李興寧+劉榮進(jìn)++陳震++王書杰++劉永勝

摘 要：糧食水分微波檢測是一種新的無損測量方法，檢測精度高、穩(wěn)定性好、對環(huán)境的敏感性小、測量范圍廣，可聯(lián)機(jī)數(shù)字化、可視化。該文針對糧食水分檢測的特點(diǎn)和要求，分析了糧食水分微波測量模型，闡述了糧食水分微波檢測系統(tǒng)的基本組成，并給出了糧食水分微波檢測系統(tǒng)硬件軟件的設(shè)計構(gòu)造以及相關(guān)技術(shù)分析。微波糧食水分檢測技術(shù)能廣泛應(yīng)用于茶葉、卷煙、藥材等物料含水量的檢測，具有巨大的社會效益和廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：糧食水分 分析 微波 檢測

中圖分類號：S375 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）06（c）-0073-02

糧食水分含量是糧食儲藏安全的一個重要質(zhì)量指標(biāo)，及時掌握糧食水分可以預(yù)防由于含水量過高而引起的糧食霉變。糧食水分檢測的傳統(tǒng)方法主要有電容法、電阻法和近紅外法等方法。電容法測量的成本低、結(jié)構(gòu)簡單，但受糧食的品種、溫度、密度等影響較大，測量的精度不高，穩(wěn)定性較差。電阻法糧食水分測量儀價格便宜、結(jié)構(gòu)簡單；缺點(diǎn)是取樣要求高，信號強(qiáng)度低，傳感器與糧食接觸狀態(tài)會影響測量精度，不宜用于微含水和高含水量的測定。近紅外法為非接觸式測量，無需進(jìn)行預(yù)處理，測量速度快、適用范圍廣；缺點(diǎn)是糧食形狀大小、密度高低和環(huán)境溫度等因素對測量結(jié)果均有影響[1]。與傳統(tǒng)方法相比，糧食水分微波檢測方法對環(huán)境的敏感性較小，它能實(shí)現(xiàn)無損、非介入式、在線連續(xù)糧食水分快速檢測。微波的穿透能力很強(qiáng)，它所檢測的不只是糧食表面的水分，而是糧食整體內(nèi)部的水分含量。

1 糧食水分微波測量模型

微波水分測量是基于糧食對微波能量的反射、吸收或諧振腔諧振頻率等參數(shù)隨糧食水分變化的規(guī)律，糧食水分測量所用微波的頻率區(qū)域是9～10 GHz，這個波段微波的特性是對糧食物料成分不太敏感，穿透率較弱。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[2]：

式中，M為相對水分含量；αB為水的衰減系數(shù)；ρ`為密度因素；t 為被測物料厚度；k 為材質(zhì)因素；B為含水物質(zhì)的相數(shù)；|τ|為空氣-被測物料之間反射系數(shù)的模。當(dāng)t取值足夠大時，可以演算得到微波衰減傳感器水分檢測的測量模型，即被測糧食的相對水分含量：

由上式可知，被測糧食物料的密度ρ`及材質(zhì)k與糧食水分含量的測量值有關(guān)，不同的糧食品種和成分將會影響測量結(jié)果。一般采用機(jī)械方式對物料進(jìn)行恒壓整理，以消除物料密度變化的影響；不同糧食種類的影響，需要通過品種標(biāo)定方式消除。另一種消除被測物料屬性影響的方式是實(shí)時檢測在線糧食物料流量，在數(shù)據(jù)處理電路中進(jìn)行修正。

同時檢測微波在糧食物料中傳播的相位移和衰減量的雙參數(shù)檢測方法是通過雙測量信號的融合處理，就能夠進(jìn)行糧食水分含量的“密度不相關(guān)”檢測[3]。

研究表明，9.5 GHz頻率的平面波通過厚度為t、密度為ρ`的糧食層傳播時，微波的衰減量為A，相位移為Φ。結(jié)果顯示，相位移和衰減量兩個參數(shù)大體上與糧食含水量呈線性關(guān)系。而且，當(dāng)單位厚度的衰減量和相位移除以相應(yīng)含水率的糧食層密度時，含水量M 和這些參量仍表現(xiàn)為線性關(guān)系，通過兩個線性關(guān)系模型去除密度變量，即可得到與物料堆密度不相關(guān)的糧食水分測量模型：

通過標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定方法，可以得到上式中相應(yīng)谷物的回歸系數(shù)a、b、c、d。

2 微波水分檢測系統(tǒng)設(shè)計

該設(shè)計從用戶對糧食水分檢測等要求出發(fā)，在分析研究基礎(chǔ)上，利用微波發(fā)生器、隔離器、檢波器、檢測控制器等對糧食水分微波檢測系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，系統(tǒng)整體方案設(shè)計如圖1所示。

