基于自由空间法的粮堆介电特性测试研究

张庆辉,王继红,金广锋

(1.河南工业大学信息科学与工程学院,河南郑州 450001; 2.郑州科技学院,河南郑州 450064)

基于自由空间法的粮堆介电特性测试研究

张庆辉1,王继红2,金广锋1

(1.河南工业大学信息科学与工程学院,河南郑州 450001; 2.郑州科技学院,河南郑州 450064)

采用自由空间法,以矢量网络分析仪组成测试平台,对粮食介电特性进行测试.结果显示:介电常数随着频率的增加在 0.65～0.95之间呈波浪式增加;介电损耗因子测试值在 0.7～6之间,与理论值 0.1～1存在较大误差,对误差产生的原因进行了分析.

自由空间法;粮堆;介电常数;介电损耗因子;测试

0 前言

粮食介电特性影响粮食从高频电场中吸收的能量和转换的热量.测量介电特性有助于模拟粮食在电磁场中的行为,对于粮食仓储和研发粮食加工设备非常重要.另外,还可利用介电特性检测粮食成分和粮食品质(如含湿量).

目前,国外在粮食介电特性研究方面取得了较大进展,采用的介电特性测量技术有平行极板技术、同轴探头技术、传输线技术、自由空间法、谐振腔技术等.国内在此领域也取得了一定的进展,但同国外相比,研究成果较少,研究范围比较窄,研究深度不够[1],主要的问题是测试技术落后.国内测试介电特性的手段以平行极板技术为主,但该方法很难真正提供粮食本身的介电特性.笔者采用自由空间法,以矢量网路分析仪组成测试平台,对粮食介电特性进行测试.

1 测试原理

1.1 粮食介电特性简介

设真空的绝对介电常数是ε0,它由光速 c0和磁性常数μ0决定,它们之间的关系为:

ε0大约为 8.854×10-12F/m.在其他媒质 (固体、液体和气体)中,介电常数更高,通常表示为真空下数值的相对值[2]:

式中:εabs是物质的绝对介电常数;εr是物质的相对介电常数.

高频和微波场是依赖于时间的正弦曲线,通常用复数记数法来表示与时间的关系.因此,介电常数也将是一个复数,有实部和虚部.复介电常数可表示为:

式中:ε为相对复介电常数;ε′为相对实介电常数(介电常数);ε″为相对介电损耗因子.

ε′与物质的电容量有关,其能力是储存电能量、影响传播波的电场,从而改变电场强度和磁场强度间的比率,该比率是波阻抗.ε″和能量散射的各种吸收途径有关,反映电介质在交流电场中消耗能量的能力,是个正数,通常小于ε′,它近似地和传播波的衰减成正比.如果ε″=0则该物质是无损的.ε″和ε′的比值被称为介电损耗因数,这里 tanδ=ε″/ε′,tanδ是所消耗的能量与蓄积能量之比,被称为耗散因数或损耗正切,δ为损耗角.物质的介电特性不是恒值,它们受频率、温度、极化特性、压力、材料组成成分、分子结构等因素的影响.

粮堆的介电性能在不同种类的谷物中变化很大.通常,ε′和ε″对于密度较大、平衡水分含量较高的谷物和种子来讲是比较大的.

1.2 测量理论

在实际测量中,按自由空间法的具体测量方式不同分为单反射测量和传输反射测量[3].单反射法(如图 1(a)所示)是在两种不同状态 (包括角度、厚度与状态)下测出材料对电磁波的反射系数,然后利用两次数据计算出介电常数.传输反射法(如图 1(b)所示)是利用收发分置的测试系统分别测出系统的反射和透射系数,再计算介电常数.

由于单反射法与传输反射法所测量数据存在差异,因此所用的具体计算公式亦不同,但均基于麦克斯韦方程和菲涅尔反射定律.在此,笔者采用传输反射法.

传输反射法分别测量同一入射角度下系统的反射系数 S11和透射系数 S21.当电磁波入射到表面积无限大的材料上时,忽略边缘散射,则 S11与S21满足:

式中:R为空气入射到无限厚的材料界面的反射系数;P为电磁波穿过材料样品的传递因数.

图1 自由空间法的测量原理

2 实验设计

自由空间法在粮食中的应用是从 20世纪 90年代逐渐兴起的,非接触、无损的特点使其受到关注[4-5].该方法要求材料是大平面、薄板型,材料的两个表面必须平行.据此设计的自由空间法典型测试系统如图 2所示,由网络分析仪、发射和接收天线、软件和计算机组成.2个天线之间的距离为天线焦距的 2倍,且固定在水平支架上,其中接收天线可移动,以适应校准和测试不同厚度样品的需要.

