基于微波透-反射式含水率檢測裝置設計方法研究

楊旭杰 吳斯鵬 楊建萍 胡偉才

摘 要：為實現微波法測量固態物料的水分，本文將微波空間波透-反射式技術引入固態物料含水率檢測中。本文首先確定微波的功率衰減、相位變化、諧振頻率、介電常數等有效參數及其相互關系。通過熟悉微波信號空間傳輸形式，開發設計出信號源、隔離器等主要部件，并確定各部件的加工工藝、結構形狀和具體尺寸，從而設計出固態物料微波透-反射式含水率最優檢測裝置，有助于保持檢測技術的先進性，提高科技水平，增強檢測技術綜合競爭力。

關鍵詞：固態物料;含水率;微波技術;混頻檢波

中圖分類號：TM937文獻標識碼：A

在對公路水運工程進行設計、施工、監理、驗收、養護、維修等各個環節時，要進行試驗檢測。含水率是公路水運檢測基礎參數之一，與混合料的級配設計、土的強度、滲透特性、材料的性能等息息相關[1]。傳統的烘箱法對于固態物料含水率的檢測，不僅耗時長并且能耗低，微波空間波法則能夠實現非接觸和快速測量，其測量精度很高。

本文從微波空間波法出發，為了更加準確地測量固態物料的含水量，將透射式與反射式含水率檢測方法相結合，通過相關微波仿真測試及具體應用實驗，確定微波的功率衰減、相位變化和諧振頻率等多個有效參數及其相互關系。通過試驗，開發設計出信號處理電路模塊、微波諧振腔和傳感器等主要部件，并對產品壽命及穩定性進行實驗，確定各部件的材料、加工工藝、結構形狀和具體尺寸，從而設計出固態物料微波透-反射式含水率最優檢測裝置。

1 微波法含水率測量原理

由于液態水和干的固體物料之間的介電常數相差懸殊，所以固態物料中水分含量的變化會對其介電常數產生較為顯著的影響，因此通過測量與物料相互作用后的微波的功率衰減、相位變化、諧振頻率等相關介電常數的物理量，就能間接得到物料的含水率[4]。

2 微波透-反射式含水率檢測裝置的重要組成單元

2.1 整體結構簡介

微波透-反射式含水率檢測裝置的整體設計結構如圖1所示。

裝置中信號作用流程為：信號源產生微波振蕩信號，在經過隔離器隔離后傳輸到衰減器，經過功率的調制后將微波通過微波收發模塊傳輸，再通過微波收發天線使其發出。在信號與被測物料發生相互作用后，將信號通過微波收發天線和微波接收天線進行接收，再將微波收發天線接收到的反射信號經過微波收發模塊中的混頻器濾出含有物料水分信息的反射波，經過反射信號處理模塊后再輸入信號處理電路模塊中進行計算;微波接收天線接收到的透射信號會首先通過微波檢波波導，再輸入到透射信號處理模塊進行處理，最后經過信號處理電路模塊進行計算。在顯示模塊中便可以得到被測物料含水率的數值。

2.2 微波信號源

微波信號源的功用是發射初始微波信號，在整個檢測系統中微波信號源起到了至關重要的作用。將微波半導體器件作為微波振蕩源，利用體效應管振蕩器產生微波振蕩，并且放在波導腔體內部產生諧振，從而激勵微波信號進行輸出。體效應管在微波波導腔體中作為單管波導振蕩器的一種安裝方式如圖2所示。

2.3 隔離器

隔離器又可以稱為單向器，它使得電磁波只能夠沿單方向傳播，以減小干擾，保證信號穩定。當微波從一個端口傳遞另一個端口時，處于正向的微波衰減很小，而對于反向傳播的微波則會產生較大的衰減作用。本研究中采用了如圖3所示的射頻微波同軸隔離器。

2.4 衰減器

功率衰減器是可以對輸入信號的能量產生損耗的一種微波元件。本研究中采用了一種射頻微波同軸固定衰減器。其頻率范圍為DC-26GHz，衰減值為20dB，平均功率為2W。

2.5 微波收發模塊

微波收發模塊中含有微波收發波導、混頻二極管。該模塊不僅可以將微波信號傳遞給被測物料，同時可以接收來自被測物料的反射信號，以進行下一步的處理。

2.6 微波天線設計

微波天線在微波系統中主要是負責發射和接收微波的裝置。在本文的檢測裝置中采用的是矩形波導喇叭天線，如圖4所示。

本設計中所使用的微波透-反射含水率檢測裝置喇叭天線為A=56mm，B=45mm，微波頻率為10GHz，λ0=3cm，則增益G=13dB。

2.7 微波檢波波導

利用微波檢波波導可以對調幅的微波信號進行解調，從而實現微波的頻率變換，輸出被測量微波信號的包絡信號。

根據不同含水率的物料在微波的頻率下的介電常數都不相同，在實際對物料含水率的檢測中，將經過檢波電路后輸出的微波幅值再次經過低通濾波器，使其最后輸出的為準直流的信號，所輸出的不同幅值的信號就可以計算出所測物料的含水率。

2.8 透反射信號處理模塊

反射和透射信號在經過一系列的信號處理之后，輸出具有含水率信息在內的微波信號，所需含水率的信息位于頻率最低的中頻信號段。因此需要對輸出的信號進行一定程度的整流濾波，從而過濾掉高頻信號。

整流濾波電路如圖5所示。

2.9 總體實驗

為了進行含水率檢測的實驗研究，選擇喇叭天線和Mosye公司的MS-590設備，利用不同浸水程度的木材為實驗對象，實驗方案如圖6所示。

將實驗對象放置在中間位置，測得含水率結果后，再利用烘干法檢測木材的實際含水率。二者結果進行對比后發現，實際含水率與本實驗的結果十分接近，誤差在5%以內，但實驗的精確度仍有進一步提升的空間。因此，在精度滿足要求的情況下，微波透-反射檢測含水率具有實時性檢測的優勢。

3 結論

將微波空間波透-反射式技術引入固態物料含水率檢測中。首先確定微波的功率衰減、相位變化、介電常數等有效參數及其相互關系。進一步分析微波信號空間傳輸形式，開發設計出信號源、隔離器等主要部件，并確定各部件的加工工藝、結構形狀和具體尺寸，從而設計出固態物料微波透-反射式含水率最優檢測裝置。

經計算分析后，將微波透-反射含水率的檢測裝置中的主要數據確定為：輸出的微波頻率為10GHz，喇叭天線的設計尺寸為56*45mm，微波波長為3cm，增益為13dB。

微波透-反射法檢測固態物料的含水率的技術，能夠實現固態物料含水率的無損在線測量，有助于保持當前含水率檢測技術的先進性，增強檢測技術的綜合競爭力。

參考文獻：

[1]繆龍超.公路水運工程試驗檢測的可持續發展[J].四川水泥，2019（10）：56-57.

[2]李陳孝.微波空間波技術材料含水率檢測方法及裝置的研究[D].吉林大學，2015.

[3]張永攀.微波透射法在線測量原油含水實驗裝置研究[D].大慶石油學院，2009.

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[5]張偉，楊剛，雷軍波，劉成良，陶建峰，覃程錦.基于微波反射法的谷物含水率在線檢測裝置研制[J].農業工程學報，2019，35（23）：21-28.

[6]Naseh S，Rezaei M，Ebrahimi E，et al.A new 1.4-GHz soil moisture sensor[J].Measurement，2012，45（7）：1723-1728.