CN114858825B - 一种基于微波腔体检波的材料含水率测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于微波腔体检波的材料含水率测量装置及其测量方法，属于微波应用技术领域，包括前端面板、装置外壳、温度传感器、喇叭天线、开槽波导、微波谐振腔、检波探针、同轴线、微波功率检波器、导轨单元、滑动平台、控制单元及显示输出单元；本发明喇叭天线、开槽波导以及微波谐振腔依次首尾连接，通过位于开槽波导腔体内部的检波探针的移动实现对腔体内部的微波检波，由安装于前端面板边缘的温度传感器对被测样品温度进行测量，建立具有温度补偿的反演公式实现材料含水率实时测量；本发明提高微波含水率测量装置的便携性及测量精度，使测量结果不受材料温度及堆积情况影响，可实现粮食、建筑材料、医药、化工产品等材料的快速无损测量。
Description
技术领域
本发明属于微波应用技术领域，具体涉及一种基于微波腔体检波的材料含水率测量装置及其测量方法。
背景技术
在粮食、纸张、土壤、化肥、纺织和石油等加工制造行业中，原材料的含水率对产品的性能质量及生产效率有重要影响。材料含水率可通过直接或间接两种方式测得，其中，直接测量方式主要采用湿基法，通过测量样品在干燥前与干燥后重量之差的比重计算含水率；湿基法的测量速度较慢，同时需要对材料进行破坏，一般用于实验室中的水分标定。目前材料含水率的间接测量方法主要包括电阻法、电容法、中子法、红外法及微波法等，其特点、适用范围、测量精度各不相同。在某些场合，要求快速无损测量材料的含水率，进而实现对整个生产过程的在线闭环控制，这对含水率测量方法提出了更高的要求。
水分子具有很强的偶极性，在微波作用下，水偶极子频繁换向会消耗大量电能，这种极化损耗的特性可通过复介电常数来表征。研究表明，水的高频复介电常数远高于其他干物质，因此通过测量微波与材料相互作用后，功率衰减、相位变化等与介电常数相关的物理量，便能间接测得材料的含水率。微波在空间中以光速传播，测量过程不破坏样品结构，因此能够满足材料含水率的快速无损检测需求。
微波含水率测量方法主要分为空间波法、传输线法和谐振腔法，其中，传输线法和谐振腔法需要与被测材料直接接触，一般应用于取样测量。空间波法可以不与材料直接接触，非常适合应用于工农业生产中含水率的实时在线检测。目前，基于微波空间技术的含水率测量装置大多体积较大，固定安装于生产线中，对大批量产品进行连续测量，不能随时随地对待测样品进行检测，限制了其应用场景。同时，微波与被测样品相互作用后，空间微波会产生反射、透射及散射现象，电磁波的多重反射会降低含水率测量精度。基于新技术手段提取与含水率最相关的空间微波信息，是提高测量精度的关键之一。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，为提高微波含水率测量装置的便携性及测量精度，本发明提供了一种基于微波腔体检波的材料含水率测量装置及其测量方法，采用开槽波导腔及可移动探针的组合，对微波空间反射信号进行测量，根据驻波比及波节点的坐标变化计算被测材料含水率。
本发明通过如下技术方案实现：
一种基于微波腔体检波的材料含水率测量装置，包括被测样品1、前端面板2、显示输出单元14、装置外壳3及位于装置外壳3内部的温度传感器4、喇叭天线5、开槽波导6、微波谐振腔7、检波探针8、同轴线9、微波功率检波器10、导轨单元11、滑动平台12及控制单元13；其中，所述前端面板2固定安装于装置外壳3的前端，位于装置外壳3内侧的前端面板2上还设置有温度传感器4；所述喇叭天线5、开槽波导6及微波谐振腔7依次首尾连接在一起，所述检波探针8的一端垂直固定于滑动平台12之上，滑动平台