水分含量檢測、控制和監控系統的制作方法

本發明涉及太赫茲檢測技術領域，特別是涉及一種水分含量檢測、控制和監控系統。

背景技術：

在工業生產中，水分含量是決定產品質量的關鍵因素，不僅會影響產品的物理化學性質，如重量、密度、粘度、折光率、水活度、電導率等，還關系著產品的加工性能、商業化要求、合法性等。水分含量檢測系統既可以在工業生產中進行控制分析，又能夠對產品質量進行測定，在質量檢測日趨嚴格的發展下，水分含量的檢測已成為衡量產品質量的重要指標，已經廣泛應用于醫藥、糧食、煙草、造紙、塑膠、紡織等行業。

水分含量檢測系統按測定原理可以分為物理測定法和化學測定法。物理測定法常用的是失重法、蒸餾分層法、氣相色譜分析法等，化學測定方法主要有卡爾費休法、甲苯法等。其中，卡爾費休法已被列為許多物質中水分測定的國際標準方法，并發展除了容量法和庫倫法的檢測儀器。

然而，隨著工業化的快速發展，幾分鐘的檢測速度已經不能滿足市場需求，在線實時的水分含量檢測是市場的主要發展趨勢。目前一些間接測量方法可提供在線水分檢測，如微波共振法和近紅外光譜法，但信噪比和穩定性較低。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種水分含量檢測、控制和監控系統，能夠實時、準確的進行水分含量檢測，且信噪比和穩定性較高。

本發明的目的通過如下技術方案實現：

一種水分含量檢測系統，包括水分儀系統組件、透鏡組件和信號分析組件；所述水分儀系統組件包括光源組件、太赫茲輻射器、第一太赫茲探測器和第二太赫茲探測器，所述信號分析組件包括偏壓信號發生器和信號處理裝置；

所述光源組件用于產生激光拍頻光束，產生的激光拍頻光束被分束至太赫茲輻射器、第一太赫茲探測器和第二太赫茲探測器；

所述太赫茲輻射器在入射的激光拍頻光束和所述偏壓信號發生器的電場的作用下輻射太赫茲信號，輻射的太赫茲信號的一部分經透鏡組件透射和/或反射返回至所述第一太赫茲探測器，輻射的太赫茲信號的另一部分經透鏡組件透射和/或反射以及待測樣品的反射返回至第二太赫茲探測器；

所述第一太赫茲探測器在入射的激光拍頻光束和返回的太赫茲信號的作用下獲得參考電信號，所述第二太赫茲探測器在入射的激光拍頻光束和返回的太赫茲信號的作用下獲得樣品電信號，所述參考電信號和所述樣品電信號輸入所述信號處理裝置進行待測樣品的含水量檢測。

根據上述本發明的水分含量檢測系統的方案，其包括水分儀系統組件、透鏡組件和信號分析組件，水分儀系統組件包括該光源組件、太赫茲輻射器、第一太赫茲探測器和第二太赫茲探測器，信號分析組件包括偏壓信號發生器和信號處理裝置，由于光源組件產生的激光拍頻光束被分束至太赫茲輻射器、第一太赫茲探測器和第二太赫茲探測器，這樣，太赫茲輻射器在入射的激光拍頻光束和偏壓信號發生器的電場的作用下輻射太赫茲信號，且由于輻射的太赫茲信號的一部分經透鏡組件透射和/或反射返回第一太赫茲探測器，輻射的太赫茲信號的另一部分經透鏡組件透射和/或反射以及待測樣品的反射返回至第二太赫茲探測器，這樣，第一太赫茲探測器在入射的激光拍頻光束和返回的太赫茲信號的作用下獲得參考電信號，第二太赫茲探測器在入射的激光拍頻光束和返回的太赫茲信號的作用下獲得樣品電信號，參考電信號和樣品電信號輸入信號處理裝置進行待測樣品的含水量檢測，如此，可以實時地獲取待測樣品內水分含量，此外，由于分束至太赫茲輻射器、第一太赫茲探測器和第二太赫茲探測器的激光拍頻都來自同一光源組件，可以節約硬件成本，且使得分束至太赫茲輻射器、第一太赫茲探測器和第二太赫茲探測器的激光的頻率都相同，可以提升檢測的準確性，同時，由于是基于太赫茲輻射信號進行水分檢測，信噪比與穩定性均較高。

