TWI817720B

TWI817720B - 音叉狀耦合微波感測器

Info

Publication number: TWI817720B
Application number: TW111134950A
Authority: TW
Inventors: 鄭偉晨; 孫卓勳; 陳冠宇; 盧秉辰; 鄭鉅賢
Original assignee: 桓達科技股份有限公司; 國立臺北科技大學
Priority date: 2021-10-20
Filing date: 2021-10-20
Publication date: 2023-10-01
Also published as: TW202317977A

Abstract

一種耦合微波感測器及取得耦合微波感測器的訊號值與物體含水率的線性回歸式的方法。本發明的耦合微波感測器包括一微波諧振腔體以及一訊號饋入件或微波發射件，待測物體放置在微波諧振腔體外部，訊號饋入件或微波發射件發出微波，微波通過待測物體後，量測微波諧振腔體的諧振頻率，藉此求得待測物體的含水率。另外，藉由多個已知含水率的物體分別量測其對應的諧振頻率，並藉由計算相關係數，剔除相關係數低的組合，而求得準確率高的線性回歸式，以作為量測未知的含水物體的含水率的依據。

Description

音叉狀耦合微波感測器

本發明係有關於一種以微波量測物體含水率的技術領域，特別是有關於一種利用微波饋入件或微波發射件激發諧振電場而且藉由量測諧振頻率變化而測得物體含水率的渦形耦合微波感測器、音叉狀耦合微波感測器及取得耦合微波感測器的訊號值與物體含水率的線性回歸式的方法。

各種農產品、林業製品甚至是食品的存放，經常會由於物品吸收空氣中的水分而使含水率增加，因而導致發霉的情況，又或者是由於氣候太過於乾燥而導致物品含水率大幅降低，加上氣溫升高因而導致燃燒等情況。因此監測物品的含水量變得相當重要。

傳統的量測物品含水量的方法是將物品加熱，使物品中的水分蒸發，然後計算加熱前後的重量差，即可得到物品的含水率。但是這種方式相當耗費時間，而且由於抽樣檢測，樣本數不足也不易得知整體商品的含水率。因此發展出在線式的含水率量測儀。

現有的在線式的含水率量測儀主要分成接觸式及非接觸式兩種。接觸式是含水率量測儀與待測物體接觸量測物品的含水率，而非接觸式則是利用一發射件發射電磁波，使其穿過物品後由一接收件接收後量測電磁波的物理性質的變化而量測出物品的含水率。非接觸式的在線式含水率量測儀由於其體積小，安裝空間的需求也小，因而可以應用於多種場合，因此發展非接觸式的在線式含水率量測儀為目前重要的趨勢。

有鑑於此，本發明的目的在於提供一種渦形耦合微波感測器、音叉狀耦合微波感測器及取得耦合微波感測器的訊號值與物體含水率的線性回歸式的方法，其利用微波諧振腔作為感測物品含水率的感測頭，使物品位於微波形成的濔散場或使微波穿過物品後，量測共振頻率的改變，進而測得物品的含水率。

本發明的渦形耦合微波感測器的一實施例包括一底壁、一內軸體、一外環體、一連接件、一微波饋入件以及一絕緣蓋體。底壁呈圓形。內軸體與底壁具有一間距且具有一中心。外環體設置於底壁且圍繞內軸體，外環體與內軸體同心設置。連接件與內軸體連接於第一位置且與外環體連接於第二位置，第一位置與第二位置相對於中心具有90度的角距離。微波饋入件設置於內軸體的中心。絕緣蓋體設置於外環體的軸向端面且覆蓋內軸體。底壁、外環體、內軸體以及絕緣蓋體形成一微波諧振腔室。

在另一實施例中，連接件包括一弧形本體、一第一連接部以及一第二連接部，弧形本體設置於底壁且位於內軸體與外環體之間，第一連接部連接弧形本體的一端及內軸體，第二連接部連接弧形本體的另一端及外環體。