12滑动连接在导轨单元11上，检波探针8的另一端垂直插入开槽波导6的内部，对开槽波导6的腔内行驻波进行检波，所述检波探针8通过同轴线9与微波功率检波器10连接；所述微波功率检波器10、导轨单元11及温度传感器4分别与控制单元13连接，所述控制单元13与位于装置外壳3外部的显示输出单元14连接；由微波谐振腔7产生的微波信号经过开槽波导6传输后，通过喇叭天线5发出；微波信号通过前端面板2后与被测样品1在空间中相互作用，反射微波信号由喇叭天线5接收，发射波与反射波在开槽波导6中叠加形成行驻波；检波探针8用于对开槽波导6的腔内行驻波进行检波，检波信号通过同轴线9传输至微波功率检波器10后输出检波电压；控制单元13用于实现对导轨单元11的电机转动控制，同时采集温度传感器4输出的温度补偿信号、微波功率检波器10输出的检波电压信号，并计算被测样品1的含水率信息，将测量结果输出至显示输出单元14。
进一步地，所述被测样品1为粮食、土壤、肥料等密度分布均匀的非金属含水材料。
进一步地，所述前端面板2在测量时，需要紧贴或插入被测样品1以达到最佳测量精度，选材要求密封性好、耐磨性强、微波衰减小，如陶瓷、玻璃等。
进一步地，所述装置外壳3为金属材质，具有良好的导电性和硬度，能够保护内部电路同时屏蔽外界电磁干扰。
进一步地，所述温度传感器4的温度测量有效范围不低于0-100℃，精度不低于±0.5℃。
进一步地，所述喇叭天线5采用圆锥或角锥形结构，由金属材质制作，有效增益不小于10dBi。
进一步地，所述开槽波导6为矩形结构，长度范围为40-80mm，其上所开槽长度范围为30-60mm，开槽宽度范围为0.5-2mm。
进一步地，所述微波谐振腔7通过安装于腔体内部的耿氏二极管产生微波信号，微波频率有效范围为3-24GHz，功率范围为1-30mW。
进一步地，所述检波探针8为金属材质，直径范围为0.5-2mm，长度范围为5-20mm，能够垂直插入开槽波导6的波导腔体中间。
进一步地，所述导轨单元11由滑轨及电机连接组成，滑动平台12滑动连接在滑轨上，通过电机转动带动滑轨上的滑动平台12移动；
所述导轨单元11的滑轨平行固定安装于开槽波导6的下方，轨道长度不小于开槽波导6的长度。
进一步地，所述滑动平台12在滑轨上的有效滑动距离大于1个微波工作波长，保证检波探针8能够获得一个完整周期的微波检波信号。
进一步地，所述控制单元13包括A/D转换器、单片机运算控制单元及电机驱动模块，A/D转换器的有效测量精度不低于12位。
本发明的一种基于微波腔体检波的材料含水率测量装置的测量原理说明如下：
微波发射波形式如下：
Ei＝E0ej(ωt-kz) (1)
式中，E0为透射波电场强度，ω为微波角频率、t为微波传播时间、k为波数、z为微波传播距离、j为虚数单位；
微波与材料相互作用后产生反射信号，假设样本界面反射系数为 为样品反射系数相位；反射波与发射波方向相反，形式如下：
发射波与反射波在波导腔中叠加，微波叠加形式为
Ec＝Ei+Er (3)
公式(1)、(2)代入(3)后，Ec可以简化为
Ec＝BEi (4)
上式是典型的行驻波表达式，其中， 表示驻波分量，其大小随位置z(在本装置中检波探针移动距离D对应z的改变)周期性变化，Ei为行波分量，随时间t周期性变化；
对于公式(4)，经理论计算，电压驻波比与被测样品介电常数ε有如下关系：
波节点坐标Dm与被测样品反射系数相位φ的关系如下：
公式(5)和(6)表明，由于样品含水率变化导致的微波反射系数的改变，能够通过行驻波驻波比Sc及波腹点位置Dm进行表征；
本发明装置通过检波探针对开槽波导内的空间行驻波进行连续测量，计算驻波比Sc及波腹点位置Dm，建立具有温度补偿的反演公式实现材料含水率的实时转换。
