线移动平台22的四个角点，伸出端伸出时带动接收天线移动平台22沿导轨32向上运动，微波接收端2上升，伸出端缩回时带动接收天线移动平台22沿导轨向下运动，微波接收端2下降，四支接收端升降推杆34的行程均达到500mm，满足微波接收端2升降运动的要求；为避免发射端升降推杆33和接收端升降推杆34的运动之间发生干涉，发射端升降推杆33和接收端升降推杆34的固定端安装在机架31高边不同平面的外侧，相互错开。
如图5所示，控制单元4包括嵌入式计算机系统401、微控制器402、微波信号发生器403、第一检波器404、第二检波器405、第三检波器406、鉴相器407、A/D转换器408和环形器409，嵌入式计算机系统401、微波信号发生器403、A/D转换器408的输出端、发射端升降推杆33、接收端升降推杆34、发射端超声波测距传感器13和接收端超声波测距传感器23均与微控制器402相连；微波信号发生器403产生的微波信号一路连到第一检波器404和鉴相器407，另一路连到环形器409；环形器409的一个端口连接到微波发射天线11，另一个端口连接到第二检波器405；微波接收天线21连到第三检波器406和鉴相器407；第一检波器404、第二检波器405、第三检波器406和鉴相器407均与A/D转换器408的输入端相连，嵌入式计算机系统401是控制单元4的核心，根据含水率预测模型计算谷物含水率，微控制器402根据超声波测距传感器信号调节微波发射端1和微波接收端2在竖直方向上的位置，微波信号发生器403产生含水率检测系统的微波信号，第一检波器404、第二检波器405和第三检波器406均用于测量微波信号的衰减，鉴相器407用于测量微波信号的相移。嵌入式计算机系统可以采用WaveShare公司AM3358型号的产品，但不限于此；微控制器可以采用ST公司Nucleo型号的产品，但不限于此；微波信号发生器可以采用DS INSTRUMENTS公司SG24000H型号的产品，但不限于此。
本发明微波天线检测距离优化装置是谷物含水率检测系统中的一部分，是十分关键的一环，为了更好地说明本发明微波天线检测距离优化装置所发挥的作用，这里先对谷物含水率检测系统的工作原理进行一个简要的说明。控制单元4包含一个模块级的微波信号发生器403，微波信号发生器403产生的目标频率的微波信号通过同轴线缆传输到微波发射天线11，微波发射天线11再将微波信号辐射到微波发射端1与微波接收端2之间的测量空间中，微波与测量空间中的待测物料相互作用，透射微波包含穿透区域所有物料水分的信息，微波接收天线21接收透射微波并通过同轴线缆传输到控制单元4，根据微波信号的变化判断出待测物料的含水率。谷物含水率检测系统中检测距离的设置十分关键，检测距离设置的优劣将直接决定谷物含水率检测系统的精度甚至是可行性，本发明综合考虑天线远场条件、含水率检测结果代表性和减小微波空间传输损耗这三个条件，帮助谷物含水率检测系统确定并自动调整至不同检测频率下的最优检测距离。本发明所述的一种应用于谷物含水率检测系统的微波天线检测距离优化方法综合考虑天线远场条件、含水率检测结果代表性和减小微波空间传输损耗这三个条件，帮助谷物含水率检测系统确定并自动调整至不同检测频率下的最优检测距离。
具体工作过程如下：
1)连通装置的微波信号通路：
嵌入式计算机系统401发送命令给微控制器402，微控制器402控制微波信号发生器403产生含水率检测系统的微波信号；微波信号一路作为入射波信号传输至第一检波器404和鉴相器407；微波信号的另一路经环形器409和微波发射天线11辐射到待测谷物，再经微波接收天线21接收作为透射波信号传输至第三检波器406和鉴相器407；从微波发射天线11返回的部分信号作为反射波信号经环形器409传输至第二检波器405；由第一检波器404、第二检波器405、第三检波器406和鉴相器407产生的响应信号经过A/D转换器408和微控制器402的处理后，上传给嵌入式计算机系统401，完成装置微波信号通路的连通；
2)根据远场条件确定检测距离的最小值dmin：
天线的辐射远场区是天线实际使用的区域，此区域中场的幅度与离开天线的距离成反比，且场的角分布(即天线方向图)与离开天线的距离无关，天线方向图的主瓣、副瓣和零点都已形成。天线的远场条件为:
式中D是微波发射天线11物理口径的最大尺寸，λ是微波的工作波长，r是被测对象距微波发射天线11的距离；远场条件要求检测距离的最小值dmin＝rmin＝2D2/λ；嵌入式计算机系统401根据当前微波的工作频率f计算微波的工作波长λ，再由远场条件确定检测距离的最小值dmin，记录下dmin的值并传输给微控制器402；
