糧食水分微波檢測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)①

李興寧+劉榮進(jìn)++陳震++王書(shū)杰++劉永勝

摘 要：糧食水分微波檢測(cè)是一種新的無(wú)損測(cè)量方法，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，可聯(lián)機(jī)數(shù)字化、可視化。該文針對(duì)糧食水分檢測(cè)的特點(diǎn)和要求，分析了糧食水分微波測(cè)量模型，闡述了糧食水分微波檢測(cè)系統(tǒng)的基本組成，并給出了糧食水分微波檢測(cè)系統(tǒng)硬件軟件的設(shè)計(jì)構(gòu)造以及相關(guān)技術(shù)分析。微波糧食水分檢測(cè)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(cè)，具有巨大的社會(huì)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(cè)

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

糧食水分含量是糧食儲(chǔ)藏安全的一個(gè)重要質(zhì)量指標(biāo)，及時(shí)掌握糧食水分可以預(yù)防由于含水量過(guò)高而引起的糧食霉變。糧食水分檢測(cè)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(cè)量的成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但受糧食的品種、溫度、密度等影響較大，測(cè)量的精度不高，穩(wěn)定性較差。電阻法糧食水分測(cè)量?jī)x價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是取樣要求高，信號(hào)強(qiáng)度低，傳感器與糧食接觸狀態(tài)會(huì)影響測(cè)量精度，不宜用于微含水和高含水量的測(cè)定。近紅外法為非接觸式測(cè)量，無(wú)需進(jìn)行預(yù)處理，測(cè)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(duì)測(cè)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(cè)方法對(duì)環(huán)境的敏感性較小，它能實(shí)現(xiàn)無(wú)損、非介入式、在線連續(xù)糧食水分快速檢測(cè)。微波的穿透能力很強(qiáng)，它所檢測(cè)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(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[2]：

式中，M為相對(duì)水分含量；αB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)；|τ|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：

由上式可知，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(guò)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(guò)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)[3]。

研究表明，9.5 GHz頻率的平面波通過(guò)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，相位移和衰減量?jī)蓚€(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(guò)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：

通過(guò)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)從用戶對(duì)糧食水分檢測(cè)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(cè)控制器等對(duì)糧食水分微波檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)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(cè)量方法布置微波傳感器，隔離器可以無(wú)衰減或衰減很小地通過(guò)正向傳輸?shù)奈⒉ǎ鴮?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[4]。檢波器輸入的是微波信號(hào)，輸出的為電信號(hào)。檢測(cè)控制器將所測(cè)得的信號(hào)通過(guò)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(cè)量數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)輸出顯示當(dāng)前糧食的水分含量。變換糧食品種時(shí)，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(cè)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(wèn)題。通過(guò)測(cè)量前對(duì)糧食物料的預(yù)處理，測(cè)量中的溫度補(bǔ)償和測(cè)量后的相關(guān)處理，可以取得糧食水分含量與微波檢測(cè)信號(hào)的理想線性關(guān)系，從而提高糧食水分的檢測(cè)精度[5]。研究表明，微波可以全量程檢測(cè)水分含量，實(shí)際應(yīng)用中比較理想的檢測(cè)范圍是5%～35%，測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)到±0.5%以內(nèi)。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

糧食水分檢測(cè)控制器是硬件設(shè)計(jì)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(pán)和LCD顯示等電路組成，如圖2所示。微波信號(hào)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(hào)，微控制器通過(guò)放大電路調(diào)整其測(cè)量靈敏度。鍵盤(pán)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(jí)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(shí)顯示糧食水分結(jié)果數(shù)據(jù)。

測(cè)量系統(tǒng)的水分檢測(cè)精度和范圍主要取決于對(duì)微波傳感器模擬信號(hào)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(cè)精度，并且能夠通過(guò)數(shù)據(jù)接口向微控制器傳輸數(shù)據(jù)。微波信號(hào)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(cè)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(jì)

糧食水分微波檢測(cè)系統(tǒng)軟件包括采集信號(hào)、標(biāo)定推算糧食含水量、調(diào)節(jié)測(cè)量靈敏度及輸出顯示等模塊。通過(guò)識(shí)別采樣微波信號(hào)大小，自動(dòng)調(diào)整信號(hào)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(jì)流程，在初次測(cè)量或者更換所檢測(cè)的糧食種類時(shí)，首先要對(duì)糧食水分微波檢測(cè)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(hào)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(jì)算所測(cè)糧食的水分含量并實(shí)時(shí)顯示。

3 結(jié)語(yǔ)

微波糧食水分測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠，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)糧食水分的快速測(cè)定。微波水分檢測(cè)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(cè)，具有巨大的社會(huì)效益和廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 張永林，李詩(shī)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(guó)，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(guó).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.