基于微波諧振腔介電常數檢測的棉花雜質分析系統設計

■周斯堯 戴志芳 李娟

〔湖北省纖維檢驗局，湖北武漢430000〕

基于微波諧振腔介電常數檢測的棉花雜質分析系統設計

■周斯堯 戴志芳 李娟

〔湖北省纖維檢驗局，湖北武漢430000〕

目前國內外測量棉花含雜率原理主要分為兩種：第一種是根據空氣動力學原理，利用氣流與高速機械部件的相互作用將雜質與棉纖維分離，然后稱重得出含雜率。采用此原理的常見儀器有Y101、YG402等；另一種就是采用圖像分析法，也是HVI大容量測試儀所采用的方法。該方法無需對棉樣進行梳理，只需要用攝像頭獲取棉樣表面的圖像，再利用計算機軟件進行圖像分析，得到雜質數據。

Y101是常見的雜質分析儀器，其主要優點是能夠直接分析出棉花中的雜質從而計算出雜質含量，但其缺點就是測試時間過長，由于無法滿足現代大批量的檢測所需求的快速測試，因此使用受到很大的限制。

第二種圖像分析法的最大優點就是能夠方便、快速地給出雜質含量，且試樣量較大，樣品可以留存。但由于其只分析棉花表面圖像，因此棉花內部不規則雜質分布必然會對檢測結果產生影響，準確度上不如Ｙ101分析儀。

目前，國內檢測含雜率的標準以及方法還是采用Y101進行測試，并作為其他檢測方法的基準和參照。從Y101、YG402到HVI、AFIS的發展也是適應了大容量快速測試這一要求。與此同時，國際上含雜率測量儀器的發展也分為兩個方向，一個方向類似于HVI，可對原棉快速、準確、大批量檢測；另一個方向就是在Y101的基礎上繼續小型化。

那么，若能有臺設備既能達到Y101的精確分析標準，又能結合HVI的圖像分析法實現的快速、準確、大批量檢測，那么這臺儀器的誕生，對于棉花含雜率的檢測將起到深遠的意義。

針對現有棉花雜質檢測系統的缺陷，利用不同棉花內部常見雜質的介電常數各不相同的特性，我們基于微波檢測的棉花雜質檢測系統進行開發設計。當棉花通過微波掃描頭進行諧振檢測時，若棉花中有雜質存在，將會引起微波諧振腔的諧振頻率和幅度的變化，分析這些變化就可以準確判斷棉花中是否含有雜質，并檢測出雜質的含量及成分，從而可以快速測量棉花的含雜率，提高出廠的棉花品質。

一、微波檢測原理

微波作為一種特定頻率的電磁波，使電磁場與介質內部的微觀粒子相互作用，通過調節激勵源的振蕩頻率使諧振腔與激勵源信號達到諧振，從而獲取表征介質材料的物理、生物特性的檢測量（如密度、濕度、溫度等參數）。當諧振腔內部分或全部填充其它非棉物質（介質材料）時，其諧振頻率和諧振幅度會因非棉介質材料的介電常數不同、介質材料的多少與形狀的不同而產生不同的變化。微波對于這種在諧振腔內不同的介質所產生的介電常數變化是十分敏感的。由于棉花的介電常數與雜質的介電常數有很大差別，因此，可以利用不同物質在微波諧振腔的諧振頻率和諧振幅度不同，從而產生的微波信號也不同，分析其微波諧振幅頻特性解析方法，可快速、精確地檢測出棉花中雜質數量及雜質類型。

二、系統設計

本系統由微波諧振腔檢測裝置探測頭、信號處理及控制電路、數據采集和處理計算機等幾個部分組成。微波諧振腔檢測裝置探測頭對含有雜質的棉花進行檢測，將檢測結果傳送到控制系統、信號處理及控制電路對數據進行分析，并將含有雜質的棉花信號傳送到計算機；計算機處理各方面傳遞過來的信息，從而實現對含雜質棉花的檢測與剔除相同步的功能。

三、系統的主要技術特點

該技術可對棉花中的異物進行快速、準確、在線、非接觸式無損檢測。被測樣品可留存，理論上完成一個檢測流程在3 s以內。

采用了一套全新的微波介電常數諧振幅頻特性的解析方法來精確地檢別棉花內所攜帶的含雜率及成分，且識別率高，能檢測出體積較小的雜質。

系統計算模塊可做成單片機高速數據處理模塊，使得樣機體積大大減小，該系統理論設計大小為普通鞋盒大小。

四、應用效果

以下是使用微波諧振檢測系統檢出的含有不同雜質的一組照片：

圖1　棉結

圖2　僵片

圖3　帶纖維籽屑

圖4　軟籽表皮

圖5　破籽、不孕籽

圖6　索絲

五、結論

筆者采用上述模型，利用微波諧振腔對標準雜質校準樣品進行了測試實驗，從測試結果可以看出，得到的介電常數值及回波信號能充分地說明雜質的含量以及空間位置信息，證明此種方式測量含雜率是可行的。