2)由含水率检测结果代表性条件确定检测距离的最大值dmax：
考虑到含水率检测结果的代表性，大部分被测物料囊括在微波辐射面积内就可以保证含水率检测结果的代表性；一定频率下微波波束宽度是确定的，根据半功率点波束宽度和待测物料的宽度计算出使得所有的待测物料囊括在微波的辐射面积内时的检测距离，计算公式为:
式中W是待测物料的宽度，HPBW是半功率点波束宽度，d是微波发射天线11到待测物料的检测距离；继续增大检测距离，微波会作用到非待测物料而引入噪声，而且会加重微波泄露，所以由式(2)可确定检测距离的最大值dmax；嵌入式计算机系统401查询内置的参数表得到当前微波工作频率下微波发射天线11的半功率点波束宽度HPBW，再根据式(2)计算检测距离的最大值dmax，记录下dmax的值并传输给微控制器402；
4)由减小微波空间传输损耗确定(dmin,dmax)中的最优检测距离dbest：
微波空间传输损耗的计算需要用到天线理论中的弗里斯(Friis)传输公式，具体公式如下：
式中PR是微波接收天线21的输出功率，PT是微波发射天线11的输入功率，GT是微波发射天线11的增益，GR是微波接收天线21的增益，R代表传输距离即检测距离的两倍，微控制器402根据发射端超声波测距传感器13测出的检测距离d，控制发射端升降推杆33去调节微波发射端1的竖直位置，直到检测距离达到其最大值dmax；微控制器402通过A/D转换器408读取第一检波器404和第二检波器405的测量结果计算出PT，读取第三检波器406的测量结果计算出PR，再由PT和PR计算出微波空间传输损耗；Friis传输公式指出，减小传输距离是降低微波空间传输损耗的有效方法；微控制器402控制控制发射端升降推杆33缩回，带动微波发射端1上升，以1cm为步进减小检测距离，传输距离会随之减小降低微波空间传输损耗，按上述过程计算出当前检测距离下微波空间传输损耗及其变化率；重复这一过程直至微波空间传输损耗变化率小于1％，认为此时的检测距离是最优检测距离dbest；如果当检测距离减小至dmin时，PR随检测距离减小变化仍然不小于1％，则将天线远场条件确定出的dmin作为最优检测距离。需要说明的是在检测距离调节过程中，微控制器402会同时调节微波发射端1和微波接收端2的位置，使二者对称布置在待测物料的上下两侧。dbest是天线远场条件、含水率检测结果代表性和减小微波空间传输损耗这三个条件平衡出的结果，是谷物含水率检测系统的最优检测距离，检测时微波天线检测距离优化装置自动调整检测距离至dbest，提高谷物含水率检测系统的精度。

Claims (6)

1.一种应用于谷物含水率检测系统的微波天线检测距离优化装置，其特征在于：包括微波发射端(1)、微波接收端(2)、天线升降平台(3)和控制单元(4)等；微波发射端(1)与微波接收端(2)安装在天线升降平台(3)上，微波发射端(1)位于天线升降平台(3)的下半空间，微波接收端(2)位于天线升降平台(3)的上半空间，天线升降平台(3)提供Z轴方向的移动；微波发射端(1)用于发射微波信号和根据超声波信号测量检测距离，微波接收端(2)用于接收微波信号和根据超声波信号测量其与被测谷物间的距离，天线升降平台(3)用于改变微波发射端(1)和微波接收端(2)在Z轴方向的位置来调节检测距离，控制单元(4)处理分析来自微波发射端(1)和微波接收端(2)的微波信号与超声波测距传感器信号，控制天线升降平台(3)移动微波发射端(1)和微波接收端(2)调节检测距离；控制单元(4)根据远场条件确定检测距离的最小值dmin，由含水率检测结果代表性条件确定检测距离的最大值dmax，控制天线升降平台(3)移动微波发射端(1)和微波接收端(2)从检测距离的最大值dmax开始，由减小微波空间传输损耗逐步逼近(dmin,dmax)中的最优检测距离dbest。
2.根据权利要求1所述的一种应用于谷物含水率检测系统的微波天线检测距离优化装置，其特征在于：所述微波发射端(1)包括微波发射天线(11)、发射天线移动平台(12)、发射端超声波测距传感器(13)和发射端滑块(14)；微波发射天线(11)安装在发射天线移动平台(12)的中心，天线口径面朝上，发射端超声波测距传感器(13)和发射端滑块(14)固定在发射天线移动平台(12)上，发射天线移动平台(12)通过发射端滑块(14)滑动连接到天线升降平台(3)。
