基于COMSOL的小麦水分微波透射模型构建新方法技术

本发明专利技术涉及一种基于COMSOL的小麦水分微波透射模型构建新方法，该方法包括建立3D仿真模型、添加材料属性、添加电磁波源场、对3D仿真模型网格划分、定义频率范围，计算3D仿真模型，并得到频率‑S参数一维曲线图；改变小麦的含水量，观察改变后水分含量的频率‑S参数曲线，记录其变化规律；形成小麦含水量与频率‑S参数曲线之间的规律；测量待测小麦的频率‑S参数曲线，从而确定待测小麦的含水量；本发明专利技术在不破坏小麦状态的前提条件下，采用微波检测方法探究小麦含水量与微波的频率‑S参数曲线之间的规律，提高小麦含水量测量的准确性；同时，能够针对不同特征参数的不同小麦水分含量，快速构建其含水量数据库，从而推动小麦行业水分标准的制定。

A new method of building microwave transmission model of wheat moisture based on COMSOL

【技术实现步骤摘要】
基于COMSOL的小麦水分微波透射模型构建新方法
本专利技术涉及一种基于COMSOL的小麦水分微波透射模型构建新方法。
技术介绍
粮食水分含量是粮食储藏安全的一个重要质量指标，及时掌握粮食水分含量可预防由于含水量过高而引起的粮食霉变。粮食水分检测的传统方法主要有电容法、电阻法和近红外法等方法。电容法测量的成本低、结构简单，缺点是受粮食的品种、温度、密度等影响较大，测量的精度低，稳定性较差。电阻法粮食水分测量仪价格便宜、结构简单；缺点是取样要求高，信号强度低，传感器与粮食接触状态会影响测量精度不宜用于微含水和高含水量的测定。近红外法为非接触式测量，无需进行预处理，测量速度快、适用范围广；缺点是粮食形状大小、密度高低和环境温度等因素对测量结果均有影响。与传统检测方法相比，微波检测方法对环境的敏感性较小、穿透能力强、非介入式、对检测物无损伤，以及能在线连续快速检测；然而，微波检测方法尚未广泛应用于粮食水分含量的检测。
技术实现思路
为了探究小麦含水量与微波的频率-S参数曲线之间的规律，提高小麦含水量测量的准确性，本专利技术提供了一种基于COMSOL的小麦水分微波透射模型构建新方法。为了实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案，具体如下：一种基于COMSOL的小麦水分微波透射模型构建新方法，包括步骤如下：步骤一，根据实物图的结构参数建立发射天线、接收天线、空气、小麦模块以及容器的3D仿真模型；步骤二，对所述3D仿真模型添加材料属性；步骤三，对所述3D仿真模型添加电磁波源场；步骤四，对所述3D仿真模型进行网格划分；步骤五，在研究设置中定义频率范围；步骤六，计算所述3D仿真模型，得到频率-S参数一维曲线图；步骤七，观察频率-S参数曲线的变化，改变小麦的含水量，跳转至步骤六，观察改变后水分含量的频率-S参数曲线，记录其变化规律；形成小麦含水量与频率-S参数曲线之间的规律；步骤八，测量待测小麦的频率-S参数曲线，与小麦含水量和频率-S参数曲线之间对应的规律比较，确定待测小麦的含水量。本专利技术的基于COMSOL的小麦水分微波透射模型构建新方法的有益效果：本专利技术是基于COMSOL仿真软件对整个小麦水分微波透射探测系统进行仿真，通过建立3D仿真模型、设置各模块材料属性、进行网格划分、设置频率范围，可以得到S21参数随频率变化的关系图，通过改变小麦中的含水量，可以得到多个频率-S参数曲线图，通过观察和分析，从而得到小麦含水量与频率-S参数曲线之间的规律；通过测量待测小麦的频率-S参数曲线，从而确定待测小麦中的含水量。本专利技术在不破坏小麦状态的前提条件下，采用微波检测方法探究小麦含水量与微波的频率-S参数曲线之间的规律，提高小麦含水量测量的准确性。该方法是综合利用微波与物质的相互作用，根据物料介电常数与非电量之间存在的函数关系，利用微波反射、穿透、散射和腔体微扰等物理特性的改变通过测量微波信号基本参数(如幅度、相位、频率等)的改变量进行检测。微波有极宽的频谱可以进行选用，可以根据被测对象的特点来选择不同的频率进行测量；微波具有优良的定向辐射特性，在传播过程总遇到各种障碍物时会产生良好的反射；微波测量信号的本身就是电信号，不需要进行非电量的转换，因而其响应的速度就很快；微波被吸收性强：微波被介质的吸收与介质的介电常数有固定的关系，其中水分子对微波的吸收性是最大的，利用该原理应用于小麦含水量的检测。该方法不仅克服了实验中样本制备周期长、样本水分分布不均匀的缺点，还能够方便快捷的调整待测介质各种特性参数，实现快速建模，进一步提升小麦水分的探测精度。同时，此方法可以对实验系统的搭建进行有效指导、对实验结果的准确性进行有效验证，能够针对不同特征参数的不同小麦水分含量，快速构建其含水量数据库，从而推动小麦行业水分标准的制定。进一步地，所述3D仿真模型的结构参数包括两个天线模型与容器模型的距离，容器模型的长度、宽度、高度以及模型的角单位；小麦模型为椭球形，在容器模型中构建多个椭球形区域用于代替粮堆中小麦颗粒，并在全局参数中定义每个区域的长度、宽度和高度。有益效果：在样品容器模型中构建多个椭球形区域来代替粮堆中的小麦粒，每个椭球形的大小和形态可以按照粮堆中的小麦粒设置，用这样方案可以仿真出粮堆中小麦的储藏分布，在材料设置中可以快速改变小麦的含水量，多次提高或者降低含水量，能够得到不同的频率-S21参数曲线图，进而得到不同水分下的S21参数，用这种方法能够得到与实验室环境下较为一致的实验模型，提高了仿真结果的准确性。