糧食水分微波檢測技術與系統

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

【關鍵詞】糧食水分 微波 檢測

一、微波水分檢測技術

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之間存在的函數關系，根據檢測微波信號參數的變化量，對糧食物料整體內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律相互聯系的特性，檢測微波幅度、頻率或相位參數所發生的變化，通過數學模型，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，通過相關微波能量處理電路把反射信號轉換成糧食含水量。腔體微擾法則是利用糧食物料介電特性與微波頻率、傳輸系數之間的變化關系，演算出諧振腔內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系，即糧食吸收、反射微波的程度或微波頻率參數隨糧食水分變化的規律。根據電磁能量關系，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；M為相對水分含量；ρ′為密度因素；k為材質因素；B為含水物質的相數；|τ|為空氣與被測物料之間反射系數的模；t為被測糧食物料厚度。當糧食物料厚度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因素k、密度ρ′直接相關，不同的品種和成分將會影響測量結果。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；然后通過開機標定的方式去對應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，并通過數據處理程序加以修正，這樣就能夠現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大體上與糧食含水量呈現線性關系。而且當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與這些參數變量照樣是線性關系。通過公式（1）（2）關系模型，簡化去除密度參數ρ′，就能夠得到與密度參數無關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

本文在對各種水分檢測技術進行對比分析的基礎上，研究設計微波糧食水分檢測系統，糧食水分微波檢測系統由微波發生器、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，對于正向傳輸的微波衰減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工作穩定。檢波器的輸入是微波信號，而輸出是電信號。在實際測量中，通常采用水分標定、設置系統參數的方法對不同糧食品種的測量進行數據校正處理。

糧食水分微波檢測系統受到環境溫度、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，控制器是由模數轉換器、放大濾波電路、微控制器、接口總線、液晶顯示等電路組成。微波發生器發出信號，經整形、放大、濾波電路后轉換為數字信號，系統的測量靈敏度的調整是由微控制器改變放大電路的放大系數，通過鍵盤人機對話可以進行控制器參數設置、水分標定等操作。

微波糧食水分檢測系統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，系統內部電路與外部設備之間進行光電隔離，提高系統工作的安全可靠性。

信號采集、靈敏度調節、標定推算、輸出顯示等模塊組成糧食水分微波檢測的軟件系統。系統能夠智能識別微波信號大小，進而調整信號的放大倍數，提高了系統的魯棒性，實現自動調節系統靈敏度模塊功能。

糧食水分微波檢測系統開機后，首先要對檢測系統進行參數設置和水分標定，其次系統進行數據采集、排序大小、加權平均、剔除意外數據等運算對采樣信號進行平滑處理，根據起先系統設定參數以及當前環境溫度，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、結語

糧食水分微波檢測系統結構緊湊、性能可靠，可以迅速、精準、無損壞、非介入對糧食水分進行現場快速測定，可聯機數字化、可視化，系統性能穩定可靠。微波具有良好的穿透特性，微波檢測技術能夠進行深度測量，可以在相對惡劣環境條件下實施檢測，微波檢測技術尤其適應在一些特殊工藝環境中進行在線水分測量，具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

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