微波發(fā)生器的工作頻率是9.5 GHz，采取透射式測量方法布置微波傳感器，隔離器可以無衰減或衰減很小地通過正向傳輸?shù)奈⒉ǎ鴮τ诜聪騻鬏數(shù)奈⒉▌t有較大衰減。隔離器的作用可以吸收去除與負(fù)載不匹配所產(chǎn)生的微波反射，防止微波信號源受到反射波干擾，使信號測量系統(tǒng)工作穩(wěn)定[4]。檢波器輸入的是微波信號，輸出的為電信號。檢測控制器將所測得的信號通過串行總線與微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。微機(jī)分析處理測量數(shù)據(jù)并實(shí)時輸出顯示當(dāng)前糧食的水分含量。變換糧食品種時，一般是采用水分標(biāo)定、設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)的方法進(jìn)行校正處理。

糧食水分微波檢測在一定程度上受到取樣位置、溫度、氣壓等外界因素的影響，也存在零漂的問題。通過測量前對糧食物料的預(yù)處理，測量中的溫度補(bǔ)償和測量后的相關(guān)處理，可以取得糧食水分含量與微波檢測信號的理想線性關(guān)系，從而提高糧食水分的檢測精度[5]。研究表明，微波可以全量程檢測水分含量，實(shí)際應(yīng)用中比較理想的檢測范圍是5%～35%，測量準(zhǔn)確度可達(dá)到±0.5%以內(nèi)。

2.1 硬件設(shè)計

糧食水分檢測控制器是硬件設(shè)計的核心部分，它由微控制器、放大濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、接口總線、鍵盤和LCD顯示等電路組成，如圖2所示。微波信號由傳感器輸出，經(jīng)放大濾波電路整形放大后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，微控制器通過放大電路調(diào)整其測量靈敏度。鍵盤可以進(jìn)行控制器參數(shù)設(shè)置、水分標(biāo)定等操作。CAN為控制器級聯(lián)接口，串行接口可與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)。最終在LCD上實(shí)時顯示糧食水分結(jié)果數(shù)據(jù)。

測量系統(tǒng)的水分檢測精度和范圍主要取決于對微波傳感器模擬信號的處理。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。為保證采樣的準(zhǔn)確性，A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)具有采樣自校正功能以及較高的檢測精度，并且能夠通過數(shù)據(jù)接口向微控制器傳輸數(shù)據(jù)。微波信號放大濾波電路的放大倍數(shù)可在線調(diào)節(jié)，以提高系統(tǒng)的水分檢測范圍。為防止外部電磁干擾，系統(tǒng)內(nèi)部電路與外部設(shè)備接口進(jìn)行光電隔離，以提高系統(tǒng)工作可靠性。

2.2 軟件設(shè)計

糧食水分微波檢測系統(tǒng)軟件包括采集信號、標(biāo)定推算糧食含水量、調(diào)節(jié)測量靈敏度及輸出顯示等模塊。通過識別采樣微波信號大小，自動調(diào)整信號的放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)靈敏度調(diào)節(jié)模塊功能，提高系統(tǒng)魯棒性。

圖3為軟件設(shè)計流程，在初次測量或者更換所檢測的糧食種類時，首先要對糧食水分微波檢測系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和水分標(biāo)定。系統(tǒng)執(zhí)行初始化后，進(jìn)行信號采集、大小排序、加權(quán)平均等運(yùn)算擬合處理采樣數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)、環(huán)境溫度、氣壓和數(shù)據(jù)平滑處理的結(jié)果，再由線性匹配算法計算所測糧食的水分含量并實(shí)時顯示。

3 結(jié)語

微波糧食水分測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠，測量信號可以聯(lián)機(jī)數(shù)字化、可視化，容易實(shí)現(xiàn)糧食水分的快速測定。微波水分檢測技術(shù)能廣泛應(yīng)用于茶葉、卷煙、藥材等物料含水量的檢測，具有巨大的社會效益和廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 張永林，李詩龍，許曉云.微波水分檢測及其在小麥著水裝置中的應(yīng)用[J].糧食與飼料工業(yè)，2003（11）：7-8.

[2] 杜先鋒，張勝全，張永林.基于微波的糧食水分檢測技術(shù)與系統(tǒng)[J].武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2004（6）：32-34.

[3] 偉利國，張小超.基于微波的糧食水分檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2010（4）：1-3.

[4] 張小超，偉利國.微波在線式糧食水分檢測系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2009（6）：145-147.

[5] 吳偉民，戰(zhàn)雙城.糧食水分檢測技術(shù)分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（26）：299-300.