李興寧　劉榮進(jìn)　陳震　王書杰　劉永勝

摘 要：糧食水分含量是收購、存儲(chǔ)、加工等過程中的重要參考指標(biāo)，微波水分檢測(cè)是非介入、無損、快速、準(zhǔn)確的測(cè)量方法，具有檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好、對(duì)環(huán)境的敏感性小、測(cè)量范圍廣以及方便進(jìn)行在線動(dòng)態(tài)檢測(cè)等特點(diǎn)，成為一種現(xiàn)代水分檢測(cè)技術(shù)的主要發(fā)展方向。該文對(duì)微波特性和糧食水分微波測(cè)定方法以及各自的特點(diǎn)進(jìn)行了深入分析，闡述了糧食水分微波測(cè)量模型，為從事糧食水分微波檢測(cè)研究提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：糧食水分 微波 分析 檢測(cè)方法

中圖分類號(hào)：TS207 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）06（b）-0055-02

微波水分檢測(cè)是一項(xiàng)新的無損檢測(cè)技術(shù)，它具有檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好、對(duì)環(huán)境的敏感性小、測(cè)量范圍廣以及方便進(jìn)行在線動(dòng)態(tài)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。作為一種高頻電磁波，微波的穿透性很強(qiáng)，它能夠在無損的情況下對(duì)糧食內(nèi)部的水分含量進(jìn)行檢測(cè)，基于微波的糧食水分測(cè)量技術(shù)正在逐步取代取樣要求高、適應(yīng)性差、測(cè)量慣性大的電阻和電容方法，成為一種現(xiàn)代水分檢測(cè)技術(shù)的主要發(fā)展方向。

1 水分檢測(cè)技術(shù)

微波的頻率為300 MHz～300 GHz，是無線電波中波長最短的波段，微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為反射、穿透和吸收。微波水分檢測(cè)技術(shù)是基于微波作用于含水物料所引起的幅度、頻率或相位的變化數(shù)據(jù)，對(duì)物料水分含量進(jìn)行推算，也就是研究微波和糧食的互相作用，以及非電量與物料介電常數(shù)之間存在的函數(shù)關(guān)系，通過檢測(cè)微波信號(hào)基本參數(shù)的變化量，對(duì)物料內(nèi)部非電物理量進(jìn)行推算。檢測(cè)對(duì)象不同，微波水分檢測(cè)原理稍有差異。微波水分檢測(cè)方法主要是反射法、透射法、腔體微擾法[1]。

微波透射方法是基于微波電場(chǎng)強(qiáng)度的衰減規(guī)律與微波場(chǎng)中物料水分子的極化損耗密切相關(guān)的原理，檢測(cè)微波參數(shù)所發(fā)生的變化或者系統(tǒng)發(fā)射波的能量的變化，通過微波水分檢測(cè)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算物料的水分含量。微波反射方法也是根據(jù)微波對(duì)糧食物料的相互作用，利用被糧食物料反射的微波能量的大小，通過相關(guān)處理、轉(zhuǎn)換電路把反射信號(hào)轉(zhuǎn)換成糧食含水量。諧振腔微擾法則是利用含水糧食物料介電特性與傳輸系數(shù)和頻率偏移的變化關(guān)系，推算出微波諧振腔內(nèi)糧食物料的水分含量。

散體糧食水分測(cè)量一般采用微波透射式和微波反射式，針對(duì)散體糧食水分檢測(cè)，以下給出透射式和反射式微波水分檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理。

1.1 透射式微波水分檢測(cè)技術(shù)

圖1給出透射式微波水分檢測(cè)系統(tǒng)原理。微波發(fā)生器選用工作頻率為9 513 MHz的小型固態(tài)信號(hào)發(fā)生器，具有體積小、重量輕、品質(zhì)因數(shù)高、溫度特性好等優(yōu)點(diǎn)[2]。隔離器可以無衰減或衰減很小地通過正向傳輸?shù)奈⒉?，而?duì)于反向傳輸?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(hào)源受到反射波干擾，使信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)工作穩(wěn)定。吸收式衰減器為一段波導(dǎo)，內(nèi)有吸收片，可以調(diào)節(jié)功率衰減量的大小，其功能是用來調(diào)節(jié)測(cè)量系統(tǒng)中的功率電平等級(jí)。微波傳感器有發(fā)射器和接收器，通常使用喇叭形天線，微波傳感器主要性能指標(biāo)有抗干擾能力和邊緣效應(yīng)。調(diào)制的微波信號(hào)通過檢波器后，進(jìn)行濾波選頻和功率放大，以保證其測(cè)量范圍和測(cè)量精度，最后顯示所測(cè)糧食物料的水分含量。

