專利名稱：基于混頻技術(shù)的反射式微波含水率測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于混頻技術(shù)的反射式微波含水率
測量裝置。
背景技術(shù)：
在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，某些材料的含水率對產(chǎn)品的性能質(zhì)量和生產(chǎn)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(yè)。物料含水率標(biāo)準(zhǔn)一般應(yīng)用濕基法進(jìn)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(nèi)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(zhì)的含水率，進(jìn)而實現(xiàn)對整個生產(chǎn)工藝過程實行在線閉環(huán)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(shù)是在微波電子學(xué)和微波測量技術(shù)等基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新技術(shù)，由于介質(zhì)對微波有反射、透射、散射、諧振和多普勒效應(yīng)等物理特性，可以通過空間輻射的方式與介質(zhì)發(fā)生相互作用，測量過程中傳感器可以不與被測物質(zhì)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(zhì)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(fù)合介電常數(shù)來表征。理論及實驗研究表明，當(dāng)微波通過含水物質(zhì)時，由水分引起的微波能量的損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它干物質(zhì)引起的損耗，物質(zhì)中的含水量將顯著的影響其介電常數(shù)，因此測量通過物質(zhì)的微波的功率衰減、相位變化、諧振頻率等與介電常數(shù)相關(guān)的物理量，便能間接測得該物質(zhì)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(jù)微波與被測介質(zhì)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(zhì)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(fā)一體，易于安裝，不受物料厚度影響等特點，便于應(yīng)用于在線檢測生產(chǎn)線上。目前國內(nèi)外在反射式微波測濕傳感器設(shè)計上，多采用發(fā)射與接收隔離式，即微波源與檢波管之間經(jīng)由隔離器、環(huán)形器等微波器件將微波源與反射回波信號隔離，單獨進(jìn)行檢測。由于這種探頭結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，易引入噪聲，成本較高等缺點，限制了其大規(guī)模應(yīng)用?；趪鴥?nèi)外微波測濕的研究現(xiàn)狀，本發(fā)明將微波發(fā)射波與反射波混頻技術(shù)應(yīng)用于測濕中，采用鋁合金波導(dǎo)腔體振蕩器，配合設(shè)計相應(yīng)的收發(fā)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(shù)的反射式微波測濕裝置。其結(jié)構(gòu)簡明，易于操作，測量精度高、 范圍廣，抗干擾能力強，可實現(xiàn)在線無損連續(xù)測量，且成本較低，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于混頻技術(shù)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(jīng)微波腔體振蕩器內(nèi)部電路低通濾波后輸出中頻信號，當(dāng)微波本振信號與回波信號的頻率相等時(即微波收發(fā)波導(dǎo)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(jìn)行電路上的后續(xù)處理，從而得到被測物料的水分含量。