图2 自由空间法测试图

工作原理如下:由网络分析仪发射频率变化的微波,通过天线将微波能聚焦在被测样品上或使微波能通过被测样品;根据网络分析仪测量得到的反射系数 (S11)和传输系数 (S21)(或中心频率 f和品质因子Q),由软件计算被测样品的介电参数.

样品容器是一个矩形截面的聚苯乙烯泡沫塑料,壁厚 2.5 cm.样品容器的内部尺寸为:长 25 cm,高25 cm,厚16 cm.厚度可以通过在箱子内放置聚苯乙烯泡沫塑料薄板来调整.

2个角天线面对面放置,相隔37 cm.2个天线用 2个同轴电缆连接到矢量网络分析器,在终端用APC—7连接器连接.实验设置如图 2所示.开始实验之前,矢量网络分析器要通过 1个通道、2个端口的校准方法进行校准.首先把样品容器放在 2个天线之间,来测量空样品容器的散射系数;然后将样品容器用小麦充满,再次测量散射系数;根据这两个测量结果计算小麦的透射系数;并通过下面的方程由样品的透射系数计算出介电常数和损耗因子.

式中:φ是相移;λ0是自由空间的频率;A是衰减倍数,A=20lg|S21|;d是样品厚度;φ是微波相位,φ=φ+2πn,整数 n能够通过在2个频率点进行测量计算,而且,它能够通过不同厚度的样品重复做测量进行计算.通过方程 (4)和方程 (5)计算的介电常数和损耗因子是整个样品的平均值,假设整个样品的物理属性是相同的.

需要注意的是,不是所有的农产品都能用这种方法测试,置于腔体内的粮食必须是小颗粒状,而且要填满腔体;否则,由于粮食的不均匀性,该法将无法得到可靠的研究结果.

3 测试结果

不同厚度粮堆样品的介电特性测量结果如图3和图 4所示.运用该方法进行了 31次相同的测量,结果是一致的.理论上粮堆介电常数应该随着频率的增加而逐渐降低.但测量结果显示,介电常数随着频率的增加呈波浪式增加趋势,范围在0.65～0.95之间,这是由于矢量网络分析仪的不准确校准和微波的多径传播所致.介电损耗因子理论上应该在 0.1～1之间,但测试结果在 0.7～6之间.

样品内微波多次反射的问题应该采用一个时域选通门来解决.如果没有时域选通门,单独的角天线不能用在矢量网络分析仪上测量粮食样品的介电特性,这是因为从角天线的边缘会造成能量的绕射.

4 结论

笔者系统地说明了自由空间法测量粮食介电特性的理论和实验方法,然后按照该实验方法测量了不同厚度粮堆样品的介电特性,给出了实验结果,并分析了误差产生的原因.结果表明,自由空间法是一种能够提供粮食本身介电特性的有效方法.

[1] 郭文川,朱新华.国外农产品及食品介电特性测量技术及应用 [J].农业工程学报, 2009,2(2):308-312.

[2] Ryynanen S.The Electromagnetic Properties of Food Materials:A Review of the Basic Principles[J].Journal of Food Engineering, 1995,26:409-429.

[3] 卢子焱,唐宗熙,张彪.用自由空间法测量材料复介电常数的研究[J].航空材料学报,2006,4(2):62-65.

[4] 张娜,王立春,张国华.自由空间法测试材料电磁参数的探讨 [J].宇航计测技术, 2006,6(3):22-25.

[5] Trabelsi S,KraszewskiA W,Nelson S O.A microwave method for on-line determination of bulk density and moisture content of particulate materials[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,1998,47 (1):127-132.

D IELECTR IC PROPERTYMEASUREMENT OF BULKWHEAT SAMPLES BASED ON FREE-SPACEMETHOD

ZHANGQing-hui1,WANG Ji-hong2,J IN Guang-feng1
(1.School of Infor m ation Science and Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou450001, China;2.University of Science&Technology ZhengZhou,Zhengzhou450001,China)

We adopted the free-spacemethod and ameasurementplatform consisting of a vector network analyzer to measure the dielectric property ofwheat.The result shows that the dielectric constant increases in the wave form between 0.65 and 0.95 alongwith the increase of the frequency;and the measurement value of the dielectric loss factor is between 0.7 and 6,which is greatly deviated from the theoretical value(0.1 to 1). The article also analyzed the reasons for the error.

free-space method;bulk wheat samples;dielectric constant;dielectric loss factor;measurement

TS210

B

1673-2383(2010)03-0066-03

2010-01-22

国家“十一五”科技支撑计划项目(2008BADA8B04)

张庆辉(1974-),男,河南南阳人,副教授,硕士生导师,研究方向为粮食物质信息学.