粮食水分微波检测方法的研究

李兴宁　刘荣进　陈震　王书杰　刘永胜

摘 要：粮食水分含量是收购、存储、加工等过程中的重要参考指标，微波水分检测是非介入、无损、快速、准确的测量方法，具有检测精度高、稳定性好、对环境的敏感性小、测量范围广以及方便进行在线动态检测等特点，成为一种现代水分检测技术的主要发展方向。该文对微波特性和粮食水分微波测定方法以及各自的特点进行了深入分析，阐述了粮食水分微波测量模型，为从事粮食水分微波检测研究提供理论依据。

关键词：粮食水分 微波 分析 检测方法

中图分类号：TS207 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）06（b）-0055-02

微波水分检测是一项新的无损检测技术，它具有检测精度高、稳定性好、对环境的敏感性小、测量范围广以及方便进行在线动态检测等优点。作为一种高频电磁波，微波的穿透性很強，它能够在无损的情况下对粮食内部的水分含量进行检测，基于微波的粮食水分测量技术正在逐步取代取样要求高、适应性差、测量惯性大的电阻和电容方法，成为一种现代水分检测技术的主要发展方向。

1 水分检测技术

微波的频率为300 MHz～300 GHz，是无线电波中波长最短的波段，微波的基本性质通常呈现为反射、穿透和吸收。微波水分检测技术是基于微波作用于含水物料所引起的幅度、频率或相位的变化数据，对物料水分含量进行推算，也就是研究微波和粮食的互相作用，以及非电量与物料介电常数之间存在的函数关系，通过检测微波信号基本参数的变化量，对物料内部非电物理量进行推算。检测对象不同，微波水分检测原理稍有差异。微波水分检测方法主要是反射法、透射法、腔体微扰法[1]。

微波透射方法是基于微波电场强度的衰减规律与微波场中物料水分子的极化损耗密切相关的原理，检测微波参数所发生的变化或者系统发射波的能量的变化，通过微波水分检测的数学模型计算物料的水分含量。微波反射方法也是根据微波对粮食物料的相互作用，利用被粮食物料反射的微波能量的大小，通过相关处理、转换电路把反射信号转换成粮食含水量。谐振腔微扰法则是利用含水粮食物料介电特性与传输系数和频率偏移的变化关系，推算出微波谐振腔内粮食物料的水分含量。

散体粮食水分测量一般采用微波透射式和微波反射式，针对散体粮食水分检测，以下给出透射式和反射式微波水分检测系统的结构原理。

1.1 透射式微波水分检测技术

图1给出透射式微波水分检测系统原理。微波发生器选用工作频率为9 513 MHz的小型固态信号发生器，具有体积小、重量轻、品质因数高、温度特性好等优点[2]。隔离器可以无衰减或衰减很小地通过正向传输的微波，而对于反向传输的微波则有较大衰减。隔离器的作用可以吸收去除与负载不匹配所产生的微波反射，防止微波信号源受到反射波干扰，使信号测量系统工作稳定。吸收式衰减器为一段波导，内有吸收片，可以调节功率衰减量的大小，其功能是用来调节测量系统中的功率电平等级。微波传感器有发射器和接收器，通常使用喇叭形天线，微波传感器主要性能指标有抗干扰能力和边缘效应。调制的微波信号通过检波器后，进行滤波选频和功率放大，以保证其测量范围和测量精度，最后显示所测粮食物料的水分含量。

透射式微波水分测量取样容器宽度要防止为1/4微波波长的整数倍，制作测量取样容器的材料一定要具有较小的介质损耗[3]。采用透射法检测的参数，既可以一个，也可以两个。单参数检测受粮食密度影响较大，但其信号处理和电路实现相对简单；而双参数检测方法对传感器件、硬件电路设计要求较高。粮食微波水分检测系统一般采取单参量检测方法，通过补偿修正，减小和控制粮食密度的影响。

1.2 反射式微波水分检测技术

反射式微波水分检测对粮食取样的要求较高，粮食物料必须堆积均匀，并且厚度适当，主要用于高含水粮食水分测量，图2给出反射式微波水分检测系统的结构原理。

微波发生器的工作频率调整到9.5 GHz，微波能量经过隔离器是使微波信号源工作稳定。通过微波功率电平等级的转换和调配，微波信号送至喇叭型微波传感器。当喇叭形天线将电磁波传输到被测物料时，被测物料将反射一部分微波能量，这时微波能量反射波经由微波天线和调配器以及环流器传送到微波检波器，最后把微波反射信号电压转换成粮食的水分百分比，由显示器显示。此时，显示的粮食含水量大小与反射波的能量大小之间存在函数关系。

2 微波水分测量模型

微波水分测量是基于粮食对微波能量的反射、吸收或谐振腔谐振频率等参数随粮食水分变化的规律，粮食水分测量所用微波的频率区域是9～10 GHz，这个波段微波的特性是对粮食物料成分不太敏感，穿透率较弱。根据电磁能量关系，微波能量在粮食物料中的衰减量（dB）为[4]：

W （1）

式中，M为相对水分含量；为水的衰减系数；ρ为密度因素；t 为被测物料厚度；k 为材质因素；B 为含水物质的相数；为空气-被测物料之间反射系数的模。当t 取值足够大时，可以演算得到微波衰减传感器水分检测的测量模型，即被测粮食的相对水分含量：

M （2）

由式（2）可知，被测粮食物料的密度ρ及材质k与粮食水分含量的测量值有关，不同的粮食品种和成分将会影响测量结果。一般采用机械方式对物料进行恒压整理，以消除物料密度变化的影响；不同粮食种类的影响，需要通过品种标定方式消除。另一种消除被测物料属性影响的方式是实时检测在线粮食物料流量，在数据处理电路中进行修正。

同时检测微波在粮食物料中传播的相位移和衰减量的双参数检测方法是通过双测量信号的融合处理，就能够进行粮食水分含量的“密度不相关”检测[5]。

研究表明，9.5 GHz频率的平面波通过厚度为t、密度为ρ的粮食层传播时，微波的衰减量为A，相位移为Φ。结果显示，相位移为和衰减量两个参数大体上与粮食含水量呈线性关系。而且，当单位厚度的衰减量和相位移除以相应含水率的粮食层密度时，含水量M和这些参量仍表现为线性关系，通过两个线性关系模型去除密度变量，即可得到与物料堆密度不相关的粮食水分测量模型：

M=（dA-bΦ）/（aΦ-cA） （3）

通过标准标定方法，可以得到上式中相应谷物的回归系数a、b、c、d。

3 结语

粮食水分微波检测是非介入、无损、快速、准确的测量方法，测量信号可以联机数字化、可视化，容易实现粮食水分的连续测定。微波测量技术不仅提供了很好地穿透深度测量，而且可在相对恶劣环境条件下实施检测，尤其适合在特殊工艺环境中进行在线水分测量。

参考文献

[1] 张永林，李诗龙，许晓云.微波水分检测及其在小麦着水装置中的应用[J].粮食与饲料工业，2003（11）：7-8.

[2] 杜先锋，张胜全，张永林.基于微波的粮食水分检测技术与系统[J].武汉工业学院学报，2004（6）：32-34.

[3] 伟利国，张小超.基于微波的粮食水分检测系统设计[J].电子设计工程，2010（4）：1-3.

[4] 张小超，伟利国.微波在线式粮食水分检测系统[J].农机化研究，2009（6）：145-147.

[5] 吴伟民，战双城.粮食水分检测技术分析[J].科技创新与应用，2014（26）：299-300.