另一方面，本发明提供了一种基于微波腔体检波的材料含水率测量装置的测量方法，具体步骤如下：
S1、微波空间波信号连续测量：
控制单元13控制导轨单元11中的电机转动，使检波探针8逐渐靠近被测样品1方向移动，与此同时控制单元13对检波探针8的移动距离D及微波功率检波器10输出的电压信号V进行连续采集，由控制单元13进行比较，记录电压最大值Vmax、最小值Vmin及最小值所对应的检波探针8移动距离Dm，计算电压驻波比Sc＝Vmax/Vmin；
S2、样品温度同步采集：
控制单元13读取温度传感器4采集的温度信号T；
S3、材料含水率运算：
由控制单元13内部单片机控制单元根据如下公式对材料含水率M进行运算：
其中：Sc为电压驻波比，Dm为检波电压最小值所对应的检波探针8移动距离，T为样品温度；a、b、c为拟合系数，当被测样品1具体确定后，拟合系数为常量，可通过提前测量已知不同含水率的样品，拟合方程组反推得到；
S4、含水率实时显示输出：
控制单元13内部单片机完成含水率运算后，由显示输出单元14输出被测样品1的含水率信息。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)本发明的一种基于微波腔体检波的材料含水率测量装置的元器件统一安装于不锈钢探头内部，微波通过前端面板收发，装置具有良好的便携性、机械强度及抗干扰性；
(2)本发明的测量方法采用微波空间反射的测量方式，只需要单一探头面对被测样品进行无损检测，测量过程样品无需特殊准备，微波具有穿透性，测量结果表征了材料的整体含水率；
(3)基于腔体检波的微波信号测量方式建立含水率反演算法，使测量结果不受材料温度及堆积情况影响，可以实现粮食、建筑原材料、医药、化工产品等材料的快速无损测量。
附图说明
图1为本发明的一种基于微波腔体检波的材料含水率测量装置的结构示意图；
图2为本发明装置的开槽波导及检波探针的示意图
其中，a为立体示意图，b为俯视图；
图3为本发明测量装置的测量信号控制流程图；
图4为实施例3中9％含水率的小麦测量中探针信号输出与探针移动距离关系图；
图中：被测样品1、前端面板2、装置外壳3、温度传感器4、喇叭天线5、开槽波导6、微波谐振腔7、检波探针8、同轴线9、微波功率检波器10、导轨单元11、滑动平台12、控制单元13、显示输出单元14。
具体实施方式
为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：
实施例1
如图1所示，一种基于微波腔体检波的材料含水率测量装置，包括被测样品1、前端面板2、显示输出单元14、装置外壳3及位于装置外壳3内部的温度传感器4、喇叭天线5、开槽波导6、微波谐振腔7、检波探针8、同轴线9、微波功率检波器10、导轨单元11、滑动平台12及控制单元13；其中，所述前端面板2固定安装于装置外壳3的前端，位于装置外壳3内侧的前端面板2上还设置有温度传感器4；所述喇叭天线5、开槽波导6及微波谐振腔7依次首尾连接在一起，所述检波探针8的一端垂直固定于滑动平台12之上，滑动平台12滑动连接在导轨单元11上，所述导轨单元11由滑轨及电机连接组成，滑动平台12滑动连接在滑轨上，通过电机转动带动滑轨上的滑动平台12移动；检波探针8的另一端垂直插入开槽波导6的内部，对开槽波导6的腔内行驻波进行检波，所述检波探针8通过同轴线9与微波功率检波器10连接；所述微波功率检波器10、导轨单元11及温度传感器4分别与控制单元13连接，所述控制单元13与位于装置外壳3外部的显示输出单元14连接；
如图3所示，本实施例的材料含水率测量装置的信号控制过程如下：
