专利名称：基于混频技术的反射式微波含水率测量装置的制作方法
技术领域：
本发明属于微波应用技术领域，具体涉及一种基于混频技术的反射式微波含水率
测量装置。
背景技术：
在工农业生产过程中，某些材料的含水率对产品的性能质量和生产效率有着非常重要的影响，这其中包括粮食、烟草、纸张、煤石、土壤、化肥、纺织、混凝土和石油等加工制造工业。物料含水率标准一般应用湿基法进行计算，即通过测量其干燥前与干燥后重量之差的比重来求得。而对于间接法测量，国内外主要有电阻法、电容法、中子法、微波法及红外法等，其特点、适用范围、测量精度等各不相同。在某些场合，要求在线无损测量物质的含水率，进而实现对整个生产工艺过程实行在线闭环控制，这就对湿度测量方法提出了更高的要求。微波检测技术是在微波电子学和微波测量技术等基础上发展起来的一门新技术，由于介质对微波有反射、透射、散射、谐振和多普勒效应等物理特性，可以通过空间辐射的方式与介质发生相互作用，测量过程中传感器可以不与被测物质接触，非常适合于在线无损检测。微波是频率极高的电磁波，在微波作用下，水偶极子频繁换向消耗大量电能，含水物质在微波场中这种极化损耗的特性，可通过其在微波场中的复合介电常数来表征。理论及实验研究表明，当微波通过含水物质时，由水分引起的微波能量的损耗远远大于其它干物质引起的损耗，物质中的含水量将显著的影响其介电常数，因此测量通过物质的微波的功率衰减、相位变化、谐振频率等与介电常数相关的物理量，便能间接测得该物质中含水量的多少。微波检测方法目前可分为空间波法、传输线法和谐振腔法，其中后两种方法适合于接触式测量，不宜在线测量。对于空间波法，根据微波与被测介质作用形式不同，可分透射式与反射式两种，其原理是通过测量微波与被测介质在空间作用后透射部分或反射部分振幅、相位大小及其变化，间接反映物料含水率大小。反射式微波测湿装置，由于其收发一体，易于安装，不受物料厚度影响等特点，便于应用于在线检测生产线上。目前国内外在反射式微波测湿传感器设计上，多采用发射与接收隔离式，即微波源与检波管之间经由隔离器、环形器等微波器件将微波源与反射回波信号隔离，单独进行检测。由于这种探头结构较复杂，易引入噪声，成本较高等缺点，限制了其大规模应用。基于国内外微波测湿的研究现状，本发明将微波发射波与反射波混频技术应用于测湿中，采用铝合金波导腔体振荡器，配合设计相应的收发喇叭天线和信号处理电路，研制出一种新型的基于混频技术的反射式微波测湿装置。其结构简明，易于操作，测量精度高、 范围广，抗干扰能力强，可实现在线无损连续测量，且成本较低，在工农业生产方面有着广阔的应用前景。

发明内容
本发明的目的是提供一种基于混频技术的反射式微波含水率测量装置。该装置将微波本振信号与被测物料反射的回波信号混频，混频信号经微波腔体振荡器内部电路低通滤波后输出中频信号，当微波本振信号与回波信号的频率相等时(即微波收发波导4与被测物料1位置相对固定时)，所得到的中频信号为包含被测物料水分信息的直流电信号，再对该直流混频电压信号进行电路上的后续处理，从而得到被测物料的水分含量。本发明所述的基于混频技术的反射式微波测含水率装置，由安装于不锈钢筒3内的喇叭状微波收发波导4、微波腔体振荡器6、固定于不锈钢筒3后座8内壁上的前置仪表放大电路板7、水分信号显示控制终端9组成；微波收发波导4通过螺环5安装在不锈钢筒 3的内壁上；微波腔体振荡器6通过螺丝安装在微波收发波导4的后端，用以产生相应测量频率的微波本振信号，并将被测物料1反射的回波信号与微波本振信号混频低通滤波后输出包含被测物料水分信息的直流混频电压信号；在不锈钢筒3的前端安装有陶瓷片2，陶瓷片2紧贴被测物料1以达到最高精确度；由微波腔体振荡器6输出的直流混频电压信号经前置仪表放大电路7放大后，传送至水分信号显示控制终端9，再对该直流混频电压信号进行电路上的后续处理，从而在水分信号显示控制终端9的液晶显示屏上显示被测物料的水分含量。水分信号显示控制终端9的前端面板处设有液晶显示屏、信号模式选择按键、模拟信号输出接口，前置仪表放大电路7放大的直流混频电压信号经水分信号显示控制终端 9的内部电路处理后，由液晶显示屏显示被测物料1含水率的数值，同时模拟信号输出接口输出与被测物料1含水率相关的电压或电流模拟信号。本发明装置的基本结构如

