粮食水分测量装置的设计
2014-09-23甘龙辉
甘龙辉
摘 要 目前，国内外生产粮食水分检测设备造价成本太高，水分数据测量需花费较长时间，无法满足现代化农业发展的需要。而利用高频电磁波信号在有耗媒介中的传播特性设计的粮食水分测量装置，具有测量速度快速、穿透力强、造价费用低等优点。
关键词 水分检测；传播特性；测量装置
中图分类号：S237 文献标志码：A 文章编号：1673-890X(2014)06-057-02
粮食水分的时时监测对粮食储藏、运输、加工具有极其重要的作用，目前国内外科研人员对水分的测量方法主要包括电阻法、干燥法、电容法和中子法等方法。不同的测量方法有各自的特点和局限性。
设计的粮食水分测量装置主要是利用高频信号在含水谷物中传播特点，依据谷物中水的介电常数远高于粮食中的淀粉、蛋白质等干物质，而电磁波的衰减主要受介电常数的影响。因此，电磁波在不同含水率的粮食中的衰减程度是不一样。通过检测衰减后的波形幅度并建立粮食水分与衰减幅值之间的数学关系模型，即可得出谷物水分含量。
1 试验装置设计原理
谷物中的水主要是以游离水形式存在，在电磁波段水的介电常数较粮食干物质大很多，电磁波经过谷物时，能量损耗主要是由游离水造成的。水分含量的多少决定能量的衰减程度，通过检测衰减后的信号发掘出水分含量与信号衰减之间的关系。实验装置示意图和实物图如图1所示。
在桶形绝缘腔体两侧分别缠绕线圈，其中上半部分线圈承载电磁波发射电路产生的正弦电波信号，下半部分线圈耦合接收上半线圈发射过来的电磁波信号。当腔体内有谷物流经通过时，发射的电磁波穿透谷物时因游离水的存在而发生幅值上的衰减，信号接收线圈能够接收衰减后的电磁波信号，在经过采样保持电路，能够精确的测量出衰减后的信号幅值。
谷物中游离态的水分，在高频状态下其介电常数为复数。由电磁场理论分析可得，电磁场随时间按照正弦规律变换，则其对应的麦克斯韦方程可改写成复数的。
（1）
上式中的为有耗介质复介电常数，为传导电流。
电磁波在有耗介质中的传播的一维波动方程如下：
（2）
（3）
设（，为常数）方程变换可得：
（4）
（5）
以上方程变换可得：
（6）
（7）
通过解方程发现衰减系数直接影响场量幅值上的衰减，而衰减系数则能引起相位改变。
由于粮食内部游离水的存在导致电导率不为0，在电磁波穿透谷物时将会引起传导电流，此时电磁波将会出现能量衰减，主要体现在幅值的减少及相位的变化。电磁波在有耗媒质中的传播波形如图2所示。
所采用的利用高频电磁波透射衰减法检测粮食水分含量的原理：粮食中的游离水能够吸收高频电磁波能量，造成能量衰减，衰减的程度与含水率的高低有关。信号的幅值变化直接反映了电磁波能量的变化，利用后级接收线圈接收到的幅值通过采样保持电路可精确的得出衰减后的信号幅值。由此建立出含水率与幅值的数学关系式。
2 粮食水分测量实验
为确保试验的数据精确可靠，试验在实验室较理想的环境下进行，室内温度和湿度均控制在一定的范围内。试验中发射的电磁波频率40 MHZ，功率控制为20 dBm。本次试验中所采用的粮食品种为黑垦鉴豆10号大豆，样品的水分含量均低于安全水分上线。
通过试验采集的大豆水分数据与后级线圈接收的信号幅值数据，经SPSS拟合后存在如图3所示关系。
由SPSS对数据拟合回归后，得出含水率与幅值的数学模型，经F检验发现二次曲线模型精度更高，如表1所示。因此可得出大豆含水率M同幅值A的二次关系式如下：M=1.500-0.540+0.050（8）
3 模型评价
通过以上装置测量的大豆的水分同标准的烘干法相比较，该装置在高水分阶段测量误差较大最大可达2.5%，水分越低精度越高，最小误差为0.4%。可满足农业上对粮食水分的测量要求。
