糧食水分微波檢測技術(shù)與系統(tǒng)

【摘要】糧食水分微波檢測是迅速、精準(zhǔn)、無損壞、非介入的測量方法，對環(huán)境的敏感性小，測量范圍廣，可聯(lián)機數(shù)字化、可視化，性能穩(wěn)定可靠。本文闡述了糧食水分微波檢測系統(tǒng)的基本組成，對糧食水分檢測方法進行技術(shù)分析，給出了糧食水分微波測量模型，微波根食水分檢測技術(shù)能廣泛應(yīng)用于藥材、卷煙、茶葉等物料含水量的檢測，具有巨大的經(jīng)濟效益和廣闊的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】糧食水分 微波 檢測

一、微波水分檢測技術(shù)

微波的頻率為300MHz～300GHz，是無線電波中波長最短的波段，穿透、反射和吸收是微波所具有的基本特性。微波水分檢測技術(shù)就是研究微波和含水物料的特性作用，以及非電量與糧食介電常數(shù)之間存在的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)檢測微波信號參數(shù)的變化量，對糧食物料整體內(nèi)部的水分含量進行推算。微波水分檢測方法主要是透射法、反射法、腔體微擾法。

微波透射方法是基于微波場中糧食物料水分子的極化損耗與微波電場強度的衰減規(guī)律相互聯(lián)系的特性，檢測微波幅度、頻率或相位參數(shù)所發(fā)生的變化，通過數(shù)學(xué)模型，推算糧食物料的水分含量。微波反射方法是利用被糧食物料反射的微波能量的大小，通過相關(guān)微波能量處理電路把反射信號轉(zhuǎn)換成糧食含水量。腔體微擾法則是利用糧食物料介電特性與微波頻率、傳輸系數(shù)之間的變化關(guān)系，演算出諧振腔內(nèi)糧食物料的水分含量。

二、糧食水分微波測量模型

用于糧食水分測量的微波頻率一般是9～10GHz，這個范圍微波的穿透率比較弱，對糧食物料的大小形狀不太敏感。微波水分測量是基于糧食對微波能量的作用關(guān)系，即糧食吸收、反射微波的程度或微波頻率參數(shù)隨糧食水分變化的規(guī)律。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

w=8.68∝BMρ′kt+|τ|-|τ|e-2αBtcos2BT （1）

公式中∝B為水的衰減系數(shù)；M為相對水分含量；ρ′為密度因素；k為材質(zhì)因素；B為含水物質(zhì)的相數(shù)；|τ|為空氣與被測物料之間反射系數(shù)的模；t為被測糧食物料厚度。當(dāng)糧食物料厚度t取值較大時，通過計算可以得到微波檢測糧食相對水分含量的測量模型：

由公式（2）可知，糧食水分含量與被測糧食物料的材質(zhì)因素k、密度ρ′直接相關(guān)，不同的品種和成分將會影響測量結(jié)果。為了消除物料密度變化的影響，一般是先用機械方式對糧食進行恒壓整理；然后通過開機標(biāo)定的方式去對應(yīng)不同糧食種類的測量；另一種方法是在線實時檢測量計算糧食物料的流量，并通過數(shù)據(jù)處理程序加以修正，這樣就能夠現(xiàn)場消除不同糧食物料屬性的影響。

研究表明9.5GHz的微波通過厚度為t密度為ρ′傳播時，微波的衰減量為A，相位移為Φ。研究顯示，相位移和衰減量兩個參數(shù)大體上與糧食含水量呈現(xiàn)線性關(guān)系。而且當(dāng)單位糧食厚度的衰減量和相位移除以糧食密度時，糧食相對水分含量M與這些參數(shù)變量照樣是線性關(guān)系。通過公式（1）（2）關(guān)系模型，簡化去除密度參數(shù)ρ′，就能夠得到與密度參數(shù)無關(guān)的微波糧食水分含量測量模型：

M=（dA-bΦ）/（αΦ-cA） （3）

三、微波糧食水分檢測系統(tǒng)

本文在對各種水分檢測技術(shù)進行對比分析的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計微波糧食水分檢測系統(tǒng)，糧食水分微波檢測系統(tǒng)由微波發(fā)生器、隔離器、檢波器、檢測控制器等組成。

采取透射式測量方法布置微波傳感器，微波發(fā)生器的工作頻率是9.5GHz，隔離器對于反方向傳送的微波衰減程度較大，對于正向傳輸?shù)奈⒉ㄋp較小或者幾乎是沒有衰減地通過，隔離器的作用是防止微波信號源受到反射波的干擾，目的就是讓測量系統(tǒng)工作穩(wěn)定。檢波器的輸入是微波信號，而輸出是電信號。在實際測量中，通常采用水分標(biāo)定、設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)的方法對不同糧食品種的測量進行數(shù)據(jù)校正處理。

糧食水分微波檢測系統(tǒng)受到環(huán)境溫度、氣壓、取樣位置等外界因素的影響，也存在零點漂移問題。研究結(jié)果顯示，微波完全能夠全量程檢測糧食水分，但達到士0.5%測量準(zhǔn)確度的檢測范圍是5%～35%。

糧食水分檢測電路的核心部分是控制器，控制器是由模數(shù)轉(zhuǎn)換器、放大濾波電路、微控制器、接口總線、液晶顯示等電路組成。微波發(fā)生器發(fā)出信號，經(jīng)整形、放大、濾波電路后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，系統(tǒng)的測量靈敏度的調(diào)整是由微控制器改變放大電路的放大系數(shù)，通過鍵盤人機對話可以進行控制器參數(shù)設(shè)置、水分標(biāo)定等操作。

微波糧食水分檢測系統(tǒng)的檢測范圍和檢測精度主要決定于對微波傳感器模擬信號的處理方法。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。為了防止外部電磁干擾，系統(tǒng)內(nèi)部電路與外部設(shè)備之間進行光電隔離，提高系統(tǒng)工作的安全可靠性。

信號采集、靈敏度調(diào)節(jié)、標(biāo)定推算、輸出顯示等模塊組成糧食水分微波檢測的軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠智能識別微波信號大小，進而調(diào)整信號的放大倍數(shù)，提高了系統(tǒng)的魯棒性，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)靈敏度模塊功能。

糧食水分微波檢測系統(tǒng)開機后，首先要對檢測系統(tǒng)進行參數(shù)設(shè)置和水分標(biāo)定，其次系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集、排序大小、加權(quán)平均、剔除意外數(shù)據(jù)等運算對采樣信號進行平滑處理，根據(jù)起先系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)以及當(dāng)前環(huán)境溫度，通過線性匹配綜合算法推算糧食物料的水分含量并實時輸出顯示。

四、結(jié)語

糧食水分微波檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠，可以迅速、精準(zhǔn)、無損壞、非介入對糧食水分進行現(xiàn)場快速測定，可聯(lián)機數(shù)字化、可視化，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠。微波具有良好的穿透特性，微波檢測技術(shù)能夠進行深度測量，可以在相對惡劣環(huán)境條件下實施檢測，微波檢測技術(shù)尤其適應(yīng)在一些特殊工藝環(huán)境中進行在線水分測量，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1]吳偉民.糧食水分檢測技術(shù)分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014，（26）.

[2]李興寧.糧食水分微波檢測方法的研究[J].科技資訊，2017，（17）