本实用新型专利技术属于微波应用技术领域，具体涉及一种双探头差分式微波在线测量含水率装置。装置由微波探头单元、探头固定座、滑动平台、丝杠导轨单元、伺服电机单元及信号显示控制单元组成。双微波探头沿物料输送方向安装于探头固定座上，垂直高度相差1/4个微波波长，整体固定在丝杠导轨单元中的滑动平台上，伺服电机与丝杠导轨单元相连接控制滑动平台的移动，信号显示控制单元控制伺服电机转动使双微波探头分别处于相位极值点位置，通过同步延时的方式采集双探头数据进行差分反演运算处理，得到被测物料水分信息。本实用新型专利技术提高测量精度，可以实现传送带上粮食、砂石、化工品等材料含水率的快速无损伤检测。
【技术实现步骤摘要】
一种双探头差分式微波在线测量含水率的装置
本技术属于微波应用
，具体涉及一种双探头差分式微波在线测量含水率的装置及测量方法。
技术介绍
在粮食储运、食品加工、煤石开采、肥料生产等行业中，材料的含水率对产品性能、质量及生产效率有非常重要的影响。例如，粮食的储藏和运输过程，过高的含水率易引起发芽、霉变，含水率过低则会破坏内部结构，导致颗粒易碎、营养成分流失；在建筑行业，混凝土砂石和水分配比中，水分含量直接影响房屋桥梁等设施的建筑质量。因此在提倡高效、精准工农业的当下，材料含水率的快速、无损、高精度在线测量成为迫切需求。水分测量最直接的方式是湿基法，采用物理或化学方式去除样品中水分，根据重量损失进行计算，这种方式耗时长、效率低，有破坏性，一般适用于定标和验证。间接测量方法包括电阻法、电容法、红外法、射线法及微波法等，每种方法的特点和适用范围各不相同。对于工农业在线测量领域，不但要求在材料动态传输过程中测量结果的快速准确，同时还应保证方法的安全性和非破坏性，这对检测技术提出了更高的要求。微波水分检测是近些年发展起来的一项新技术，水的介电常数很高，在微波频段存在介电损耗的极大值，因此通过检测微波与材料作用后产生的能量损耗、相移等电磁波参数的变化，可换算出材料水分含量。微波检测具有穿透性好、测量速度快、抗干扰能力强、安全无损等特点，特别适用于工农业在线测量领域。目前，微波法含水率在线测量分为透射和反射两种方式，透射法受到能量传输衰减限制，当生产线上被测材料厚度较大或含水率较高的情况下，透射衰减分辨率呈指数下降，同时传送带不同材质会对微波透射传输产生较大影响；反射法测量只需要确定被测材料的一个界面，测量结果不受材料厚度及传送带材质影响，但在颗粒材料含水率测量应用中，材料表面颗粒无规则分布对微波的散射干扰严重，导致动态测量存在较大误差。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述缺陷，为提高微波反射法含水率在线测量的精度，减小动态误差，本技术的目的在于提供一种双探头差分式含水率在线测量装置及测量方法，采用微波空间反射方式，通过发射接收一体的腔体混频探头与材料垂直入射降低散射误差；测量过程中双微波探头分别处于空间行驻波相位极大值与极小值位置，通过差分运算提高测量精度；采用延时测量的方式获取数据，使双微波探头测量结果与传送带传输同步，减小随机误差，得出被测材料含水率。