微波空间波技术材料含水率检测方法及装置的研究

发布时间：2017-11-21 10:27

  本文关键词：微波空间波技术材料含水率检测方法及装置的研究

  更多相关文章： 堆积密度 含水率 微波测量 信号混频 驻波检测

【摘要】：在粮食储运、食品加工、建筑、造纸、纺织、烟草、土壤科学、木材加工等行业，材料的含水率对产品的质量和性能有重要的影响。论文分析了含水率检测的相关方法，以及微波测量的技术特点。传统方法一般测量速度慢，对材料有损伤，无法实现在线检测，本论文采用微波空间波方式，研究在不同情况下，实现材料含水率快速、无损检测的方法及装置。 文章对微波频率下含水物质介电特性的影响因素进行了研究，对水分子在高频电场作用下，由于极化和重新取向而产生的能量存储和损耗效应进行分析。微波与物质在空间相互作用后，通过对微波的透射系数、反射系数、功率衰减、驻波相位和驻波比等参量变化的测量，设计相应的检测装置，实现对材料的含水率、堆积密度、相对介电常数等物理量的检测。 针对于透射方式，文章首先分析了当微波穿透确定厚度材料后，所产生的能量衰减与材料含水率的关系，并设计了一种透射式的含水率检测装置。装置包含微波信号发生单元、隔离器、衰减器、微波发射天线、样品容器、微波接收天线、微波检波器、信号处理单元、显示控制输出单元等，文章对上述各单元的实现功能和具体设计方法进行了说明。通过选取和配比已知含水率的沙子、水稻和玉米作为样品材料进行实验，并针对不同材料和不同厚度下的实验结果，，进行分析和拟合，得到相应的含水率检测的最佳标定曲线。对于含水率为10.1%到28.5%范围内的水稻，在样品厚度为5厘米时得到最佳拟合校准方程，其拟合度为0.991，定标标准误差0.284%；对于含水率为12.3%到27.3%范围内的玉米，在样品厚度为3厘米时得到最佳拟合校准方程，其拟合度为0.990，定标标准误差0.204%；对于含水率为0%到11.3%范围内的沙子，在样品厚度为3厘米时得到最佳拟合校准方程，其拟合度为0.991，定标标准误差0.285%。 透射式含水率检测装置在测量过程中需要确定的样品厚度，当样品含水率较高而产生较大能量衰减时，无法实现准确测量。针对上述情况，文章对微波空间波反射系数随材料介电性能的变化关系进行研究，设计了一种反射式含水率检测装置。装置包含微波信号发生单元、隔离器、衰减器、混频器、微波收发复用天线、信号处理单元等。文章分析了微波混频单元的工作原理及具体设计方案，引入混频结构将微波天线收发复用，使反射装置结构简化，提高含水率测量的精度和灵敏度。文章对装置的结构设计及具体加工方案进行了说明，装置传感器探头采用封闭式不锈钢圆柱型结构设计，探头端口材质选用氧化铝陶瓷结构，微波发射与接收及信号处理单元封闭于传感器内部。对于含水在0%到15%范围内的沙子样品，采用反射式检测装置进行实验测量，得到校准方程的拟合度为0.993，定标标准误差为0.39%。 为了得到最佳测量精度，上述透射式和反射式实验装置在进行含水率检测时，被测材料需要堆积紧实、分布均匀。样品的堆积密度和温度的变化会影响含水率的测量结果。针对上述情况，文章研究了样品的介电性能随堆积密度与温度变化的变化关系，设计了一种基于反射行驻波检测的含水率与堆积密度的同步测量装置。装置包含微波腔体振荡器、收发喇叭天线、滑轨、样品容器、微波混频单元、及电压检测单元等。文章研究了微波空间波的叠加方式，反射行驻波的形成原理及测量方法。通过对驻波的幅值驻波比及相位变化的测量，建立样品含水率与堆积密度的同步检测模型。对于沙子和水稻样品，含水率的预测标准误差分别为0.506%和0.695%，堆积密度的预测标准误差分别为0.0382g/cm3和0.0144g/cm3；含水率测量校准方程拟合度大于0.982，堆积密度测量校准方程拟合度大于0.961。利用上述方法对材料含水率进行检测的过程中，样品无需刻意压实，装置适合于工业上的在线无损检测应用。 文章最后对系统的信号处理单元电路、上位机软件的设计与开发进行了说明。系统硬件电路由电源模块、调零放大电路、单片机、液晶显示屏、串口模块、按键模块等部分组成，上位机软件采用labview虚拟仪器进行开发，整体实现对测量样品、含水率、测量时间等信息的实时监测、趋势显示、模拟输出、串口通信、数据存储与控制等功能。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP274

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 徐浩;叶明;;微波水分测量的研究[J];传感器与微系统;2007年05期

2 钟茂声;;手提反射式微波测湿仪[J];电子测量技术;1995年01期

3 曾新,苏杰;微波无损检测技术及应用[J];仪器仪表用户;2003年02期

4 李玉忠;中国湿度与水分测量技术的现状[J];分析仪器;2003年01期

5 商淑培;王亚利;洪爱俊;王卫东;;利用近红外光谱技术建立土壤水分含量定标方程[J];光谱实验室;2011年04期

6 杨苹;严珩铭;于文益;;基于微波谐振器的谷物湿度检测系统[J];机械工程学报;2007年01期

7 景军锋;王波;李鹏飞;;基于微波透射法测量织物含水率[J];计算机测量与控制;2010年11期

8 尤田束;微波谷物测湿原理及国外新进展[J];科技通报;1997年01期

9 龚红菊;姬长英;;谷物水分测量方法的比较研究[J];粮油加工;2006年06期

10 杨玉芬;佟玲;张本华;;快速检测粮食含水率的方法[J];农机化研究;2006年04期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 罗艳云;基于遥感与地表特性的鄂尔多斯高原北部地貌和覆沙厚度的辨识方法[D];内蒙古农业大学;2012年

本文编号：1210616