CN111707680A - 一种基于微波复介电常数的宝玉石含水量鉴别方法及系统 - Google Patents

一种基于微波复介电常数的宝玉石含水量鉴别方法及系统 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于微波复介电常数的宝玉石含水量鉴别方法及系统，方法包括如下步骤：S1、获取满足预设阈值的宝玉石重量和当前宝玉石对应的微波复介电常数；S2、根据获取的宝玉石重量和当前宝玉石对应的微波复介电常数，计算并创建宝玉石含水量与微波复介电常数的对应表格；S3、根据上述计算得到的对应表格，建立宝玉石含水量与微波复介电常数之间的关系函数。本发明提出的无损检测方法，根据测量的复介电常数计算出的宝玉石的含水量，测量过程不损害宝玉石；本发明建立含水量关于微波测量参数相对复介电常数的数据库，快速检测宝玉石含水量。

Description

一种基于微波复介电常数的宝玉石含水量鉴别方法及系统
技术领域
本申请涉及宝玉石无损检测技术领域，具体而言，涉及一种基于微波复介电常数的宝玉石含水量鉴别方法及系统。
背景技术
随着社会经济的发展，宝玉石在国民生产总值中的占比越来越高。如何保存、加工和鉴别宝玉石等越来越受到关注。众所周知，宝玉石的含水量对其保存、加工和鉴别具有重要的参考价值，如含水量高的宝玉石需要在水中保存、宝玉石原石的含水量降低到一定程度才能进行切割加工、合成宝玉石的含水量低等。由于宝玉石价值高昂，破坏式的鉴别方法必然带来极大的经济损失。
近年来，随着微波技术的发展，微波无损检测物质的含水量得到了广泛应用。例如，Trabe l s i等人使用微波传输反射法无损检测小麦的含水量，Etoz等人使用反射探头微波无损检测肝组织和肺组织的含水量，Casanova等人使用了一种基于微波复介电常数的宝玉石含水量鉴别方法以及系统微波时域反射计，无损检测土壤的含水量，Kang等人使用远距离自由空间微波无损检测雪的含水量。但是这些方法都不具备直接应用于鉴别宝玉石含水量的能力。这些实例表明，微波方法具有无损检测鉴别物质的含水量的能力。但是针对待检物质的形貌，需要使用特定的方法，甚至设计特别的探头和夹具，用于辅助微波检测，因此，检测成本和时间大大增加。
国内，微波无损检测时常用在无损探伤技术领域中，常见的手段为：采用超声探测仪进行工业无损探伤，依次快速、无损伤、精确地进行工件内部多种缺陷的检测、定位、评估和诊断，比如可以直接检测到工业零部件的焊缝、裂纹、夹杂、折叠、气孔等等內患。
在无损检测技术的应用上，微波无损检测还广泛地应用在制造业、钢铁冶金业、金属加工业、化工业等需要缺陷检测和质量控制的领域，也广泛应用于航空航天、铁路交通、锅炉压力容器等领域的在役安全检查与寿命评估。
然而，截止目前，微波无损检测宝玉石的含水量的方法尚未被提出。鉴于宝玉石与水的微波复介电常数差距较大，微波鉴别宝玉石的含水量极具潜力。
同时，经过查看，在宝玉石申请专利上，目前，还没有发现有关本技术方案提出的使用手段。微波无损检测技术在宝玉石行业中，是一块短板，具有技术投入使用意义。
因此，采用微波测试技术，以此来鉴别宝玉石含水量，十分必要，可以为宝玉石行业带来新的检测革新技术，提高行业技术水平。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种基于微波复介电常数的宝玉石含水量鉴别方法及系统，以解决目前的问题。
为了实现上述目的，本申请提供了如下技术：
本发明的第一方面在于提供一种基于微波复介电常数的宝玉石含水量鉴别方法，包括如下步骤：
S1、获取满足预设阈值的宝玉石重量和当前宝玉石对应的微波复介电常数；
S2、根据获取的宝玉石重量和当前宝玉石对应的微波复介电常数，计算并创建宝玉石含水量与微波复介电常数的对应表格；
S3、根据上述计算得到的对应表格，建立宝玉石含水量与微波复介电常数之间的关系函数。
进一步地，本发明还包括如下步骤：
S4、根据单端探头测试系统测量待测宝玉石的微波复介电常数；
S5、根据步骤S3和S4得到待测宝玉石的含水量。
进一步地，步骤S1中，所述获取满足预设阈值的宝玉石重量和当前宝玉石对应的微波复介电常数，具体包括：