进一步地，在容器模型内部构建多个椭球形区域来代替小麦粒，每个椭球形的大小和形态可以按照粮堆中的小麦粒设置。有益效果：采用这种方法来构建小麦模型，可以得到粮堆中小麦粒的分布情况，每个椭球形相邻区域都充满着空气，自然地形成了孔隙，从而避免单独构建空气模型，采用该方法构建的小麦模型与粮堆中小麦粒的堆放情况更加接近，从而更能够得到准确的S21透射系数。进一步地，所述步骤二中的材料属性包括小麦和空气的材料属性；所述小麦的材料属性包括相对介电常数、相对磁导率、电导率以及含水量；所述空气的材料属性包括相对介电常数、相对磁导率、电导率、声速、折射率实部以及折射率虚部。有益效果：对小麦微波投射探测系统进行参数化的结构设计，调节小麦和空气的材料属性，实现快速建模，使小麦和空气的材料属性更加贴近粮堆中小麦粒的堆放情况，提高探测的准确性。进一步地，所述步骤三中将3D仿真模型的一端部设置有第一端口，另一端部设置有第二端口，将第一端口和第二端口分别作为所述发射天线和接收天线；并对3D仿真模型设置周期性条件。有益效果：在小麦水分微波探测实验中，待测小麦装填在固定容器中，3D仿真模型的第一端口和第二端口分别作为所述发射天线和接收天线；发射天线和接收天线分别位于待测容器两侧，并与装满小麦的容器固定在相对位置不变的支架上；使矢量网络分析仪发射和接收的电磁波信号，完成覆盖固定容器，从而提高探测的精准性，并将采集到的接收信号通过计算机进行存储和处理。进一步地，所述步骤四中的网格划分中包括：序列类型设置为用户控制网络，大小设置选择定制，将所述3D仿真模型的外表面划分为任意形状的三角形，所述三角形组成一个自由四面体网络。有益效果：采用制定的方法去剖分网格，对仿真模型中的所有区域采用同一方法进行划分，得到质量较高的单元直方图，缩短仿真时间的同时，优化仿真结果。进一步地，所述步骤五中的定义频率范围包括：定义方法为步长，起始频率QU[GHz]，步长[GHz]，停止频率[GHz]。有益效果：合理设置起始频率[GHz]、步长[GHz]和停止频率[GHz]；使测量系统的频率处于合理范围内的同时，降低由于起始频率过小所引起的计算错误发生率，节省了仿真时间，提高了仿真结果的正确性。进一步地，本探测方法的起始频率≥0.5[GHz]，步长≥0.05[GHz]，停止频率＞起始频率。有益效果：当起始频率小于0.5[GHz]，步长小于0.05[GHz]，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于COMSOL的小麦水分微波透射模型构建新方法，其特征在于，包括步骤如下：/n步骤一，根据实物图的结构参数建立发射天线、接收天线、空气、小麦模块以及容器的3D仿真模型；/n步骤二，对所述3D仿真模型添加材料属性；/n步骤三，对所述3D仿真模型添加电磁波源场；/n步骤四，对所述3D仿真模型进行网格划分；/n步骤五，在研究设置中定义频率范围；/n步骤六，计算所述3D仿真模型，得到频率-S参数一维曲线图；/n步骤七，观察频率-S参数曲线的变化，改变小麦的含水量，跳转至步骤六，观察改变后水分含量的频率-S参数曲线，记录其变化规律；形成小麦含水量与频率-S参数曲线之间的规律；/n步骤八，测量待测小麦的频率-S参数曲线，与小麦含水量和频率-S参数曲线之间的规律比较，确定待测小麦的含水量。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于COMSOL的小麦水分微波透射模型构建新方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤一，根据实物图的结构参数建立发射天线、接收天线、空气、小麦模块以及容器的3D仿真模型；
步骤二，对所述3D仿真模型添加材料属性；
步骤三，对所述3D仿真模型添加电磁波源场；
步骤四，对所述3D仿真模型进行网格划分；
步骤五，在研究设置中定义频率范围；
步骤六，计算所述3D仿真模型，得到频率-S参数一维曲线图；
步骤七，观察频率-S参数曲线的变化，改变小麦的含水量，跳转至步骤六，观察改变后水分含量的频率-S参数曲线，记录其变化规律；形成小麦含水量与频率-S参数曲线之间的规律；
步骤八，测量待测小麦的频率-S参数曲线，与小麦含水量和频率-S参数曲线之间的规律比较，确定待测小麦的含水量。


2.根据权利要求1所述的基于COMSOL的小麦水分微波透射模型构建新方法，其特征在于，所述3D仿真模型的结构参数包括两个天线模型与容器模型的距离，容器模型的长度、宽度、高度以及模型的角单位；小麦模型为椭球形，在容器模型中构建多个椭球形区域用于代替粮堆中小麦颗粒，并在全局参数中定义每个区域的长度、宽度和高度。


3.根据权利要求2所述的基于COMSOL的小麦水分微波透射模型构建新方法，其特征在于，在容器模型内部构建多个椭球形区域来代替小麦粒，每个椭球形的大小和形态可以按照粮堆中的小麦粒设置。


4.根据权利要求1所述的基于COMSOL的小麦水分微波透射模型构建新方法，其特征在于，所述步骤二中的材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦瑶，刘硕，王其富，蔡成欣，杨卫东，肖乐，段珊珊，
申请(专利权)人：河南工业大学，
类型：发明
国别省市：河南;41