由微波谐振腔7产生的微波信号经过开槽波导6传输后，通过喇叭天线5发出；微波信号通过前端面板2后与被测样品1在空间中相互作用，反射微波信号由喇叭天线5接收，发射波与反射波在开槽波导6中叠加，形成行驻波；通过位于开槽波导6腔体内部的检波探针8对腔体内的微波进行检波，检波探针8通过滑动平台12固定在滑轨上，滑轨与电机相连，电机的信号线与控制单元13相连，接收到控制信号后，电机带动滑轨上的滑动平台12移动，从而实现检波探针8在开槽波导6腔体内部的移动；通过同轴线9传输微波，由微波功率检波器10进行检波后，传输至控制单元13；由安装于前端面板2边缘的温度传感器4检测被测样品1温度，传输至控制单元13，进行温度补偿，并在显示输出单元14上显示；在装置外壳3的前端安装有前端面板2，前端面板2紧贴被测样品1以达到最高精确度；显示输出单元14与控制单元13相连，控制单元13结合微波检波信号及温度信息计算得到样品含水率，通过显示输出单元14输出测量结果。
在本实施例中，所述前端面板2为陶瓷片，厚度为4mm，直径为100mm。
在本实施例中，所述装置外壳3为不锈钢材质，壁厚为3mm，外径为100mm，长度为300mm。
在本实施例中，所述温度传感器4为DS18B20温度传感器，测量温度范围为-55-+125℃，精度为±0.5℃，可以直接读出被测温度，5V的电压供电。
在本实施例中，所述喇叭天线5采用圆锥形结构，由合金材质制作，辐射角度为正负6度，在中心频率10GHz的有效增益为15dB，对应的微波工作波长为30mm。
如图2的(a)及(b)所示，在本实施例中，所述开槽波导6的长度为80mm，其上所开槽的长度为50mm。
在本实施例中，所述微波谐振腔7产生的微波信号频率为10GHz。
在本实施例中，所述检波探针8与同轴线9相连，探针直径为1mm，长度为10mm。
在本实施例中，所述微波功率检波器10采用的是对数功率检波器，最大适用频率为12GHz。
在本实施例中，所述导轨单元11由滑轨和电机组成，其中滑轨和电机采用FSL30直线模组，本体宽度30mm，最大有效行程为100mm。
在本实施例中，所述控制单元13包含A/D转换器、单片机运算控制单元及电机驱动模块，单片机运算控制单元采用32位ARM核心STM32F103系列处理器，采用3.3伏供电，芯片工作频率设置为72MHz，A/D转换器选用STM32处理器内部集成模数转换器，设定12位转换精度和1μs的单次转换采集时间。电机驱动模块选用FMDD36D22NOM两相混合式步进电机驱动器，供电电源为24V直流电源，功率为50W。
在本实施例中，所述显示输出单元14选用2.8寸TFT LCD液晶显示屏。
实施例2
本实施例对开槽波导和检波探针的具体结构进行说明。如图2所示，一种开槽波导6及检波探针8的具体组合结构，在波导腔体下表面中间位置开一细窄的长槽，槽长L1为50mm，槽宽为1mm。检波探针8深入槽内，测量开槽波导6内部的微波信号。检波探针8通过滑动平台12的移动实现在波导腔内部的移动测量。检波探针8与左侧开槽初始位置的距离为D，当某一点所测电压为行驻波最小值时，此时对应的移动距离D即为Dm。
实施例3
本实施例中以小麦为测量对象说明测量装置的具体测量方法，经过自然晾晒的小麦初始含水率为9％，通过在样品中加水并不断均匀搅拌的方式最终得到6份不同含水率的小麦样品，含水率变化范围为9％～28.4％。
一种基于微波腔体检波的材料含水率测量装置的测量方法，具体步骤如下：
S1、微波空间波信号连续测量；
控制单元13控制导轨单元11中的电机转动，使检波探针8逐渐靠近小麦移动，与此同时控制单元13对检波探针8的移动距离D及微波功率检波器10输出的电压信号V进行连续采集，由控制单元13进行比较，记录电压最大值Vmax、最小值Vmin及最小值所对应的检波探针8移动距离Dm，计算电压驻波比Sc＝Vmax/Vmin。