图1所示，图1(a)是本发明装置基本结构示意图，图 1(b)是装置外观示意图；1是被测物料，典型地可以是含有水的沙石、粮食、纸张、布匹等不含金属杂质的物料，2是圆形陶瓷片。微波收发波导4用来发射微波和接收反射回波，发射角及口径大小与微波发射频率及与被测物料距离相关。螺环5包括内螺环与外螺环两部分，为橡胶或塑料材料，内螺环用胶粘于微波收发波导4的外侧，外螺环用胶粘于不锈钢外壳3的内壁，内螺环与外螺环相互咬合。在设备调试阶段，根据测湿装置所应用的领域不同，需预先手动旋转内螺环，进而调节微波收发波导4与被测物料1间的距离，当确定微波收发波导4达到最佳测量灵敏度的位置后，用螺丝固定内外螺环，使微波收发波导4的位置固定。最佳灵敏度位置的确定方法，与传感器输出电压信号波形有关，将在后文微波混频原理中予以具体说明。具体的，本发明测湿装置的典型尺寸参数如下不锈钢筒3壁厚3 7mm，外径 75 120mm，陶瓷片2厚度4 10mm，直径70 IlOmm ；通过螺环5的旋转，微波收发波导 4的前后可调距离在10 50mm之间；螺环5内外螺环相咬合，外径70 110mm，螺环可调节长度为10 50mm，其设计尺寸与不锈钢筒直径匹配。微波收发波导4由合金材质或镀金属膜材质制作，其前端宽Dl为40mm 50mm， 高D2为30mm 40mm，长度为40mm 50mm间，后端尺寸与微波腔体振荡器6的尺寸相匹配；微波腔体振荡器6的宽Ll为22. 9mm,高L2为10. 2mm,产生的微波本征信号的频率为 10. 525GHz，功率为20mW，该微波腔体振荡器的直流激励电压为8V。图4中图(c)是实际应用中所采用的微波腔体振荡器6，图(d)是微波收发波导4的外观示意图。为了使微波设备工作稳定低成本，设计中选用浙江联信电子设备有限公司生产的微波腔体振荡器，实现微波本振信号的发射及回波信号的接收及混频输出，参数为 10GHz、20mW的系列腔体混频振荡器。此振荡器采用单端砷化镓负阻微波器件，实现频率稳定、谐波小、直流低电压供电。通过体效应管或雪崩管和波导谐振腔体的配合，把低压直流功率变换成微波射频功率。振荡器产生的微波的频率由振荡二极管、波导腔体、调节螺丝调节决定。输出功率和微波器件、波导腔体Q值有关，通过选择不同的腔体和器件，微波发射频率可在一定范围内调整，实现最佳测湿的工作条件。图4中，微波腔体振荡器6的各部分的功能如下10是微波起振和混频处理微带电路，贴于波导腔体内壁处，作用是为振荡二极管和混频二极管提供正常工作的电压偏置和匹配阻抗，并为混频输出提供低通滤波；11是混频二极管，贯穿放于谐振腔的端口处能有效接收来自微波收发波导4的回波信号；12是微波振荡二级管螺丝底座，其位于微波腔体振荡器中心部位，微波振荡二级管置于谐振腔内部；13是频率微调螺丝，具体振荡频率与矩形波导腔的长宽Li、L2选取有关；14是直流稳压模块及电源与信号的输入输出引线，由于微波器件为敏感元件，所以对电压的稳定性要求较高，8V的直流电压和参考地端由 (8V)、(GND)两线输入，混频信号由(Si)线输出，电源线与信号线接至前置仪表放大电路板 7的一端。本发明将微波混频技术应用于对物料水分湿度的检测中，具体混频原理说明如下图2是本振信号与回波信号混频原理图(本振信号即微波腔体振荡器发射的微波信号，回波信号即经由被测物料表面反射的微波)。其中队表示本振信号，振荡频率为ω。 Us为回波信号，频率为；E0为满足正常混频Q值所施加的直流偏置；Dl是肖特基混频二极管，电路中即是利用混频二极管Dl电压电流非线性特征，实现对本振信号与回波信号的混频输出；ZS、、分别为微波本振、回波信号在电路中的等效阻抗而为电路负载，其两端电压Utj为混频输出电压。本振信号与回波信号分别表示为Ul (t) =ULcos ω Lt(1)
