糧食水分測量裝置的設(shè)計

甘龍輝

摘?要?目前，國內(nèi)外生產(chǎn)糧食水分檢測設(shè)備造價成本太高，水分?jǐn)?shù)據(jù)測量需花費較長時間，無法滿足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要。而利用高頻電磁波信號在有耗媒介中的傳播特性設(shè)計的糧食水分測量裝置，具有測量速度快速、穿透力強、造價費用低等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞?水分檢測；傳播特性；測量裝置

中圖分類號：S237?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?文章編號：1673-890X(2014)06-057-02

糧食水分的時時監(jiān)測對糧食儲藏、運輸、加工具有極其重要的作用，目前國內(nèi)外科研人員對水分的測量方法主要包括電阻法、干燥法、電容法和中子法等方法。不同的測量方法有各自的特點和局限性。

設(shè)計的糧食水分測量裝置主要是利用高頻信號在含水谷物中傳播特點，依據(jù)谷物中水的介電常數(shù)遠(yuǎn)高于糧食中的淀粉、蛋白質(zhì)等干物質(zhì)，而電磁波的衰減主要受介電常數(shù)的影響。因此，電磁波在不同含水率的糧食中的衰減程度是不一樣。通過檢測衰減后的波形幅度并建立糧食水分與衰減幅值之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，即可得出谷物水分含量。

1?試驗裝置設(shè)計原理

谷物中的水主要是以游離水形式存在，在電磁波段水的介電常數(shù)較糧食干物質(zhì)大很多，電磁波經(jīng)過谷物時，能量損耗主要是由游離水造成的。水分含量的多少決定能量的衰減程度，通過檢測衰減后的信號發(fā)掘出水分含量與信號衰減之間的關(guān)系。實驗裝置示意圖和實物圖如圖1所示。

在桶形絕緣腔體兩側(cè)分別纏繞線圈，其中上半部分線圈承載電磁波發(fā)射電路產(chǎn)生的正弦電波信號，下半部分線圈耦合接收上半線圈發(fā)射過來的電磁波信號。當(dāng)腔體內(nèi)有谷物流經(jīng)通過時，發(fā)射的電磁波穿透谷物時因游離水的存在而發(fā)生幅值上的衰減，信號接收線圈能夠接收衰減后的電磁波信號，在經(jīng)過采樣保持電路，能夠精確的測量出衰減后的信號幅值。

谷物中游離態(tài)的水分，在高頻狀態(tài)下其介電常數(shù)為復(fù)數(shù)。由電磁場理論分析可得，電磁場隨時間按照正弦規(guī)律變換，則其對應(yīng)的麥克斯韋方程可改寫成復(fù)數(shù)的。

（1）

上式中的為有耗介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)，為傳導(dǎo)電流。

電磁波在有耗介質(zhì)中的傳播的一維波動方程如下：

?????（2）

????（3）

設(shè)（，為常數(shù)）方程變換可得：

?????（4）

?????（5）

以上方程變換可得：

????????（6）

??????????（7）

通過解方程發(fā)現(xiàn)衰減系數(shù)直接影響場量幅值上的衰減，而衰減系數(shù)則能引起相位改變。

由于糧食內(nèi)部游離水的存在導(dǎo)致電導(dǎo)率不為0，在電磁波穿透谷物時將會引起傳導(dǎo)電流，此時電磁波將會出現(xiàn)能量衰減，主要體現(xiàn)在幅值的減少及相位的變化。電磁波在有耗媒質(zhì)中的傳播波形如圖2所示。

所采用的利用高頻電磁波透射衰減法檢測糧食水分含量的原理：糧食中的游離水能夠吸收高頻電磁波能量，造成能量衰減，衰減的程度與含水率的高低有關(guān)。信號的幅值變化直接反映了電磁波能量的變化，利用后級接收線圈接收到的幅值通過采樣保持電路可精確的得出衰減后的信號幅值。由此建立出含水率與幅值的數(shù)學(xué)關(guān)系式。

