[发明专利]一种基于空间行驻波衰减的微波含水率测量装置及其测量方法

说明书

本发明一种基于空间行驻波衰减的微波含水率测量装置及其测量方法，属于微波应用技术领域，装置由微波发射探头、样品容器、被测材料、微波接收探头、滑动平台、丝杠导轨单元、电机单元、重量监测单元及信号显示控制单元组成。本发明样品容器位于微波发射探头和微波接收探头之间，微波接收探头固定于丝杠导轨单元的滑动平台上，能够在水平方向自由移动，实现空间行驻波信号的连续测量。信号显示控制单元根据行驻波波腹点功率衰减建立含水率反演公式，消除多重反射效应引起的测量误差。本发明提高测量精度，使测量结果不受材料厚度及堆积密度影响，可以实现对粮食、饲料、木料、砂石等颗粒材料的含水率的快速、无损测量。

技术领域

本发明属于微波应用技术领域，具体涉及一种基于空间行驻波衰减的微波含水率测量装置及其测量方法。

背景技术

在工农业生产过程中，水分含量一直是产品质量评价的一个重要指标。例如，对于粮食存储、运输、加工等环节中，含水率过高易引起粮食发芽、发霉、不易存储，过低则会破坏粮食内部的物理结构，降低其营养价值；在建筑行业，混凝土砂浆的水分含量直接影响建筑物的成型强度；在木材加工过程中，为防止产品的弯曲或者开裂，需要严格控制含水率范围。因此，实现材料含水率的快速、高精度无损检测成为高效、精准工农业的一种迫切需求。

含水率检测的直接方法是湿基法，采用物理或化学方式去除样品中水分，根据质量变化计算水分含量，这种方法准确率高，但是测量时间长，效率低，一般只作为标定方法。含水率测量的间接方法包含电阻法、电容法、射线法、红外法及微波法等，每种方法的特点和适用范围各不相同。微波自由空间法含水率测量是近些年发展起来的一项新技术，由于具备实时、无损、非接触、无需特别准备样品等优点，非常适用于颗粒材料含水率的实时连续测量。

微波自由空间传输法含水率测量过程中，被测材料放置在两个天线之间，根据微波能量衰减和相位变化，换算出材料水分含量。衰减及相变这两个参数的测量精度是影响含水率测量准确性的关键因素。测量误差主要来源于微波在传输过程中在样品内部及天线探头与样品之间的多重反射效应。

现有的微波自由空间透射式含水率测量技术，要求材料厚度具有10dB以上衰减，以减少微波信号在样品内部的多重反射，对于样品厚度较薄或含水率较低的情况无法完成准确测量。同时，微波天线探头与样品表面之间的信号多重反射无法避免，频率相同方向相反的微波信号在空间中叠加形成行驻波干扰，直接影响微波衰减及相变的测量精度，限制了微波含水率测量装置的实际应用。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，为了提高自由空间微波含水率测量精度，减小多重反射误差，本发明的目的在于提供一种基于空间行驻波衰减的微波含水率测量装置及其测量方法，建立一种微波天线距离可调节的测量方式，使被测样品不受厚度限制，通过多参数同步采集消除堆积密度影响，得到材料含水率。

本发明通过如下技术方案实现：

一种基于空间行驻波衰减的微波含水率测量装置，包括微波发射探头1、样品容器2、被测材料3、微波接收探头4、滑动平台5、丝杠导轨单元6、电机单元7、重量监测单元8及信号显示控制单元9；其中，所述的微波发射探头1将直流电压信号转换为微波信号，由喇叭天线水平方向发出；所述的样品容器2位于微波发射探头1和微波接收探头4之间，并放置于重量监测单元8上；微波与被测材料3相互作用后，透射的微波信号由微波接收探头4的喇叭天线接收；微波接收探头4固定安装于丝杠导轨单元6的滑动平台5上；电机单元7的电动机牵引丝杠导轨单元6的滚珠丝杠转动，带动滑动平台5沿着直线导轨在水平方向自由移动；不同位置的微波透射信号由微波接收探头4输出至信号显示控制单元9中；所述的信号显示控制单元9实现对电机单元7的电动机转动控制，同时采集微波接收探头4输出的透射微波信号、重量监测单元8输出的重量信号，并进行运算输出被测材料3的含水率信息。

进一步地，所述的微波发射探头1由微波腔体振荡器和喇叭天线组成，微波信号由微波腔体振荡器内部的耿氏二极管产生，有效频率范围为4～27GHz，功率范围为5～30mw；喇叭天线采用角锥或圆锥形，有效增益不小于10dBi。