透射式微波水分測(cè)量取樣容器寬度要防止為1/4微波波長的整數(shù)倍，制作測(cè)量取樣容器的材料一定要具有較小的介質(zhì)損耗[3]。采用透射法檢測(cè)的參數(shù)，既可以一個(gè)，也可以兩個(gè)。單參數(shù)檢測(cè)受糧食密度影響較大，但其信號(hào)處理和電路實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡單；而雙參數(shù)檢測(cè)方法對(duì)傳感器件、硬件電路設(shè)計(jì)要求較高。糧食微波水分檢測(cè)系統(tǒng)一般采取單參量檢測(cè)方法，通過補(bǔ)償修正，減小和控制糧食密度的影響。

1.2 反射式微波水分檢測(cè)技術(shù)

反射式微波水分檢測(cè)對(duì)糧食取樣的要求較高，糧食物料必須堆積均勻，并且厚度適當(dāng)，主要用于高含水糧食水分測(cè)量，圖2給出反射式微波水分檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理。

微波發(fā)生器的工作頻率調(diào)整到9.5 GHz，微波能量經(jīng)過隔離器是使微波信號(hào)源工作穩(wěn)定。通過微波功率電平等級(jí)的轉(zhuǎn)換和調(diào)配，微波信號(hào)送至喇叭型微波傳感器。當(dāng)喇叭形天線將電磁波傳輸?shù)奖粶y(cè)物料時(shí)，被測(cè)物料將反射一部分微波能量，這時(shí)微波能量反射波經(jīng)由微波天線和調(diào)配器以及環(huán)流器傳送到微波檢波器，最后把微波反射信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換成糧食的水分百分比，由顯示器顯示。此時(shí)，顯示的糧食含水量大小與反射波的能量大小之間存在函數(shù)關(guān)系。

2 微波水分測(cè)量模型

微波水分測(cè)量是基于糧食對(duì)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(cè)量所用微波的頻率區(qū)域是9～10 GHz，這個(gè)波段微波的特性是對(duì)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[4]：

W （1）

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

M （2）

由式（2）可知，被測(cè)糧食物料的密度ρ及材質(zhì)k與糧食水分含量的測(cè)量值有關(guān)，不同的糧食品種和成分將會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。一般采用機(jī)械方式對(duì)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(cè)物料屬性影響的方式是實(shí)時(shí)檢測(cè)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(shí)檢測(cè)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(cè)方法是通過雙測(cè)量信號(hào)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(cè)[5]。

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(shí)，微波的衰減量為A，相位移為Φ。結(jié)果顯示，相位移為和衰減量兩個(gè)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(shí)，含水量M和這些參量仍表現(xiàn)為線性關(guān)系，通過兩個(gè)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(cè)量模型：

M=（dA-bΦ）/（aΦ-cA） （3）

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。

3 結(jié)語

糧食水分微波檢測(cè)是非介入、無損、快速、準(zhǔn)確的測(cè)量方法，測(cè)量信號(hào)可以聯(lián)機(jī)數(shù)字化、可視化，容易實(shí)現(xiàn)糧食水分的連續(xù)測(cè)定。微波測(cè)量技術(shù)不僅提供了很好地穿透深度測(cè)量，而且可在相對(duì)惡劣環(huán)境條件下實(shí)施檢測(cè)，尤其適合在特殊工藝環(huán)境中進(jìn)行在線水分測(cè)量。

參考文獻(xiàn)

[1] 張永林，李詩龍，許曉云.微波水分檢測(cè)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(cè)技術(shù)與系統(tǒng)[J].武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004（6）：32-34.

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

[4] 張小超，偉利國.微波在線式糧食水分檢測(cè)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(cè)技術(shù)分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（26）：299-300.