在另一實施例中，該弧形本體為相對於該中心具有90度圓心角的圓弧體。

在另一實施例中，該外環體具有一缺口，該缺口係設置於該連接件與該外環體的連接處，且該第二連接部設置於該缺口中。

在另一實施例中，該第一連接部的長度為該第二連接部的長度的二倍。

本發明的音叉狀耦合微波感測器的一實施例包括一基座、一對半圓柱諧振腔體、一微波發射件以及一對電磁耦合件。一對半圓柱諧振腔體設置於基座，每個半圓柱諧振腔體包括一半圓柱殼體以及覆蓋於該半圓柱殼體的一絕緣蓋體，該對半圓柱諧振腔體的該絕緣蓋體係相向設置且相距一既定距離。微波發射件設置於一個該半圓柱諧振腔體內。微波接收件設置於另一個半圓柱諧振腔體內，微波發射件與微波接收件係相向設置。一對電磁耦合件分別設置於該對半圓柱諧振腔體內，且分別與微波發射件及微波接收件垂直設置。

在另一實施例中，該對電磁耦合件係分別設置於靠近該絕緣蓋體，該電磁耦合件與該微波發射件之間具有一間距，該電磁耦合件與該微波接收件之間具有一間距。

在另一實施例中，微波發射件及微波接收件分別與半圓柱殼體的兩軸向端面具有相等距離，半圓柱殼體的軸向長度為共振頻率對應的電磁波的波長的1/2。

在另一實施例中，微波發射件及微波接收件係分別與半圓柱殼體的一軸向端面的距離為與半圓柱殼體的另一軸向端面的距離的三倍，且半圓柱殼體的軸向長度係等於共振頻率對應的電磁波的波長。

本發明的取得耦合微波感測器的訊號值與物體含水率的線性回歸式的方法的一實施例包括下列步驟：以微波感測器取得N個具有不同含水率的物品的訊號值；在N個該訊號值中取得n個訊號值的組合數；演算每種組合的相關係數；判定該等相關係數是否符合目標；若不是所有的相關係數都符合目標，則在N個該訊號值中取得n-1個訊號值的組合數，並且演算每種組合的相關係數；若所有的相關係數都符合目標，則取得最佳相關係數的組合；以最佳相關係數組合的訊號值計算出訊號值的線性回歸式；完成校正回歸。

本發明的耦合微波感測器藉由特殊的耦合結構激發電磁波，在耦合微波感測器上方產生濔散場並且通過待測物後，量測微波諧振腔體的共振頻率，而物體含水量增加時會造成微波諧振腔體的共振頻率降低，藉此可以測得物體的含水率。同時藉由將多個已知含水率的物體由耦合微波感測器量出訊號值，並藉由判斷每個含水率與訊號值組合的相關係數是否符合目標值，而取得最佳相關係數的組合，藉此取得每個耦合微波感測器的訊號值與物體含水率的線性回歸式。

10:底壁

20:內軸體

21:中心

30:外環體

31:缺口

40:連接件

41:弧形本體

42:第一連接部

43:第二連接部

50:微波饋入件

60:絕緣蓋體

70:基座

80:半圓柱諧振腔體

81:半圓柱殼體

82:絕緣蓋體

90:微波發射件

100:微波接收件

110:電磁耦合件

L:軸向長度

S1~S8:步驟

圖1是渦形耦合微波感測器的一實施例(無絕緣蓋體)的立體圖。

圖2是圖1的渦形耦合微波感測器的俯視圖。

圖3是圖1的渦形耦合微波感測器加上絕緣蓋體的立體圖。

圖4是圖1沿A-A線的剖視圖。

圖5是圖1的渦形耦合微波感測器上方無待測物(只有空氣)的共振模態的頻譜圖。

圖6是圖1的渦形耦合微波感測器上方放置不同待測物的共振模態的頻譜圖。

圖7是音叉型耦合微波感測器的一實施例的立體圖。

圖8是圖7的音叉型耦合微波感測器移除半圓柱殼體的立體圖。

圖9是圖7的音叉型耦合微波感測器的側視圖。

圖10是圖9的音叉型耦合微波感測器移除半圓柱殼體的側視圖。

圖11是音叉型耦合微波感測器的另一實施例的側視圖。

圖12是圖11的音叉型耦合微波感測器移除半圓柱殼體的側視圖。

圖13是圖7的音叉型耦合微波感測器無待側物(只有空氣)的共振模態的頻譜圖。

圖14是圖7的音叉型耦合微波感測器設置不同待側物的共振模態的頻譜圖。

圖15為本發明的取得耦合微波感測器的訊號值與物體含水率的線性回歸式的方法的一實施例的流程圖。

圖16為圖15的取得耦合微波感測器的訊號值與物體含水率的線性回歸式的方法所得的線性回歸式的示意圖。

請參閱圖1、圖2、圖3及圖4，其表示渦形耦合微波感測器的一實施例。本實施例的渦形耦合微波感測器包括一底壁10、一內軸體20、一外環體30、一連接件40、一微波饋入件50以及一絕緣蓋體60。

