糧食水分微波檢測方法的研究

李興寧　劉榮進　陳震　王書杰　劉永勝

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

關(guān)鍵詞：糧食水分 微波 分析 檢測方法

中圖分類號：TS207 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）06（b）-0055-02

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

1 水分檢測技術(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)，對物料水分含量進行推算，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，通過檢測微波信號基本參數(shù)的變化量，對物料內(nèi)部非電物理量進行推算。檢測對象不同，微波水分檢測原理稍有差異。微波水分檢測方法主要是反射法、透射法、腔體微擾法[1]。

微波透射方法是基于微波電場強度的衰減規(guī)律與微波場中物料水分子的極化損耗密切相關(guān)的原理，檢測微波參數(shù)所發(fā)生的變化或者系統(tǒng)發(fā)射波的能量的變化，通過微波水分檢測的數(shù)學模型計算物料的水分含量。微波反射方法也是根據(jù)微波對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。

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

1.1 透射式微波水分檢測技術(shù)

圖1給出透射式微波水分檢測系統(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[2]。隔離器可以無衰減或衰減很小地通過正向傳輸?shù)奈⒉?，而對于反向傳輸?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。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)測量系統(tǒng)中的功率電平等級。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有抗干擾能力和邊緣效應(yīng)。調(diào)制的微波信號通過檢波器后，進行濾波選頻和功率放大，以保證其測量范圍和測量精度，最后顯示所測糧食物料的水分含量。

透射式微波水分測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]。采用透射法檢測的參數(shù)，既可以一個，也可以兩個。單參數(shù)檢測受糧食密度影響較大，但其信號處理和電路實現(xiàn)相對簡單；而雙參數(shù)檢測方法對傳感器件、硬件電路設(shè)計要求較高。糧食微波水分檢測系統(tǒng)一般采取單參量檢測方法，通過補償修正，減小和控制糧食密度的影響。

1.2 反射式微波水分檢測技術(shù)

反射式微波水分檢測對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，主要用于高含水糧食水分測量，圖2給出反射式微波水分檢測系統(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源工作穩(wěn)定。通過微波功率電平等級的轉(zhuǎn)換和調(diào)配，微波信號送至喇叭型微波傳感器。當喇叭形天線將電磁波傳輸?shù)奖粶y物料時，被測物料將反射一部分微波能量，這時微波能量反射波經(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電壓轉(zhuǎn)換成糧食的水分百分比，由顯示器顯示。此時，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[4]：

W （1）

式中，M為相對水分含量；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)；為空氣-被測物料之間反射系數(shù)的模。當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：

M （2）

由式（2）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。一般采用機械方式對物料進行恒壓整理，以消除物料密度變化的影響；不同糧食種類的影響，需要通過品種標定方式消除。另一種消除被測物料屬性影響的方式是實時檢測在線糧食物料流量，在數(shù)據(jù)處理電路中進行修正。

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，就能夠進行糧食水分含量的“密度不相關(guān)”檢測[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，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參數(shù)大體上與糧食含水量呈線性關(guān)系。而且，當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：

M=（dA-bΦ）/（aΦ-cA） （3）

通過標準標定方法，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

糧食水分微波檢測是非介入、無損、快速、準確的測量方法，測量信號可以聯(lián)機數(shù)字化、可視化，容易實現(xiàn)糧食水分的連續(xù)測定。微波測量技術(shù)不僅提供了很好地穿透深度測量，而且可在相對惡劣環(huán)境條件下實施檢測，尤其適合在特殊工藝環(huán)境中進行在線水分測量。

參考文獻

[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)學院學報，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.