一種水分含量控制系統，包括微機以及如上所述的水分含量檢測系統，所述微機與所述水分含量檢測系統的信號處理裝置連接，所述微機還連接流水線控制設備；

所述信號處理裝置用于將檢測到的待測樣品的含水量值反饋給所述微機；

所述微機用于將所述含水量值與預設的水分含量門限值進行比較，獲得比較結果，根據所述比較結果判斷所述待測樣品是否需要進一步進行脫水操作，獲得判斷結果，根據所述判斷結果生成指令并發送給流水線控制設備；

所述流水線控制設備用于根據所述指令控制對應的流水線的運行方向。

根據上述本發明的水分含量控制系統的方案，由于其具有上述水分含量檢測系統，因此，也能夠實時、準確的進行水分含量檢測，且信噪比和穩定性較高，同時由于其將所述含水量值與預設的水分含量門限值進行比較，基于比較結果判斷所述待測樣品是否需要進一步進行脫水操作，并基于判斷結果生成指令并發送給流水線控制設備以控制對應的流水線的運行方向，可以基于水分含量檢測系統檢測到的水分含量值實現對流水線自動化控制。

一種水分含量監控系統，包括數據存儲服務器以及如上所述的水分含量檢測系統，所述數據存儲服務器與所述水分含量檢測系統的信號處理裝置連接；

所述信號處理裝置用于將各個時刻監測到的含水量值實時地上傳到所述數據存儲服務器。

根據上述本發明的水分含量監控系統的方案，由于其具有上述水分含量檢測系統，因此，也能夠實時、準確的進行水分含量檢測，且信噪比和穩定性較高，同時，由于還將各個時刻監測到的含水量值實時地上傳到所述數據存儲服務器，可以便于流水線的管理者可通過各種終端程序通過查看生產過程中的實時水分含量變化曲線，了解流水線設備的控制行為，以達到對流水線的監控的目的，也可以對數據存儲服務器存儲的數據(各個時刻的含水量值)進行數據分析，進行對生產制造工藝進行調整，以提高生產效益。

附圖說明

圖1為本發明實施例一的水分含量檢測系統的組成結構示意圖；

圖2為圖1中的水分儀系統組件在其中一個實施例中的細化組成結構示意圖；

圖3為圖1中的透鏡組件在其中一個實施例中的細化組成結構以及與水分儀系統組件中的部分器件的連接關系示意圖；

圖4本發明實施例一的水分含量檢測系統的工作原理示意圖一；

圖5本發明實施例一的水分含量檢測系統的工作原理以及信號分析組件的一種細化組成結構示意圖二；

圖6為本發明實施例二的水分含量控制系統的組成結構示意圖；

圖7為本發明實施例二的水分含量控制系統的一種應用示意圖；

圖8為本發明實施例三的水分含量監控系統的組成結構示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本使用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發明，并不用于限定本發明。

太赫茲輻射是指頻率在0.1THz到10THz之間的電磁輻射，其對許多介電材料和非極性物質具有良好的穿透性，特別是它對水有較強的吸收特性。由于水是極性分子，水對太赫茲輻射的吸收遠高于其他非極性分子成分組成。因此，本發明實施例中使用太赫茲輻射進行水分測定，信噪比與穩定性均優于微波檢測方式和近紅外檢測方式。通過使用太赫茲輻射進行水分測定，可以在生產過程質量監控及成品分級等流水線階段，實施無損、實時、準確的水分含量監控，確保產品質量及生產加工性能。以下對本發明方案的各個實施例進行詳細闡述。

實施例一

參見圖1所示，為本發明實施例一的水分含量檢測系統的組成結構示意圖。如圖1所示，本發明實施例一的水分含量檢測系統包括水分儀系統組件10、透鏡組件11和信號分析組件12，水分儀系統組件10包括光源組件101以及分別與該光源組件101連接的太赫茲輻射器102、第一太赫茲探測器103和第二太赫茲探測器104，信號分析組件12包括偏壓信號發生器121和信號處理裝置122。