底壁10為圓形的盤狀體。內軸體20為一圓柱形的軸體，內軸體20與底壁10具有一間距，內軸體20具有一中心21，中心21處形成一通孔，供設置後述的微波饋入件50。外環體30設置於底壁10且連接於底壁10的邊緣而形成一圓筒狀結構。外環體30圍繞內軸體20且外環體30與內軸體20同心設置。

連接件40與內軸體20連接於第一位置且與外環體30連接於第二位置，第一位置與第二位置相對於中心21具有90度的角距離。連接件40包括一弧形本體41、一第一連接部42以及一第二連接部43，弧形本體41 設置於底壁10且位於內軸體20與外環體30之間，弧形本體41為相對於中心21具有90度圓心角的圓弧體。第一連接部42連接弧形本體41的一端及內軸體20，第二連接部43連接弧形本體41的另一端及外環體30，而且連接件40整體也與底壁10間具有一間距。本實施例的第一連接部42的長度為第二連接部43的長度的兩倍，即弧形本體41設置成較靠近外環體30。外環體30具有一缺口31，缺口31係設置於連接件40與外環體30的連接處，且第二連接部43設置於缺口31中且連接於外環體30。

底壁10、內軸體20、外環體30、連接件40及絕緣蓋體60形成微波諧振腔體。其中底壁10、內軸體20、外環體30及連接件40的結構可使用積層製造(三維列印)的方式製作，其材質為聚乳酸塑膠(PLA)，並且在表面形成兩層的鍍層，第一層為鎳層，第二層為鉻層。

微波饋入件50設置於內軸體20的中心21。本實施例的微波饋入件50為SMA探針接頭，將網路分析儀的單端口與微波饋入件50連接而作為訊號饋入源。

絕緣蓋體60設置於外環體30的軸向端面且與底壁10相對設置，絕緣蓋體60覆蓋內軸體20及連接件40。絕緣蓋體60可以絕緣的陶瓷製成。絕緣蓋體60用於承載待側物體，防止待側物體進入微波諧振腔體內，另一方面由於陶瓷具有高介電係數，可以提高微波諧振腔體的電荷值，因此即使物體含水率的變化微小也可以分辨出，因而提升含水率量測的解析能力。本實施例的絕緣蓋體60的介電係數為9~10。

請參閱圖5，其表示渦形耦合微波感測器的絕緣蓋體60上方未放置待側物體時，即絕緣蓋體60上方只有空氣時，微波諧振腔體的諧振頻率為1GHz。請參閱圖6，其表示不同含水率的物體放置於渦形耦合微波感測器的絕緣蓋體60上時，測得渦形耦合微波感測器對應於各物體的諧振頻率的變化，含水率愈高則諧振頻率愈低。上方只有空氣的諧振頻率為1GHz，隨著待測物體的含水率愈高，渦形耦合微波感測器測得的諧振頻率愈低，這是由於物體本身的介電係數較低，大約在2至10左右，而水的介電係數為79至81，因此當物體含水率增加時，水分會使待側物體的介電係數增加，造成微波諧振腔體的諧振頻率降低，同時使振幅降低。因而藉由待側物體介電係數對諧振頻率的影響，可以通過量測態測物體對微波諧振腔體的諧振頻率的變化，而量測出待側物體的含水率。在圖6中央的曲線表示絕緣蓋體60上方只有空氣時的諧振頻率，往頻率降低的方向的曲線分布依序為乾燥的物體、含水率為Y%的物體及含水率為(Y+N)%的物體。