2?糧食水分測量實驗

為確保試驗的數(shù)據(jù)精確可靠，試驗在實驗室較理想的環(huán)境下進行，室內(nèi)溫度和濕度均控制在一定的范圍內(nèi)。試驗中發(fā)射的電磁波頻率40 MHZ，功率控制為20 dBm。本次試驗中所采用的糧食品種為黑墾鑒豆10號大豆，樣品的水分含量均低于安全水分上線。

通過試驗采集的大豆水分?jǐn)?shù)據(jù)與后級線圈接收的信號幅值數(shù)據(jù)，經(jīng)SPSS擬合后存在如圖3所示關(guān)系。

由SPSS對數(shù)據(jù)擬合回歸后，得出含水率與幅值的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)F檢驗發(fā)現(xiàn)二次曲線模型精度更高，如表1所示。因此可得出大豆含水率M同幅值A(chǔ)的二次關(guān)系式如下：M=1.500-0.540+0.050（8）

3?模型評價

通過以上裝置測量的大豆的水分同標(biāo)準(zhǔn)的烘干法相比較，該裝置在高水分階段測量誤差較大最大可達(dá)2.5%，水分越低精度越高，最小誤差為0.4%?？蓾M足農(nóng)業(yè)上對糧食水分的測量要求。

（責(zé)任編輯：劉昀）

摘?要?目前，國內(nèi)外生產(chǎn)糧食水分檢測設(shè)備造價成本太高，水分?jǐn)?shù)據(jù)測量需花費較長時間，無法滿足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要。而利用高頻電磁波信號在有耗媒介中的傳播特性設(shè)計的糧食水分測量裝置，具有測量速度快速、穿透力強、造價費用低等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞?水分檢測；傳播特性；測量裝置

中圖分類號：S237?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?文章編號：1673-890X(2014)06-057-02

糧食水分的時時監(jiān)測對糧食儲藏、運輸、加工具有極其重要的作用，目前國內(nèi)外科研人員對水分的測量方法主要包括電阻法、干燥法、電容法和中子法等方法。不同的測量方法有各自的特點和局限性。

設(shè)計的糧食水分測量裝置主要是利用高頻信號在含水谷物中傳播特點，依據(jù)谷物中水的介電常數(shù)遠(yuǎn)高于糧食中的淀粉、蛋白質(zhì)等干物質(zhì)，而電磁波的衰減主要受介電常數(shù)的影響。因此，電磁波在不同含水率的糧食中的衰減程度是不一樣。通過檢測衰減后的波形幅度并建立糧食水分與衰減幅值之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，即可得出谷物水分含量。

1?試驗裝置設(shè)計原理

谷物中的水主要是以游離水形式存在，在電磁波段水的介電常數(shù)較糧食干物質(zhì)大很多，電磁波經(jīng)過谷物時，能量損耗主要是由游離水造成的。水分含量的多少決定能量的衰減程度，通過檢測衰減后的信號發(fā)掘出水分含量與信號衰減之間的關(guān)系。實驗裝置示意圖和實物圖如圖1所示。

在桶形絕緣腔體兩側(cè)分別纏繞線圈，其中上半部分線圈承載電磁波發(fā)射電路產(chǎn)生的正弦電波信號，下半部分線圈耦合接收上半線圈發(fā)射過來的電磁波信號。當(dāng)腔體內(nèi)有谷物流經(jīng)通過時，發(fā)射的電磁波穿透谷物時因游離水的存在而發(fā)生幅值上的衰減，信號接收線圈能夠接收衰減后的電磁波信號，在經(jīng)過采樣保持電路，能夠精確的測量出衰減后的信號幅值。

谷物中游離態(tài)的水分，在高頻狀態(tài)下其介電常數(shù)為復(fù)數(shù)。由電磁場理論分析可得，電磁場隨時間按照正弦規(guī)律變換，則其對應(yīng)的麥克斯韋方程可改寫成復(fù)數(shù)的。

