基于微波同軸諧振腔物料水分測(cè)量若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、水分是影響農(nóng)作物、食品和礦物等產(chǎn)品品質(zhì)的根本因素之一。無(wú)論是在實(shí)驗(yàn)室還是在生產(chǎn)線上，只有通過(guò)準(zhǔn)確而快速的水分測(cè)量才能確定干燥系統(tǒng)、復(fù)烤機(jī)、加濕機(jī)、壓力機(jī)和碾磨機(jī)的控制或調(diào)整，從而達(dá)到最佳的生產(chǎn)工藝。因此快速、準(zhǔn)確地測(cè)量物料水分成為相關(guān)領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的微波透射法，由于其微波耦合到自由空間，測(cè)量易受到外界干擾，測(cè)量精度很難再有實(shí)質(zhì)性提高。而以同軸諧振腔作為測(cè)量物料水分的傳感器，則由于將被測(cè)物料置于腔體內(nèi)部，不適合工業(yè)在線測(cè)量的應(yīng)用

2、。因此，有必要研制一種以開(kāi)路同軸諧振腔作為傳感器的測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速、高精度的測(cè)量，并使用特殊的算法實(shí)現(xiàn)測(cè)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(duì)物料水分進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)結(jié)合相關(guān)的理論、方法和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，主要工作如下：
　　首先，通過(guò)系統(tǒng)分析國(guó)內(nèi)外微波法物料水分測(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，指出高精度、快速的物料水分測(cè)量已經(jīng)成為相關(guān)生產(chǎn)加工領(lǐng)域面臨的主要問(wèn)題；在分析現(xiàn)有水分測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，指出紅外法、自

3、由空間微波法在水分測(cè)量中存在的不足。本文提出了開(kāi)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(wú)關(guān)算法，能夠有效地解決以上問(wèn)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(shí)域有限差分法（FDTD）對(duì)諧振腔空間進(jìn)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(chǔ)，系統(tǒng)分析了傳感器和物料作用后的內(nèi)外電磁場(chǎng)分布、諧振腔空載諧振頻率及開(kāi)口保護(hù)蓋材質(zhì)對(duì)測(cè)量精度的影響，并給出了諧振腔

4、傳感器應(yīng)用于在線測(cè)量的安裝方法和相應(yīng)的物料傳送結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明：選擇2.45GHz作為諧振頻率可以較好地平衡測(cè)量非線性和分辨力兩個(gè)因素；開(kāi)口保護(hù)蓋的材質(zhì)影響測(cè)量分辨力。
　　通過(guò)分析現(xiàn)有各種與密度無(wú)關(guān)算法原理和存在的問(wèn)題，提出一種與物料介電常數(shù)直接相關(guān)的與密度無(wú)關(guān)算法。深入研究了導(dǎo)體顆粒分散體系的Maxwell-Garnett理論，建立了含水物料的固—液—?dú)馊嗷旌衔锝殡姵?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(quán)的單

5、相介電常數(shù)求和近似表示。在此模型的基礎(chǔ)上，從基于體積比的物料水分定義出發(fā)，推導(dǎo)了廣泛適用且獨(dú)立于物料密度的水分計(jì)算方程，并給出了對(duì)于不同種類物料水分測(cè)量的補(bǔ)償策略。該模型為含水混合物介電常數(shù)研究提供了基礎(chǔ)理論模型和一種簡(jiǎn)化方法。實(shí)驗(yàn)表明：該方法在0～25％的水分范圍內(nèi)適用。
　　設(shè)計(jì)了快速、高精度的諧振參量測(cè)量系統(tǒng)，并多次采用差分的方法，以確保測(cè)量系統(tǒng)不受微波信號(hào)源穩(wěn)定度的影響。設(shè)計(jì)了基于DDS和鎖相倍頻的可調(diào)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(guò)研究窄帶諧振腔諧振特性，使用洛侖茲法對(duì)諧振曲線進(jìn)行化簡(jiǎn)，設(shè)計(jì)了九點(diǎn)掃頻的諧振參數(shù)快速測(cè)量方法。實(shí)驗(yàn)表明：?jiǎn)未螠y(cè)量時(shí)間小于1s。
　　最后，研究了實(shí)驗(yàn)樣品的制備過(guò)程。對(duì)同軸開(kāi)路諧振腔水分傳感器的穩(wěn)定性、分辨力和重復(fù)性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了諧振參數(shù)檢測(cè)電路的性能，對(duì)本文提出的與密度無(wú)關(guān)算法進(jìn)行了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明：傳感器水分測(cè)量分辨力為1.3%，水分測(cè)量系統(tǒng)的最大偏差為0.6