請參閱圖7、圖8、圖9及圖10，其表示本發明音叉型耦合微波感測器的一實施例。本實施例的音叉型耦合微波感測器包括一基座70、一對半圓柱諧振腔體80、一微波發射件90、一微波接收件100以及一對電磁耦合件110。

基座70成圓柱形，一對半圓柱諧振腔體80設置於基座70的一軸向端面。每個半圓柱諧振腔體80包括一半圓柱殼體81以及覆蓋於半圓柱殼體81的一絕緣蓋體82。每個半圓柱殼體81的半徑小於基座70的半徑，因此半圓柱殼體81的中間部分的邊緣係與基座70的邊緣齊平，一對半圓柱諧振腔體80的絕緣蓋體82係相向設置且相距一既定距離。本實施例的絕緣蓋體82由鐵氟龍製成，其避免待側物體進入半圓柱諧振腔體80而影響腔體的諧振模態。

微波發射件90設置於一個半圓柱諧振腔體80內。微波接收件100設置於另一個半圓柱諧振腔體80內，微波發射件90與微波接收件100係相向設置。本實施例的微波發射件90與微波接收件100為金屬探針結構，本實施例的微波發射件90與微波接收件100為SMA探針接頭，將市售的網路分析儀的兩個端口分別連接於微波發射件90與微波接收件100而作為訊號饋入端及訊號接收端，然後利用網路分析儀測得諧振腔體的頻譜。微波發射件90與微波接收件100的一端分別固定在半圓柱諧振腔體80的半圓柱殼體81，此端係連接於導線，作為訊號饋入及輸出的結構。微波發射件90與微波接收件100的另一端則設置在半圓柱諧振腔體80內且分別與絕緣蓋體82具有一間距。微波發射件90與微波接收件100係彼此對準。

一對電磁耦合件110分別設置於一對半圓柱諧振腔體80內，且分別與微波發射件90及微波接收件100垂直設置。本實施例的電磁耦合件110為金屬桿狀體，其係沿半圓柱諧振腔體80的軸向延伸且設置在與絕緣蓋體82的中線對應的位置。本實施例的電磁耦合件110與絕緣蓋體82具有一間距。微波發射件90及微波接收件100與電磁耦合件110垂直，且微波發射件90及微波接收件100與絕緣蓋體82的間距大於電磁耦合件110與絕緣蓋體82的間距。

藉由饋入訊號使微波發射件90發射微波，微波穿過一側半圓柱諧振腔體80的絕緣蓋體82並通過待側物體後，在穿過另一側半圓柱諧振腔體80的絕緣蓋體82而被微波接收件100接收。此時量測半圓柱諧振腔體80的諧振頻率可以得到待側物體的含水率。

圖9及圖10所示的音叉型耦合微波感測器，其微波發射件90及微波接收件100分別與半圓柱殼體81的兩軸向端面具有相等距離，半圓柱殼體81的軸向長度L為共振頻率對應的電磁波的波長λ的1/2，即L=1/2λ。

請參閱圖11及圖12，其表示本發明音叉型耦合微波感測器的另一實施例。本實施例與圖7及圖8所示的實施例具有部分相同的結構，因此相同的元件給予相同的符號並省略其說明。本實施例與前一實施例的差異在於本實施例的微波發射件90及微波接收件100係分別與半圓柱殼體 81的一軸向端面的距離為與半圓柱殼體81的另一軸向端面的距離的三倍，且半圓柱殼體81的軸向長度L係等於共振頻率對應的電磁波的波長λ，即L=λ。

請參閱圖13，其表示音叉型耦合微波感測器的兩個絕緣蓋體82之間未放置待側物體時，即兩個絕緣蓋體82之間只有空氣時，微波諧振腔體的諧振頻率為2.68GHz。請參閱圖14，其表示不同含水率的物體放置於音叉型耦合微波感測器的絕緣蓋體82上時，測得音叉型耦合微波感測器對應於各物體的諧振頻率的變化，含水率愈高則諧振頻率愈低，而且振幅也降低。如前所述，由於水的介電係數相當高，因此含水率不同的物體，其介電係數也不同，使得微波諧振腔體的諧振頻率也不相同。在圖14所示的頻譜中央的曲線為兩個絕緣蓋體82之間只有空氣時的諧振頻率，其為2.68GHz。從中央往頻率降低的方向的另外兩條曲線依序分別為乾燥的待測物及含水率為Y%的待側物體。由圖14可知，物體含水率愈高，則其諧振頻率及振幅均會降低。