（1）

上式中的為有耗介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)，為傳導(dǎo)電流。

電磁波在有耗介質(zhì)中的傳播的一維波動方程如下：

?????（2）

????（3）

設(shè)（，為常數(shù)）方程變換可得：

?????（4）

?????（5）

以上方程變換可得：

????????（6）

??????????（7）

通過解方程發(fā)現(xiàn)衰減系數(shù)直接影響場量幅值上的衰減，而衰減系數(shù)則能引起相位改變。

由于糧食內(nèi)部游離水的存在導(dǎo)致電導(dǎo)率不為0，在電磁波穿透谷物時將會引起傳導(dǎo)電流，此時電磁波將會出現(xiàn)能量衰減，主要體現(xiàn)在幅值的減少及相位的變化。電磁波在有耗媒質(zhì)中的傳播波形如圖2所示。

所采用的利用高頻電磁波透射衰減法檢測糧食水分含量的原理：糧食中的游離水能夠吸收高頻電磁波能量，造成能量衰減，衰減的程度與含水率的高低有關(guān)。信號的幅值變化直接反映了電磁波能量的變化，利用后級接收線圈接收到的幅值通過采樣保持電路可精確的得出衰減后的信號幅值。由此建立出含水率與幅值的數(shù)學(xué)關(guān)系式。

2?糧食水分測量實驗

為確保試驗的數(shù)據(jù)精確可靠，試驗在實驗室較理想的環(huán)境下進行，室內(nèi)溫度和濕度均控制在一定的范圍內(nèi)。試驗中發(fā)射的電磁波頻率40 MHZ，功率控制為20 dBm。本次試驗中所采用的糧食品種為黑墾鑒豆10號大豆，樣品的水分含量均低于安全水分上線。

通過試驗采集的大豆水分?jǐn)?shù)據(jù)與后級線圈接收的信號幅值數(shù)據(jù)，經(jīng)SPSS擬合后存在如圖3所示關(guān)系。

由SPSS對數(shù)據(jù)擬合回歸后，得出含水率與幅值的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)F檢驗發(fā)現(xiàn)二次曲線模型精度更高，如表1所示。因此可得出大豆含水率M同幅值A(chǔ)的二次關(guān)系式如下：M=1.500-0.540+0.050（8）

3?模型評價

通過以上裝置測量的大豆的水分同標(biāo)準(zhǔn)的烘干法相比較，該裝置在高水分階段測量誤差較大最大可達(dá)2.5%，水分越低精度越高，最小誤差為0.4%?？蓾M足農(nóng)業(yè)上對糧食水分的測量要求。

（責(zé)任編輯：劉昀）

摘?要?目前，國內(nèi)外生產(chǎn)糧食水分檢測設(shè)備造價成本太高，水分?jǐn)?shù)據(jù)測量需花費較長時間，無法滿足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要。而利用高頻電磁波信號在有耗媒介中的傳播特性設(shè)計的糧食水分測量裝置，具有測量速度快速、穿透力強、造價費用低等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞?水分檢測；傳播特性；測量裝置

中圖分類號：S237?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?文章編號：1673-890X(2014)06-057-02

糧食水分的時時監(jiān)測對糧食儲藏、運輸、加工具有極其重要的作用，目前國內(nèi)外科研人員對水分的測量方法主要包括電阻法、干燥法、電容法和中子法等方法。不同的測量方法有各自的特點和局限性。

設(shè)計的糧食水分測量裝置主要是利用高頻信號在含水谷物中傳播特點，依據(jù)谷物中水的介電常數(shù)遠(yuǎn)高于糧食中的淀粉、蛋白質(zhì)等干物質(zhì)，而電磁波的衰減主要受介電常數(shù)的影響。因此，電磁波在不同含水率的糧食中的衰減程度是不一樣。通過檢測衰減后的波形幅度并建立糧食水分與衰減幅值之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，即可得出谷物水分含量。

