CN114813656B - 一种基于毫米波太赫兹技术的谷物粉品质检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于毫米波太赫兹技术的谷物粉品质检测装置及方法，该装置通过在上位机输入起始频率、终止频率以及步进频率发送给微控制器，微控制器通过串口中断接收指令并对指令进行解析，接着控制毫米波太赫兹锁相环产生毫米波太赫兹信号对谷物粉进行测量并通过幅相检测模块将毫米波太赫兹信号转换成电压信号。微控制器按照特定频率控制ADC采集经幅相检测模块转换以后的幅值电压与相位电压并进行编码，接着传输至上位机进行曲线绘制、数据存储，以此同时对采集的特征指纹谱数据进行检测，并把检测结果在上位机上显示。本发明具有体积小、检测速度快、灵敏度高的特点，具有良好的实用性。

Description

一种基于毫米波太赫兹技术的谷物粉品质检测装置及方法

技术领域

本发明属于毫米波太赫兹检测应用技术领域，具体涉及一种基于毫米波太赫兹技术的谷物粉品质检测装置及方法。

背景技术

在毫米波太赫兹检测领域，传统检测仪器价格昂贵、体积硕大以及不变携带，只能在固定地方进行检测，且检测性能单一，以此同时在检测速度、检测范围方面有所限制。针对以上问题，本实用提出了一种双外差混频结构的毫米波太赫兹透射探测系统，并基于自由空间法获取谷物粉的指纹谱，构建了一种新型小型化的谷物粉品质检测装置，并将其进行小型化和产品化。可以为食品监督企业提供一套检测速度快、精度较高的谷物品质检测的装置和手段。将毫米波太赫兹用于谷物安全的检测，对于分析其内部结构与成分等信息意义重大。研究快速、高灵敏度的谷物毫米波太赫兹无损检测，有利于促进我国谷物安全检测技术的发展，对支撑国家粮食安全战略，保障谷物安全和人民体魄健康具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是克服以上现有技术存在的不足，提供了一种低成本、小型化、结构简单、检测速度快和精度高的谷物粉品质检测装置。

本发明的技术方案为：一种基于毫米波太赫兹技术的谷物粉品质检测装置，采用双外差混频结构，该装置中，上位机1、显示屏2均和微控制器3相连，微控制器3分别和毫米波太赫兹锁相环a4与毫米波太赫兹锁相环b5相连，相差1098M的毫米波太赫兹锁相环a4与毫米波太赫兹锁相环b5的信号采用差分输出，毫米波太赫兹锁相环a4的一个差分端口直接与发射天线6相连接，另外一个差分端口与混频器b12的RF端相连接，毫米波太赫兹锁相环b5的一个差分端口直接与混频器a11的LO端相连接，另外一个差分端口与混频器b12的LO端相连接；接收天线9直接与混频器a11的RF连接，混频器a11的IF端口与滤波器a13连接，混频器b12的IF端口和滤波器b14连接，最后滤波器a13和滤波器b14、幅相检测模块15、电压跟随器10以及微控制器3顺序连接。

进一步，毫米波太赫兹锁相环a4与毫米波太赫兹锁相环b5采用微带线进行50Ω阻抗匹配以及采用共面波导输出毫米波太赫兹信号；由微控制器通过SPI协议按照20Hz的频率改变毫米波太赫兹锁相环频率，其输出频率范围为26GHz-100GHz。

进一步，所述的发射天线6与接收天线9，在介质基板反面开一个圆形槽，紧接着在圆形槽内接一个椭圆形贴片，圆形槽圆心、椭圆形中心与介质基板中心相重合形成渐变结构激励出不同谐振模式。

进一步，幅相检测模块用于比较经过谷物粉的被测信号与参考信号之间的差异，其差异通过幅值电压与相位电压线性映射，同时幅值电压与相位电压组成谷物粉的特征曲线谱。

进一步，滤波器a13和滤波器b14采用无源窄带滤波器，滤除2个毫米波太赫兹锁相环的谐波分量以及经过混频器之后的高频分量。

进一步，混频器a11、混频器b12采用毫米波太赫兹同轴双平衡混频器，用于把26GHz-100GHz范围内毫米波太赫兹信号混频出1098M信号，用于测量经过谷物的毫米波太赫兹衰减量与相移量。

进一步，上位机包括数据解析、数据校验、控制命令交互、数据存储、曲线绘制以及算法调用。

本发明的一种基于毫米波太赫兹技术的谷物粉品质检测装置的检测方法，包含以下步骤：

1)微控制器通过SPI协议控制毫米波太赫兹锁相环a4与毫米波太赫兹锁相环b5产生频率相差1098M、幅值和相位相同的毫米波太赫兹信号，经过谷物粉透射的信号功率衰减，相位改变，未经过谷物粉的信号作为参考信号，2组信号通过1098M的窄带滤波器进入幅相检测模块进行幅值与相位比较；

