基于自由空間法的糧堆介電特性測試研究

張慶輝,王繼紅,金廣鋒

(1.河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,河南鄭州 450001; 2.鄭州科技學(xué)院,河南鄭州 450064)

基于自由空間法的糧堆介電特性測試研究

張慶輝1,王繼紅2,金廣鋒1

(1.河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,河南鄭州 450001; 2.鄭州科技學(xué)院,河南鄭州 450064)

采用自由空間法,以矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀組成測試平臺,對糧食介電特性進行測試.結(jié)果顯示:介電常數(shù)隨著頻率的增加在 0.65～0.95之間呈波浪式增加;介電損耗因子測試值在 0.7～6之間,與理論值 0.1～1存在較大誤差,對誤差產(chǎn)生的原因進行了分析.

自由空間法;糧堆;介電常數(shù);介電損耗因子;測試

0 前言

糧食介電特性影響糧食從高頻電場中吸收的能量和轉(zhuǎn)換的熱量.測量介電特性有助于模擬糧食在電磁場中的行為,對于糧食倉儲和研發(fā)糧食加工設(shè)備非常重要.另外,還可利用介電特性檢測糧食成分和糧食品質(zhì)(如含濕量).

目前,國外在糧食介電特性研究方面取得了較大進展,采用的介電特性測量技術(shù)有平行極板技術(shù)、同軸探頭技術(shù)、傳輸線技術(shù)、自由空間法、諧振腔技術(shù)等.國內(nèi)在此領(lǐng)域也取得了一定的進展,但同國外相比,研究成果較少,研究范圍比較窄,研究深度不夠[1],主要的問題是測試技術(shù)落后.國內(nèi)測試介電特性的手段以平行極板技術(shù)為主,但該方法很難真正提供糧食本身的介電特性.筆者采用自由空間法,以矢量網(wǎng)路分析儀組成測試平臺,對糧食介電特性進行測試.

1 測試原理

1.1 糧食介電特性簡介

設(shè)真空的絕對介電常數(shù)是ε0,它由光速 c0和磁性常數(shù)μ0決定,它們之間的關(guān)系為:

ε0大約為 8.854×10-12F/m.在其他媒質(zhì) (固體、液體和氣體)中,介電常數(shù)更高,通常表示為真空下數(shù)值的相對值[2]:

式中:εabs是物質(zhì)的絕對介電常數(shù);εr是物質(zhì)的相對介電常數(shù).

高頻和微波場是依賴于時間的正弦曲線,通常用復(fù)數(shù)記數(shù)法來表示與時間的關(guān)系.因此,介電常數(shù)也將是一個復(fù)數(shù),有實部和虛部.復(fù)介電常數(shù)可表示為:

式中:ε為相對復(fù)介電常數(shù);ε′為相對實介電常數(shù)(介電常數(shù));ε″為相對介電損耗因子.

ε′與物質(zhì)的電容量有關(guān),其能力是儲存電能量、影響傳播波的電場,從而改變電場強度和磁場強度間的比率,該比率是波阻抗.ε″和能量散射的各種吸收途徑有關(guān),反映電介質(zhì)在交流電場中消耗能量的能力,是個正數(shù),通常小于ε′,它近似地和傳播波的衰減成正比.如果ε″=0則該物質(zhì)是無損的.ε″和ε′的比值被稱為介電損耗因數(shù),這里 tanδ=ε″/ε′,tanδ是所消耗的能量與蓄積能量之比,被稱為耗散因數(shù)或損耗正切,δ為損耗角.物質(zhì)的介電特性不是恒值,它們受頻率、溫度、極化特性、壓力、材料組成成分、分子結(jié)構(gòu)等因素的影響.

糧堆的介電性能在不同種類的谷物中變化很大.通常,ε′和ε″對于密度較大、平衡水分含量較高的谷物和種子來講是比較大的.

1.2 測量理論

在實際測量中,按自由空間法的具體測量方式不同分為單反射測量和傳輸反射測量[3].單反射法(如圖 1(a)所示)是在兩種不同狀態(tài) (包括角度、厚度與狀態(tài))下測出材料對電磁波的反射系數(shù),然后利用兩次數(shù)據(jù)計算出介電常數(shù).傳輸反射法(如圖 1(b)所示)是利用收發(fā)分置的測試系統(tǒng)分別測出系統(tǒng)的反射和透射系數(shù),再計算介電常數(shù).

由于單反射法與傳輸反射法所測量數(shù)據(jù)存在差異,因此所用的具體計算公式亦不同,但均基于麥克斯韋方程和菲涅爾反射定律.在此,筆者采用傳輸反射法.

傳輸反射法分別測量同一入射角度下系統(tǒng)的反射系數(shù) S11和透射系數(shù) S21.當(dāng)電磁波入射到表面積無限大的材料上時,忽略邊緣散射,則 S11與S21滿足:

式中:R為空氣入射到無限厚的材料界面的反射系數(shù);P為電磁波穿過材料樣品的傳遞因數(shù).

圖1 自由空間法的測量原理

2 實驗設(shè)計

自由空間法在糧食中的應(yīng)用是從 20世紀(jì) 90年代逐漸興起的,非接觸、無損的特點使其受到關(guān)注[4-5].該方法要求材料是大平面、薄板型,材料的兩個表面必須平行.據(jù)此設(shè)計的自由空間法典型測試系統(tǒng)如圖 2所示,由網(wǎng)絡(luò)分析儀、發(fā)射和接收天線、軟件和計算機組成.2個天線之間的距離為天線焦距的 2倍,且固定在水平支架上,其中接收天線可移動,以適應(yīng)校準(zhǔn)和測試不同厚度樣品的需要.

