專利名稱：一種微波在線式糧食水分檢測裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及農業產品的自動檢測技術領域，特別是涉及針對微波在線式糧食水分
檢測系統中，由于糧食的品種與顆粒的形狀大小不同，對檢測結果的顯著影響而設計，采用輔助高頻信號幅值與相位差分檢測技術，以及密度補償算法，對微波水分檢測進行補償修正，解決糧食顆粒疏密程度的影響。
背景技術：
糧食水分含量影響糧食物理、化學和生物特性，是糧食品質的關鍵指標，直接影響糧食的收購、運輸、儲藏、加工貿易等過程。微波作為一種頻率非常高的電磁波具有很強的穿透性，它所檢測的不僅僅是糧食表面的水分，還能夠在無損的情況下檢測到糧食內部的水分含量。微波檢測機理是利用微波作用于物料產生幅值衰減等變化信息來推算物料的水分含量。由于糧食的品種與顆粒的形狀大小不同，造成在線檢測時糧食疏密程度的變化，使得糧食相對介電常數和介質損耗角有差異，從而引起微波功率、幅值等信息的變化，形成影響檢測結果不準確。因此，微波水分檢測方法需要輔助手段進行密度補償。
目前，物料密度檢測技術主要有如下兩種技術方案 —是體積法。該方法是將待測物料充滿到一個已知體積的容器中，即物料的體積
已知，通過測量物料的重量，來獲得物料的密度值。具體計算公式是/^ =，。式中P為物料
的密度，M為重量，V為體積。該方法簡單、直觀、比較準確。缺點是不易于在線式檢測，物料中的水分含量對測量結果有一定的影響。 二是射線檢測方法。該方法是將由放射源產生的射線穿過被測物料，其中一部分射線被物料散射和吸收，剩余部分射線被安裝在另一邊的探測器所接收，根據射線衰減律以及被測物料的平均吸收規律，推算出被測物料的密度。其原理為P = (lnl。-lnl)/(ud)，式中I。為射線透射物料前的入射強度，I為射線透射物料后的出射強度，u為物料的吸收系數，d為射線穿透物料的厚度，P為物料的密度。該方法速度快、測量精度高、非接觸、易于在線式檢測。缺點是成本較高，具有一定安全隱患，被測物料的厚度對測量結果有顯著影響。 隨著微波在線式糧食水分檢測技術的進一步發展，糧食密度檢測及補償技術的研究，是目前該領域的主要研究發展方向。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在于提供一種微波在線式糧食水分檢測裝置及其方法，用于解決現有技術進行糧食水分檢測導致檢測結果不準確的問題。 為了實現上述目的，本發明提供了一種微波在線式糧食水分檢測裝置，包括順次連接的微控制器、接口電路、計算機，其特征在于，還包括
高頻信號發生器，用于產生高頻信號；+6 (1) 高頻信號接收器，用于拾取透射過糧食的所述高頻信號； 信號調理與檢測電路，連接所述高頻信號發生器、所述高頻信號接收器，用于對所 述高頻信號接收器拾取的所述高頻信號、透射所述糧食前的所述高頻信號進行幅值和相位 差分檢測，并將獲取的水分檢測結果通過所述微控制器、所述接口電路傳送至所述計算機， 由所述計算機根據密度補償算法對所述水分檢測結果進行密度補償。 所述的微波在線式糧食水分檢測裝置，其中，所述高頻信號為頻率大于100MHz的 高頻信號。 所述的微波在線式糧食水分檢測裝置，其中，所述信號調理與檢測電路根據所述 高頻信號接收器拾取的所述高頻信號、透射所述糧食前的所述高頻信號的衰減率和吸收系 數獲取所述水分檢測結果。 所述的微波在線式糧食水分檢測裝置，其中，所述微控制器對所述水分檢測結果 進行A/D轉換后通過所述接口電路傳送到所述計算機。 所述的微波在線式糧食水分檢測裝置，其中，所述計算機以如下公式對所述水分
檢測結果進行密度補償
，— 其中，P w為密度推算值；A^為相位差測量值；A A為幅值差測量值；ai， a2為加權 系數；b為推算常數；ai， a2， b通過系統辨識方法事先獲得；
Ms = Mc+ n P w (2) 其中，Ms為密度補償后的水分值；M。為水分測量值；n為密度補償系數；n通過數 據統計方法事先得到。 為了實現上述目的，本發明還提供了一種微波在線式糧食水分檢測方法，其特征 在于，包括 步驟一，產生高頻信號，并將所述高頻信號與糧食相互作用；