1?試驗裝置設(shè)計原理

谷物中的水主要是以游離水形式存在，在電磁波段水的介電常數(shù)較糧食干物質(zhì)大很多，電磁波經(jīng)過谷物時，能量損耗主要是由游離水造成的。水分含量的多少決定能量的衰減程度，通過檢測衰減后的信號發(fā)掘出水分含量與信號衰減之間的關(guān)系。實驗裝置示意圖和實物圖如圖1所示。

在桶形絕緣腔體兩側(cè)分別纏繞線圈，其中上半部分線圈承載電磁波發(fā)射電路產(chǎn)生的正弦電波信號，下半部分線圈耦合接收上半線圈發(fā)射過來的電磁波信號。當(dāng)腔體內(nèi)有谷物流經(jīng)通過時，發(fā)射的電磁波穿透谷物時因游離水的存在而發(fā)生幅值上的衰減，信號接收線圈能夠接收衰減后的電磁波信號，在經(jīng)過采樣保持電路，能夠精確的測量出衰減后的信號幅值。

谷物中游離態(tài)的水分，在高頻狀態(tài)下其介電常數(shù)為復(fù)數(shù)。由電磁場理論分析可得，電磁場隨時間按照正弦規(guī)律變換，則其對應(yīng)的麥克斯韋方程可改寫成復(fù)數(shù)的。

（1）

上式中的為有耗介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)，為傳導(dǎo)電流。

電磁波在有耗介質(zhì)中的傳播的一維波動方程如下：

?????（2）

????（3）

設(shè)（，為常數(shù)）方程變換可得：

?????（4）

?????（5）

以上方程變換可得：

????????（6）

??????????（7）

通過解方程發(fā)現(xiàn)衰減系數(shù)直接影響場量幅值上的衰減，而衰減系數(shù)則能引起相位改變。

由于糧食內(nèi)部游離水的存在導(dǎo)致電導(dǎo)率不為0，在電磁波穿透谷物時將會引起傳導(dǎo)電流，此時電磁波將會出現(xiàn)能量衰減，主要體現(xiàn)在幅值的減少及相位的變化。電磁波在有耗媒質(zhì)中的傳播波形如圖2所示。

所采用的利用高頻電磁波透射衰減法檢測糧食水分含量的原理：糧食中的游離水能夠吸收高頻電磁波能量，造成能量衰減，衰減的程度與含水率的高低有關(guān)。信號的幅值變化直接反映了電磁波能量的變化，利用后級接收線圈接收到的幅值通過采樣保持電路可精確的得出衰減后的信號幅值。由此建立出含水率與幅值的數(shù)學(xué)關(guān)系式。

2?糧食水分測量實驗

為確保試驗的數(shù)據(jù)精確可靠，試驗在實驗室較理想的環(huán)境下進行，室內(nèi)溫度和濕度均控制在一定的范圍內(nèi)。試驗中發(fā)射的電磁波頻率40 MHZ，功率控制為20 dBm。本次試驗中所采用的糧食品種為黑墾鑒豆10號大豆，樣品的水分含量均低于安全水分上線。

通過試驗采集的大豆水分?jǐn)?shù)據(jù)與后級線圈接收的信號幅值數(shù)據(jù)，經(jīng)SPSS擬合后存在如圖3所示關(guān)系。

由SPSS對數(shù)據(jù)擬合回歸后，得出含水率與幅值的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)F檢驗發(fā)現(xiàn)二次曲線模型精度更高，如表1所示。因此可得出大豆含水率M同幅值A(chǔ)的二次關(guān)系式如下：M=1.500-0.540+0.050（8）

3?模型評價

通過以上裝置測量的大豆的水分同標(biāo)準(zhǔn)的烘干法相比較，該裝置在高水分階段測量誤差較大最大可達(dá)2.5%，水分越低精度越高，最小誤差為0.4%?？蓾M足農(nóng)業(yè)上對糧食水分的測量要求。

（責(zé)任編輯：劉昀）