本發明的耦合微波感測器在測量待測物體的含水率之前，須先以多種已知含水率的物體進行校正，以取得耦合微波感測器的訊號值與物體含水率的線性回歸曲線，以便本發明的耦合微波感測器在量測未知含水率的物體時，可以依照測得到諧振頻率導出物體的含水率。

請參閱圖15，其表示本發明的耦合微波感測器的訊號值與物體含水率的線性回歸式的方法的一實施例。

首先在步驟S1中，將N個已知含水率的物體放置在本發明的渦形或音叉型的耦合微波感測器上，以測得N個對應的訊號值(諧振頻率)。接著進入步驟S2。

在步驟S2中，設定一相關係數的標準值A。接著進入步驟S3。

在步驟S3中，在N個訊號值中取得n個訊號值的組合數，首先可設定n的最大值為N，最小值為3。接著進入步驟S4。

在步驟S4中，演算每種組合的相關係數。接著進入步驟S5。

在步驟S5中，並與相關係數的標準值A做比較，判斷每種組合的相關係數是否大於或等於相關係數的標準值A。若每種組合的相關係數沒有大於或等於相關係數的標準值A，則進入步驟S6；若每種組合的相關係數均大於或等於相關係數的標準值A，則進入步驟S7。

在步驟S6中，將n遞減1，然後回到步驟S3，在N個訊號值中取n-1個訊號值的組合數，並繼續步驟S3、S4及S5。

在步驟S7中，取大於或等於標準值A的每種組合的相關係數中的最大值作為新的標準值。接著進入步驟S8。

在步驟S8中，以最佳相關係數求得最佳線性回歸式。

若n從N到3的各種組合的相關係數都沒有大於或等於標準值A，也可以取相關係數最大值的該組合而求得線性回歸式。

圖16表示在N=8的實施例中，以八個已知含水率的物體進行校正，而在其中四個含水率與訊號值的組合求得線性回歸式，其相關係數R2=0.9935。

以下說明本發明的耦合微波感測器的訊號值與物體含水率的線性回歸式的方法以電腦程式體現其演算法的實作例。

首先輸入N筆物料含水率，設定一序列B為空序列，使用while迴圈將N筆數據放至序列B，直到輸入-1代表輸入完畢。

將其N筆不同含水率物料放置於感測探頭上，取得N筆對應的訊號值，設定序列C為空序列，使用while迴圈將N筆訊號參考值放至序列C，直到輸入-1代表輸入完畢。

使用內建函數len()計算序列B中總筆數，並將此計算結果存為一變數N。

設置一for迴圈D起始值為N，結束值為3，每執行完一次迴圈D遞減1，在本迴圈中定義一rec遞迴函數，使用函數rec計算出序列B與序列C之所有組合數

，其中初始值n=N，並一一列舉出其所有組合

(n=N)。

於本迴圈D內設置一個for迴圈E，起始值為0，結束值為rec遞迴函數算出之該組序列的組合總數，每執行一次迴圈E遞增1，形成雙重迴圈，並於迴圈E中使用from scipy import stats.指令，取得每一列舉組合之線性回歸式以及其相關係數。

定義相關係數標準值A，判斷迴圈E中所得組合之相關係數是否大於等於相關係數標準值A，如果該組相關係數大於等於相關係數標準值A，則將該組相關係數值存入變數A，並跳出迴圈，顯示執行結果。其中包含該組相關係數(變數A)以及其線性回歸式。

定義判斷是否最大相關係數變數F為0，假設迴圈E中搜尋無大於或等於相關係數標準值A，則每一序列中的最大相關係數數值存入變數F，顯示執行結果。其中包含該組相關係數(變數B)以及其線性回歸式。

將n遞減1，然後回到前述的迴圈D重新求得各組合的相關係數。

藉由以上求得各組合的相關係數，並且剔除相關係數低的組合，以避免環境或人為誤差，從而求得準確率高的線性回歸式。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明之申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。此外，本說明書或申請專利範圍中提及的「第一」、「第二」等用語僅用以命名元件(element)的名稱或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限。