获取满足初值条件的宝玉石样品重量：烘干宝玉石样品，测量重量，记录为W0；根据单端探头测试系统测量宝玉石样品微波复介电常数，记录为εr0。
获取饱和浸泡状态和风干状态下的宝玉石重量及微波复介电常数；
进一步地，步骤S1中，所述获取满足预设阈值的宝玉石重量和当前宝玉石对应的微波复介电常数，具体还包括：
获取浸泡饱和的宝玉石样品重量：将宝玉石样品浸泡在蒸馏水中，待浸泡饱和后，测量重量，记录为WF；之后，根据单端探头测试系统测量宝玉石样品微波复介电常数，记录为εrF。
进一步地，步骤S1中，所述获取满足预设阈值的宝玉石重量和当前宝玉石对应的微波复介电常数，具体还包括：
获取风干后的宝玉石样品重量：
S300、获取风干10分钟后的宝玉石样品重量及微波复介电常数：风干10分钟后，测量宝玉石样品的重量，记录为W1；根据单端探头测试系统测量宝玉石样品微波复介电常数，记录为εr1；
S310、获取风干m分钟后的宝玉石样品重量及微波复介电常数：重复上述步骤S300，记录m组重量及其对应的εrn；
S320、根据m组测量得到的宝玉石样品重量，判断是否停止风干：当第m组测量的宝玉石样品重量满足Wm＝Wm-1时，停止风干。
进一步地，在步骤S2中，所述根据上述测量的重量及微波复介电常数，计算并创建宝玉石含水量与微波复介电常数的对应表格，具体为：
计算以上宝玉石样品的含水量，风干m小时后，样品的密度为：
Figure BDA0002560950200000041
定义宝玉石样品水含量饱和时的密度为：
Figure BDA0002560950200000042
根据上述两个密度公式，拟合建立含水量和测量微波复介电常数之间的对应表格。
进一步地，在步骤S3中，所述根据上述计算得到的对应表格，建立宝玉石含水量与微波复介电常数之间的关系函数，具体为：
根据含水量和测量微波复介电常数关系表格，求得含水量关于宝玉石样品复介电常数实部或者虚部的曲线函数，即：
C＝f1(ε′r)
或者
C＝f2(ε″r)。
进一步地，根据含水量关于宝玉石样品复介电常数实部或者虚部的曲线函数，记录函数f1和f2。
进一步地，根据所述函数f1和f2，执行步骤S4和S5。
本发明的第二方面在于提供一种基于微波复介电常数的宝玉石含水量鉴别系统，包括单端探头测试系统，所述单端探头测试系统包括单端探头、射频线缆、网络分析仪R&SZVA40以及自动化计算软件，单端探头用于探测待测宝玉石的微波复介电常数且通过所述射频线缆电性连接网络分析仪R&S ZVA40，自动化计算软件用以执行上述所述的基于微波复介电常数的宝玉石含水量鉴别方法，自动化计算软件通过通信端口连接网络分析仪R&SZVA40。
与现有技术相比较，本申请能够带来如下技术效果：
1、本发明提出的无损检测方法，根据测量的复介电常数计算出的宝玉石的含水量，测量过程不损害宝玉石；利用水的微波特性和宝玉石微波特性差异大这一特点，提出简便微波测量方法，可无损鉴别宝玉石含的水量，为宝玉石的含水量鉴别提供了新的方法，本发明的技术方案对宝玉石检测是无损伤的，具有极高的经济价值；
2、本发明提出的基于微波复介电常数的宝玉石含水量鉴别方法，建立含水量关于宝玉石样品复介电常数实部或者虚部的曲线函数，从而建立起宝玉石的含水量关于微波测量参数相对复介电常数的数据库。即，一次样品数据采集后，将为无损检测宝玉石的含水量提出参考，进而最大程度降低对待检测宝玉石的损害。这将为宝玉石保存、加工和鉴别等工业应用提供基础；
3、本发明通过微波单端探头测量系统，采用微波单端探头对待测宝玉石进行测量微波复介电常数后，将探测到的微波复介电常数代入记录函数f1和f2中，即可快速得到宝玉石的含水量，大大节省了宝玉石的检测效率，对宝玉石起到保护作用。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是本发明基于微波复介电常数进行无损宝玉石鉴别的实施步骤示意图；
图2是本发明采用单端探头进行鉴别待测宝玉石的实施步骤示意图；
图3是本发明获取风干后的宝玉石样品重量的具体实施步骤示意图；
图4是本发明基于微波复介电常数进行无损宝玉石鉴别的鉴别系统结构示意图；
