CN110750859B - 一种基于comsol的小麦介电特性微波探测模型构建新方法 - Google Patents
一种基于comsol的小麦介电特性微波探测模型构建新方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于COMSOL的小麦介电特性微波探测模型构建新方法；该方法步骤包括根据实物图中的结构参数建立发射天线、接收天线、空气以及盛装小麦容器的3D仿真模型；对3D仿真模型添加材料属性；对3D仿真模型添加电磁波源场；对3D仿真模型进行网格划分；在研究设置中定义频率范围；计算3D仿真模型，得到频率‑S参数一维曲线图；导出所述绘图数据，在Matlab中读取绘图数据，运用相关公式，计算出小麦介电常数实部和虚部；介电常数实部值即为小麦的介电特性。从而提高小麦的介电特性的测量精度；并对实验系统的搭建进行有效指导和对实验结果的准确性进行有效验证。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于COMSOL的小麦介电特性微波探测模型构建新方法。
背景技术
不同的物质的介电特性不同，介电常数是介电特性的重要指标；通过测量物质中的介电特性，从而判断物质的组分和性能。介电特性应用范围非常广泛，在贮藏、加工、保鲜、灭菌灭虫、清选分级、无损检测等诸多领域都有应用。应用于农产品的介电特性测试系统的组件主要包括介电参数测量仪器、夹持被测样品的夹具、计算材料介电参数的计算机和相应的软件。
目前，测量物质的介电特性的方法主要包括平行极板方法和同轴探头方法。其中平行极板方法又称为电容器方法，它是将薄板型材料夹在两个电极之间形成一个电容器，利用电解质填充于电容器中时电容容量的变化而测量材料的介电特性，然而该方法存在测量信号的频率范围在100MHz以下，样品必须为平板型的缺点。同轴探头方法是当探头浸入液体样品中或探头与固体样品表面相接触时，根据测试件反射给分析仪的信号幅值和相位而计算的介电常数和频率的关系，但该方法适用于宽频带范围为500M~110GHz的液体或半固体状材料介电特性的测量；然而对于介电常数和损耗因子小的材料，该方法的精度低。采用平行极板方法或同轴探头方法测量小麦介电特性时，存在无法适应或测量精度的问题。
发明内容
为了提高小麦的介电特性的测量精度，本发明提供了一种基于COMSOL的小麦介电特性微波探测模型构建新方法；为了实现上述目的，本发明采用了以下方法方案，具体如下：
一种基于COMSOL的小麦介电特性微波探测模型构建新方法，包括步骤如下：
步骤一，根据实物图中的结构参数建立发射天线、接收天线、空气以及盛装小麦容器的3D仿真模型；
步骤二，对所述3D仿真模型添加材料属性；
步骤三，对所述3D仿真模型添加电磁波源场；
步骤四，对所述3D仿真模型进行网格划分；
步骤五，在研究设置中定义频率范围；
步骤六，计算所述3D仿真模型，得到频率-S参数一维曲线图；
步骤七，导出所述绘图数据，在Matlab中读取绘图数据，运用相关公式，计算出介电常数实部和介电常数虚部，介电常数实部即为小麦的介电特性。
本发明的基于COMSOL的小麦介电特性微波探测模型构建新方法的有益效果：本发明是基于COMSOL软件对整个微波探测系统进行仿真，通过建立3D仿真模型、设置模型参数属性、进行网格划分、设置频率范围，可以得到S21参数随频率变化的关系图，运用相关公式计算出介电常数实部和虚部；介电常数实部值即为小麦的介电特性。本发明克服了传统微波探测实验对环境条件要求严苛的缺点，提高小麦的介电特性的测量精度，能够对实验系统的搭建进行有效指导、对实验结果的准确性进行有效验证；本发明能够针对不同地区不同特征参数的小麦，快速构建其介电特性数据库，从而推动小麦介电参数标准的制定和为数据库的构建提供技术支持。