本發(fā)明所述的基于混頻技術(shù)的反射式微波測含水率裝置，由安裝于不銹鋼筒3內(nèi)的喇叭狀微波收發(fā)波導(dǎo)4、微波腔體振蕩器6、固定于不銹鋼筒3后座8內(nèi)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(fā)波導(dǎo)4通過螺環(huán)5安裝在不銹鋼筒 3的內(nèi)壁上；微波腔體振蕩器6通過螺絲安裝在微波收發(fā)波導(dǎo)4的后端，用以產(chǎn)生相應(yīng)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(dá)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(jīng)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(jìn)行電路上的后續(xù)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(shè)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(jīng)水分信號顯示控制終端 9的內(nèi)部電路處理后，由液晶顯示屏顯示被測物料1含水率的數(shù)值，同時模擬信號輸出接口輸出與被測物料1含水率相關(guān)的電壓或電流模擬信號。本發(fā)明裝置的基本結(jié)構(gòu)如

圖1所示，圖1(a)是本發(fā)明裝置基本結(jié)構(gòu)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(zhì)的物料，2是圓形陶瓷片。微波收發(fā)波導(dǎo)4用來發(fā)射微波和接收反射回波，發(fā)射角及口徑大小與微波發(fā)射頻率及與被測物料距離相關(guān)。螺環(huán)5包括內(nèi)螺環(huán)與外螺環(huán)兩部分，為橡膠或塑料材料，內(nèi)螺環(huán)用膠粘于微波收發(fā)波導(dǎo)4的外側(cè)，外螺環(huán)用膠粘于不銹鋼外殼3的內(nèi)壁，內(nèi)螺環(huán)與外螺環(huán)相互咬合。在設(shè)備調(diào)試階段，根據(jù)測濕裝置所應(yīng)用的領(lǐng)域不同，需預(yù)先手動旋轉(zhuǎn)內(nèi)螺環(huán)，進(jìn)而調(diào)節(jié)微波收發(fā)波導(dǎo)4與被測物料1間的距離，當(dāng)確定微波收發(fā)波導(dǎo)4達(dá)到最佳測量靈敏度的位置后，用螺絲固定內(nèi)外螺環(huán)，使微波收發(fā)波導(dǎo)4的位置固定。最佳靈敏度位置的確定方法，與傳感器輸出電壓信號波形有關(guān)，將在后文微波混頻原理中予以具體說明。具體的，本發(fā)明測濕裝置的典型尺寸參數(shù)如下不銹鋼筒3壁厚3 7mm，外徑 75 120mm，陶瓷片2厚度4 10mm，直徑70 IlOmm ；通過螺環(huán)5的旋轉(zhuǎn)，微波收發(fā)波導(dǎo) 4的前后可調(diào)距離在10 50mm之間；螺環(huán)5內(nèi)外螺環(huán)相咬合，外徑70 110mm，螺環(huán)可調(diào)節(jié)長度為10 50mm，其設(shè)計尺寸與不銹鋼筒直徑匹配。微波收發(fā)波導(dǎo)4由合金材質(zhì)或鍍金屬膜材質(zhì)制作，其前端寬Dl為40mm 50mm， 高D2為30mm 40mm，長度為40mm 50mm間，后端尺寸與微波腔體振蕩器6的尺寸相匹配；微波腔體振蕩器6的寬Ll為22. 9mm,高L2為10. 2mm,產(chǎn)生的微波本征信號的頻率為 10. 525GHz，功率為20mW，該微波腔體振蕩器的直流激勵電壓為8V。圖4中圖(c)是實際應(yīng)用中所采用的微波腔體振蕩器6，圖(d)是微波收發(fā)波導(dǎo)4的外觀示意圖。