（责任编辑：刘昀）
摘 要 目前，国内外生产粮食水分检测设备造价成本太高，水分数据测量需花费较长时间，无法满足现代化农业发展的需要。而利用高频电磁波信号在有耗媒介中的传播特性设计的粮食水分测量装置，具有测量速度快速、穿透力强、造价费用低等优点。
关键词 水分检测；传播特性；测量装置
中图分类号：S237 文献标志码：A 文章编号：1673-890X(2014)06-057-02
粮食水分的时时监测对粮食储藏、运输、加工具有极其重要的作用，目前国内外科研人员对水分的测量方法主要包括电阻法、干燥法、电容法和中子法等方法。不同的测量方法有各自的特点和局限性。
设计的粮食水分测量装置主要是利用高频信号在含水谷物中传播特点，依据谷物中水的介电常数远高于粮食中的淀粉、蛋白质等干物质，而电磁波的衰减主要受介电常数的影响。因此，电磁波在不同含水率的粮食中的衰减程度是不一样。通过检测衰减后的波形幅度并建立粮食水分与衰减幅值之间的数学关系模型，即可得出谷物水分含量。
1 试验装置设计原理
谷物中的水主要是以游离水形式存在，在电磁波段水的介电常数较粮食干物质大很多，电磁波经过谷物时，能量损耗主要是由游离水造成的。水分含量的多少决定能量的衰减程度，通过检测衰减后的信号发掘出水分含量与信号衰减之间的关系。实验装置示意图和实物图如图1所示。
在桶形绝缘腔体两侧分别缠绕线圈，其中上半部分线圈承载电磁波发射电路产生的正弦电波信号，下半部分线圈耦合接收上半线圈发射过来的电磁波信号。当腔体内有谷物流经通过时，发射的电磁波穿透谷物时因游离水的存在而发生幅值上的衰减，信号接收线圈能够接收衰减后的电磁波信号，在经过采样保持电路，能够精确的测量出衰减后的信号幅值。
谷物中游离态的水分，在高频状态下其介电常数为复数。由电磁场理论分析可得，电磁场随时间按照正弦规律变换，则其对应的麦克斯韦方程可改写成复数的。
（1）
上式中的为有耗介质复介电常数，为传导电流。
电磁波在有耗介质中的传播的一维波动方程如下：
（2）
（3）
设（，为常数）方程变换可得：
（4）
（5）
以上方程变换可得：
（6）
（7）
通过解方程发现衰减系数直接影响场量幅值上的衰减，而衰减系数则能引起相位改变。
由于粮食内部游离水的存在导致电导率不为0，在电磁波穿透谷物时将会引起传导电流，此时电磁波将会出现能量衰减，主要体现在幅值的减少及相位的变化。电磁波在有耗媒质中的传播波形如图2所示。
所采用的利用高频电磁波透射衰减法检测粮食水分含量的原理：粮食中的游离水能够吸收高频电磁波能量，造成能量衰减，衰减的程度与含水率的高低有关。信号的幅值变化直接反映了电磁波能量的变化，利用后级接收线圈接收到的幅值通过采样保持电路可精确的得出衰减后的信号幅值。由此建立出含水率与幅值的数学关系式。
2 粮食水分测量实验
为确保试验的数据精确可靠，试验在实验室较理想的环境下进行，室内温度和湿度均控制在一定的范围内。试验中发射的电磁波频率40 MHZ，功率控制为20 dBm。本次试验中所采用的粮食品种为黑垦鉴豆10号大豆，样品的水分含量均低于安全水分上线。
通过试验采集的大豆水分数据与后级线圈接收的信号幅值数据，经SPSS拟合后存在如图3所示关系。
由SPSS对数据拟合回归后，得出含水率与幅值的数学模型，经F检验发现二次曲线模型精度更高，如表1所示。因此可得出大豆含水率M同幅值A的二次关系式如下：M=1.500-0.540+0.050（8）
3 模型评价
通过以上装置测量的大豆的水分同标准的烘干法相比较，该装置在高水分阶段测量误差较大最大可达2.5%，水分越低精度越高，最小误差为0.4%。可满足农业上对粮食水分的测量要求。
