基于微波同軸諧振腔物料水分測量若干關鍵技術研究.pdf

1、水分是影響農(nóng)作物、食品和礦物等產(chǎn)品品質的根本因素之一。無論是在實驗室還是在生產(chǎn)線上，只有通過準確而快速的水分測量才能確定干燥系統(tǒng)、復烤機、加濕機、壓力機和碾磨機的控制或調整，從而達到最佳的生產(chǎn)工藝。因此快速、準確地測量物料水分成為相關領域亟待解決的問題。傳統(tǒng)的微波透射法，由于其微波耦合到自由空間，測量易受到外界干擾，測量精度很難再有實質性提高。而以同軸諧振腔作為測量物料水分的傳感器，則由于將被測物料置于腔體內部，不適合工業(yè)在線測量的應用

2、。因此，有必要研制一種以開路同軸諧振腔作為傳感器的測量系統(tǒng)，實現(xiàn)快速、高精度的測量，并使用特殊的算法實現(xiàn)測量不受物料密度變化的影響。
　　本課題中利用諧振腔作為傳感器對物料水分進行測量，同時結合相關的理論、方法和關鍵技術進行深入研究，主要工作如下：
　　首先，通過系統(tǒng)分析國內外微波法物料水分測量技術的發(fā)展現(xiàn)狀，指出高精度、快速的物料水分測量已經(jīng)成為相關生產(chǎn)加工領域面臨的主要問題；在分析現(xiàn)有水分測量方法的基礎上，指出紅外法、自

3、由空間微波法在水分測量中存在的不足。本文提出了開路同軸諧振腔水分傳感器的方案及基于混合物介電常數(shù)模型的與密度無關算法，能夠有效地解決以上問題。
　　提出了一種基于同軸諧振腔微擾原理的諧振微波傳感模型，從諧振腔微擾原理出發(fā)，利用時域有限差分法（FDTD）對諧振腔空間進行網(wǎng)格劃分并求解，建立了諧振腔傳感模型。以該模型為基礎，系統(tǒng)分析了傳感器和物料作用后的內外電磁場分布、諧振腔空載諧振頻率及開口保護蓋材質對測量精度的影響，并給出了諧振腔

4、傳感器應用于在線測量的安裝方法和相應的物料傳送結構。仿真結果表明：選擇2.45GHz作為諧振頻率可以較好地平衡測量非線性和分辨力兩個因素；開口保護蓋的材質影響測量分辨力。
　　通過分析現(xiàn)有各種與密度無關算法原理和存在的問題，提出一種與物料介電常數(shù)直接相關的與密度無關算法。深入研究了導體顆粒分散體系的Maxwell-Garnett理論，建立了含水物料的固—液—氣三相混合物介電常數(shù)模型，并指出三相混合物介電常數(shù)模型可以用體積比加權的單

5、相介電常數(shù)求和近似表示。在此模型的基礎上，從基于體積比的物料水分定義出發(fā)，推導了廣泛適用且獨立于物料密度的水分計算方程，并給出了對于不同種類物料水分測量的補償策略。該模型為含水混合物介電常數(shù)研究提供了基礎理論模型和一種簡化方法。實驗表明：該方法在0～25％的水分范圍內適用。
　　設計了快速、高精度的諧振參量測量系統(tǒng)，并多次采用差分的方法，以確保測量系統(tǒng)不受微波信號源穩(wěn)定度的影響。設計了基于DDS和鎖相倍頻的可調高穩(wěn)定度微波源，分析

6、了影響振蕩器、耦合器及混頻模塊性能的各種因素。通過研究窄帶諧振腔諧振特性，使用洛侖茲法對諧振曲線進行化簡，設計了九點掃頻的諧振參數(shù)快速測量方法。實驗表明：單次測量時間小于1s。
　　最后，研究了實驗樣品的制備過程。對同軸開路諧振腔水分傳感器的穩(wěn)定性、分辨力和重復性進行了實驗研究。通過實驗分析了諧振參數(shù)檢測電路的性能，對本文提出的與密度無關算法進行了驗證性實驗。實驗表明：傳感器水分測量分辨力為1.3%，水分測量系統(tǒng)的最大偏差為0.6