為了使微波設(shè)備工作穩(wěn)定低成本，設(shè)計中選用浙江聯(lián)信電子設(shè)備有限公司生產(chǎn)的微波腔體振蕩器，實現(xiàn)微波本振信號的發(fā)射及回波信號的接收及混頻輸出，參數(shù)為 10GHz、20mW的系列腔體混頻振蕩器。此振蕩器采用單端砷化鎵負(fù)阻微波器件，實現(xiàn)頻率穩(wěn)定、諧波小、直流低電壓供電。通過體效應(yīng)管或雪崩管和波導(dǎo)諧振腔體的配合，把低壓直流功率變換成微波射頻功率。振蕩器產(chǎn)生的微波的頻率由振蕩二極管、波導(dǎo)腔體、調(diào)節(jié)螺絲調(diào)節(jié)決定。輸出功率和微波器件、波導(dǎo)腔體Q值有關(guān)，通過選擇不同的腔體和器件，微波發(fā)射頻率可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，實現(xiàn)最佳測濕的工作條件。圖4中，微波腔體振蕩器6的各部分的功能如下10是微波起振和混頻處理微帶電路，貼于波導(dǎo)腔體內(nèi)壁處，作用是為振蕩二極管和混頻二極管提供正常工作的電壓偏置和匹配阻抗，并為混頻輸出提供低通濾波；11是混頻二極管，貫穿放于諧振腔的端口處能有效接收來自微波收發(fā)波導(dǎo)4的回波信號；12是微波振蕩二級管螺絲底座，其位于微波腔體振蕩器中心部位，微波振蕩二級管置于諧振腔內(nèi)部；13是頻率微調(diào)螺絲，具體振蕩頻率與矩形波導(dǎo)腔的長寬Li、L2選取有關(guān)；14是直流穩(wěn)壓模塊及電源與信號的輸入輸出引線，由于微波器件為敏感元件，所以對電壓的穩(wěn)定性要求較高，8V的直流電壓和參考地端由 (8V)、(GND)兩線輸入，混頻信號由(Si)線輸出，電源線與信號線接至前置儀表放大電路板 7的一端。本發(fā)明將微波混頻技術(shù)應(yīng)用于對物料水分濕度的檢測中，具體混頻原理說明如下圖2是本振信號與回波信號混頻原理圖(本振信號即微波腔體振蕩器發(fā)射的微波信號，回波信號即經(jīng)由被測物料表面反射的微波)。其中隊表示本振信號，振蕩頻率為ω。 Us為回波信號，頻率為；E0為滿足正?；祛lQ值所施加的直流偏置；Dl是肖特基混頻二極管，電路中即是利用混頻二極管Dl電壓電流非線性特征，實現(xiàn)對本振信號與回波信號的混頻輸出；ZS、、分別為微波本振、回波信號在電路中的等效阻抗而為電路負(fù)載，其兩端電壓Utj為混頻輸出電壓。本振信號與回波信號分別表示為Ul (t) =ULcos ω Lt(1)
權(quán)利要求
1.一種基于混頻技術(shù)的反射式微波測含水率裝置，其特征在于1)由安裝于不銹鋼筒(3)內(nèi)的喇叭狀微波收發(fā)波導(dǎo)G)、微波腔體振蕩器(6)、固定于不銹鋼筒(；3)后座(8)內(nèi)壁上的前置儀表放大電路板(7)和設(shè)置在不銹鋼筒(；3)外部的水分信號顯示控制終端(9)組成；2)微波收發(fā)波導(dǎo)(4)通過螺環(huán)(5)安裝在不銹鋼筒(3)的內(nèi)壁上；3)微波腔體振蕩器(6)安裝在微波收發(fā)波導(dǎo)(4)的后端，產(chǎn)生相應(yīng)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；4)在不銹鋼筒(3)的前端安裝有陶瓷片0)，陶瓷片(2)緊貼被測物料(1)以達(dá)到最高精確度；5)直流混頻電壓信號經(jīng)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(jìn)行電路上的后續(xù)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。