步驟二，拾取透射過所述糧食的所述高頻信號； 步驟三，對所拾取的所述高頻信號、透射所述糧食前的所述高頻信號進行幅值和 相位差分檢測，獲取水分檢測結果，并根據密度補償算法對所述水分檢測結果進行密度補 償。 所述的微波在線式糧食水分檢測方法，其中，所述步驟一中，所述高頻信號為頻率 大于100MHz的高頻信號。
所述的微波在線式糧食水分檢測方法，其中，所述步驟三中，進一步包括 根據所述拾取的所述高頻信號、透射所述糧食前的所述高頻信號的衰減率和吸收
系數獲取所述水分檢測結果的步驟。
所述的微波在線式糧食水分檢測方法，其中，所述步驟三中，進一步包括
在進行所述密度補償之前，先對所述水分檢測結果進行A/D轉換的步驟。
所述的微波在線式糧食水分檢測方法，其中，所述步驟三中，進一步包括
以如下公式對所述水分檢測結果進行密度補償的步驟
+ 6
(1) 其中，P w為密度推算值；A^為相位差測量值；A A為幅值差測量值；&1， a2為加權 系數；b為推算常數；ai， a2， b通過系統辨識方法事先獲得；
Ms = Mc+ n P w (2) 其中，Ms為密度補償后的水分值；M。為水分測量值；n為密度補償系數；n通過數
據統計方法事先得到。 本發明的有益技術效果在于 與現有技術相比，本發明采用輔助高頻信號幅值和相位差分檢測技術，來推算出 被測糧食的密度，再對微波水分檢測結果進行密度補償，解決糧食顆粒大小與密度影響。本 發明提出了采用高頻信號作用于被測糧食上而引起幅值和相位的變化，通過差分檢測技術 和密度補償算法，達到了微波水分檢測與糧食顆粒密度不相關的目的，較好地解決了糧食 密度對微波水分檢測結果的影響問題。 以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。
圖1為本發明微波在線 圖2為本發明微波在線 其中，附圖標記 1高頻信號發生器2 3高頻信號接收器4 5微控制器 6 7 計算機 8
糧食水分檢測裝置結構示意圖； 糧食水分檢測方法流程示意圖。
糧食
信號調理與檢測電路
接口電路
密度補償算法
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明的技術方案作進一步更詳細的描述。
如圖l所示，為本發明微波在線式糧食水分檢測裝置結構示意圖。該水分檢測裝 置100包括高頻信號發生器1、高頻信號接收器3、信號調理與檢測電路4、微控制器5、接 口電路6、計算機7和密度補償算法8。其中核心部件為信號調理與檢測電路4、密度補償算 法8。 高頻信號發生器1產生的高頻信號與糧食2(即被測物料)相互作用，一部分透射 過糧食2的高頻信號被高頻信號接收器3拾取。由信號調理與檢測電路4對高頻信號接收 器3拾取的高頻信號進行整形、濾波、轉換，完成對透射高頻信號前后的幅值比較與相位變 化進行差分提取。微控制器5對信號調理與檢測電路4處理后的電信號進行A/D轉換，并 將轉換后的結果通過接口電路6傳送到計算機7中進行處理。計算機7通過密度補償算法 8對得到的數據進行密度推算，對微波水分檢測結果進行密度補償，提高水分檢測裝置100 檢測的準確性。 具體地，由高頻信號發生器1產生的高頻信號透過糧食2，高頻信號接收器3測量 透射高頻信號前后幅值、相位的變化。根據信號衰減率和吸收系數，推算出糧食2的密度。
6
密度推算A^二[", &〗
+6 (1)
再通過計算機7中的密度補償算法8，對微波水分進行密度補償，提高了檢測的準確性。
其中，信號調理與檢測電路4中的高通濾波器、低通濾波器，對高頻信號接收器3 拾取的高頻信號進行濾波，去除干擾信號。對濾波后的高頻信號，通過信號調理與檢測電路 4中的鑒相器進行波形整形變換，得到相位變化轉換。 計算機7通過密度補償算法8對得到的數據進行密度推算，對微波水分檢測結果 進行密度補償，具體公式如下
， 其中Pw為密度推算值；A^為相位差測量值；AA為幅值差測量值；&1，32為加權系 數；b為推算常數。A，^，b通過系統辨識方法事先獲得。測得Ap， AA后，可通過密度推算 公式(1)就可獲得物料密度推算的結果。
