[發明專利]基于混頻技術的反射式微波含水率測量裝置

無效

• 申請號: 201110108947.0
• 申請日: 2011-04-28
• 公開（公告）號: CN102262096A
• 公開（公告）日: 2011-11-30
• 發明（設計）人: 張濤;李陳孝;韓冰;岳鑫隆
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N22/04
• 分類號: G01N22/04
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 張景林;劉喜生

技術領域

本發明屬于微波應用技術領域，具體涉及一種基于混頻技術的反射式微波含水率測量裝置。

技術背景

在工農業生產過程中，某些材料的含水率對產品的性能質量和生產效率有著非常重要的影響，這其中包括糧食、煙草、紙張、煤石、土壤、化肥、紡織、混凝土和石油等加工制造工業。物料含水率標準一般應用濕基法進行計算，即通過測量其干燥前與干燥后重量之差的比重來求得。而對于間接法測量，國內外主要有電阻法、電容法、中子法、微波法及紅外法等，其特點、適用范圍、測量精度等各不相同。

在某些場合，要求在線無損測量物質的含水率，進而實現對整個生產工藝過程實行在線閉環控制，這就對濕度測量方法提出了更高的要求。微波檢測技術是在微波電子學和微波測量技術等基礎上發展起來的一門新技術，由于介質對微波有反射、透射、散射、諧振和多普勒效應等物理特性，可以通過空間輻射的方式與介質發生相互作用，測量過程中傳感器可以不與被測物質接觸，非常適合于在線無損檢測。

微波是頻率極高的電磁波，在微波作用下，水偶極子頻繁換向消耗大量電能，含水物質在微波場中這種極化損耗的特性，可通過其在微波場中的復合介電常數來表征。理論及實驗研究表明，當微波通過含水物質時，由水分引起的微波能量的損耗遠遠大于其它干物質引起的損耗，物質中的含水量將顯著的影響其介電常數，因此測量通過物質的微波的功率衰減、相位變化、諧振頻率等與介電常數相關的物理量，便能間接測得該物質中含水量的多少。

微波檢測方法目前可分為空間波法、傳輸線法和諧振腔法，其中后兩種方法適合于接觸式測量，不宜在線測量。對于空間波法，根據微波與被測介質作用形式不同，可分透射式與反射式兩種，其原理是通過測量微波與被測介質在空間作用后透射部分或反射部分振幅、相位大小及其變化，間接反映物料含水率大小。

反射式微波測濕裝置，由于其收發一體，易于安裝，不受物料厚度影響等特點，便于應用于在線檢測生產線上。目前國內外在反射式微波測濕傳感器設計上，多采用發射與接收隔離式，即微波源與檢波管之間經由隔離器、環形器等微波器件將微波源與反射回波信號隔離，單獨進行檢測。由于這種探頭結構較復雜，易引入噪聲，成本較高等缺點，限制了其大規模應用。

基于國內外微波測濕的研究現狀，本發明將微波發射波與反射波混頻技術應用于測濕中，采用鋁合金波導腔體振蕩器，配合設計相應的收發喇叭天線和信號處理電路，研制出一種新型的基于混頻技術的反射式微波測濕裝置。其結構簡明，易于操作，測量精度高、范圍廣，抗干擾能力強，可實現在線無損連續測量，且成本較低，在工農業生產方面有著廣闊的應用前景。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于混頻技術的反射式微波含水率測量裝置。該裝置將微波本振信號與被測物料反射的回波信號混頻，混頻信號經微波腔體振蕩器內部電路低通濾波后輸出中頻信號，當微波本振信號與回波信號的頻率相等時(即微波收發波導4與被測物料1位置相對固定時)，所得到的中頻信號為包含被測物料水分信息的直流電信號，再對該直流混頻電壓信號進行電路上的后續處理，從而得到被測物料的水分含量。

本發明所述的基于混頻技術的反射式微波測含水率裝置，由安裝于不銹鋼筒3內的喇叭狀微波收發波導4、微波腔體振蕩器6、固定于不銹鋼筒3后座8內壁上的前置儀表放大電路板7、水分信號顯示控制終端9組成；微波收發波導4通過螺環5安裝在不銹鋼筒3的內壁上；微波腔體振蕩器6通過螺絲安裝在微波收發波導4的后端，用以產生相應測量頻率的微波本振信號，并將被測物料1反射的回波信號與微波本振信號混頻低通濾波后輸出包含被測物料水分信息的直流混頻電壓信號；在不銹鋼筒3的前端安裝有陶瓷片2，陶瓷片2緊貼被測物料1以達到最高精確度；由微波腔體振蕩器6輸出的直流混頻電壓信號經前置儀表放大電路7放大后，傳送至水分信號顯示控制終端9，再對該直流混頻電壓信號進行電路上的后續處理，從而在水分信號顯示控制終端9的液晶顯示屏上顯示被測物料的水分含量。

水分信號顯示控制終端9的前端面板處設有液晶顯示屏、信號模式選擇按鍵、模擬信號輸出接口，前置儀表放大電路7放大的直流混頻電壓信號經水分信號顯示控制終端9的內部電路處理后，由液晶顯示屏顯示被測物料1含水率的數值，同時模擬信號輸出接口輸出與被測物料1含水率相關的電壓或電流模擬信號。

本發明裝置的基本結構如圖1所示，圖1(a)是本發明裝置基本結構示意圖，圖1(b)是裝置外觀示意圖；1是被測物料，典型地可以是含有水的沙石、糧食、紙張、布匹等不含金屬雜質的物料，2是圓形陶瓷片。