CN201449376U - 利用微波对织物含水率进行在线检测的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的一种利用微波对织物含水率进行在线检测的装置，包括微波电路单元和数据处理单元，微波电路单元包括通过无线信号依次连接的微波信号源、隔离器、可变衰减器、发射天线、接收天线、检波器和直流放大模块。本实用新型利用微波对织物含水率进行在线检测的装置，采用微波电路单元和数据处理单元进行微波信号的传输处理，通过测定微波衰减量变化的电压值，计算得到织物的含水率，同时利用LabVIEW开发平台实现织物含水率的在线检测，功耗低，测量精度高，对织物不会造成破坏或污染，测量范围广。

Description

利用微波对织物含水率进行在线检测的装置

技术领域

本实用新型属于纺织印染技术领域，具体涉及一种利用微波对织物含水率进行在线检测的装置。

背景技术

织物的含水率是染整工艺过程中关键指标中的关键，它不仅衡量着产品的质量，还有利于节约能源，因此，在染整工艺中实现对织物含水率的测量是必不可少的。随着近代物理测试技术的应用，含水率的测量方法是多种多样的，总的分为直接与间接两大类。直接法中最具代表性的为烘箱法。然而，目前应用最多的是间接测量法，所谓间接测量法是利用某引起物理量，如电阻、介电系数、外来辐射的吸收等和材料含水率间的关系间接测得含水率。它以不必赶出材料中的水分为其特征，以快速为其特点。主要有电阻法、电容法、红外法等，但也存在其局限性。

(1)烘箱法：它是利用电阻丝加热箱内的空气，使水分子获得足够的汽化能，从而脱离纤维，所以从温度上来讲应当高于水的沸点。在此同时降低箱内相对湿度以提高烘干效率。用烘箱法测定含水率耗电量大，时间长，并容易损坏试样；同时，由于纤维内的一些油脂或其他物质的挥发，影响测定结果的真实性；再是在升温情况下，称衡条件不良，也往往引起误差，且不能对水分进行在线测量，无法对产品质量进行在线控制。

(2)电阻法：电阻(导)法是应用最早的水分电测方法，是利用物体的直流电阻或电导随其含水量的不同而变化的原理设计的。织物干的时候导电性能很低，而水分对物料电阻的影响较大，在低水分区范围内，这些吸湿物料的水分与电阻呈对数关系，当含水量增加时，电阻值减小，此即电阻法的测量原理。采用两个电极把被测介质夹紧，或者使两个电极插入介质中，通过检测介质的电阻值进而得出介质含水量。利用此方法，材料中的伴生物、杂质、油剂、浆料等以及静电积聚都对试验结果产生影响。再是，对不同纤维，不同的仪器有一定的适用范围，即使同一种纤维如品质相差较大，也会有一定的误差。

(3)电容法：电容法这种方法把织物作为电介质，通过测量织物的介电常数来测量其含水量。由于用电容式传感器测量电容时，在电容两端还有一个并联的电导成分，因此总的变化是由电容与电导的比值来反映的，因此只要测量出相应的值即可以测量出水分的含量。这种仪器测试结果的影响因素与电阻测湿仪基本相同，只是它可以不接触试样，但这种仪器，构造上比电阻测湿仪复杂，稳定性也比较差。

(4)红外法：红外法又称红外线吸收法，此法是利用材料对红外线特征吸收光谱的吸收量随含水量而变的原理测试水分的，也是利用水对红外线不同的波长有不同的吸收率，而吸收量又与材料中的含水有关，水在红外区某些波段上出现强烈的吸收带。红外线吸收法的特点是不与被测织物接触，响应速度很快，可测导电性物质，但目前尚存在不足之处，表现在它的稳定性还受到其他一些因素的影响，例如试样的温度、密度、容器的材料形状尺寸、周围环境以及其他测试条件等。

针对上面4种方法暴露的问题，我们提出了一种利用微波对织物含水率进行在线检测的装置.

发明内容

本实用新型的目的是提供一种利用微波对织物含水率进行在线检测的装置，解决了现有技术中存在的耗电量大、测量时间长；容易损坏试样；不能在线监测；误差大、结构复杂；稳定性差的问题。

本实用新型所采用的技术方案是，一种利用微波对织物含水率进行在线检测的装置，包括微波电路单元和数据处理单元，微波电路单元包括通过无线信号依次连接的微波信号源、隔离器、可变衰减器、发射天线、接收天线、检波器和直流放大模块，其中的