本技术通过如下技术方案实现：一种双探头差分式微波在线测量含水率的装置，包括伺服电机单元1、丝杠导轨单元2、滑动平台3、探头固定座4、第一双微波探头5、第二双微波探头6及信号显示控制单元9；其中，所述的伺服电机单元1固定于丝杠导轨单元2的上方，伺服电机单元1的电机信号线与信号显示控制单元9相连，当有控制信号输入时，由伺服电机单元1的电动机将电能转换为动能，牵引丝杠导轨单元2的滚珠丝杠转动；滑动平台3安装于丝杠导轨单元2之上，随着滚珠丝杠的转动，滑动平台3可以沿着直线导轨上下自由移动；探头固定座4安装固定于滑动平台3之上，第一双微波探头5、第二双微波探头6分别安装于探头固定座4的左右两侧不同位置的探头安装孔上；所述传送带8位于第一双微波探头5及第二双微波探头6的下方，对被测物料7进行传输运送，与测量装置不直接接触；所述被测物料7平铺于传送带8上方，保持相对平整地通过第一双微波探头5、第二双微波探头6下方进行测量；信号显示控制单元9为装置提供电源输出，对伺服电机单元1进行控制，并采集第一双微波探头5及第二双微波探头6的测量输出信号，进行相应的运算处理输出含水率数值。进一步地，所述的第一双微波探头5及第二双微波探头6均由微波腔体振荡器和喇叭天线组成，微波腔体振荡器采用BJ100标准矩形波导，产生X波段微波信号，频率范围为8-12GHz，功率范围为5-30mw，直流激励电压为8-12V；喇叭天线采用角锥或圆锥形，在10GHz的中心频率增益不小于10dB。进一步地，所述的第一双微波探头5及第二双微波探头6安装垂直高度差为1/4个微波工作波长。进一步地，所述的探头固定座4上的两个探头安装孔的中心间距等于1/4个微波工作波长，探头安装孔与滑动平台3表面的水平距离等于传送带8宽度的1/2。进一步地，所述的丝杠导轨单元2，由位于中间的滚珠丝杠、位于两侧的直线导轨、位于下部的装置底座组成。进一步地，所述的被测物料7为粮食、砂石或化工品的颗粒状堆积材料。进一步地，所述的信号显示控制单元9包括A/D转换器、单片机运算控制单元、电机驱动模块、电源模块及显示输出模块，其中，A/D转换器实现对微波探头模拟信号的采集和转换，单片机运算控制单元实现数字信号采集、内部运算处理、电机驱动模块的控制及显示输出模块的控制功能；电源模块将220V50Hz的民用市电转换为系统各单元电路所需的直流电源。一种双探头差分式微波在线测量含水率的装置的测量方法，具体步骤如下：S1、测量装置初始化复位；根据被测物料7的实际传输高度不同，装置首先进行初始化复位，使靠近被测物料7的微波探头的喇叭天线端口紧贴被测物料7的表面；S2、确定微波探头的最佳测量灵敏度位置；由信号显示控制单元9控制伺服电机单元1转动，使第一双微波探头5及第二双微波探头6的高度逐渐上升，微波探头信号输出呈周期性变化，由信号显示控制单元9对测量数据进行采集和比较，当使靠近被测物料7的微波探头的输出信号达到最大峰值时，伺服电机单元1停止转动，微波探头处于最佳测量灵敏度位置；其中，微波探头信号输出形式如下：式中，混频电导g1为常数，US是反射回波幅值，与被测材料含水率正相关，是反射回波相位相对值，微波探头每移动1/2个波长距离，值变化360度，(具体混频原理及传感器设计参考文献：张涛,李陈孝.基于混频技术的反射式微波含水率测量装置；中国,CN102262096A[P],2011-11-30)；S3、双微波探头同步延时测量；第一双微波探头5与第二双微波探头6的水平间距为d3，为保证双探头在传送带8以速度Vs运输过程中测量区域相同，信号显示控制单元9在完成对靠近被测物料7的微波探头的数据采集后，延时Δt后对另外一个微波探头进行数据采集，时间间隔Δt计算方式如下：Δt＝d3/Vs(2)S4、数据差分反演运算处理；进行同步延时测量后，由信号显示控制单元9进行数据差分反演运算，得出被测物料7的实时含水率，两个微波探头的输出信号分别为x5和x6，则含水率Y的差分反演运算方式如下：Y＝K(x5-x6)+b(3)式中K、b为线性拟合系数，当被测物料7的具体材料确定后，拟合系数为常量，K、b的确定方法可以通过预先测量已知含水率样品的双微波探头信号输出变化反推得到。