圖2 自由空間法測試圖

工作原理如下:由網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)射頻率變化的微波,通過天線將微波能聚焦在被測樣品上或使微波能通過被測樣品;根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析儀測量得到的反射系數(shù) (S11)和傳輸系數(shù) (S21)(或中心頻率 f和品質(zhì)因子Q),由軟件計算被測樣品的介電參數(shù).

樣品容器是一個矩形截面的聚苯乙烯泡沫塑料,壁厚 2.5 cm.樣品容器的內(nèi)部尺寸為:長 25 cm,高25 cm,厚16 cm.厚度可以通過在箱子內(nèi)放置聚苯乙烯泡沫塑料薄板來調(diào)整.

2個角天線面對面放置,相隔37 cm.2個天線用 2個同軸電纜連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析器,在終端用APC—7連接器連接.實驗設(shè)置如圖 2所示.開始實驗之前,矢量網(wǎng)絡(luò)分析器要通過 1個通道、2個端口的校準(zhǔn)方法進行校準(zhǔn).首先把樣品容器放在 2個天線之間,來測量空樣品容器的散射系數(shù);然后將樣品容器用小麥充滿,再次測量散射系數(shù);根據(jù)這兩個測量結(jié)果計算小麥的透射系數(shù);并通過下面的方程由樣品的透射系數(shù)計算出介電常數(shù)和損耗因子.

式中:φ是相移;λ0是自由空間的頻率;A是衰減倍數(shù),A=20lg|S21|;d是樣品厚度;φ是微波相位,φ=φ+2πn,整數(shù) n能夠通過在2個頻率點進行測量計算,而且,它能夠通過不同厚度的樣品重復(fù)做測量進行計算.通過方程 (4)和方程 (5)計算的介電常數(shù)和損耗因子是整個樣品的平均值,假設(shè)整個樣品的物理屬性是相同的.

需要注意的是,不是所有的農(nóng)產(chǎn)品都能用這種方法測試,置于腔體內(nèi)的糧食必須是小顆粒狀,而且要填滿腔體;否則,由于糧食的不均勻性,該法將無法得到可靠的研究結(jié)果.

3 測試結(jié)果

不同厚度糧堆樣品的介電特性測量結(jié)果如圖3和圖 4所示.運用該方法進行了 31次相同的測量,結(jié)果是一致的.理論上糧堆介電常數(shù)應(yīng)該隨著頻率的增加而逐漸降低.但測量結(jié)果顯示,介電常數(shù)隨著頻率的增加呈波浪式增加趨勢,范圍在0.65～0.95之間,這是由于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的不準(zhǔn)確校準(zhǔn)和微波的多徑傳播所致.介電損耗因子理論上應(yīng)該在 0.1～1之間,但測試結(jié)果在 0.7～6之間.

樣品內(nèi)微波多次反射的問題應(yīng)該采用一個時域選通門來解決.如果沒有時域選通門,單獨的角天線不能用在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上測量糧食樣品的介電特性,這是因為從角天線的邊緣會造成能量的繞射.

4 結(jié)論

筆者系統(tǒng)地說明了自由空間法測量糧食介電特性的理論和實驗方法,然后按照該實驗方法測量了不同厚度糧堆樣品的介電特性,給出了實驗結(jié)果,并分析了誤差產(chǎn)生的原因.結(jié)果表明,自由空間法是一種能夠提供糧食本身介電特性的有效方法.

[1] 郭文川,朱新華.國外農(nóng)產(chǎn)品及食品介電特性測量技術(shù)及應(yīng)用 [J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2009,2(2):308-312.

[2] Ryynanen S.The Electromagnetic Properties of Food Materials:A Review of the Basic Principles[J].Journal of Food Engineering, 1995,26:409-429.

[3] 盧子焱,唐宗熙,張彪.用自由空間法測量材料復(fù)介電常數(shù)的研究[J].航空材料學(xué)報,2006,4(2):62-65.

[4] 張娜,王立春,張國華.自由空間法測試材料電磁參數(shù)的探討 [J].宇航計測技術(shù), 2006,6(3):22-25.

[5] Trabelsi S,KraszewskiA W,Nelson S O.A microwave method for on-line determination of bulk density and moisture content of particulate materials[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,1998,47 (1):127-132.

D IELECTR IC PROPERTYMEASUREMENT OF BULKWHEAT SAMPLES BASED ON FREE-SPACEMETHOD

ZHANGQing-hui1,WANG Ji-hong2,J IN Guang-feng1
(1.School of Infor m ation Science and Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou450001, China;2.University of Science&Technology ZhengZhou,Zhengzhou450001,China)

We adopted the free-spacemethod and ameasurementplatform consisting of a vector network analyzer to measure the dielectric property ofwheat.The result shows that the dielectric constant increases in the wave form between 0.65 and 0.95 alongwith the increase of the frequency;and the measurement value of the dielectric loss factor is between 0.7 and 6,which is greatly deviated from the theoretical value(0.1 to 1). The article also analyzed the reasons for the error.

free-space method;bulk wheat samples;dielectric constant;dielectric loss factor;measurement

TS210

B

1673-2383(2010)03-0066-03

2010-01-22

國家“十一五”科技支撐計劃項目(2008BADA8B04)

張慶輝(1974-),男,河南南陽人,副教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向為糧食物質(zhì)信息學(xué).