2)通过微控制器对ADC采集的幅值电压与相位电压进行滑动滤波、数据编码及校验，按照数据协议发送到上位机进行数据处理；

3)上位机通过串口接收下位机数据，通过帧头、帧尾及校验码对接收数据进行解析，以此同时调用曲线绘制线程对幅值和相位曲线进行曲线绘制，并且把数据存储在Excel文本中。通过按钮调用MATLAB算法对数据进行谷物品质进行检测，最终把检测结果显示在上位机。

优选的，所述的金属腔体材料选用铁，其长、宽、高以及壁厚分别为50mm、45mm、26.2mm、5mm，在其正面距离下表面12.8mm、距离侧表面5mm的位置有一个长度为35mm、宽度为4.6mm的矩形通孔用于放置载物盒；在其侧面距离下表面10mm和距离上表面4mm的位置分别有2个长度为40mm、宽度为2.8mm的矩形通孔用于放置天线；在其上表面四个角的有4个M3的螺纹孔用于固定金属腔体的盖子。

优选的，所述的幅相检测模块用于比较经过被测谷物粉支路信号与参考信号之间的幅值与相位之间的差异，最终幅值与相位差异以直流电压的形式进行线性映射，因此通过测量幅值电压与相位电压即可知道经过谷物粉的毫米波太赫兹信号的衰减量与相移量。

优选的，所述的电压跟随器采用轨对轨运放，保证经过幅相检测模块的输出的幅值电压与相位电压稳定，提高ADC采样精度，实现整套装置高精度采样。

优选的，所述的信号处理以微处理器为核心实现毫米波太赫兹锁相环频率控制、ADC数据采集、信息显示、均值滤波和串口通信等功能。微控制器通过高级定时器构建时间片轮询法架构使得每个子模块按照特定频率执行，保证了每个模块之间互不干扰。微控制器以50Hz的频率对按键扫描进行毫米波太赫兹锁相环参数设置或者通过串口中断接收上位机发送指令来设置毫米波太赫兹锁相环参数；通过SPI总线以20Hz的频率改变毫米波太赫兹锁相环频率；通过IIC总线以5Hz的频率更新显示界面；ADC以2KHz的频率采集幅相电压和相位电压。

优选的，所述的上位机采用C#语言开发，包含串口设置栏、数据显示栏、操作命令栏以及曲线绘制界面，为了防止数据堵塞和降低曲线绘制延迟，采用多线程编程机制。通过串口通信将上位机平台上的起始频率、终止频率以及步进频率发送给微控制器；同时接收微控制器采集的幅值电压与相位电压，以字符串形式显示出来并存储在Excel表格中，并通过ZedGraph控件绘制幅值和相位曲线。最终通过C#调用Matlab算法进行谷物品质检测并显示检测结果。

本发明的工作原理：通过微控制器控制2片毫米波太赫兹锁相环产生26GHz～100GHz的毫米波太赫兹信号，毫米波太赫兹信号通过发射天线向自由空间中辐射，透射通过谷物粉的信号经过接收天线接收并进行混频作为被测信号输出，未经过谷物粉之路作为参考信号，通过幅相检测模块比较2路信号差异，将毫米波太赫兹信号转换成电信号；通过微控制器按照特定频率控制ADC采集幅值电压与相位电压，并对其进行滤波、编码、运算发送到上位机构建谷物粉特征指纹谱，并将数据存储在Excel表格中。

与现有的技术相比，本发明具有以下特点：

(1)本发明可对谷物粉品质进行检测，并将检测结果实时显示出来，提高了检测效率。

(2)本装置体积小、价格便宜、成本较低、不受环境影响，检测速度快、准确率高的特点。

附图说明

图1为基于毫米波太赫兹技术的谷物粉检测装置结构示意图；

图2为本发明的金属腔体结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案详细描述。

参考附图1和附图2所示，基于毫米波太赫兹的谷物粉检测装置包括毫米波太赫兹测量模块以及幅相检测模块，信号处理和上位机，整套装置放置于金属外壳之中。供电系统采用220V转5V，5V转3.3.V给装置供电，毫米波太赫兹锁相环a4以及毫米波太赫兹锁相环b5分别采用2块电源单独供电。

