基于微波的粮食水分检测系统设计
李兴宁+刘荣进++陈震++王书杰++刘永胜
摘 要：粮食水分微波检测是一种新的无损测量方法，检测精度高、稳定性好、对环境的敏感性小、测量范围广，可联机数字化、可视化。该文针对粮食水分检测的特点和要求，分析了粮食水分微波测量模型，阐述了粮食水分微波检测系统的基本组成，并给出了粮食水分微波检测系统硬件软件的设计构造以及相关技术分析。微波粮食水分检测技术能广泛应用于茶叶、卷烟、药材等物料含水量的检测，具有巨大的社会效益和广阔的应用前景。
关键词：粮食水分 分析 微波 检测
中图分类号：S375 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）06（c）-0073-02
粮食水分含量是粮食储藏安全的一个重要质量指标，及时掌握粮食水分可以预防由于含水量过高而引起的粮食霉变。粮食水分检测的传统方法主要有电容法、电阻法和近红外法等方法。电容法测量的成本低、结构简单，但受粮食的品种、温度、密度等影响较大，测量的精度不高，稳定性较差。电阻法粮食水分测量仪价格便宜、结构简单；缺点是取样要求高，信号强度低，传感器与粮食接触状态会影响测量精度，不宜用于微含水和高含水量的测定。近红外法为非接触式测量，无需进行预处理，测量速度快、适用范围广；缺点是粮食形状大小、密度高低和环境温度等因素对测量结果均有影响[1]。与传统方法相比，粮食水分微波检测方法对环境的敏感性较小，它能实现无损、非介入式、在线连续粮食水分快速检测。微波的穿透能力很强，它所检测的不只是粮食表面的水分，而是粮食整体内部的水分含量。
1 粮食水分微波测量模型
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[2]：
式中，M为相对水分含量；αB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；|τ|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：
由上式可知，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[3]。
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：
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。
2 微波水分检测系统设计
该设计从用户对粮食水分检测等要求出发，在分析研究基础上，利用微波发生器、隔离器、检波器、检测控制器等对粮食水分微波检测系统进行了设计，系统整体方案设计如图1所示。
微波发生器的工作频率是9.5 GHz，采取透射式测量方法布置微波传感器，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[4]。检波器输入的是微波信号，输出的为电信号。检测控制器将所测得的信号通过串行总线与微机进行数据传输。微机分析处理测量数据并实时输出显示当前粮食的水分含量。变换粮食品种时，一般是采用水分标定、设置系统参数的方法进行校正处理。
粮食水分微波检测在一定程度上受到取样位置、温度、气压等外界因素的影响，也存在零漂的问题。通过测量前对粮食物料的预处理，测量中的温度补偿和测量后的相关处理，可以取得粮食水分含量与微波检测信号的理想线性关系，从而提高粮食水分的检测精度[5]。研究表明，微波可以全量程检测水分含量，实际应用中比较理想的检测范围是5%～35%，测量准确度可达到±0.5%以内。
2.1 硬件设计
粮食水分检测控制器是硬件设计的核心部分，它由微控制器、放大滤波电路、模数转换器、接口总线、键盘和LCD显示等电路组成，如图2所示。微波信号由传感器输出，经放大滤波电路整形放大后转换为数字信号，微控制器通过放大电路调整其测量灵敏度。键盘可以进行控制器参数设置、水分标定等操作。CAN为控制器级联接口，串行接口可与上位机交换数据。最终在LCD上实时显示粮食水分结果数据。
测量系统的水分检测精度和范围主要取决于对微波传感器模拟信号的处理。微控制器采用外围接口丰富、抗干扰能力强的低功耗处理器。为保证采样的准确性，A/D转换器应具有采样自校正功能以及较高的检测精度，并且能够通过数据接口向微控制器传输数据。微波信号放大滤波电路的放大倍数可在线调节，以提高系统的水分检测范围。为防止外部电磁干扰，系统内部电路与外部设备接口进行光电隔离，以提高系统工作可靠性。
2.2 软件设计
粮食水分微波检测系统软件包括采集信号、标定推算粮食含水量、调节测量灵敏度及输出显示等模塊。通过识别采样微波信号大小，自动调整信号的放大倍数，实现系统灵敏度调节模块功能，提高系统鲁棒性。
图3为软件设计流程，在初次测量或者更换所检测的粮食种类时，首先要对粮食水分微波检测系统进行系统参数设置和水分标定。系统执行初始化后，进行信号采集、大小排序、加权平均等运算拟合处理采样数据。根据系统设定参数、环境温度、气压和数据平滑处理的结果，再由线性匹配算法计算所测粮食的水分含量并实时显示。
3 结语
微波粮食水分测量系统结构紧凑、性能可靠，测量信号可以联机数字化、可视化，容易实现粮食水分的快速测定。微波水分检测技术能广泛应用于茶叶、卷烟、药材等物料含水量的检测，具有巨大的社会效益和广阔的应用前景。
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.