图5是本发明实施例BY-1宝玉石的微波复介电常数关于含水量的复介电常数实部的拟合曲线；
图6是本发明实施例BY-1宝玉石的微波复介电常数关于含水量的复介电常数虚部的拟合曲线。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
本发明采用的电子设备和计算软件，可以按照本方法进行编程设计，其技术较为成熟，因此不再赘述。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
如附图1所示，
本发明的第一方面在于提供一种基于微波复介电常数的宝玉石含水量鉴别方法，包括如下步骤：
S1、获取满足预设阈值的宝玉石重量和当前宝玉石对应的微波复介电常数；
S2、根据获取的宝玉石重量和当前宝玉石对应的微波复介电常数，计算并创建宝玉石含水量与微波复介电常数的对应表格；
S3、根据上述计算得到的对应表格，建立宝玉石含水量与微波复介电常数之间的关系函数。
本实施例，所述满足预设阈值的宝玉石，具体操作是指：
当对宝玉石采样时，获取含水量最低的宝玉石样品，预设阈值可以指宝玉石的含水量额定数值，具体根据行业的规定或者具体设定即可，本处不作限制。
本方法适用于各类宝玉石样品，与探头端面接触测定即可。本实施例，为了实现本技术方案的有效性，将对BY-1宝玉石进行试验测试。测试前期，准备一套单端探头测试系统，单端探头测试系统包括单端探头、射频线缆、网络分析仪R&S ZVA40以及自动化计算软件。
其中，BY-1的体积为18.99cm3，基于复介电常数曲线函数按照下述的测试步骤即可计算所得含水量。具体的操作步骤按照下述步骤进行即可。
获取含水量最低的宝玉石样品后，首先测量重量，最后采用单端探头测试系统对含水量最低的宝玉石样品进行微波复介电常数测量。
对于同一块宝玉石样品，同时还需要获取浸泡饱和状态和风干状态下的宝玉石含水量和微波复介电常数，根据各个数据而建立宝玉石含水量与微波复介电常数的对应表格，从而建立宝玉石含水量与微波复介电常数之间的拟合关系函数。在后续测量到一块宝玉石的微波复介电常数后，即可利用得到的拟合关系函数直接得到其含水量。
如附图2所示，
进一步地，本发明还包括如下步骤：
S4、根据单端探头测试系统测量待测宝玉石的微波复介电常数；
S5、根据步骤S3和S4得到待测宝玉石的含水量。
在建立好宝玉石含水量与微波复介电常数之间的拟合关系函数后，采用单端探头测试系统测量待测宝玉石的微波复介电常数，将待测宝玉石的微波复介电常数数值代入根据步骤S3和S4得到的拟合关系函数中，直接求得待测宝玉石的含水量。因此，可以大大节省宝玉石含水量检测时间。
进一步地，步骤S1中，所述获取满足预设阈值的宝玉石重量和当前宝玉石对应的微波复介电常数，具体包括：
获取满足初值条件的宝玉石样品重量：烘干宝玉石样品，测量重量，记录为W0；根据单端探头测试系统测量宝玉石样品微波复介电常数，记录为εr0。
获取饱和浸泡状态和风干状态下的宝玉石重量及微波复介电常数；
进一步地，步骤S1中，所述获取满足预设阈值的宝玉石重量和当前宝玉石对应的微波复介电常数，具体还包括：
获取浸泡饱和的宝玉石样品重量：将宝玉石样品浸泡在蒸馏水中，待浸泡饱和后，测量重量，记录为WF；之后，根据单端探头测试系统测量宝玉石样品微波复介电常数，记录为εrF。
其中，不含水宝玉石至饱和的判断标准为：宝玉石浸泡后，其重量不再增加。
具体的，将BY-1宝玉石浸泡在蒸馏水中，待浸泡饱和后，测量重量，记录为12.65g。鉴别饱和的方法：BY-1宝玉石浸泡后，其重量不再增加。之后，使用单端探头测试系统测量BY-1宝玉石样品在5GHz及其前后的复介电常数，记录为16.25-j5.05。
进一步地，步骤S1中，所述获取满足预设阈值的宝玉石重量和当前宝玉石对应的微波复介电常数，具体还包括：
获取风干后的宝玉石样品重量：
S300、获取风干10分钟后的宝玉石样品重量及微波复介电常数：风干10分钟后，测量宝玉石样品的重量，记录为W1；根据单端探头测试系统测量宝玉石样品微波复介电常数，记录为εr1；
S310、获取风干m分钟后的宝玉石样品重量及微波复介电常数：重复上述步骤S300，记录m组重量及其对应的εrn；