密度補償Ms = Mc+ n P w (2) 其中，Ms為密度補償后的水分值；M。為水分測量值；n為密度補償系數。n通過 數據統計方法事先得到。測得M。和密度推算結果，通過密度補償公式(2)就可以得到密度 補償后的水分值Ms。 在圖1中，水分檢測裝置100進行水分檢測是采用大于100MHz的輔助高頻信號幅 值和相位差分檢測技術，解決糧食顆粒密度影響，對微波水分檢測結果進行密度補償。應用 高精度時間間隔測量技術分析信號相位。 在圖1中，采用高頻信號幅值和相位差分檢測技術以及密度補償算法，達到了微 波水分檢測與糧食顆粒密度不相關的目的。 水分檢測裝置100采用高頻信號密度檢測技術進行水分檢測，檢測速度快、精度 高、安全、可靠。通過對與被測物料作用前后高頻信號的幅值和相位差分檢測，準確推算出 被測物料的密度。運用密度補償算法對微波水分檢測結果進行修正、補償，解決了被測物料 的密度對檢測結果的影響問題。 如圖2所示，為本發明微波在線式糧食水分檢測方法流程示意圖。該方法流程描 述了采用輔助高頻信號方法對糧食(被測物料)的密度進行檢測，利用頻率大于100MHz高 頻信號的幅值與相位差分檢測技術，完成了對糧食密度的推算，采用密度補償算法對微波 水分檢測結果進行非線性修正，提高了微波在線式糧食水分檢測裝置的可靠性和實用性。
在圖2中，結合圖1，該方法流程的步驟具體包括
步驟S201，產生高頻信號，并將高頻信號與糧食2(即被測物料)相互作用； 該步驟中，高頻信號是由高頻信號發生器1產生的頻率為大于lOOMHz的高頻信
號；
步驟S202，高頻信號接收器3拾取透射過糧食2的高頻信號； 步驟S203，對透射糧食前后的高頻信號的幅值與相位變化進行差分檢測，具體地， 信號調理與檢測電路4對高頻信號接收器3拾取的高頻信號進行處理，再根據透射糧食2 之前的高頻信號與處理后的高頻信號的幅值與相位的變化進行差分提取，獲取水分檢測結 果； 該步驟中，信號調理與檢測電路4對高頻信號接收器3拾取的高頻信號進行的處 理包括整形、濾波、轉換；具體地<formula>formula see original document page 8</formula> 通過信號調理與檢測電路4中的高通濾波器、低通濾波器，對高頻信號接收器3拾 取的高頻信號進行濾波，去除干擾信號。對濾波后的高頻信號，通過信號調理與檢測電路4 中的鑒相器進行波形整形變換，得到相位變化轉換。 步驟S204，微控制器5對信號調理與檢測電路4處理后的電信號進行A/D轉換，并 將轉換后的結果通過接口電路6傳送到計算機7中進行處理； 步驟S205，計算機7通過密度補償算法8對接口電路6傳送的數據進行密度推算， 對微波水分檢測結果進行密度補償，提高水分檢測裝置100檢測時的準確性。
該步驟中，計算機7通過密度補償算法8對得到的數據進行密度推算，對微波水分 檢測結果進行密度補償，具體公式如下 其中，P w為密度推算值；Ap為相位差測量值；A A為幅值差測量值；&1， a2為加權 系數；b為推算常數。A，^，b通過系統辨識方法事先獲得。測得A^， AA后，可通過密度推 算公式(1)就可獲得物料密度推算的結果。
密度補償Ms = Mc+ n P w (2) 其中，Ms為密度補償后的水分值；M。為水分測量值；n為密度補償系數。n通過 數據統計方法事先得到。測得M。和密度推算結果，通過密度補償公式(2)就可以得到密度 補償后的水分值Ms。 該步驟中，通過輔助高頻信號密度補償算法對微波水分檢測結果進行非線性修 正，使得檢測結果與糧食顆粒大小不相關，從而解決糧食密度對檢測結果的影響問題。
在圖2中，采用了頻率大于100MHz輔助高頻信號對糧食密度進行檢測，并采用了 高頻信號幅值和相位差分檢測技術。 本發明采用輔助高頻信號幅值和相位差分檢測技術，解決糧食顆粒密度影響，對 微波水分檢測結果進行密度補償。 本發明提出了采用高頻信號幅值和相位差分檢測技術以及密度補償算法，達到了 微波水分檢測與被測物料顆粒密度不相關的目的，較好地解決了被測物料密度對檢測結果 的影響問題。 通過上述實施例，可知本發明采用了輔助高頻信號對糧食密度進行檢測的方法。 高頻信號對糧食水分的吸收較弱，具有良好的穿透性，可以快速進行密度檢測，精度較高。 同時本發明還采用了高頻信號幅值與相位差分檢測技術。 本發明通過密度補償算法對微波水分檢測結果進行修正/補償，使得檢測結果與 糧食顆粒大小不相關，保證了水分檢測裝置檢測的準確性。 當然，本發明還可有其他多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟 悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變 形都應屬于本發明所附的權利要求的保護范圍。