（责任编辑：刘昀）
摘 要 目前，国内外生产粮食水分检测设备造价成本太高，水分数据测量需花费较长时间，无法满足现代化农业发展的需要。而利用高频电磁波信号在有耗媒介中的传播特性设计的粮食水分测量装置，具有测量速度快速、穿透力强、造价费用低等优点。
关键词 水分检测；传播特性；测量装置
中图分类号：S237 文献标志码：A 文章编号：1673-890X(2014)06-057-02
粮食水分的时时监测对粮食储藏、运输、加工具有极其重要的作用，目前国内外科研人员对水分的测量方法主要包括电阻法、干燥法、电容法和中子法等方法。不同的测量方法有各自的特点和局限性。
设计的粮食水分测量装置主要是利用高频信号在含水谷物中传播特点，依据谷物中水的介电常数远高于粮食中的淀粉、蛋白质等干物质，而电磁波的衰减主要受介电常数的影响。因此，电磁波在不同含水率的粮食中的衰减程度是不一样。通过检测衰减后的波形幅度并建立粮食水分与衰减幅值之间的数学关系模型，即可得出谷物水分含量。
1 试验装置设计原理
谷物中的水主要是以游离水形式存在，在电磁波段水的介电常数较粮食干物质大很多，电磁波经过谷物时，能量损耗主要是由游离水造成的。水分含量的多少决定能量的衰减程度，通过检测衰减后的信号发掘出水分含量与信号衰减之间的关系。实验装置示意图和实物图如图1所示。
在桶形绝缘腔体两侧分别缠绕线圈，其中上半部分线圈承载电磁波发射电路产生的正弦电波信号，下半部分线圈耦合接收上半线圈发射过来的电磁波信号。当腔体内有谷物流经通过时，发射的电磁波穿透谷物时因游离水的存在而发生幅值上的衰减，信号接收线圈能够接收衰减后的电磁波信号，在经过采样保持电路，能够精确的测量出衰减后的信号幅值。
谷物中游离态的水分，在高频状态下其介电常数为复数。由电磁场理论分析可得，电磁场随时间按照正弦规律变换，则其对应的麦克斯韦方程可改写成复数的。
（1）
上式中的为有耗介质复介电常数，为传导电流。
电磁波在有耗介质中的传播的一维波动方程如下：
（2）
（3）
设（，为常数）方程变换可得：
（4）
（5）
以上方程变换可得：
（6）
（7）
通过解方程发现衰减系数直接影响场量幅值上的衰减，而衰减系数则能引起相位改变。
由于粮食内部游离水的存在导致电导率不为0，在电磁波穿透谷物时将会引起传导电流，此时电磁波将会出现能量衰减，主要体现在幅值的减少及相位的变化。电磁波在有耗媒质中的传播波形如图2所示。
所采用的利用高频电磁波透射衰减法检测粮食水分含量的原理：粮食中的游离水能够吸收高频电磁波能量，造成能量衰减，衰减的程度与含水率的高低有关。信号的幅值变化直接反映了电磁波能量的变化，利用后级接收线圈接收到的幅值通过采样保持电路可精确的得出衰减后的信号幅值。由此建立出含水率与幅值的数学关系式。
2 粮食水分测量实验
为确保试验的数据精确可靠，试验在实验室较理想的环境下进行，室内温度和湿度均控制在一定的范围内。试验中发射的电磁波频率40 MHZ，功率控制为20 dBm。本次试验中所采用的粮食品种为黑垦鉴豆10号大豆，样品的水分含量均低于安全水分上线。
通过试验采集的大豆水分数据与后级线圈接收的信号幅值数据，经SPSS拟合后存在如图3所示关系。
由SPSS对数据拟合回归后，得出含水率与幅值的数学模型，经F检验发现二次曲线模型精度更高，如表1所示。因此可得出大豆含水率M同幅值A的二次关系式如下：M=1.500-0.540+0.050（8）
3 模型评价
通过以上装置测量的大豆的水分同标准的烘干法相比较，该装置在高水分阶段测量误差较大最大可达2.5%，水分越低精度越高，最小误差为0.4%。可满足农业上对粮食水分的测量要求。
（责任编辑：刘昀）