图4所示为9％含水率的小麦测量中探针信号输出与探针移动距离关系，测量得到的电压最大值Vmax为0.820V、最小值Vmin为0.662V，最小值所对应的检波探针8移动距离Dm为11.76mm，计算得到的电压驻波比Sc为1.239。
S2、样品温度同步采集；
检波探针8测量完成后，控制单元13读取温度传感器4采集样品温度T，上述9％含水率的小麦测量中，得到样品温度T为23.7℃。
表1列出了试验中六种不同小麦样品的含水率M、检波电压最大值Vmax、检波电压最小值Vmin、最小值探针移动距离Dm、电压驻波比Sc以及样品温度T的测量结果。
S3、材料含水率运算；
由控制单元13内部单片机控制单元根据如下公式对材料含水率M进行运算：
其中：Sc为电压驻波比，Dm为检波电压最小值所对应的检波探针8移动距离，T为样品温度；a、b、c为拟合系数，对于确定的测量样品，拟合系数为常量，将表1中不同含水率M、电压驻波比Sc、探针移动距离Dm、样品温度T代入上述公式8后，通过origin数据处理软件进行线性拟合后，得到拟合系数a为285.94、b为-0.62、c为-5.04。
S4、材料含水率实时显示输出。
控制单元13内部单片机完成含水率运算后，由显示输出单元14输出被测样品1的含水率信息。
表1：小麦样品传感器测量数据
Claims (9)
1.一种基于微波腔体检波的材料含水率测量装置，其特征在于，包括被测样品(1)、前端面板(2)、显示输出单元(14)、装置外壳(3)及位于装置外壳(3)内部的温度传感器(4)、喇叭天线(5)、开槽波导(6)、微波谐振腔(7)、检波探针(8)、同轴线(9)、微波功率检波器(10)、导轨单元(11)、滑动平台(12)及控制单元(13)；其中，所述前端面板(2)固定安装于装置外壳(3)的前端，位于装置外壳(3)内侧的前端面板(2)上还设置有温度传感器(4)；所述喇叭天线(5)、开槽波导(6)及微波谐振腔(7)依次首尾连接在一起，所述检波探针(8)的一端垂直固定于滑动平台(12)之上，滑动平台(12)滑动连接在导轨单元(11)上，检波探针(8)的另一端垂直插入开槽波导(6)的内部，对开槽波导(6)的腔内行驻波进行检波，所述检波探针(8)通过同轴线(9)与微波功率检波器(10)连接；所述微波功率检波器(10)、导轨单元(11)及温度传感器(4)分别与控制单元(13)连接，所述控制单元(13)与位于装置外壳(3)外部的显示输出单元(14)连接；由微波谐振腔(7)产生的微波信号经过开槽波导(6)传输后，通过喇叭天线(5)发出；微波信号通过前端面板(2)后与被测样品(1)在空间中相互作用，反射微波信号由喇叭天线(5)接收，发射波与反射波在开槽波导(6)中叠加形成行驻波；检波探针(8)用于对开槽波导(6)的腔内行驻波进行检波，检波信号通过同轴线(9)传输至微波功率检波器(10)后输出检波电压；控制单元(13)用于实现对导轨单元(11)的电机转动控制，同时采集温度传感器(4)输出的温度补偿信号、微波功率检波器(10)输出的检波电压信号，并计算被测样品(1)的含水率信息，将测量结果输出至显示输出单元(14)；
所述测量装置的控制方法，具体步骤如下：
S1、微波空间波信号连续测量：
控制单元(13)控制导轨单元(11)中的电机转动，使检波探针(8)逐渐靠近被测样品(1)移动，与此同时控制单元(13)对检波探针(8)的移动距离D及微波功率检波器(10)输出的电压信号V进行连续采集，由控制单元(13)进行比较，记录电压最大值Vmax、最小值Vmin及最小值所对应的检波探针(8)移动距离Dm，计算电压驻波比Sc＝Vmax/Vmin；