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于混頻技術(shù)的反射式微波測含水率裝置，其特征在于1)信號輸入水分信號顯示控制終端(9)由供電模塊(15)、繼電器(16)、信號均值電路 (17)、AD轉(zhuǎn)換器(18)、單片機(19)、模式選擇控制按鍵(20)、液晶屏(21)、DA轉(zhuǎn)換器02)、 輸出模式選擇電路組成；2)微波腔體振蕩器(6)輸出的直流混頻電壓信號經(jīng)前置儀表放大器(7)調(diào)零放大后， 濕度信號被調(diào)制為幅值為O 5V變化的電壓信號；此電壓信號輸入水分信號顯示控制終端 (9)后，首先經(jīng)過繼電器(16)判斷，此繼電器由單片機(19)控制，單片機(19)根據(jù)模式選擇控制按鍵OO)的不同輸入，控制此繼電器接通al端或a2端；經(jīng)al端的電壓信號直接送入AD轉(zhuǎn)換器(18)，而經(jīng)a2端的電壓信號先經(jīng)信號均值電路(17)，實現(xiàn)對濕度電壓信號的均值處理后，再送入AD轉(zhuǎn)換器(18)中進(jìn)行信號數(shù)字量采集；3)單片機(19)讀取經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器(18)輸出的數(shù)字信號后，按照O 5V的比例經(jīng)內(nèi)部定標(biāo)運算后，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)含水率數(shù)值，驅(qū)動并在液晶屏進(jìn)行數(shù)字顯示；4)數(shù)字信號經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器02)后，以模擬電壓信號的形式送入信號輸出模式選擇電路 (23)；單片機通過對控制按鍵OO)的檢測，控制輸出模式選擇電路的輸出方式為電壓或電流模式；最終，由輸出模式選擇電路輸出的電壓或電流模擬信號。
3.如權(quán)利要求2所述的一種基于混頻技術(shù)的反射式微波測含水率裝置，其特征在于 所述的信號均值處理電路(17)，1)由信號分壓電路模塊M1，積分匹配電路模塊M2和積分復(fù)位電路模塊M3組成，其是先利用精密電阻分壓的方式將輸入信號降壓，再采用慢積分方式對此信號進(jìn)行隨時間積分求和，最后通過單片機(19)對積分信號進(jìn)行周期采樣與復(fù)位，輸出電壓信號的平均值；2)信號分壓電路模塊M1，由固定電阻R6、可調(diào)電阻R5和放大器A2組成，經(jīng)繼電器(16) a2端的電壓信號引入S1，S1接固定電阻R6的一端，固定電阻R6的另一端接可調(diào)電阻R5的一個固定端，可調(diào)電阻R5的另一固定端接地，可調(diào)電阻R5的調(diào)節(jié)端接放大器A2的正向輸入端，放大器A2的負(fù)向輸入端與放大器A2輸出端相連，實現(xiàn)電壓跟隨功能；3)積分匹配電路模塊M2，由電阻Rl、R2、R3、R4和放大器Al組成，信號分壓電路模塊 Ml模塊中放大器A2的輸出端連接至電阻R3的一端，R3另一端連接至放大器Al的正向輸入端，電阻Rl跨接在放大器Al的負(fù)向輸入端與放大器Al的輸出端S3之間，電阻R2跨接在放大器Al的正向輸入端與輸出端S3之間，放大器Al的負(fù)向輸入端接電阻R4的一端，電阻R4的另一端接地，由輸出端S3輸出地信號送至AD轉(zhuǎn)換模塊(18)；4)積分復(fù)位電路模塊M3，由NPN型開關(guān)三極管Q1、積分電容Cl組成，NPN型開關(guān)三極管Ql的基極S2接單片機(19)脈沖信號發(fā)生端口，三極管Ql的發(fā)射極接在積分電容Cl的一端，同時接地，三極管Ql的集電極接在積分電容Cl的另一端，同時三極管Ql的集電極輸出連接至積分匹配電路模塊M2中放大器Al的正向輸入端；5)電壓信號經(jīng)信號分壓電路模塊Ml降壓后，信號在積分復(fù)位電路模塊M3中電容Cl處進(jìn)行積分，單片機(19)內(nèi)部定時器所確定的積分時間IOs完成后，由單片機(19)控制AD 轉(zhuǎn)換模塊(18)在積分匹配電路模塊M2的輸出端S3進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集完成后，由單片機 (19)發(fā)出復(fù)位脈沖從端口 S2輸入，使開關(guān)三極管Ql導(dǎo)通，實現(xiàn)對積分電容Cl的復(fù)位，下一個積分周期隨即開始。