进一步地，所述步骤七包括：右键单击全局选择添加要导出绘图数据，输出文件类型选择文本格式，数据格式为电子表格，在Matlab中读取所述两种数据，把读入的数据合成复数形式后，再代入公式即可得到频率与相对复介电常数关系图，其中公式包括：
介电常数：
，其中/>
为相位常数（传播常数的虚数部分），/>
为自由空间波长的相位常数， />
为相对复介电常数实部；
介电损耗因子：
，其中/>
为衰减常数，/>
为相对复介电常数虚部。
有益效果：通过合理设计和推到介电常数、介电损耗因子与微波参数之间的关系；将接收到信号数据，通过公式转化成介电常数和介电损耗因子；根据介电常数和介电损耗因子，判断小麦的介电特性，从而提高小麦的介电特性的测量精度。
进一步地，所述3D仿真模型的结构参数包括发射天线和接收天线模型分别与容器模型的距离，样品容器模型的长度、宽度、高度以及模型的角单位；将小麦模型设置成立方体，并设定立方体边长。
有益效果：在满足测量精度的条件下，将小麦模型设置成立方体，并在样品容器模型内构建多个立方体代替粮堆中的小麦粒；小麦模型结构简单、规整，提高小麦模型的建模效率和缩短3D仿真的计算时间。
进一步地，发射天线和接收天线模型分别与容器模型的距离相等，距离D≥5
，其中为微波波长；改变距离D得到不同的频率-S参数曲线图，从而计算出小麦介电常数实部和虚部，将仿真结果中的代表性频点对应的介电特性数据与其它探测方法得到的介电特性数据进行比较，从而确定距离D的最佳设定值。
有益效果：通过改变距离D得到不同的小麦介电特性与频率的关系图，将仿真结果中的代表性频点对应的介电特性数据与现有的探测方法得到的介电特性数据进行比较，验证得到的小麦介电特性与频率的关系图的精确性，从而确定探测距离D，本根据探测距离D对实验环境进行指导和设置。
进一步地，所述步骤二中的材料属性包括小麦的材料属性和空气的材料属性；所述小麦的材料属性包括相对介电常数、相对磁导率、电导率、孔隙率、密度以及含水量；所述空气的材料属性包括相对介电常数、相对磁导率、电导率、声速、折射率实部以及折射率虚部。
有益效果：对小麦微波投射探测系统进行参数化的结构设计，调节小麦和空气的材料属性，实现快速建模，使小麦和空气的材料属性更加贴近粮堆中小麦粒的堆放情况，提高探测的准确性。
进一步地，所述步骤三中将3D仿真模型的一端部设置有第一端口，另一端部设置有第二端口，将第一端口和第二端口分别作为所述发射天线和接收天线；并对3D仿真模型设置周期性条件。
有益效果：在小麦水分微波探测实验中，待测小麦装填在固定容器中，2D仿真模型的第一端口和第二端口分别作为所述发射天线和接收天线；发射天线和接收天线分别位于待测容器两侧，并与装满小麦的容器固定在相对位置不变的支架上；使矢量网络分析仪发射和接收的电磁波信号，完成覆盖固定容器，从而提高探测的精准性；通过在3D仿真模型四周添加Floquet周期性条件，利用周期性边界条件消除周边环境对探测模型的影响，可提高仿真结果的真实性。
进一步地，所述步骤四中的网格划分包括：序列类型设置为用户控制网络，大小设置为细化，将所述3D仿真模型的外表面划分为任意形状的三角形，所述三角形组成一个自由四面体网络。
有益效果：将网格剖分方式设置为细化，可以得到较好的单元质量直方图，节省仿真时间，提高仿真结果的准确性。
进一步地，所述步骤五中的定义频率范围包括：定义方法为步长，起始频率
[GHz]，步长/>
[GHz]，以及停止频率/>
[GHz]。
有益效果：合理设置起始频率
[GHz]、步长/>
[GHz]和停止频率/>
[GHz]；使测量系统的频率处于合理范围内的同时，降低由于起始频率过小所引起的计算错误发生率，节省了仿真时间，提高了仿真结果的正确性。
进一步地，起始频率
≥0.5[GHz]，步长/>
≥0.05[GHz]，停止频率/>
＞起始频率
。