微波信号源，用于产生微波信号，并将该微波信号送入隔离器；

隔离器，用于减小微波信号源产生的反射功率对传递的微波信号的影响；

可变衰减器，用于调节传输系统中功率电平的大小；

发射天线，用于把微波信号通过天线上的传感器发射到接收天线；

接收天线，用于接收发射天线发射的微波信号；

检波器，用于检测接收天线接收到的微波信号；

直流放大模块，用于将接收到的微波信号转换成标准的4mA～20mA电流信号；

数据处理单元包括通过无线信号相连接的数据采集卡和LabVIEW开发平台，其中的

数据采集卡，用于采集转换后的微波信号中的数据，并将数据输入到计算机中；

LabVIEW开发平台，用于处理采集到的微波信号中的数据，得到织物含水率。

本实用新型利用微波对织物含水率进行在线检测的装置，其特点还在于，

其中的微波信号源采用固态信号源，该固态信号源由GaAs体效应管和高Q谐振腔组成；

其中的接收天线和发射天线为同种天线，选用100LHA100型透镜天线；

其中的数据采集卡采用USB-6009型数据采集卡。

本实用新型的有益效果是，采用微波电路单元和数据处理单元进行微波信号的传输处理，通过测定微波衰减量变化的电压值，计算得到织物的含水率，同时利用LabVIEW开发平台实现织物含水率的在线检测，功耗低，测量精度高，对织物不会造成破坏或污染，测量范围广。

附图说明

图1是本实用新型检测装置的结构示意图。

图中，1.微波信号源，2.隔离器，3.可变衰减器，4.发射天线，5.接收天线，6.检波器，7.直流放大模块，8.数据采集卡，9.LabVIEW开发平台。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

微波是一种超高频电磁波，当它在被测织物中传播时，织物中的水分子作为一种电偶极子在电磁场的作用下产生振动而消耗电磁能，若含水率高，则微波能量的损耗也大，因而在织物其它性能变化很小的情况下，测量反射波和透射波能量的变化，均可以测出织物含水率.其测量原理基础是微波衰减法.采用这种方法，微波能够穿透织物，且微波能量的衰减主要由织物中的水分子损耗掉，所以其测量结果反映了织物内部的含水率，同时不受织物颜色、结构等因素的影响.测量过程中并不需要测出织物和水的混合物具体的介电常数值，只需要测出表征微波衰减量变化的电压值，由织物含水率公式、电场强数学表达式、电磁波理论公式、微波衰减量公式等一些列公式计算得到织物的含水率.最终的测量值是由微波的衰减而求得的，这使得测量过程迅速且能根据实际情况调整精度和测量范围，这些优点使得微波法非常适用于织物含水率的实时在线测量.同时，利用LabVIEW编程软件，将测得织物含水率实时的显示在电脑窗口，还能将数据及表格保存起来，实现织物含水率的在线检测.

本实用新型利用微波对织物含水率进行在线检测的装置的结构，如图1所示，包括微波电路单元和数据处理单元，

微波电路单元包括通过无线信号依次连接的微波信号源1、隔离器2、可变衰减器3、发射天线4、接收天线5、检波器6和直流放大模块7。

数据处理单元包括通过无线信号相连接的数据采集卡8和LabVIEW开发平台9。

本实用新型采用的微波信号源1是固态信号源，该固态信号源采用GaAs体效应管和高Q谐振腔，用于产生微波信号，并将该微波信号送入隔离器2，在外加电源作用下，产生3厘米波信号，中心频率为10GHz，输出功率为34mw。

发射天线4和接收天线5上的微波传感器传送携带包含含水率信息的微波信号，它的主要功能是将微波信号源1发射的微波变为自由空间及介电材料中传播的微波。根据天线系统的收发互易性原则，接收天线5和发射天线4可以为同种天线。发射天线4用于把微波信号通过天线上的传感器发射到接收天线5；接收天线5用于接收发射天线4发射的微波信号；本实用新型使用的微波发射和接收元件是100LHA100型透镜天线，这种天线主要应用于厘米波段。透镜天线的工作频率f＝10GHz，口径D＝100mm，增益最大值G＝20.6dB。

微波信号源1产生的功率由于负载不匹配而引起反射，这些反射回来的功率到达不匹配的信号源时，将产生第二次反射功率，叠加在信号源直接产生的微波信号上一起向负载传输。为了减小这种反射功率的影响，就必须设置隔离器2。隔离器2用于减小微波信号源1产生的反射功率对传递的微波信号的影响；微波测湿为小功率传输，使用场移式隔离器。对隔离器2的要求是正向衰减要小，通常要求小0.5dB；反向衰减要大，通常要求大于20dB；隔离比要大，即反向衰减与正向衰减之比大愈好；驻波比愈小愈好；工作频带要宽，一般相对带宽可达10％左右。

可变衰减器3相当于低频电阻器件，用来调节传输系统中功率电平的大小。在波导中放上涂有微波吸收材料的衰减片，便可构成波导型结构的吸收式衰减器，微波测湿中使用这种衰减器较多。

检波器6是用来检测微弱微波信号相对功率的指示器，用于检测接收天线5接收到的微波信号。它由检波晶体管和检波接头组成，其原理都是利用了二极管反向截止的特性进行检波，提取有用信号。检波器6的主要技术指标有正切灵敏度、频率响应、输入电压驻波比等。

