基于微波透-反射式含水率檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)方法研究

楊旭杰 吳斯鵬 楊建萍 胡偉才

摘 要：為實(shí)現(xiàn)微波法測(cè)量固態(tài)物料的水分，本文將微波空間波透-反射式技術(shù)引入固態(tài)物料含水率檢測(cè)中。本文首先確定微波的功率衰減、相位變化、諧振頻率、介電常數(shù)等有效參數(shù)及其相互關(guān)系。通過(guò)熟悉微波信號(hào)空間傳輸形式，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出信號(hào)源、隔離器等主要部件，并確定各部件的加工工藝、結(jié)構(gòu)形狀和具體尺寸，從而設(shè)計(jì)出固態(tài)物料微波透-反射式含水率最優(yōu)檢測(cè)裝置，有助于保持檢測(cè)技術(shù)的先進(jìn)性，提高科技水平，增強(qiáng)檢測(cè)技術(shù)綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：固態(tài)物料;含水率;微波技術(shù);混頻檢波

中圖分類(lèi)號(hào)：TM937文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

在對(duì)公路水運(yùn)工程進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、驗(yàn)收、養(yǎng)護(hù)、維修等各個(gè)環(huán)節(jié)時(shí)，要進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)。含水率是公路水運(yùn)檢測(cè)基礎(chǔ)參數(shù)之一，與混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)、土的強(qiáng)度、滲透特性、材料的性能等息息相關(guān)[1]。傳統(tǒng)的烘箱法對(duì)于固態(tài)物料含水率的檢測(cè)，不僅耗時(shí)長(zhǎng)并且能耗低，微波空間波法則能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸和快速測(cè)量，其測(cè)量精度很高。

本文從微波空間波法出發(fā)，為了更加準(zhǔn)確地測(cè)量固態(tài)物料的含水量，將透射式與反射式含水率檢測(cè)方法相結(jié)合，通過(guò)相關(guān)微波仿真測(cè)試及具體應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，確定微波的功率衰減、相位變化和諧振頻率等多個(gè)有效參數(shù)及其相互關(guān)系。通過(guò)試驗(yàn)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出信號(hào)處理電路模塊、微波諧振腔和傳感器等主要部件，并對(duì)產(chǎn)品壽命及穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確定各部件的材料、加工工藝、結(jié)構(gòu)形狀和具體尺寸，從而設(shè)計(jì)出固態(tài)物料微波透-反射式含水率最優(yōu)檢測(cè)裝置。

1 微波法含水率測(cè)量原理

由于液態(tài)水和干的固體物料之間的介電常數(shù)相差懸殊，所以固態(tài)物料中水分含量的變化會(huì)對(duì)其介電常數(shù)產(chǎn)生較為顯著的影響，因此通過(guò)測(cè)量與物料相互作用后的微波的功率衰減、相位變化、諧振頻率等相關(guān)介電常數(shù)的物理量，就能間接得到物料的含水率[4]。

2 微波透-反射式含水率檢測(cè)裝置的重要組成單元

2.1 整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

微波透-反射式含水率檢測(cè)裝置的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

裝置中信號(hào)作用流程為：信號(hào)源產(chǎn)生微波振蕩信號(hào)，在經(jīng)過(guò)隔離器隔離后傳輸?shù)剿p器，經(jīng)過(guò)功率的調(diào)制后將微波通過(guò)微波收發(fā)模塊傳輸，再通過(guò)微波收發(fā)天線使其發(fā)出。在信號(hào)與被測(cè)物料發(fā)生相互作用后，將信號(hào)通過(guò)微波收發(fā)天線和微波接收天線進(jìn)行接收，再將微波收發(fā)天線接收到的反射信號(hào)經(jīng)過(guò)微波收發(fā)模塊中的混頻器濾出含有物料水分信息的反射波，經(jīng)過(guò)反射信號(hào)處理模塊后再輸入信號(hào)處理電路模塊中進(jìn)行計(jì)算;微波接收天線接收到的透射信號(hào)會(huì)首先通過(guò)微波檢波波導(dǎo)，再輸入到透射信號(hào)處理模塊進(jìn)行處理，最后經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路模塊進(jìn)行計(jì)算。在顯示模塊中便可以得到被測(cè)物料含水率的數(shù)值。

2.2 微波信號(hào)源

微波信號(hào)源的功用是發(fā)射初始微波信號(hào)，在整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)中微波信號(hào)源起到了至關(guān)重要的作用。將微波半導(dǎo)體器件作為微波振蕩源，利用體效應(yīng)管振蕩器產(chǎn)生微波振蕩，并且放在波導(dǎo)腔體內(nèi)部產(chǎn)生諧振，從而激勵(lì)微波信號(hào)進(jìn)行輸出。體效應(yīng)管在微波波導(dǎo)腔體中作為單管波導(dǎo)振蕩器的一種安裝方式如圖2所示。