有益效果：当起始频率小于0.5[GHz]，步长小于0.05[GHz]，电磁波将无法有效地从容器中透射出去，不能得到正确的频率-S参数曲线，小麦介电常数实部值与实际情况不符合。
附图说明
图1为实验场景的3D仿真模型图；
图2为3D仿真模型网格划分图；
图3为容器中有小麦时频率-S参数曲线图；
图4为容器中没有小麦时频率-S参数曲线图；
图5为仿真得到的小麦介电特性随频率的变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明的基于COMSOL的小麦介电特性微波探测模型构建新方法实施例的具体方法，步骤如下：
步骤一，根据实物图中的结构参数建立发射天线、接收天线、空气以及盛装小麦容器的3D仿真模型； 3D仿真模型的结构参数包括发射天线和接收天线模型分别与容器模型的距离D，样品容器模型的长度、宽度、高度以及模型的角单位；将小麦模型设置成立方体，并设定立方体边长；设置轴类型为z轴，工作平面为xy平面。3D仿真模型如图1所示。发射天线和接收天线模型分别与容器模型的距离相等，要求距离D≥5
，其中/>
为微波波长；通过设置不同的距离D值得到不同的频率-S参数曲线图，进而能够得到多种小麦介电特性与频率的关系图，将仿真结果中的代表性频点对应的介电特性数据与其它探测方法得到的介电特性数据进行比较，从而确定距离D的最佳设定值。
步骤二，对3D仿真模型添加材料属性；3D仿真模型中的材料属性包括小麦的材料属性和空气的材料属性；小麦的材料属性包括相对介电常数、相对磁导率、电导率、孔隙率、密度以及含水量；空气的材料属性包括相对介电常数、相对磁导率、电导率、声速、折射率实部以及折射率虚部；麦的材料属性和空气的材料属性分别如表1和标2所示。对3D仿真模型，选择中间的长方体来代替小麦、两边的长方体来代替充满着的空气。
步骤三，对3D仿真模型添加电磁波源场。将3D仿真模型的一端部设置有第一端口，另一端部设置有第二端口，将第一端口和第二端口分别作为发射天线和接收天线；既在3D仿真模型的最左边长方体的面上设置第一端口，在最右边长方体面上设置第二端口。用第一端口代表发射天线，端口类型为周期性，该端口的波激励默认为开。在端口模式设置中输入量设置为磁场，磁模式场大小为x:1、y:0、z:0；端口输入功率Pin设置为1[W]；其余设置默认不变。用第二端口代表接收天线，端口类型为周期性，此端口的波激励设置为关。在端口模式设置中输入量设置为磁场，磁模式场大小为x:1、y:0、z:0，其余设置默认不变。
对3D仿真模型，添加两个周期性条件。两个周期性条件中坐标系选择全局坐标系，周期性类型为Floquet周期，Floquet周期k矢量设置为来自周期性端口。在波动方程中选择本构关系为相对磁导率，端口1中的显示假设方程式，端口2中的显示假设方程式。
步骤四，对3D仿真模型进行网格划分。在网格划分设置中包括：序列类型选择用户控制网络，单元大小校准为普通物理，在预定中选择细化，将3D仿真模型的外表面划分为任意形状的三角形，三角形组成一个自由四面体网络，域选择中的几何实体层选择整个几何。网格划分如图2所示。在其他实施例中，也可将3D仿真模型的外表面划分为任意形状的菱形。
步骤五，在研究设置中定义频率范围。定义方法为步长，频率参数包括起始频率
[GHz]，步长/>
[GHz]，以及停止频率/>
[GHz]。本方法的起始频率/>
≥0.5[GHz]，步长/>
≥0.05[GHz]，停止频率/>
＞起始频率/>
；在本实施例中，起始频率/>
具体为0.5[GHz]，步长/>
具体为0.05[GHz]，停止频率/>
为5[GHz]。在其他实施例中，起始频率/>
具体为1[GHz]、2[GHz]、3[GHz]、4[GHz]或其他大于0.5[GHz]的频率；步长/>
具体为0.1[GHz]、0.2[GHz]、0.3[GHz]、0.4[GHz]或其他大于0.05[GHz]的步长；其中停止频率/>
