基于微波透-反射式含水率检测装置设计方法研究

杨旭杰 吴斯鹏 杨建萍 胡伟才

摘 要：为实现微波法测量固态物料的水分，本文将微波空间波透-反射式技术引入固态物料含水率检测中。本文首先确定微波的功率衰减、相位变化、谐振频率、介电常数等有效参数及其相互关系。通过熟悉微波信号空间传输形式，开发设计出信号源、隔离器等主要部件，并确定各部件的加工工艺、結构形状和具体尺寸，从而设计出固态物料微波透-反射式含水率最优检测装置，有助于保持检测技术的先进性，提高科技水平，增强检测技术综合竞争力。

关键词：固态物料;含水率;微波技术;混频检波

中图分类号：TM937文献标识码：A

在对公路水运工程进行设计、施工、监理、验收、养护、维修等各个环节时，要进行试验检测。含水率是公路水运检测基础参数之一，与混合料的级配设计、土的强度、渗透特性、材料的性能等息息相关[1]。传统的烘箱法对于固态物料含水率的检测，不仅耗时长并且能耗低，微波空间波法则能够实现非接触和快速测量，其测量精度很高。

本文从微波空间波法出发，为了更加准确地测量固态物料的含水量，将透射式与反射式含水率检测方法相结合，通过相关微波仿真测试及具体应用实验，确定微波的功率衰减、相位变化和谐振频率等多个有效参数及其相互关系。通过试验，开发设计出信号处理电路模块、微波谐振腔和传感器等主要部件，并对产品寿命及稳定性进行实验，确定各部件的材料、加工工艺、结构形状和具体尺寸，从而设计出固态物料微波透-反射式含水率最优检测装置。

1 微波法含水率测量原理

由于液态水和干的固体物料之间的介电常数相差悬殊，所以固态物料中水分含量的变化会对其介电常数产生较为显著的影响，因此通过测量与物料相互作用后的微波的功率衰减、相位变化、谐振频率等相关介电常数的物理量，就能间接得到物料的含水率[4]。

2 微波透-反射式含水率检测装置的重要组成单元

2.1 整体结构简介

微波透-反射式含水率检测装置的整体设计结构如图1所示。

装置中信号作用流程为：信号源产生微波振荡信号，在经过隔离器隔离后传输到衰减器，经过功率的调制后将微波通过微波收发模块传输，再通过微波收发天线使其发出。在信号与被测物料发生相互作用后，将信号通过微波收发天线和微波接收天线进行接收，再将微波收发天线接收到的反射信号经过微波收发模块中的混频器滤出含有物料水分信息的反射波，经过反射信号处理模块后再输入信号处理电路模块中进行计算;微波接收天线接收到的透射信号会首先通过微波检波波导，再输入到透射信号处理模块进行处理，最后经过信号处理电路模块进行计算。在显示模块中便可以得到被测物料含水率的数值。

2.2 微波信号源

微波信号源的功用是发射初始微波信号，在整个检测系统中微波信号源起到了至关重要的作用。将微波半导体器件作为微波振荡源，利用体效应管振荡器产生微波振荡，并且放在波导腔体内部产生谐振，从而激励微波信号进行输出。体效应管在微波波导腔体中作为单管波导振荡器的一种安装方式如图2所示。

2.3 隔离器

隔离器又可以称为单向器，它使得电磁波只能够沿单方向传播，以减小干扰，保证信号稳定。当微波从一个端口传递另一个端口时，处于正向的微波衰减很小，而对于反向传播的微波则会产生较大的衰减作用。本研究中采用了如图3所示的射频微波同轴隔离器。

2.4 衰减器

功率衰减器是可以对输入信号的能量产生损耗的一种微波元件。本研究中采用了一种射频微波同轴固定衰减器。其频率范围为DC-26GHz，衰减值为20dB，平均功率为2W。

2.5 微波收发模块

微波收发模块中含有微波收发波导、混频二极管。该模块不仅可以将微波信号传递给被测物料，同时可以接收来自被测物料的反射信号，以进行下一步的处理。

2.6 微波天线设计

微波天线在微波系统中主要是负责发射和接收微波的装置。在本文的检测装置中采用的是矩形波导喇叭天线，如图4所示。

本设计中所使用的微波透-反射含水率检测装置喇叭天线为A=56mm，B=45mm，微波频率为10GHz，λ0=3cm，则增益G=13dB。

2.7 微波检波波导

利用微波检波波导可以对调幅的微波信号进行解调，从而实现微波的频率变换，输出被测量微波信号的包络信号。

根据不同含水率的物料在微波的频率下的介电常数都不相同，在实际对物料含水率的检测中，将经过检波电路后输出的微波幅值再次经过低通滤波器，使其最后输出的为准直流的信号，所输出的不同幅值的信号就可以计算出所测物料的含水率。

2.8 透反射信号处理模块

反射和透射信号在经过一系列的信号处理之后，输出具有含水率信息在内的微波信号，所需含水率的信息位于频率最低的中频信号段。因此需要对输出的信号进行一定程度的整流滤波，从而过滤掉高频信号。

整流滤波电路如图5所示。

2.9 总体实验

为了进行含水率检测的实验研究，选择喇叭天线和Mosye公司的MS-590设备，利用不同浸水程度的木材为实验对象，实验方案如图6所示。

将实验对象放置在中间位置，测得含水率结果后，再利用烘干法检测木材的实际含水率。二者结果进行对比后发现，实际含水率与本实验的结果十分接近，误差在5%以内，但实验的精确度仍有进一步提升的空间。因此，在精度满足要求的情况下，微波透-反射检测含水率具有实时性检测的优势。

3 结论

将微波空间波透-反射式技术引入固态物料含水率检测中。首先确定微波的功率衰减、相位变化、介电常数等有效参数及其相互关系。进一步分析微波信号空间传输形式，开发设计出信号源、隔离器等主要部件，并确定各部件的加工工艺、结构形状和具体尺寸，从而设计出固态物料微波透-反射式含水率最优检测装置。

经计算分析后，将微波透-反射含水率的检测装置中的主要数据确定为：输出的微波频率为10GHz，喇叭天线的设计尺寸为56*45mm，微波波长为3cm，增益为13dB。

微波透-反射法检测固态物料的含水率的技术，能够实现固态物料含水率的无损在线测量，有助于保持当前含水率检测技术的先进性，增强检测技术的综合竞争力。

参考文献：

[1]缪龙超.公路水运工程试验检测的可持续发展[J].四川水泥，2019（10）：56-57.

[2]李陈孝.微波空间波技术材料含水率检测方法及装置的研究[D].吉林大学，2015.

[3]张永攀.微波透射法在线测量原油含水实验装置研究[D].大庆石油学院，2009.

[4]赵晶，黄操军，李博识.谷物含水率检测方法综述[J].农业科技与信息，2018（16）：46-49.

[5]张伟，杨刚，雷军波，刘成良，陶建峰，覃程锦.基于微波反射法的谷物含水率在线检测装置研制[J].农业工程学报，2019，35（23）：21-28.

[6]Naseh S，Rezaei M，Ebrahimi E，et al.A new 1.4-GHz soil moisture sensor[J].Measurement，2012，45（7）：1723-1728.