进一步的，所述的毫米波太赫兹测量模块包括毫米波太赫兹锁相环a4、毫米波太赫兹锁相环b5、金属腔体8、发射天线6、接收天线9、载物盒7、混频器a11、混频器b12、滤波器a13、滤波器b14。毫米波太赫兹锁相环a4、毫米波太赫兹锁相环b5的信号采用差分输出，毫米波太赫兹锁相环a4一个差分端口直接与发射天线连接，另外一个差分端口与混频器b12的RF端连接，毫米波太赫兹锁相环b5一个差分端口直接与混频器a11的LO端连接，另外一个差分端口与混频器b12的LO端连接；混频器a11与混频器b12分别与滤波器a13和滤波器b14连接。金属腔体8、发射天线6、接收天线9以及载物盒7位置关系如图2所示，其中金属腔体的长宽高分别为50mm、45mm、26.2mm，发射天线6距离金属腔体下表面为10mm、接收天线9距离金属腔体上表面4mm，载物盒距离金属腔体下表面为12.8mm。

进一步的，所述的幅相检测模块15的输入端分别与滤波器a13和滤波器b14相接，输出端的2个通道连接到电压跟随器10的输入端，电压跟随器10的输出端与微控制器的内置ADC端口相接。

优选的，所述的毫米波太赫兹锁相环a4与毫米波太赫兹锁相环b5通过微控制器配置寄存器产生26GHz～100GHz的毫米波太赫兹信号，信号采用微带线进行阻抗匹配，共面波导输出，。

优选的，所述的金属腔体材料选用铁，其长、宽、高以及壁厚分别为50mm、45mm、26.2mm、5mm，在其正面距离下表面12.8mm、距离侧表面5mm的位置有一个长度为35mm、宽度为4.6mm的矩形通孔用于放置载物盒；在其侧面距离下表面10mm和距离上表面4mm的位置分别有2个长度为40mm、宽度为2.8mm的矩形通孔用于放置天线；在其上表面四个角的有4个M3的螺纹孔用于固定金属腔体的盖子。

优选的，所述的幅相检测模块15用于比较经过被测谷物粉之路信号与参考信号之间的幅值与相位之间的差异，最终幅值与相位差异以直流电压的形式进行线性映射，因此通过测量幅值电压与相位电压即可知道经过谷物粉的毫米波太赫兹信号的衰减量与相移量。

优选的，所述的电压跟随器10采用轨对轨运放，保证经过幅相检测模块的输出的幅值电压与相位电压稳定，提高ADC采样精度，实现整套装置高精度采样。

优选的，所述的信号处理以1微处理器为核心实现毫米波太赫兹锁相环频率控制、ADC数据采集、信息显示、均值滤波和串口通信等功能。微控制器通过高级定时器构建时间片轮询法架构使得每个子模块按照特定频率执行，保证了每个模块之间互不干扰。微控制器以50Hz的频率对按键扫描进行毫米波太赫兹锁相环参数设置或者通过串口中断接收上位机发送指令来设置毫米波太赫兹锁相环参数；通过SPI总线以20Hz的频率改变毫米波太赫兹锁相环频率；通过IIC总线以5Hz的频率更新显示界面；ADC以2KHz的频率采集幅相电压和相位电压，

优选的，所述的上位机1采用C#语言开发，包含串口设置栏、数据显示栏、操作命令栏以及曲线绘制界面，为了防止数据堵塞和降低曲线绘制延迟，采用多线程编程机制。通过串口通信将上位机平台上的起始频率、终止频率以及步进频率发送给微控制器；同时接收微控制器采集的幅值电压与相位电压，以字符串形式显示出来并存储在Excel表格中，并通过ZedGraph控件绘制幅值和相位曲线。最终通过C#调用Matlab算法进行谷物品质检测并显示检测结果。

本发明的工作原理：通过微控制器控制2片毫米波太赫兹锁相环产生26GHz～100GHz的毫米波太赫兹信号，毫米波太赫兹信号通过发射天线向自由空间中辐射，透射通过谷物粉的信号经过接收天线接收并进行混频作为被测信号输出，未经过谷物粉之路作为参考信号，通过幅相检测模块比较2路信号信号，将毫米波太赫兹信号转换成电信号；通过微控制器按照特定频率控制ADC采集幅值电压与相位电压，并对其进行滤波、编码、运算发送到上位机构建谷物粉特征指纹谱，并将数据存储在Excel表格中。

整套装置检测过程为：

(1)微控制器通过SPI协议控制毫米波太赫兹锁相环产生频率相差1098M、幅值和相位相同的毫米波太赫兹信号。经过被测物透射的信号功率衰减，相位改变，未经过被测物的信号作为参考信号，2组信号通过1098M的窄带滤波器进入幅相检测模块进行幅值与相位比较。