权利要求
1.一种基于混频技术的反射式微波测含水率装置，其特征在于1)由安装于不锈钢筒(3)内的喇叭状微波收发波导G)、微波腔体振荡器(6)、固定于不锈钢筒(；3)后座(8)内壁上的前置仪表放大电路板(7)和设置在不锈钢筒(；3)外部的水分信号显示控制终端(9)组成；2)微波收发波导(4)通过螺环(5)安装在不锈钢筒(3)的内壁上；3)微波腔体振荡器(6)安装在微波收发波导(4)的后端，产生相应测量频率的微波本振信号，并将被测物料(1)反射的回波信号与微波本振信号混频低通滤波后输出包含被测物料水分信息的直流混频电压信号；4)在不锈钢筒(3)的前端安装有陶瓷片0)，陶瓷片(2)紧贴被测物料(1)以达到最高精确度；5)直流混频电压信号经前置仪表放大电路(7)放大后，传送至水分信号显示控制终端 (9)，再对该直流混频电压信号进行电路上的后续处理，从而在水分信号显示控制终端(9) 的液晶显示屏上显示被测物料的水分含量。
2.如权利要求1所述的一种基于混频技术的反射式微波测含水率装置，其特征在于1)信号输入水分信号显示控制终端(9)由供电模块(15)、继电器(16)、信号均值电路 (17)、AD转换器(18)、单片机(19)、模式选择控制按键(20)、液晶屏(21)、DA转换器02)、 输出模式选择电路组成；2)微波腔体振荡器(6)输出的直流混频电压信号经前置仪表放大器(7)调零放大后， 湿度信号被调制为幅值为O 5V变化的电压信号；此电压信号输入水分信号显示控制终端 (9)后，首先经过继电器(16)判断，此继电器由单片机(19)控制，单片机(19)根据模式选择控制按键OO)的不同输入，控制此继电器接通al端或a2端；经al端的电压信号直接送入AD转换器(18)，而经a2端的电压信号先经信号均值电路(17)，实现对湿度电压信号的均值处理后，再送入AD转换器(18)中进行信号数字量采集；3)单片机(19)读取经AD转换器(18)输出的数字信号后，按照O 5V的比例经内部定标运算后，转换为相应含水率数值，驱动并在液晶屏进行数字显示；4)数字信号经DA转换器02)后，以模拟电压信号的形式送入信号输出模式选择电路 (23)；单片机通过对控制按键OO)的检测，控制输出模式选择电路的输出方式为电压或电流模式；最终，由输出模式选择电路输出的电压或电流模拟信号。
3.如权利要求2所述的一种基于混频技术的反射式微波测含水率装置，其特征在于 所述的信号均值处理电路(17)，1)由信号分压电路模块M1，积分匹配电路模块M2和积分复位电路模块M3组成，其是先利用精密电阻分压的方式将输入信号降压，再采用慢积分方式对此信号进行随时间积分求和，最后通过单片机(19)对积分信号进行周期采样与复位，输出电压信号的平均值；2)信号分压电路模块M1，由固定电阻R6、可调电阻R5和放大器A2组成，经继电器(16) a2端的电压信号引入S1，S1接固定电阻R6的一端，固定电阻R6的另一端接可调电阻R5的一个固定端，可调电阻R5的另一固定端接地，可调电阻R5的调节端接放大器A2的正向输入端，放大器A2的负向输入端与放大器A2输出端相连，实现电压跟随功能；3)积分匹配电路模块M2，由电阻Rl、R2、R3、R4和放大器Al组成，信号分压电路模块 Ml模块中放大器A2的输出端连接至电阻R3的一端，R3另一端连接至放大器Al的正向输入端，电阻Rl跨接在放大器Al的负向输入端与放大器Al的输出端S3之间，电阻R2跨接在放大器Al的正向输入端与输出端S3之间，放大器Al的负向输入端接电阻R4的一端，电阻R4的另一端接地，由输出端S3输出地信号送至AD转换模块(18)；4)积分复位电路模块M3，由NPN型开关三极管Q1、积分电容Cl组成，NPN型开关三极管Ql的基极S2接单片机(19)脉冲信号发生端口，三极管Ql的发射极接在积分电容Cl的一端，同时接地，三极管Ql的集电极接在积分电容Cl的另一端，同时三极管Ql的集电极输出连接至积分匹配电路模块M2中放大器Al的正向输入端；5)电压信号经信号分压电路模块Ml降压后，信号在积分复位电路模块M3中电容Cl处进行积分，单片机(19)内部定时器所确定的积分时间IOs完成后，由单片机(19)控制AD 转换模块(18)在积分匹配电路模块M2的输出端S3进行数据采集，采集完成后，由单片机 (19)发出复位脉冲从端口 S2输入，使开关三极管Ql导通，实现对积分电容Cl的复位，下一个积分周期随即开始。
