糧食水分微波檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)

【摘要】糧食水分微波檢測(cè)是迅速、精準(zhǔn)、無(wú)損壞、非介入的測(cè)量方法，對(duì)環(huán)境的敏感性小，測(cè)量范圍廣，可聯(lián)機(jī)數(shù)字化、可視化，性能穩(wěn)定可靠。本文闡述了糧食水分微波檢測(cè)系統(tǒng)的基本組成，對(duì)糧食水分檢測(cè)方法進(jìn)行技術(shù)分析，給出了糧食水分微波測(cè)量模型，微波根食水分檢測(cè)技術(shù)能廣泛應(yīng)用于藥材、卷煙、茶葉等物料含水量的檢測(cè)，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】糧食水分 微波 檢測(cè)

一、微波水分檢測(cè)技術(shù)

微波的頻率為300MHz～300GHz，是無(wú)線電波中波長(zhǎng)最短的波段，穿透、反射和吸收是微波所具有的基本特性。微波水分檢測(cè)技術(shù)就是研究微波和含水物料的特性作用，以及非電量與糧食介電常數(shù)之間存在的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)檢測(cè)微波信號(hào)參數(shù)的變化量，對(duì)糧食物料整體內(nèi)部的水分含量進(jìn)行推算。微波水分檢測(cè)方法主要是透射法、反射法、腔體微擾法。

微波透射方法是基于微波場(chǎng)中糧食物料水分子的極化損耗與微波電場(chǎng)強(qiáng)度的衰減規(guī)律相互聯(lián)系的特性，檢測(cè)微波幅度、頻率或相位參數(shù)所發(fā)生的變化，通過(guò)數(shù)學(xué)模型，推算糧食物料的水分含量。微波反射方法是利用被糧食物料反射的微波能量的大小，通過(guò)相關(guān)微波能量處理電路把反射信號(hào)轉(zhuǎn)換成糧食含水量。腔體微擾法則是利用糧食物料介電特性與微波頻率、傳輸系數(shù)之間的變化關(guān)系，演算出諧振腔內(nèi)糧食物料的水分含量。

二、糧食水分微波測(cè)量模型

用于糧食水分測(cè)量的微波頻率一般是9～10GHz，這個(gè)范圍微波的穿透率比較弱，對(duì)糧食物料的大小形狀不太敏感。微波水分測(cè)量是基于糧食對(duì)微波能量的作用關(guān)系，即糧食吸收、反射微波的程度或微波頻率參數(shù)隨糧食水分變化的規(guī)律。根據(jù)電磁能量關(guān)系，微波能量在糧食物料中的衰減量（dB）為

w=8.68∝BMρ′kt+|τ|-|τ|e-2αBtcos2BT （1）

公式中∝B為水的衰減系數(shù)；M為相對(duì)水分含量；ρ′為密度因素；k為材質(zhì)因素；B為含水物質(zhì)的相數(shù)；|τ|為空氣與被測(cè)物料之間反射系數(shù)的模；t為被測(cè)糧食物料厚度。當(dāng)糧食物料厚度t取值較大時(shí)，通過(guò)計(jì)算可以得到微波檢測(cè)糧食相對(duì)水分含量的測(cè)量模型：

由公式（2）可知，糧食水分含量與被測(cè)糧食物料的材質(zhì)因素k、密度ρ′直接相關(guān)，不同的品種和成分將會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。為了消除物料密度變化的影響，一般是先用機(jī)械方式對(duì)糧食進(jìn)行恒壓整理；然后通過(guò)開(kāi)機(jī)標(biāo)定的方式去對(duì)應(yīng)不同糧食種類的測(cè)量；另一種方法是在線實(shí)時(shí)檢測(cè)量計(jì)算糧食物料的流量，并通過(guò)數(shù)據(jù)處理程序加以修正，這樣就能夠現(xiàn)場(chǎng)消除不同糧食物料屬性的影響。