直流放大模块7用于将接收到的微波信号转换成标准的4mA～20mA电流信号。

数据处理单元包含了数据采集卡及PC机等硬件结构。数据采集卡8用于采集转换后的微波信号中的数据，并将数据输入到计算机中，采用USB-6009型数据采集卡，其接口形式为USB接口，即通用串行总线，它是近年开发出来的个人计算机外设总线传输接口。这种接口连接简单，可在不断电的情况下进行连接，且马上就可使用，具有‘即插即用’的功能。NIUSB-6009数据采集设备通过8通道、12位模拟输入、2个模拟输出、12条DIO线以及1个定时器实现了多功能数据采集，通过USB接口供电，不需要任何外接电源。包括用于直接信号连接可拆卸螺孔端子、用于支持外部设备以及传感器1个板载参考电压、提供低噪音高精度的4层电路板，以及高达±35v的模拟输入过电压保护。

本实用新型还提供了用于LabVIEW或者C语言环境下编程的NI-DAQmx设备驱动程序。LabVIEW开发平台9用于处理采集到的微波信号中的数据，得到织物含水率。系统中采集到的电压信号为浮地信号，采用的测量方式为差分测试系统，此系统测量可以抑制共模电压。本系统的软件开发是在虚拟仪器图形化软件开发平台LabVIEW7.1下进行的。根据实际生产的要求，系统不仅可以提供实时显示功能，还能提供数据及表格的保存功能。

工作时，发射天线4与接收天线5之间的距离设置为40cm，此时数据采集卡8采集到的标准电压信号为6V。以被测织物为中心，把发射天线4和接收天线5放置于织物两边，保持发射天线4和接收天线5位置固定，每次测试之前都要做一定的校准，并保持收发天线面与织物平行，且保持收发天线的圆中心在一条直线上，接通微波信号源1电源，使输出微波信号功率稳定。

微波信号源1发送微波，通过隔离器2和可变衰减器3由发射天线4发射微波，微波信号沿传感器方向传输，经过含水的被测织物后部分能量被织物中的水分吸收，微波能量衰减，能量衰减后的微波信号通过接收天线5接收，由检波器6检测出微弱的信号，再由直流放大模块7将它转换成标准的4mA～20mA电流信号，通过数据采集卡8将采集得到的数据输入到计算机中，利用LabVIEW平台9对数据进行进一步处理。

在LabVIEW平台9的前面板上，测量人员首先输入所测织物的密度、厚度、面积三个参数，再对工艺的流程进行选择，测量时，计算机可以从资料库中调出相应的预先存储的方程，计算出密度、厚度和面积不同时，所对应的织物含水率的值，并通过曲线和指示器显示出来。该系统还可以保存不同时刻含水率的值，方便工作人员的参考和调用。

在测试过程中，当系统内部或者系统外部的一些因素导致测试系统无法正常运行时，系统会提供出错信息，以便对系统进行调试。在系统工作时，可以根据生产工艺，确定每种工艺所要求的正常含水率范围，一旦含水率超出这个范围，以至于影响到产品质量时，系统的报警功能开始启动，警报灯由绿色变成红色，同时，音响传出警告音，提醒测试人员调整工艺参数。以实现系统在线检测可靠、稳定的运行。

本实用新型利用微波对织物含水率进行在线检测的装置，采用微波电路单元和数据处理单元进行微波信号的传输处理，通过测定微波衰减量变化的电压值，计算得到织物的含水率，同时利用LabVIEW开发平台实现织物含水率的在线检测，功耗低，测量精度高，对织物不会造成破坏或污染，测量范围广。

Claims (4)

1.一种利用微波对织物含水率进行在线检测的装置，其特征在于，包括微波电路单元和数据处理单元，所述的微波电路单元包括通过无线信号依次连接的微波信号源(1)、隔离器(2)、可变衰减器(3)、发射天线(4)、接收天线(5)、检波器(6)和直流放大模块(7)，其中的

微波信号源(1)，用于产生微波信号，并将该微波信号送入隔离器(2)；

隔离器(2)，用于减小微波信号源(1)产生的反射功率对传递的微波信号的影响；

可变衰减器(3)，用于调节传输系统中功率电平的大小；

发射天线(4)，用于把微波信号通过天线上的传感器发射到接收天线(5)；

接收天线(5)，用于接收发射天线(4)发射的微波信号；

检波器(6)，用于检测接收天线(5)接收到的微波信号；

直流放大模块(7)，用于将接收到的微波信号转换成标准的4mA～20mA电流信号；

所述的数据处理单元包括通过无线信号相连接的数据采集卡(8)和LabVIEW开发平台(9)，其中的

数据采集卡(8)，用于采集转换后的微波信号中的数据，并将数据输入到计算机中；

LabVIEW开发平台(9)，用于处理采集到的微波信号中的数据，得到织物含水率。

2.按照权利要求1所述的在线检测装置，其特征在于，所述的微波信号源(1)采用固态信号源，该固态信号源由GaAs体效应管和高Q谐振腔组成。

3.按照权利要求1所述的在线检测装置，其特征在于，所述的接收天线(5)和发射天线(4)为同种天线，选用100LHA100型透镜天线。

4.按照权利要求1所述的在线检测装置，其特征在于，所述的数据采集卡(8)采用USB-6009型数据采集卡。

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