[GHz]在满足大于起始频率/>
的前提条件下，大于0.5[GHz]的任一频率。
步骤六，计算所述3D仿真模型，得到频率-S参数一维曲线图；在研究设置中选中生成默认绘图和生成收敛图，开始计算；并导出频率-S参数曲线图；在本实施例中，为了得到一维绘图组，对COMSOL仿真软件的设置过程具体为：标题类型选择无，绘图设置中X轴标签为频率（GHz），y轴标签为S参数（dB），在图例中选择显示图例，位置选择左下角。在全局1中定位到y轴数据，在第一栏中填写表达式emw2.S11dB，描述为S11，在第二栏中填写表达式emw2.S21dB，描述为S21。定位到x轴数据，在参数中选择表达式，并点击替换表达式选择emw2.freq，单位为GHz。在着色和样式中找到线样式选择实线和循环，在线标记中选择循环和内插，定义数量37，点击绘制。频率-S参数曲线如图3和图4所示。在其他实施例中，也可得到三维绘图组，对COMSOL仿真软件的设置过程具体为：三维绘图组包括多切面和体箭头，其中对多切面的设置包括在表达式中点击替换表达式，选择emw2.Hx，单位为A/m；在多平面数据中设置x平面数为1，y平面数为0，z平面数为0；着色选择颜色表，在颜色表中选择Wave，最后选择颜色图例。其余设置默认不变。
步骤七，导出所述绘图数据，在Matlab中读取绘图数据，运用相关公式，计算出介电常数实部和介电常数虚部。右键单击全局选择添加要导出绘图数据，输出文件类型选择文本格式，数据格式为电子表格。绘图数据有两种，一种是容器中无小麦，只需把仿真小麦的模型参数改为空气即可；另一种是容器中有小麦，小麦参数不变。在Matlab中读取所述两种数据，把读入的S21数据合成复数形式后，从中可以得到透射波的幅度A与相位，即可以求出小麦介电常数实部和虚部。一般采用介电常数实部代表小麦的介电特性。
其计算表达式为：
其中
是衰减，通常衰减是指没有样本（/>
）的功率电平与在发射天线和接收天线之间放置样本（/>
）的功率电平之间的差。
其中
是相移，相移是指在没有样品（/>
）的情况下测量到的相位与在发射天线和接收天线之间放置的样本（/>
）之间的差。
通过公式（1）可以得到衰减常数的表达式：
由
可以得到自由空间波长的相位常数的表达式：
其中c是自由空间中的波速，f为频率。
通过公式（2）和（4）可以得到相位常数（传播常数的虚数部分）的表达式：
介电性能可由测量的衰减和相移来计算，由于小麦为弱导电介质，平面波通过低损耗材料传播，
，通过公式（4）和（5）可得介电常数实部的计算公式为：
通过公式（3）、（4）和（5）可得介电常数虚部的计算公式为：
基于COMSOL的小麦介电特性微波探测模型构建新方法的具体实施过程：
（1）根据实物图的结构参数建立3D仿真模型，3D仿真模型如图1所示。
（2）对3D仿真模型添加材料属性，其中主要包括小麦和空气的材料属性。具体如表1和表2所示；
表1 小麦材料属性参数图
| 属性 | 变量 | 表达式 | 单位 |
| 相对介电常数 | epsilonr_iso;epsilonrii=epsi;onr_iso | 3.1 | 1 |
| 相对磁导率 | mur_iso;murii= mur_iso | 0.00000125 | 1 |
| 电导率 | sigma_iso;sigmmaii=sigma_iso | 0.000001 | S/m |
| 密度 | rho | 1070 | Kg/m3 |
| 含水量 | w_c | 110 | Kg/m3 |
| 孔隙率 | epsilon | 0.012 | 1 |
表2 空气材料属性参数图
| 属性 | 变量 | 值 | 单位 |
| 相对介电常数 | epsilonr_iso;epsilonrii=epsi;onr_iso | 1 | 1 |