S5、材料含水率实时显示输出。经差分反演运算处理后，通过信号显示控制单元9中的显示输出模块对被测物料7的含水率进行实时显示输出。与现有技术相比，本技术的优点如下：本技术的测量装置能够对传送带上粮食、砂石或其他颗粒材料的含水率进行快速、高精度无损测量，使测量结果不受材料厚度、传送带材质及传输速度影响。该装置结构简单，动态测量精度高、稳定性强，能够实现自动、连续的数据采集运算输出，尤其适用于传送带物料厚度较大及含水率较高的场景。附图说明图1为本技术的一种双探头差分式微波在线测量含水本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种双探头差分式微波在线测量含水率的装置，其特征在于，包括伺服电机单元(1)、丝杠导轨单元(2)、滑动平台(3)、探头固定座(4)、第一双微波探头(5)、第二双微波探头(6)及信号显示控制单元(9)；其中，所述的伺服电机单元(1)固定于丝杠导轨单元(2)的上方，伺服电机单元(1)的电机信号线与信号显示控制单元(9)相连，当有控制信号输入时，由伺服电机单元(1)的电动机将电能转换为动能，牵引丝杠导轨单元(2)的滚珠丝杠转动；滑动平台(3)安装于丝杠导轨单元(2)之上，随着滚珠丝杠的转动，滑动平台(3)可以沿着直线导轨上下自由移动；探头固定座(4)安装固定于滑动平台(3)之上，第一双微波探头(5)、第二双微波探头(6)分别安装于探头固定座(4)的左右两侧不同位置的探头安装孔上；传送带(8)位于第一双微波探头(5)及第二双微波探头(6)的下方，对被测物料(7)进行传输运送，与测量装置不直接接触；所述被测物料(7)平铺于传送带(8)上方；信号显示控制单元(9)为装置提供电源输出，对伺服电机单元(1)进行控制，并采集第一双微波探头(5)及第二双微波探头(6)的测量输出信号，进行处理输出含水率数值。...
【技术特征摘要】
1.一种双探头差分式微波在线测量含水率的装置，其特征在于，包括伺服电机单元(1)、丝杠导轨单元(2)、滑动平台(3)、探头固定座(4)、第一双微波探头(5)、第二双微波探头(6)及信号显示控制单元(9)；其中，所述的伺服电机单元(1)固定于丝杠导轨单元(2)的上方，伺服电机单元(1)的电机信号线与信号显示控制单元(9)相连，当有控制信号输入时，由伺服电机单元(1)的电动机将电能转换为动能，牵引丝杠导轨单元(2)的滚珠丝杠转动；滑动平台(3)安装于丝杠导轨单元(2)之上，随着滚珠丝杠的转动，滑动平台(3)可以沿着直线导轨上下自由移动；探头固定座(4)安装固定于滑动平台(3)之上，第一双微波探头(5)、第二双微波探头(6)分别安装于探头固定座(4)的左右两侧不同位置的探头安装孔上；传送带(8)位于第一双微波探头(5)及第二双微波探头(6)的下方，对被测物料(7)进行传输运送，与测量装置不直接接触；所述被测物料(7)平铺于传送带(8)上方；信号显示控制单元(9)为装置提供电源输出，对伺服电机单元(1)进行控制，并采集第一双微波探头(5)及第二双微波探头(6)的测量输出信号，进行处理输出含水率数值。2.如权利要求1所述的一种双探头差分式微波在线测量含水率的装置，其特征在于，所述的第一双微波探头(5)及第二双微波探头(6)均由微波腔体振荡器和喇叭天线组成，微波腔体振荡器采用BJ100标准矩形波导，产生X波段微波信号，频...
【专利技术属性】
技术研发人员：李陈孝，张涛，宋乾，韩冰，
申请(专利权)人：吉林农业大学，
类型：新型
国别省市：吉林,22
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