研究表明9.5GHz的微波通過(guò)厚度為t密度為ρ′傳播時(shí)，微波的衰減量為A，相位移為Φ。研究顯示，相位移和衰減量?jī)蓚€(gè)參數(shù)大體上與糧食含水量呈現(xiàn)線性關(guān)系。而且當(dāng)單位糧食厚度的衰減量和相位移除以糧食密度時(shí)，糧食相對(duì)水分含量M與這些參數(shù)變量照樣是線性關(guān)系。通過(guò)公式（1）（2）關(guān)系模型，簡(jiǎn)化去除密度參數(shù)ρ′，就能夠得到與密度參數(shù)無(wú)關(guān)的微波糧食水分含量測(cè)量模型：

M=（dA-bΦ）/（αΦ-cA） （3）

三、微波糧食水分檢測(cè)系統(tǒng)

本文在對(duì)各種水分檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)微波糧食水分檢測(cè)系統(tǒng)，糧食水分微波檢測(cè)系統(tǒng)由微波發(fā)生器、隔離器、檢波器、檢測(cè)控制器等組成。

采取透射式測(cè)量方法布置微波傳感器，微波發(fā)生器的工作頻率是9.5GHz，隔離器對(duì)于反方向傳送的微波衰減程度較大，對(duì)于正向傳輸?shù)奈⒉ㄋp較小或者幾乎是沒(méi)有衰減地通過(guò)，隔離器的作用是防止微波信號(hào)源受到反射波的干擾，目的就是讓測(cè)量系統(tǒng)工作穩(wěn)定。檢波器的輸入是微波信號(hào)，而輸出是電信號(hào)。在實(shí)際測(cè)量中，通常采用水分標(biāo)定、設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)的方法對(duì)不同糧食品種的測(cè)量進(jìn)行數(shù)據(jù)校正處理。

糧食水分微波檢測(cè)系統(tǒng)受到環(huán)境溫度、氣壓、取樣位置等外界因素的影響，也存在零點(diǎn)漂移問(wèn)題。研究結(jié)果顯示，微波完全能夠全量程檢測(cè)糧食水分，但達(dá)到士0.5%測(cè)量準(zhǔn)確度的檢測(cè)范圍是5%～35%。

糧食水分檢測(cè)電路的核心部分是控制器，控制器是由模數(shù)轉(zhuǎn)換器、放大濾波電路、微控制器、接口總線、液晶顯示等電路組成。微波發(fā)生器發(fā)出信號(hào)，經(jīng)整形、放大、濾波電路后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，系統(tǒng)的測(cè)量靈敏度的調(diào)整是由微控制器改變放大電路的放大系數(shù)，通過(guò)鍵盤人機(jī)對(duì)話可以進(jìn)行控制器參數(shù)設(shè)置、水分標(biāo)定等操作。

微波糧食水分檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)范圍和檢測(cè)精度主要決定于對(duì)微波傳感器模擬信號(hào)的處理方法。微控制器采用外圍接口豐富、抗干擾能力強(qiáng)的低功耗處理器。為了防止外部電磁干擾，系統(tǒng)內(nèi)部電路與外部設(shè)備之間進(jìn)行光電隔離，提高系統(tǒng)工作的安全可靠性。

信號(hào)采集、靈敏度調(diào)節(jié)、標(biāo)定推算、輸出顯示等模塊組成糧食水分微波檢測(cè)的軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠智能識(shí)別微波信號(hào)大小，進(jìn)而調(diào)整信號(hào)的放大倍數(shù)，提高了系統(tǒng)的魯棒性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)靈敏度模塊功能。

糧食水分微波檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后，首先要對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和水分標(biāo)定，其次系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、排序大小、加權(quán)平均、剔除意外數(shù)據(jù)等運(yùn)算對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行平滑處理，根據(jù)起先系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)以及當(dāng)前環(huán)境溫度，通過(guò)線性匹配綜合算法推算糧食物料的水分含量并實(shí)時(shí)輸出顯示。

四、結(jié)語(yǔ)

糧食水分微波檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠，可以迅速、精準(zhǔn)、無(wú)損壞、非介入對(duì)糧食水分進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)定，可聯(lián)機(jī)數(shù)字化、可視化，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠。微波具有良好的穿透特性，微波檢測(cè)技術(shù)能夠進(jìn)行深度測(cè)量，可以在相對(duì)惡劣環(huán)境條件下實(shí)施檢測(cè)，微波檢測(cè)技術(shù)尤其適應(yīng)在一些特殊工藝環(huán)境中進(jìn)行在線水分測(cè)量，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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