| 相对磁导率 | mur_iso;murii=mur_iso | 1.00000004 | 1 |
| 电导率 | sigma_iso;sigmmaii= sigma_iso | 0.00018 | S/m |
| 声速 | c | 3*10E8 | m/s |
| 折射率实部 | n_iso;nii= n_iso | 1 | 1 |
| 折射率虚部 | Ki_iso;kiii=ki_iso | 0 | 1 |
（3）对3D仿真模型添加电磁波源场。
（4）对所述3D仿真模型进行网格划分；网格划分的具体结构如图2所示。
（5）在研究设置中定义频率范围；其中起始频率
具体为0.5[GHz]，步长/>
具体为0.05[GHz]，停止频率/>
为5[GHz]。
（6）对3D仿真模型进行计算，得到频率-S参数一维曲线图，得到的容器中有小麦时频率-S参数一维曲线图具体如图3所示，容器中没有小麦时频率-S参数曲线图具体如图4所示。
（7）导出所述绘图数据，在Matlab中读取绘图数据，运用相关公式
和
。分别计算出介电常数虚部和介电常数实部值；采用介电常数实部代表小麦的介电特性。下面以频率为f=3.1GHz时的一组数据，计算介电常数实部和虚部值，具体如下：
从图3和图4中选择频率为f=3.1GHz时的一组数据，有小麦时
参数为-25.1436dB，没有小麦时/>
参数为-0.4093dB；然后把上述数据在MATLAB中分别合成原始测量复数数据a=24.0273-10467i，b=24.3194+10.2669i；透射系数/>
=a/b=0.6714，所以
=/>
=3.4607； 在MATLAB中求得有小麦时的相位为6.2396，没有小麦时的相位为6.5739，由于满箱时的相位小于空箱时的相位，必须给/>
周期因子2πn，通过在两个频率上进行测量获得n=-1，所以/>
=5.9488；/>
=0.1730；/>
=/>
=64.9262；/>
=98.0133；
其中求得
=2.12；/>
=0.52。
从图3和图4中选择多组频率，按照上述计算过程， 得到介电常数的实部和介电常数虚部随着频率的变化曲线图，其中介电常数的实部和介电常数虚部随着频率趋向于平稳，从而可以确定介电常数的实部为2.12，虚部值为0.52。介电常数的实部值即为小麦的介电特性。本发明克服了传统微波探测实验对环境条件要求严苛的缺点，对小麦的介电特性的测量精度，能够对实验系统的搭建进行有效指导、对实验结果的准确性进行有效验证；本发明能够针对不同地区不同特征参数的小麦，快速构建其介电特性数据库，从而推动小麦介电参数标准的制定和为数据库的构建提供技术支持。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通方法人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本方法领域的普通方法人员来说，在不脱离本发明方法原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于COMSOL的小麦介电特性微波探测模型构建新方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤一，根据实物图中的结构参数建立发射天线、接收天线、空气以及盛装小麦容器的3D仿真模型；
步骤二，对所述3D仿真模型添加材料属性；所述3D仿真模型中的材料属性包括小麦的材料属性和空气的材料属性；所述小麦的材料属性包括相对介电常数、相对磁导率、电导率、孔隙率、密度以及含水量；所述空气的材料属性包括相对介电常数、相对磁导率、电导率、声速、折射率实部以及折射率虚部；
步骤三，对所述3D仿真模型添加电磁波源场；将3D仿真模型的一端部设置有第一端口，另一端部设置有第二端口，将第一端口和第二端口分别作为所述发射天线和接收天线；并对3D仿真模型设置周期性条件；
