本文關(guān)鍵詞：微波空間波技術(shù)材料含水率檢測方法及裝置的研究

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【摘要】：在糧食儲(chǔ)運(yùn)、食品加工、建筑、造紙、紡織、煙草、土壤科學(xué)、木材加工等行業(yè)，材料的含水率對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和性能有重要的影響。論文分析了含水率檢測的相關(guān)方法，以及微波測量的技術(shù)特點(diǎn)。傳統(tǒng)方法一般測量速度慢，對(duì)材料有損傷，無法實(shí)現(xiàn)在線檢測，本論文采用微波空間波方式，研究在不同情況下，實(shí)現(xiàn)材料含水率快速、無損檢測的方法及裝置。 文章對(duì)微波頻率下含水物質(zhì)介電特性的影響因素進(jìn)行了研究，對(duì)水分子在高頻電場作用下，由于極化和重新取向而產(chǎn)生的能量存儲(chǔ)和損耗效應(yīng)進(jìn)行分析。微波與物質(zhì)在空間相互作用后，通過對(duì)微波的透射系數(shù)、反射系數(shù)、功率衰減、駐波相位和駐波比等參量變化的測量，設(shè)計(jì)相應(yīng)的檢測裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的含水率、堆積密度、相對(duì)介電常數(shù)等物理量的檢測。 針對(duì)于透射方式，文章首先分析了當(dāng)微波穿透確定厚度材料后，所產(chǎn)生的能量衰減與材料含水率的關(guān)系，并設(shè)計(jì)了一種透射式的含水率檢測裝置。裝置包含微波信號(hào)發(fā)生單元、隔離器、衰減器、微波發(fā)射天線、樣品容器、微波接收天線、微波檢波器、信號(hào)處理單元、顯示控制輸出單元等，文章對(duì)上述各單元的實(shí)現(xiàn)功能和具體設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了說明。通過選取和配比已知含水率的沙子、水稻和玉米作為樣品材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并針對(duì)不同材料和不同厚度下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，，進(jìn)行分析和擬合，得到相應(yīng)的含水率檢測的最佳標(biāo)定曲線。對(duì)于含水率為10.1%到28.5%范圍內(nèi)的水稻，在樣品厚度為5厘米時(shí)得到最佳擬合校準(zhǔn)方程，其擬合度為0.991，定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)誤差0.284%；對(duì)于含水率為12.3%到27.3%范圍內(nèi)的玉米，在樣品厚度為3厘米時(shí)得到最佳擬合校準(zhǔn)方程，其擬合度為0.990，定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)誤差0.204%；對(duì)于含水率為0%到11.3%范圍內(nèi)的沙子，在樣品厚度為3厘米時(shí)得到最佳擬合校準(zhǔn)方程，其擬合度為0.991，定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)誤差0.285%。 透射式含水率檢測裝置在測量過程中需要確定的樣品厚度，當(dāng)樣品含水率較高而產(chǎn)生較大能量衰減時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量。針對(duì)上述情況，文章對(duì)微波空間波反射系數(shù)隨材料介電性能的變化關(guān)系進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種反射式含水率檢測裝置。裝置包含微波信號(hào)發(fā)生單元、隔離器、衰減器、混頻器、微波收發(fā)復(fù)用天線、信號(hào)處理單元等。文章分析了微波混頻單元的工作原理及具體設(shè)計(jì)方案，引入混頻結(jié)構(gòu)將微波天線收發(fā)復(fù)用，使反射裝置結(jié)構(gòu)簡化，提高含水率測量的精度和靈敏度。文章對(duì)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及具體加工方案進(jìn)行了說明，裝置傳感器探頭采用封閉式不銹鋼圓柱型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，探頭端口材質(zhì)選用氧化鋁陶瓷結(jié)構(gòu)，微波發(fā)射與接收及信號(hào)處理單元封閉于傳感器內(nèi)部。對(duì)于含水在0%到15%范圍內(nèi)的沙子樣品，采用反射式檢測裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，得到校準(zhǔn)方程的擬合度為0.993，定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.39%。 為了得到最佳測量精度，上述透射式和反射式實(shí)驗(yàn)裝置在進(jìn)行含水率檢測時(shí)，被測材料需要堆積緊實(shí)、分布均勻。樣品的堆積密度和溫度的變化會(huì)影響含水率的測量結(jié)果。針對(duì)上述情況，文章研究了樣品的介電性能隨堆積密度與溫度變化的變化關(guān)系，設(shè)計(jì)了一種基于反射行駐波檢測的含水率與堆積密度的同步測量裝置。裝置包含微波腔體振蕩器、收發(fā)喇叭天線、滑軌、樣品容器、微波混頻單元、及電壓檢測單元等。文章研究了微波空間波的疊加方式，反射行駐波的形成原理及測量方法。通過對(duì)駐波的幅值駐波比及相位變化的測量，建立樣品含水率與堆積密度的同步檢測模型。對(duì)于沙子和水稻樣品，含水率的預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為0.506%和0.695%，堆積密度的預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為0.0382g/cm3和0.0144g/cm3；含水率測量校準(zhǔn)方程擬合度大于0.982，堆積密度測量校準(zhǔn)方程擬合度大于0.961。利用上述方法對(duì)材料含水率進(jìn)行檢測的過程中，樣品無需刻意壓實(shí)，裝置適合于工業(yè)上的在線無損檢測應(yīng)用。 文章最后對(duì)系統(tǒng)的信號(hào)處理單元電路、上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)進(jìn)行了說明。系統(tǒng)硬件電路由電源模塊、調(diào)零放大電路、單片機(jī)、液晶顯示屏、串口模塊、按鍵模塊等部分組成，上位機(jī)軟件采用labview虛擬儀器進(jìn)行開發(fā)，整體實(shí)現(xiàn)對(duì)測量樣品、含水率、測量時(shí)間等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測、趨勢顯示、模擬輸出、串口通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與控制等功能。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP274

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 徐浩;葉明;;微波水分測量的研究[J];傳感器與微系統(tǒng);2007年05期

2 鐘茂聲;;手提反射式微波測濕儀[J];電子測量技術(shù);1995年01期

3 曾新,蘇杰;微波無損檢測技術(shù)及應(yīng)用[J];儀器儀表用戶;2003年02期

4 李玉忠;中國濕度與水分測量技術(shù)的現(xiàn)狀[J];分析儀器;2003年01期

5 商淑培;王亞利;洪愛俊;王衛(wèi)東;;利用近紅外光譜技術(shù)建立土壤水分含量定標(biāo)方程[J];光譜實(shí)驗(yàn)室;2011年04期

6 楊蘋;嚴(yán)珩銘;于文益;;基于微波諧振器的谷物濕度檢測系統(tǒng)[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2007年01期

7 景軍鋒;王波;李鵬飛;;基于微波透射法測量織物含水率[J];計(jì)算機(jī)測量與控制;2010年11期

8 尤田束;微波谷物測濕原理及國外新進(jìn)展[J];科技通報(bào);1997年01期

9 龔紅菊;姬長英;;谷物水分測量方法的比較研究[J];糧油加工;2006年06期

10 楊玉芬;佟玲;張本華;;快速檢測糧食含水率的方法[J];農(nóng)機(jī)化研究;2006年04期

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 羅艷云;基于遙感與地表特性的鄂爾多斯高原北部地貌和覆沙厚度的辨識(shí)方法[D];內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué);2012年

本文編號(hào)：1210616