4.如權(quán)利要求3所述的一種基于混頻技術(shù)的反射式微波測含水率裝置，其特征在于 在電路Sl端輸入3V直流電壓信號，在S2端輸入以IOS為周期的5V正向脈沖信號，脈寬 IOms,調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R5，同時測量S3端口輸出電壓峰值，當(dāng)S3輸出電壓極大值穩(wěn)定在3V 時，確定可變電阻R5的位置，此時電路可以實現(xiàn)對IOs內(nèi)連續(xù)輸入的電壓信號求平均值輸出ο
5.如權(quán)利要求2所述的一種基于混頻技術(shù)的反射式微波測含水率裝置，其特征在于 模式選擇控制按鍵00)設(shè)置在水分信號顯示控制終端(9)的面板上，面板的左上方設(shè)置有液晶顯示屏，顯示物料含水率數(shù)值；顯示屏的下方設(shè)置有Sig和GND兩個接線柱，提供含水率信號的模擬輸出；面板的右上端設(shè)置有“實時”、“均值”模式選擇控制按鍵(20)，用來控制內(nèi)部電路的采樣處理模式，當(dāng)相應(yīng)按鍵按下時，內(nèi)部電路會驅(qū)動位于按鍵上方的LED燈，使之點亮；面板的右下端設(shè)置有“4 20mA”、“0 5V”、“0 10V”模式選擇控制按鍵^))， 用來控制含水率信號的輸出模式，同樣每個按鍵上方有LED燈指示當(dāng)前裝置的輸出模式。
6.如權(quán)利要求5所述的一種基于混頻技術(shù)的反射式微波測含水率裝置，其特征在于 當(dāng)模式選擇控制按鍵00)為“實時”模式時，單片機(19)控制繼電器(16)接通al端；當(dāng)模式選擇控制按鍵00)為“均值”模式時，單片機(19)控制繼電器(16)接通a2端。
7.如權(quán)利要求1所述的一種基于混頻技術(shù)的反射式微波測含水率裝置，其特征在于 不銹鋼筒(3)壁厚3 7mm，外徑75 120mm，陶瓷片(2)厚度4 10mm，直徑70 IlOmm ； 通過螺環(huán)(5)的旋轉(zhuǎn)，微波收發(fā)波導(dǎo)(4)的前后可調(diào)距離在10 50mm之間；螺環(huán)(5)內(nèi)外螺環(huán)相咬合，外徑70 110mm，螺環(huán)可調(diào)節(jié)長度為10 50mm。
8.如權(quán)利要求1所述的一種基于混頻技術(shù)的反射式微波測含水率裝置，其特征在于 微波收發(fā)波導(dǎo)由合金材質(zhì)或鍍金屬膜材質(zhì)制作，其前端寬Dl為40mm 50mm，高D2 為30mm 40mm，長度為40mm 50mm間，后端尺寸與微波腔體振蕩器(6)的尺寸相匹配； 微波腔體振蕩器(6)的寬Ll為22. 9mm,高L2為10. 2mm，產(chǎn)生的微波本征信號的頻率為 10. 525GHz，功率為20mW，微波腔體振蕩器的直流激勵電壓為8V。
9.如權(quán)利要求1所述的一種基于混頻技術(shù)的反射式微波測含水率裝置，其特征在于 螺環(huán)( 包括內(nèi)螺環(huán)與外螺環(huán)兩部分，為橡膠或塑料材料，內(nèi)螺環(huán)用膠粘于微波收發(fā)波導(dǎo) (4)的外側(cè)，外螺環(huán)用膠粘于不銹鋼外殼(3)的內(nèi)壁，內(nèi)螺環(huán)與外螺環(huán)相互咬合。
全文摘要
本發(fā)明屬于微波應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于混頻技術(shù)的反射式微波含水率測量裝置。由安裝于不銹鋼筒內(nèi)的喇叭狀微波收發(fā)波導(dǎo)、微波腔體振蕩器、固定于不銹鋼筒后座內(nèi)壁上的前置儀表放大電路板、水分信號顯示控制終端組成。由微波腔體振蕩器輸出的直流混頻電壓信號經(jīng)前置儀表放大電路放大后，傳送至水分信號顯示控制終端，再對該直流混頻電壓信號進(jìn)行電路上的后續(xù)處理，從而在水分信號顯示控制終端的液晶顯示屏上顯示被測物料的水分含量。本發(fā)明裝置可以實現(xiàn)對糧食水分、混凝土濕度、煙草含水率、紡織化工品含水量等物料含水率的高精度無損傷測量，應(yīng)用范圍廣。
文檔編號G01N22/04GK102262096SQ20111010894
公開日2011年11月30日 申請日期2011年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月28日
發(fā)明者岳鑫隆, 張濤, 李陳孝, 韓冰 申請人:吉林大學(xué)