4.如权利要求3所述的一种基于混频技术的反射式微波测含水率装置，其特征在于 在电路Sl端输入3V直流电压信号，在S2端输入以IOS为周期的5V正向脉冲信号，脉宽 IOms,调节可调电阻R5，同时测量S3端口输出电压峰值，当S3输出电压极大值稳定在3V 时，确定可变电阻R5的位置，此时电路可以实现对IOs内连续输入的电压信号求平均值输出ο
5.如权利要求2所述的一种基于混频技术的反射式微波测含水率装置，其特征在于 模式选择控制按键00)设置在水分信号显示控制终端(9)的面板上，面板的左上方设置有液晶显示屏，显示物料含水率数值；显示屏的下方设置有Sig和GND两个接线柱，提供含水率信号的模拟输出；面板的右上端设置有“实时”、“均值”模式选择控制按键(20)，用来控制内部电路的采样处理模式，当相应按键按下时，内部电路会驱动位于按键上方的LED灯，使之点亮；面板的右下端设置有“4 20mA”、“0 5V”、“0 10V”模式选择控制按键^))， 用来控制含水率信号的输出模式，同样每个按键上方有LED灯指示当前装置的输出模式。
6.如权利要求5所述的一种基于混频技术的反射式微波测含水率装置，其特征在于 当模式选择控制按键00)为“实时”模式时，单片机(19)控制继电器(16)接通al端；当模式选择控制按键00)为“均值”模式时，单片机(19)控制继电器(16)接通a2端。
7.如权利要求1所述的一种基于混频技术的反射式微波测含水率装置，其特征在于 不锈钢筒(3)壁厚3 7mm，外径75 120mm，陶瓷片(2)厚度4 10mm，直径70 IlOmm ； 通过螺环(5)的旋转，微波收发波导(4)的前后可调距离在10 50mm之间；螺环(5)内外螺环相咬合，外径70 110mm，螺环可调节长度为10 50mm。
8.如权利要求1所述的一种基于混频技术的反射式微波测含水率装置，其特征在于 微波收发波导由合金材质或镀金属膜材质制作，其前端宽Dl为40mm 50mm，高D2 为30mm 40mm，长度为40mm 50mm间，后端尺寸与微波腔体振荡器(6)的尺寸相匹配； 微波腔体振荡器(6)的宽Ll为22. 9mm,高L2为10. 2mm，产生的微波本征信号的频率为 10. 525GHz，功率为20mW，微波腔体振荡器的直流激励电压为8V。
9.如权利要求1所述的一种基于混频技术的反射式微波测含水率装置，其特征在于 螺环( 包括内螺环与外螺环两部分，为橡胶或塑料材料，内螺环用胶粘于微波收发波导 (4)的外侧，外螺环用胶粘于不锈钢外壳(3)的内壁，内螺环与外螺环相互咬合。
全文摘要
本发明属于微波应用技术领域，具体涉及一种基于混频技术的反射式微波含水率测量装置。由安装于不锈钢筒内的喇叭状微波收发波导、微波腔体振荡器、固定于不锈钢筒后座内壁上的前置仪表放大电路板、水分信号显示控制终端组成。由微波腔体振荡器输出的直流混频电压信号经前置仪表放大电路放大后，传送至水分信号显示控制终端，再对该直流混频电压信号进行电路上的后续处理，从而在水分信号显示控制终端的液晶显示屏上显示被测物料的水分含量。本发明装置可以实现对粮食水分、混凝土湿度、烟草含水率、纺织化工品含水量等物料含水率的高精度无损伤测量，应用范围广。
文档编号G01N22/04GK102262096SQ20111010894
公开日2011年11月30日 申请日期2011年4月28日 优先权日2011年4月28日
发明者岳鑫隆, 张涛, 李陈孝, 韩冰 申请人:吉林大学