8
權利要求
一種微波在線式糧食水分檢測裝置，包括順次連接的微控制器、接口電路、計算機，其特征在于，還包括高頻信號發生器，用于產生高頻信號；高頻信號接收器，用于拾取透射過糧食的所述高頻信號；信號調理與檢測電路，連接所述高頻信號發生器、所述高頻信號接收器，用于對所述高頻信號接收器拾取的所述高頻信號、透射所述糧食前的所述高頻信號進行幅值和相位差分檢測，并將獲取的水分檢測結果通過所述微控制器、所述接口電路傳送至所述計算機，由所述計算機根據密度補償算法對所述水分檢測結果進行密度補償。
2. 根據權利要求1所述的微波在線式糧食水分檢測裝置，其特征在于，所述高頻信號為頻率大于100MHz的高頻信號。
3. 根據權利要求1所述的微波在線式糧食水分檢測裝置，其特征在于，所述信號調理與檢測電路根據所述高頻信號接收器拾取的所述高頻信號、透射所述糧食前的所述高頻信號的衰減率和吸收系數獲取所述水分檢測結果。
4. 根據權利要求1 、2或3所述的微波在線式糧食水分檢測裝置，其特征在于，所述微控制器對所述水分檢測結果進行A/D轉換后通過所述接口電路傳送到所述計算機。
5. 根據權利要求1 、2或3所述的微波在線式糧食水分檢測裝置，其特征在于，所述計算機以如下公式對所述水分檢測結果進行密度補償其中，P w為密度推算值；A^為相位差測量值；A A為幅值差測量值；ai，a2為加權系數；b為推算常數；ai， a2， b通過系統辨識方法事先獲得；<formula>formula see original document page 2</formula>其中，Ms為密度補償后的水分值；M。為水分測量值；n為密度補償系數；n通過數據統計方法事先得到。
6. —種微波在線式糧食水分檢測方法，其特征在于，包括步驟一，產生高頻信號，并將所述高頻信號與糧食相互作用；步驟二，拾取透射過所述糧食的所述高頻信號；步驟三，對所拾取的所述高頻信號、透射所述糧食前的所述高頻信號進行幅值和相位差分檢測，獲取水分檢測結果，并根據密度補償算法對所述水分檢測結果進行密度補償。
7. 根據權利要求6所述的微波在線式糧食水分檢測方法，其特征在于，所述步驟一中，所述高頻信號為頻率大于100MHz的高頻信號。
8. 根據權利要求6所述的微波在線式糧食水分檢測方法，其特征在于，所述步驟三中，進一步包括根據所述拾取的所述高頻信號、透射所述糧食前的所述高頻信號的衰減率和吸收系數獲取所述水分檢測結果的步驟。
9. 根據權利要求6、7或8所述的微波在線式糧食水分檢測方法，其特征在于，所述步驟三中，進一步包括在進行所述密度補償之前，先對所述水分檢測結果進行A/D轉換的步驟。
10. 根據權利要求6、7或8所述的微波在線式糧食水分檢測方法，其特征在于，所述步驟三中，進一步包括以如下公式對所述水分檢測結果進行密度補償的步驟+6(l)其中，P w為密度推算值；Ap為相位差測量值；A A為幅值差測量值；ai，a2為加權系數；b為推算常數；A， a2， b通過系統辨識方法事先獲得；Ms = Mc+ n P w (2)其中，Ms為密度補償后的水分值；M。為水分測量值；n為密度補償系數；n通過數據統計方法事先得到。
全文摘要
本發明公開了一種微波在線式糧食水分檢測裝置及其方法，其中該裝置包括順次連接的微控制器、接口電路、計算機，其還包括高頻信號發生器，用于產生高頻信號；高頻信號接收器，用于拾取透射過糧食的高頻信號；信號調理與檢測電路，用于對高頻信號接收器拾取的高頻信號、透射糧食前的高頻信號進行幅值和相位差分檢測，并將獲取的水分檢測結果通過微控制器、接口電路傳送至計算機，由計算機根據密度補償算法對水分檢測結果進行密度補償。本發明采用輔助高頻信號幅值與相位差分檢測技術，以及密度補償算法，解決糧食顆粒疏密程度的影響。
文檔編號G01N23/02GK101776617SQ20091000766
公開日2010年7月14日 申請日期2009年2月20日 優先權日2009年1月12日
發明者偉利國, 張小超, 胡小安 申請人:中國農業機械化科學研究院