基于微波谐振腔介电常数检测的棉花杂质分析系统设计

■周斯尧 戴志芳 李娟

〔湖北省纤维检验局，湖北武汉430000〕

基于微波谐振腔介电常数检测的棉花杂质分析系统设计

■周斯尧 戴志芳 李娟

〔湖北省纤维检验局，湖北武汉430000〕

目前国内外测量棉花含杂率原理主要分为两种：第一种是根据空气动力学原理，利用气流与高速机械部件的相互作用将杂质与棉纤维分离，然后称重得出含杂率。采用此原理的常见仪器有Y101、YG402等；另一种就是采用图像分析法，也是HVI大容量测试仪所采用的方法。该方法无需对棉样进行梳理，只需要用摄像头获取棉样表面的图像，再利用计算机软件进行图像分析，得到杂质数据。

Y101是常见的杂质分析仪器，其主要优点是能够直接分析出棉花中的杂质从而计算出杂质含量，但其缺点就是测试时间过长，由于无法满足现代大批量的检测所需求的快速测试，因此使用受到很大的限制。

第二种图像分析法的最大优点就是能够方便、快速地给出杂质含量，且试样量较大，样品可以留存。但由于其只分析棉花表面图像，因此棉花内部不规则杂质分布必然会对检测结果产生影响，准确度上不如Ｙ101分析仪。

目前，国内检测含杂率的标准以及方法还是采用Y101进行测试，并作为其他检测方法的基准和参照。从Y101、YG402到HVI、AFIS的发展也是适应了大容量快速测试这一要求。与此同时，国际上含杂率测量仪器的发展也分为两个方向，一个方向类似于HVI，可对原棉快速、准确、大批量检测；另一个方向就是在Y101的基础上继续小型化。

那么，若能有台设备既能达到Y101的精确分析标准，又能结合HVI的图像分析法实现的快速、准确、大批量检测，那么这台仪器的诞生，对于棉花含杂率的检测将起到深远的意义。

针对现有棉花杂质检测系统的缺陷，利用不同棉花内部常见杂质的介电常数各不相同的特性，我们基于微波检测的棉花杂质检测系统进行开发设计。当棉花通过微波扫描头进行谐振检测时，若棉花中有杂质存在，将会引起微波谐振腔的谐振频率和幅度的变化，分析这些变化就可以准确判断棉花中是否含有杂质，并检测出杂质的含量及成分，从而可以快速测量棉花的含杂率，提高出厂的棉花品质。

一、微波检测原理

微波作为一种特定频率的电磁波，使电磁场与介质内部的微观粒子相互作用，通过调节激励源的振荡频率使谐振腔与激励源信号达到谐振，从而获取表征介质材料的物理、生物特性的检测量（如密度、湿度、温度等参数）。当谐振腔内部分或全部填充其它非棉物质（介质材料）时，其谐振频率和谐振幅度会因非棉介质材料的介电常数不同、介质材料的多少与形状的不同而产生不同的变化。微波对于这种在谐振腔内不同的介质所产生的介电常数变化是十分敏感的。由于棉花的介电常数与杂质的介电常数有很大差别，因此，可以利用不同物质在微波谐振腔的谐振频率和谐振幅度不同，从而产生的微波信号也不同，分析其微波谐振幅频特性解析方法，可快速、精确地检测出棉花中杂质数量及杂质类型。

二、系统设计

本系统由微波谐振腔检测装置探测头、信号处理及控制电路、数据采集和处理计算机等几个部分组成。微波谐振腔检测装置探测头对含有杂质的棉花进行检测，将检测结果传送到控制系统、信号处理及控制电路对数据进行分析，并将含有杂质的棉花信号传送到计算机；计算机处理各方面传递过来的信息，从而实现对含杂质棉花的检测与剔除相同步的功能。

三、系统的主要技术特点

该技术可对棉花中的异物进行快速、准确、在线、非接触式无损检测。被测样品可留存，理论上完成一个检测流程在3 s以内。

采用了一套全新的微波介电常数谐振幅频特性的解析方法来精确地检别棉花内所携带的含杂率及成分，且识别率高，能检测出体积较小的杂质。

系统计算模块可做成单片机高速数据处理模块，使得样机体积大大减小，该系统理论设计大小为普通鞋盒大小。

四、应用效果

以下是使用微波谐振检测系统检出的含有不同杂质的一组照片：

图1　棉结

图2　僵片

图3　带纤维籽屑

图4　软籽表皮

图5　破籽、不孕籽

图6　索丝

五、结论

笔者采用上述模型，利用微波谐振腔对标准杂质校准样品进行了测试实验，从测试结果可以看出，得到的介电常数值及回波信号能充分地说明杂质的含量以及空间位置信息，证明此种方式测量含杂率是可行的。