3.根据权利要求2所述的一种应用于谷物含水率检测系统的微波天线检测距离优化装置，其特征在于：所述微波接收端(2)包括微波接收天线(21)、接收天线移动平台(22)、接收端超声波测距传感器(23)和接收端滑块(24)；微波接收天线(21)安装在接收天线移动平台(22)的中心，天线口径面朝下，接收端超声波测距传感器(23)和接收端滑块(24)固定在接收天线移动平台(22)上，接收天线移动平台(22)通过接收端滑块(24)滑动连接到天线升降平台(3)。
4.根据权利要求3所述的一种应用于谷物含水率检测系统的微波天线检测距离优化装置，其特征在于：所述天线升降平台(3)包括机架(31)、导轨(32)、发射端升降推杆(33)和接收端升降推杆(34)；导轨(32)安装在机架(31)高边的内侧，发射端升降推杆(33)安装在机架(31)的上部，发射端升降推杆(33)的伸出端与发射天线移动平台(12)连接，带动微波发射端(1)沿导轨(32)做升降运动；接收端升降推杆(34)安装在机架(31)的下部，接收端升降推杆(34)的伸出端与接收天线移动平台(22)连接，带动微波接收端(2)沿导轨(32)做升降运动，发射端升降推杆(33)和接收端升降推杆(34)的固定端安装在机架(31)高边不同平面的外侧，相互错开。
5.根据权利要求4所述的一种应用于谷物含水率检测系统的微波天线检测距离优化装置，其特征在于：所述控制单元(4)包括嵌入式计算机系统(401)、微控制器(402)、微波信号发生器(403)、第一检波器(404)、第二检波器(405)、第三检波器(406)、鉴相器(407)、A/D转换器(408)和环形器(409)；嵌入式计算机系统(401)、微波信号发生器(403)、A/D转换器(408)的输出端、发射端升降推杆(33)、接收端升降推杆(34)、发射端超声波测距传感器(13)和接收端超声波测距传感器(23)均与微控制器(402)相连，微波信号发生器(403)产生的微波信号一路连到第一检波器(404)和鉴相器(407)，另一路连到环形器(409)；环形器(409)的一个端口连接到微波发射天线(11)，另一个端口连接到第二检波器(405)；微波接收天线(21)连到第三检波器(406)和鉴相器(407)；第一检波器(404)、第二检波器(405)、第三检波器(406)和鉴相器(407)均与A/D转换器(408)的输入端相连，微波信号发生器(403)产生含水率检测系统的微波信号；第一检波器(404)、第二检波器(405)和第三检波器(406)均用于测量微波信号的衰减，鉴相器(407)用于测量微波信号的相移。
6.一种应用于谷物含水率检测系统的微波天线检测距离优化方法，其特征在于：该方法在权利要求5所述的装置中实现，该方法包括如下步骤：
1)嵌入式计算机系统(401)发送命令给微控制器(402)，微控制器(402)控制微波信号发生器(403)产生含水率检测系统的微波信号；微波信号一路作为入射波信号传输至第一检波器(404)和鉴相器(407)；微波信号的另一路经环形器(409)和微波发射天线(11)辐射到待测谷物，再经微波接收天线(21)接收作为透射波信号传输至第三检波器(406)和鉴相器(407)；从微波发射天线(11)返回的部分信号作为反射波信号经环形器(409)传输至第二检波器(405)；由第一检波器(404)、第二检波器(405)、第三检波器(406)和鉴相器(407)产生的响应信号经过A/D转换器(408)和微控制器(402)的处理后，上传给嵌入式计算机系统(401)；
2)嵌入式计算机系统(401)根据远场条件确定检测距离的最小值dmin：
天线的辐射远场区是天线实际使用的区域，天线的远场条件为：
式中D是微波发射天线(11)物理口径的最大尺寸，λ是微波的工作波长，r是被测对象距微波发射天线(11)的距离；远场条件要求检测距离的最小值dmin＝rmin＝2D2/λ；嵌入式计算机系统(401)根据当前微波的工作频率f计算微波的工作波长λ，再由远场条件确定检测距离的最小值dmin，记录下dmin的值并传输给微控制器(402)；
3)由含水率检测结果代表性条件确定检测距离的最大值dmax：
大部分被测物料囊括在微波辐射面积内就可以保证含水率检测结果的代表性；根据半功率点波束宽度和待测物料的宽度计算出使得所有的待测物料囊括在微波的辐射面积内时的检测距离，计算公式为：