步骤四，对所述3D仿真模型进行网格划分；
步骤五，在研究设置中定义频率范围；
步骤六，计算所述3D仿真模型，得到频率-S参数一维曲线图；
步骤七，导出所述绘图数据，在Matlab中读取绘图数据，运用相关公式，计算出介电常数实部和介电常数虚部，右键单击全局选择添加要导出绘图数据，输出文件类型选择文本格式，数据格式为电子表格；
绘图数据有两种，一种是容器中无小麦，只需把仿真小麦的模型参数改为空气即可；另一种是容器中有小麦，小麦参数不变；从而介电常数实部即为小麦的介电特性。
2.根据权利要求1所述的基于COMSOL的小麦介电特性微波探测模型构建新方法，其特征在于，所述步骤七包括：右键单击全局选择添加要导出绘图数据，输出文件类型选择文本格式，数据格式为电子表格，在Matlab中读取所述两种数据，把读入的数据合成复数形式后，再代入公式即可得到频率与相对复介电常数关系图，其中公式包括：
介电常数：
，其中/>
为相位常数（传播常数的虚数部分），/>
为自由空间波长的相位常数， />
为相对复介电常数实部；
介电损耗因子：
，其中α为衰减常数，/>
为相对复介电常数虚部。
3.根据权利要求2所述的基于COMSOL的小麦介电特性微波探测模型构建新方法，其特征在于，所述3D仿真模型的结构参数包括发射天线和接收天线模型分别与容器模型的距离，样品容器模型的长度、宽度、高度以及模型的角单位；将小麦模型设置成立方体，并设定立方体边长。
4.根据权利要求3所述的基于COMSOL的小麦介电特性微波探测模型构建新方法，其特征在于，发射天线和接收天线模型分别与容器模型的距离相等，距离D≥5
，其中/>
为微波波长；改变距离D得到不同的频率-S参数曲线图，从而计算出小麦介电常数实部和虚部，将仿真结果中的代表性频点对应的介电特性数据与其它探测方法得到的介电特性数据进行比较，从而确定距离D的最佳设定值。
5.根据权利要求1或2所述的基于COMSOL的小麦介电特性微波探测模型构建新方法，其特征在于，所述步骤四中的网格划分包括：序列类型设置为用户控制网络，大小设置为细化，将所述3D仿真模型的外表面划分为任意形状的三角形，所述三角形组成一个自由四面体网络。
6.根据权利要求1或2所述的基于COMSOL的小麦介电特性微波探测模型构建新方法，其特征在于，所述步骤五中的定义频率范围包括：定义方法为步长，起始频率
[GHz]，步长/>
[GHz]，以及停止频率/>
[GHz]。
7.根据权利要求6所述的基于COMSOL的小麦介电特性微波探测模型构建新方法，其特征在于，起始频率
≥0.5[GHz]，步长/>
≥0.05[GHz]，停止频率/>
＞起始频率/>
。
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|---|---|---|---|
| CN201910860171.4A CN110750859B (zh) | 2019-09-11 | 2019-09-11 | 一种基于comsol的小麦介电特性微波探测模型构建新方法 |
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| CN108229067A (zh) * | 2018-02-09 | 2018-06-29 | 西安电子科技大学 | 天线-激波管-天线等离子体电磁特性的仿真方法及仿真系统 |
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2019
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|---|
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