2.3 隔離器

隔離器又可以稱(chēng)為單向器，它使得電磁波只能夠沿單方向傳播，以減小干擾，保證信號(hào)穩(wěn)定。當(dāng)微波從一個(gè)端口傳遞另一個(gè)端口時(shí)，處于正向的微波衰減很小，而對(duì)于反向傳播的微波則會(huì)產(chǎn)生較大的衰減作用。本研究中采用了如圖3所示的射頻微波同軸隔離器。

2.4 衰減器

功率衰減器是可以對(duì)輸入信號(hào)的能量產(chǎn)生損耗的一種微波元件。本研究中采用了一種射頻微波同軸固定衰減器。其頻率范圍為DC-26GHz，衰減值為20dB，平均功率為2W。

2.5 微波收發(fā)模塊

微波收發(fā)模塊中含有微波收發(fā)波導(dǎo)、混頻二極管。該模塊不僅可以將微波信號(hào)傳遞給被測(cè)物料，同時(shí)可以接收來(lái)自被測(cè)物料的反射信號(hào)，以進(jìn)行下一步的處理。

2.6 微波天線設(shè)計(jì)

微波天線在微波系統(tǒng)中主要是負(fù)責(zé)發(fā)射和接收微波的裝置。在本文的檢測(cè)裝置中采用的是矩形波導(dǎo)喇叭天線，如圖4所示。

本設(shè)計(jì)中所使用的微波透-反射含水率檢測(cè)裝置喇叭天線為A=56mm，B=45mm，微波頻率為10GHz，λ0=3cm，則增益G=13dB。

2.7 微波檢波波導(dǎo)

利用微波檢波波導(dǎo)可以對(duì)調(diào)幅的微波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)微波的頻率變換，輸出被測(cè)量微波信號(hào)的包絡(luò)信號(hào)。

根據(jù)不同含水率的物料在微波的頻率下的介電常數(shù)都不相同，在實(shí)際對(duì)物料含水率的檢測(cè)中，將經(jīng)過(guò)檢波電路后輸出的微波幅值再次經(jīng)過(guò)低通濾波器，使其最后輸出的為準(zhǔn)直流的信號(hào)，所輸出的不同幅值的信號(hào)就可以計(jì)算出所測(cè)物料的含水率。

2.8 透反射信號(hào)處理模塊

反射和透射信號(hào)在經(jīng)過(guò)一系列的信號(hào)處理之后，輸出具有含水率信息在內(nèi)的微波信號(hào)，所需含水率的信息位于頻率最低的中頻信號(hào)段。因此需要對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行一定程度的整流濾波，從而過(guò)濾掉高頻信號(hào)。

整流濾波電路如圖5所示。

2.9 總體實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)行含水率檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)研究，選擇喇叭天線和Mosye公司的MS-590設(shè)備，利用不同浸水程度的木材為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)驗(yàn)方案如圖6所示。

將實(shí)驗(yàn)對(duì)象放置在中間位置，測(cè)得含水率結(jié)果后，再利用烘干法檢測(cè)木材的實(shí)際含水率。二者結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，實(shí)際含水率與本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果十分接近，誤差在5%以?xún)?nèi)，但實(shí)驗(yàn)的精確度仍有進(jìn)一步提升的空間。因此，在精度滿(mǎn)足要求的情況下，微波透-反射檢測(cè)含水率具有實(shí)時(shí)性檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

將微波空間波透-反射式技術(shù)引入固態(tài)物料含水率檢測(cè)中。首先確定微波的功率衰減、相位變化、介電常數(shù)等有效參數(shù)及其相互關(guān)系。進(jìn)一步分析微波信號(hào)空間傳輸形式，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出信號(hào)源、隔離器等主要部件，并確定各部件的加工工藝、結(jié)構(gòu)形狀和具體尺寸，從而設(shè)計(jì)出固態(tài)物料微波透-反射式含水率最優(yōu)檢測(cè)裝置。

經(jīng)計(jì)算分析后，將微波透-反射含水率的檢測(cè)裝置中的主要數(shù)據(jù)確定為：輸出的微波頻率為10GHz，喇叭天線的設(shè)計(jì)尺寸為56*45mm，微波波長(zhǎng)為3cm，增益為13dB。

微波透-反射法檢測(cè)固態(tài)物料的含水率的技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)固態(tài)物料含水率的無(wú)損在線測(cè)量，有助于保持當(dāng)前含水率檢測(cè)技術(shù)的先進(jìn)性，增強(qiáng)檢測(cè)技術(shù)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

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