式中W是待测物料的宽度，HPBW是半功率点波束宽度，d是微波发射天线(11)到待测物料的检测距离；继续增大检测距离，微波会作用到非待测物料而引入噪声，而且会加重微波泄露，所以由式(2)可确定检测距离的最大值dmax；嵌入式计算机系统(401)查询内置的参数表得到当前微波工作频率下微波发射天线(11)的半功率点波束宽度HPBW，再根据式(2)计算检测距离的最大值dmax，记录下dmax的值并传输给微控制器(402)；
4)由减小微波空间传输损耗确定(dmin,dmax)中的最优检测距离dbest：
微波空间传输损耗的计算需要用到天线理论中的弗里斯(Friis)传输公式，具体公式如下：
式中PR是微波接收天线(21)的输出功率，PT是微波发射天线(11)的输入功率，GT是微波发射天线(11)的增益，GR是微波接收天线(21)的增益，R代表传输距离即检测距离的两倍，微控制器(402)根据发射端超声波测距传感器(13)测出的检测距离d，控制发射端升降推杆(33)去调节微波发射端(1)的竖直位置，直到检测距离达到其最大值dmax；微控制器(402)通过A/D转换器(408)读取第一检波器(404)和第二检波器(405)的测量结果计算出PT，读取第三检波器(406)的测量结果计算出PR，再由PT和PR计算出微波空间传输损耗；微控制器(402)控制控制发射端升降推杆(33)缩回，带动微波发射端(1)上升，传输距离减小微波空间传输损耗降低，逼近最优检测距离dbest，按上述过程计算出当前检测距离下微波空间传输损耗及其变化率；重复这一过程直至微波空间传输损耗变化率小于1％，认为此时的检测距离是最优检测距离dbest；需要说明的是在检测距离调节过程中，微控制器(402)会同时调节微波发射端(1)和微波接收端(2)的位置，使二者对称布置在待测物料的上下两侧。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110726737A (zh) * 2019-11-18 2020-01-24 吉林农业大学 一种基于空间行驻波衰减的微波含水率测量装置及其测量方法
CN111505024A (zh) * 2020-06-08 2020-08-07 中国电子科技集团公司第四十八研究所 一种基于微波技术的含水率复合检测装置及检测方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59197843A (ja) * 1983-04-26 1984-11-09 Yokogawa Hokushin Electric Corp マイクロ波水分計
CN1826522A (zh) * 2003-07-31 2006-08-30 王子制纸株式会社 水分量测量方法及装置
CN102175696A (zh) * 2011-02-10 2011-09-07 清华大学 测量物料水分的方法及装置
CN108459032A (zh) * 2018-05-25 2018-08-28 吉林农业大学 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

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59197843A (ja) * 1983-04-26 1984-11-09 Yokogawa Hokushin Electric Corp マイクロ波水分計
CN1826522A (zh) * 2003-07-31 2006-08-30 王子制纸株式会社 水分量测量方法及装置
CN102175696A (zh) * 2011-02-10 2011-09-07 清华大学 测量物料水分的方法及装置
CN108459032A (zh) * 2018-05-25 2018-08-28 吉林农业大学 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

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110726737A (zh) * 2019-11-18 2020-01-24 吉林农业大学 一种基于空间行驻波衰减的微波含水率测量装置及其测量方法
CN111505024A (zh) * 2020-06-08 2020-08-07 中国电子科技集团公司第四十八研究所 一种基于微波技术的含水率复合检测装置及检测方法

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