S320、根据m组测量得到的宝玉石样品重量，判断是否停止风干：当第m组测量的宝玉石样品重量满足Wm＝Wm-1时，停止风干。
具体的，如附图3所示，
将BY-1宝玉石浸泡在蒸馏水中，待浸泡饱和后，测量重量，记录为12.65g。鉴别饱和的方法：BY-1宝玉石浸泡后，其重量不再增加。之后，使用单端探头测试系统测量BY-1宝玉石样品在5GHz及其前后的复介电常数，记录为16.25-j5.05；
风干10分钟后，测量重量，记录为11.61g。使用单端探头测试系统测量BY-1宝玉石样品在5GHz及其前后的复介电常数，记录为3.24-j0.42；
重复上述步骤，记录m组重量及其对应的εrn(n＝2,3,……，m)，直至Wm＝Wm-1；
计算以上测试宝玉石样品的含水量。
进一步地，在步骤S2中，所述根据上述测量的重量及微波复介电常数，计算并创建宝玉石含水量与微波复介电常数的对应表格，具体为：
计算以上宝玉石样品的含水量，风干m小时后，样品的密度为：
Figure BDA0002560950200000101
定义宝玉石样品水含量饱和时的密度为：
Figure BDA0002560950200000102
根据上述两个密度公式，拟合建立含水量和测量微波复介电常数之间的对应表格，具体如下：
Figure BDA0002560950200000111
。
进一步地，在步骤S5中，所述根据上述计算得到的对应表格，建立宝玉石含水量与微波复介电常数之间的关系函数，具体为：
根据含水量和测量微波复介电常数关系表格，求得含水量关于宝玉石样品复介电常数实部或者虚部的曲线函数，即：
C＝f1(ε′r)
或者
C＝f2(ε″r)。
如附图5和6所示，分别为BY-1宝玉石的微波复介电常数关于含水量的复介电常数实部和虚部的拟合曲线。从图中可以看出，微波复介电常数关于含水量的复介电常数实部数据与含水量呈正比函数关系；微波复介电常数关于含水量的复介电常数虚部数据与含水量呈抛物线函数关系。
若是将微波复介电常数关于含水量的复介电常数实部和虚部的拟合曲线进行合成，还可以得到关于微波复介电常数关于含水量的符合函数。
根据含水量和BY-1在5GHz复介电常数关系表格，求得含水量关于BY-1宝玉石样品复介电常数实部或者虚部的函数曲线，即
C＝-0.01188+0.00443εr′
或者
C＝0.06535-0.03972[exp(-ε′r/1.61391)+exp(-ε′r/1.97256)]。
进一步地，根据含水量关于宝玉石样品复介电常数实部或者虚部的曲线函数，记录函数f1和f2。
进一步地，根据所述函数f1和f2，执行步骤S4和S5。
任取一块BY-1宝玉石，使用上述已获取的函数及测量方法鉴别其含水量。并将鉴别结果与其他破坏式的鉴别方法结果对比表明，本方法有效。
综上所述，通过单端探头无损测量BY-1宝玉石的微波复介电常数，可以有效鉴别BY-1宝玉石的含水量。结合这一特性，建立数据库后，可实现所有可测尺寸BY-1宝玉石的含水量的无损检测。
本发明的第二方面在于提供一种基于微波复介电常数的宝玉石含水量鉴别系统，如附图4所示，
系统包括单端探头测试系统，所述单端探头测试系统包括单端探头、射频线缆、网络分析仪R&S ZVA40以及自动化计算软件，单端探头用于探测待测宝玉石的微波复介电常数且通过所述射频线缆电性连接网络分析仪R&S ZVA40，自动化计算软件用以执行上述所述的基于微波复介电常数的宝玉石含水量鉴别方法，自动化计算软件通过通信端口连接网络分析仪R&S ZVA40。
自动化计算软件可以根据本鉴别方案进行编程设计或者模块化设计或者编程设计，技术皆较为成熟。当单端探头探测得到待测宝玉石的微波复介电常数后，单端探头可以直接将探测数据通过射频线缆传输到网络分析仪R&S ZVA40中，自动化计算软件可以下载安装在网络分析仪重，或者单独安装在独立的硬件载体上，根据输入的探测数据，软件函数即可计算出待测宝玉石的含水量，可以根据关联函数快速计算含水量。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于微波复介电常数的宝玉石含水量鉴别方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、获取满足预设阈值的宝玉石重量和当前宝玉石对应的微波复介电常数；