(2)通过微控制器对ADC采集的幅值、相位数据进行滑动滤波、数据编码及校验，按照数据协议发送到上位机进行数据处理。

(3)上位机通过串口接收下位机数据，通过帧头、帧尾及校验码对接收数据进行解析，以此同时调用曲线绘制线程对幅值数据和相位数据进行曲线绘制，并且把数据存储在Excel文本中。通过按钮调用MATLAB算法对数据进行检测，最终把结果显示在上位机。

Claims (6)

1.一种基于毫米波太赫兹技术的谷物粉品质检测装置，其特征在于，采用双外差混频结构，该装置中，上位机1、显示屏2均和微控制器3相连，微控制器3分别和毫米波太赫兹锁相环a4与毫米波太赫兹锁相环b5相连，相差1098M的毫米波太赫兹锁相环a4与毫米波太赫兹锁相环b5的信号采用差分输出，毫米波太赫兹锁相环a4的一个差分端口直接与发射天线6相连接，另外一个差分端口与混频器b12的RF端相连接，毫米波太赫兹锁相环b5的一个差分端口直接与混频器a11的LO端相连接，另外一个差分端口与混频器b12的LO端相连接；接收天线9直接与混频器a11的RF连接，混频器a11的IF端口与滤波器a13连接，混频器b12的IF端口和滤波器b14连接，最后滤波器a13和滤波器b14、幅相检测模块15、电压跟随器10以及微控制器3顺序连接；

金属腔体8的材料选用铁，在其正面距离下表面12.8mm、距离侧表面5mm的位置有一个矩形通孔用于放置载物盒；在其侧面距离下表面10mm和距离上表面4mm的位置分别有2个矩形通孔用于放置发射天线6及接收天线9；

毫米波太赫兹锁相环a4与毫米波太赫兹锁相环b5采用微带线进行50Ω阻抗匹配以及采用共面波导输出毫米波太赫兹信号；由微控制器通过SPI协议按照20Hz的频率改变毫米波太赫兹锁相环频率，其输出频率范围为26GHz-100GHz；

所述的发射天线6与接收天线9，在介质基板反面开一个圆形槽，紧接着在圆形槽内接一个椭圆形贴片，圆形槽圆心、椭圆形中心与介质基板中心相重合形成渐变结构激励出不同谐振模式。

2.根据权利要求1所述的一种基于毫米波太赫兹技术的谷物粉品质检测装置，其特征在于，幅相检测模块用于比较经过谷物粉的被测信号与参考信号之间的差异，其差异通过幅值电压与相位电压线性映射，同时幅值电压与相位电压组成谷物粉的特征曲线谱。

3.根据权利要求1所述的一种基于毫米波太赫兹技术的谷物粉品质检测装置，其特征在于，滤波器a13和滤波器b14采用无源窄带滤波器，滤除2个毫米波太赫兹锁相环的谐波分量以及经过混频器之后的高频分量。

4.根据权利要求1所述的一种基于毫米波太赫兹技术的谷物粉品质检测装置，其特征在于，混频器a11、混频器b12采用毫米波太赫兹同轴双平衡混频器，用于把26GHz-100GHz范围内毫米波太赫兹信号混频出1098M信号，用于测量经过谷物的毫米波太赫兹衰减量与相移量。

5.根据权利要求1所述的一种基于毫米波太赫兹技术的谷物粉品质检测装置，其特征在于，上位机包括数据解析、数据校验、控制命令交互、数据存储、曲线绘制以及算法调用。

6.根据权利要求1所述的一种基于毫米波太赫兹技术的谷物粉品质检测装置的检测方法，其特征在于，包含以下步骤：

1）微控制器通过SPI协议控制毫米波太赫兹锁相环a4与毫米波太赫兹锁相环b5产生频率相差1098M、幅值和相位相同的毫米波太赫兹信号，经过谷物粉透射的信号功率衰减，相位改变，未经过谷物粉的信号作为参考信号，2组信号通过1098M的窄带滤波器进入幅相检测模块进行幅值与相位比较；

2）通过微控制器对ADC采集的幅值电压与相位电压进行滑动滤波、数据编码及校验，按照数据协议发送到上位机进行数据处理；

3）上位机通过串口接收下位机数据，通过帧头、帧尾及校验码对接收数据进行解析，同时调用曲线绘制线程对幅值和相位曲线进行曲线绘制，并且把数据存储在Excel文本中，通过按钮调用MATLAB算法对数据进行谷物品质进行检测，最终把检测结果显示在上位机。