糧食水分微波檢測系統的研究與設計①

李興寧+劉榮進++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、穩定性好、對環境的敏感性小、測量范圍廣，可聯機數字化、可視化。該文針對糧食水分檢測的特點和要求，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的基本組成，并給出了糧食水分微波檢測系統硬件軟件的設計構造以及相關技術分析。微波糧食水分檢測技術能廣泛應用于茶葉、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用前景。

關鍵詞：糧食水分 分析 微波 檢測

中圖分類號：S375 文獻標識碼：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量指標，及時掌握糧食水分可以預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、結構簡單，但受糧食的品種、溫度、密度等影響較大，測量的精度不高，穩定性較差。電阻法糧食水分測量儀價格便宜、結構簡單；缺點是取樣要求高，信號強度低，傳感器與糧食接觸狀態會影響測量精度，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，無需進行預處理，測量速度快、適用范圍廣；缺點是糧食形狀大小、密度高低和環境溫度等因素對測量結果均有影響[1]。與傳統方法相比，糧食水分微波檢測方法對環境的敏感性較小，它能實現無損、非介入式、在線連續糧食水分快速檢測。微波的穿透能力很強，它所檢測的不只是糧食表面的水分，而是糧食整體內部的水分含量。

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隨糧食水分變化的規律，糧食水分測量所用微波的頻率區域是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。根據電磁能量關系，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；ρ`為密度因素；t 為被測物料厚度；k 為材質因素；B為含水物質的相數；|τ|為空氣-被測物料之間反射系數的模。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：

由上式可知，被測糧食物料的密度ρ`及材質k與糧食水分含量的測量值有關，不同的糧食品種和成分將會影響測量結果。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，在數據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”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。結果顯示，相位移和衰減量兩個參數大體上與糧食含水量呈線性關系。而且，當單位厚度的衰減量和相位移除以相應含水率的糧食層密度時，含水量M 和這些參量仍表現為線性關系，通過兩個線性關系模型去除密度變量，即可得到與物料堆密度不相關的糧食水分測量模型：

通過標準標定方法，可以得到上式中相應谷物的回歸系數a、b、c、d。

2 微波水分檢測系統設計

該設計從用戶對糧食水分檢測等要求出發，在分析研究基礎上，利用微波發生器、隔離器、檢波器、檢測控制器等對糧食水分微波檢測系統進行了設計，系統整體方案設計如圖1所示。

微波發生器的工作頻率是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的微波，而對于反向傳輸的微波則有較大衰減。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，使信號測量系統工作穩定[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進行數據傳輸。微機分析處理測量數據并實時輸出顯示當前糧食的水分含量。變換糧食品種時，一般是采用水分標定、設置系統參數的方法進行校正處理。

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處理，測量中的溫度補償和測量后的相關處理，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，實際應用中比較理想的檢測范圍是5%～35%，測量準確度可達到±0.5%以內。

2.1 硬件設計

糧食水分檢測控制器是硬件設計的核心部分，它由微控制器、放大濾波電路、模數轉換器、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，經放大濾波電路整形放大后轉換為數字信號，微控制器通過放大電路調整其測量靈敏度。鍵盤可以進行控制器參數設置、水分標定等操作。CAN為控制器級聯接口，串行接口可與上位機交換數據。最終在LCD上實時顯示糧食水分結果數據。

測量系統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、抗干擾能力強的低功耗處理器。為保證采樣的準確性，A/D轉換器應具有采樣自校正功能以及較高的檢測精度，并且能夠通過數據接口向微控制器傳輸數據。微波信號放大濾波電路的放大倍數可在線調節，以提高系統的水分檢測范圍。為防止外部電磁干擾，系統內部電路與外部設備接口進行光電隔離，以提高系統工作可靠性。

2.2 軟件設計

糧食水分微波檢測系統軟件包括采集信號、標定推算糧食含水量、調節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，自動調整信號的放大倍數，實現系統靈敏度調節模塊功能，提高系統魯棒性。

圖3為軟件設計流程，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進行系統參數設置和水分標定。系統執行初始化后，進行信號采集、大小排序、加權平均等運算擬合處理采樣數據。根據系統設定參數、環境溫度、氣壓和數據平滑處理的結果，再由線性匹配算法計算所測糧食的水分含量并實時顯示。

3 結語

微波糧食水分測量系統結構緊湊、性能可靠，測量信號可以聯機數字化、可視化，容易實現糧食水分的快速測定。微波水分檢測技術能廣泛應用于茶葉、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用前景。

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用[J].糧食與飼料工業，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與系統[J].武漢工業學院學報，2004（6）：32-34.

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

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

[5] 吳偉民，戰雙城.糧食水分檢測技術分析[J].科技創新與應用，2014（26）：299-300.