S2、根据获取的宝玉石重量和当前宝玉石对应的微波复介电常数，计算并创建宝玉石含水量与微波复介电常数的对应表格；
S3、根据上述计算得到的对应表格，建立宝玉石含水量与微波复介电常数之间的关系函数。
2.如权利要求1所述的一种基于微波复介电常数的宝玉石含水量鉴别方法，其特征在于，还包括如下步骤：
S4、根据单端探头测试系统测量待测宝玉石的微波复介电常数；
S5、根据步骤S3和S4得到待测宝玉石的含水量。
3.如权利要求1或2所述的一种基于微波复介电常数的宝玉石含水量鉴别方法，其特征在于，步骤S1中，所述获取满足预设阈值的宝玉石重量和当前宝玉石对应的微波复介电常数，具体包括：
获取满足初值条件的宝玉石样品重量：烘干宝玉石样品，测量重量，记录为W0；根据单端探头测试系统测量宝玉石样品微波复介电常数，记录为εr0；
获取饱和浸泡状态和风干状态下的宝玉石重量及微波复介电常数。
4.如权利要求3所述的一种基于微波复介电常数的宝玉石含水量鉴别方法，其特征在于，步骤S1中，所述获取满足预设阈值的宝玉石重量和当前宝玉石对应的微波复介电常数，具体还包括：
获取浸泡饱和的宝玉石样品重量：将宝玉石样品浸泡在蒸馏水中，待浸泡饱和后，测量重量，记录为WF；之后，根据单端探头测试系统测量宝玉石样品微波复介电常数，记录为εrF。
5.如权利要求4所述的一种基于微波复介电常数的宝玉石含水量鉴别方法，其特征在于，步骤S1中，所述获取满足预设阈值的宝玉石重量和当前宝玉石对应的微波复介电常数，具体还包括：
获取风干后的宝玉石样品重量：
S300、获取风干10分钟后的宝玉石样品重量及微波复介电常数：风干10分钟后，测量宝玉石样品的重量，记录为W1；根据单端探头测试系统测量宝玉石样品微波复介电常数，记录为εr1；
S310、获取风干m分钟后的宝玉石样品重量及微波复介电常数：重复上述步骤S300，记录m组重量及其对应的εrn；
S320、根据m组测量得到的宝玉石样品重量，判断是否停止风干：当第m组测量的宝玉石样品重量满足Wm＝Wm-1时，停止风干。
6.如权利要求5所述的一种基于微波复介电常数的宝玉石含水量鉴别方法，其特征在于，在步骤S2中，所述根据上述测量的重量及微波复介电常数，计算并创建宝玉石含水量与微波复介电常数的对应表格，具体为：
计算以上宝玉石样品的含水量，风干m小时后，样品的密度为：
Figure FDA0002560950190000021
定义宝玉石样品水含量饱和时的密度为：
Figure FDA0002560950190000022
根据上述两个密度公式，拟合建立含水量和测量微波复介电常数之间的对应表格。
7.如权利要求6所述的一种基于微波复介电常数的宝玉石含水量鉴别方法，其特征在于，在步骤S3中，所述根据上述计算得到的对应表格，建立宝玉石含水量与微波复介电常数之间的关系函数，具体为：
根据含水量和测量微波复介电常数关系表格，求得含水量关于宝玉石样品复介电常数实部或者虚部的曲线函数，即：
C＝f1(ε′r)
或者
C＝f2(ε″r)。
8.如权利要求7所述的一种基于微波复介电常数的宝玉石含水量鉴别方法，其特征在于，根据含水量关于宝玉石样品复介电常数实部或者虚部的曲线函数，记录函数f1和f2。
9.如权利要求8所述的一种基于微波复介电常数的宝玉石含水量鉴别方法，其特征在于，根据所述函数f1和f2，执行步骤S4和S5。
10.一种基于微波复介电常数的宝玉石含水量鉴别系统，包括单端探头测试系统，其特征在于，所述单端探头测试系统包括单端探头、射频线缆、网络分析仪R&S ZVA40以及自动化计算软件，单端探头用于探测待测宝玉石的微波复介电常数且通过所述射频线缆电性连接网络分析仪R&S ZVA40，自动化计算软件用以执行上述权利要求1-9所述的基于微波复介电常数的宝玉石含水量鉴别方法，自动化计算软件通过通信端口连接网络分析仪R&SZVA40。
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