S2、样品温度同步采集：
控制单元(13)读取温度传感器(4)采集的温度信号T；
S3、材料含水率运算：
由控制单元(13)内部单片机控制单元根据如下公式对材料含水率M进行运算：
其中：Sc为电压驻波比，Dm为检波电压最小值所对应的检波探针(8)移动距离，T为样品温度；a、b、c为拟合系数，当被测样品(1)具体确定后，拟合系数为常量，可以通过提前测量已知不同含水率的样品，拟合方程组反推得到；
S4、含水率实时显示输出
控制单元(13)内部单片机完成含水率运算后，由显示输出单元(14)输出被测样品(1)的含水率信息。
2.如权利要求1所述的一种基于微波腔体检波的材料含水率测量装置，其特征在于，所述被测样品(1)为密度分布均匀的粮食、土壤或肥料；所述前端面板(2)为陶瓷或玻璃。
3.如权利要求1所述的一种基于微波腔体检波的材料含水率测量装置，其特征在于，所述装置外壳(3)为金属材质；所述温度传感器(4)的温度测量有效范围不低于0-100℃，精度不低于±0.5℃。
4.如权利要求1所述的一种基于微波腔体检波的材料含水率测量装置，其特征在于，所述喇叭天线(5)采用圆锥或角锥形结构，由金属材质制作，有效增益不小于10dBi；所述开槽波导(6)为矩形结构，长度范围为40-80mm，其上所开槽长度范围为30-60mm，开槽宽度范围为0.5-2mm。
5.如权利要求1所述的一种基于微波腔体检波的材料含水率测量装置，其特征在于，所述微波谐振腔(7)通过安装于腔体内部的耿氏二极管产生微波信号，微波频率有效范围为3-24GHz，功率范围为1-30mW。
6.如权利要求1所述的一种基于微波腔体检波的材料含水率测量装置，其特征在于，所述检波探针(8)为金属材质，直径范围为0.5-2mm，长度范围为5-20mm，能够垂直插入开槽波导(6)的波导腔体中间。
7.如权利要求1所述的一种基于微波腔体检波的材料含水率测量装置，其特征在于，所述导轨单元(11)由滑轨及电机连接组成，滑动平台(12)滑动连接在滑轨上，通过电机转动带动滑轨上的滑动平台(12)移动；
所述导轨单元(11)的滑轨平行固定安装于开槽波导(6)的下方，轨道长度不小于开槽波导(6)的长度。
8.如权利要求1所述的一种基于微波腔体检波的材料含水率测量装置，其特征在于，所述滑动平台(12)在滑轨上的有效滑动距离大于1个微波的工作波长，保证检波探针(8)能够获得一个完整周期的微波检波信号。
9.如权利要求1所述的一种基于微波腔体检波的材料含水率测量装置，其特征在于，所述的控制单元(13)包括A/D转换器、单片机运算控制单元及电机驱动模块，A/D转换器的有效测量精度不低于12位。
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| KR20140082376A (ko) * | 2012-12-24 | 2014-07-02 | 김송흡 | 곡물의 함수율 측정을 위한 마이크로파 송수신 장치 |
| CN109900724A (zh) * | 2019-04-25 | 2019-06-18 | 吉林农业大学 | 一种基于微波地面雷达的作物水分原位监测装置及方法 |
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2022
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| 微波空间波技术材料含水率检测方法及装置的研究;李陈孝;中国博士学位论文电子期刊网信息科技辑;20150815;全文 * |
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