透鏡組件11設置在太赫茲輻射器102、第一太赫茲探測器103和第二太赫茲探測器104之間，太赫茲輻射器102連接偏壓信號發生器121；第一太赫茲探測器103和第二太赫茲探測器104分別連接信號處理裝置122。

這里，透鏡組件可以包括拋物面鏡、分光鏡、平面鏡和透鏡中的一種或者多種，拋物面鏡、分光鏡、平面鏡和透鏡中的每一種鏡片的數量分別可以為一個，也可以為多個。

其中，光源組件101用于產生的激光拍頻光束，產生的激光拍頻光束被分束至太赫茲輻射器102、第一太赫茲探測器103和第二太赫茲探測器104；

太赫茲輻射器102在入射的激光拍頻和偏壓信號發生器121所提供的電場的作用下向透鏡組件11中輻射太赫茲信號；輻射的太赫茲信號的一部分經透鏡組件11透射和/或反射返回至第一太赫茲探測器103；輻射的太赫茲信號的另一部分經透鏡組件11透射和/或反射以及待測樣品(圖1中未示出)的反射返回至第二太赫茲探測器104。

第一太赫茲探測器103在入射的激光拍頻光束和返回的太赫茲信號的作用下獲得參考電信號，第二太赫茲探測器104在入射的激光拍頻光束和返回的太赫茲信號的作用下獲得樣品電信號，所述參考電信號和所述樣品電信號輸入信號處理裝置122進行待測樣品的含水量檢測。

采用上述本實施例的方案，可以實時地獲取待測樣品內水分含量，此外，由于分束至太赫茲輻射器102、第一太赫茲探測器103和第二太赫茲探測器104都來自光源組件101，可以節約硬件成本，且使得分束至太赫茲輻射器102、第一太赫茲探測器103和第二太赫茲探測器104的激光的頻率都相同，可以提升檢測的準確性，同時，由于是基于太赫茲輻射信號進行水分檢測，信噪比與穩定性均較高。

參見圖2所示，為水分儀系統組件10在其中一個實施例中的細化結構示意圖，圖2中示出了水分儀系統組件10的一個較佳示例的組成結構示意圖依據不同的考慮因素，在具體實現本發明的水分含量檢測系統時，可以包含圖2中所示的全部，也可以只包含圖2中所示的其中一部分，以下就針對其中的幾個水分含量檢測系統的具體實施例進行詳細說明。

在其中一個實施例中，光源組件101包括圖2中第一激光源G1、第二激光源G2、光學混頻器X1；光學混頻器X1的輸入端分別連接第一激光源G1的輸出端和第二激光源G2的輸出端，光學混頻器X1的輸出端分別連接太赫茲輻射器102的輸入端、第一太赫茲探測器103的輸入端和第二太赫茲探測器104的輸入端。

其中，第一激光源G1和第二激光源G2用于產生頻率之差在設定范圍內的紅外激光光束。一般地，該頻率之差比較(例如小于一個較小的設定值)接近且不相等最為適宜，第一激光源G1和第二激光源G2均可以是二極管激光源。

在其中一個實施例中，為了使得入射激光的頻率(f₁和f₂)可控，在上述一個實施例的基礎上，光源組件101還可以包括圖2中的第一耦合器FC1、第二耦合器FC1、第一穩頻器W1和第二穩頻器W2；

如圖2所示，第一耦合器FC1的輸入端連接第一激光源G1的輸出端，第一耦合器FC1的輸出端分別連接第一穩頻器W1的輸入端和光學混頻器X1的輸入端，第二耦合器FC2的輸入端連接第二激光源G2的輸出端，第二耦合器FC2的輸出端分別連接第二穩頻器W2的輸入端和光學混頻器X2的輸入端；

第一穩頻器W1通過第一激光源G1的一部分輸出光對第一激光源G1進行穩頻，第二穩頻器W2通過第二激光源G2的一部分輸出光對第二激光源G2進行穩頻。

在本實施例中，添加了第一穩頻器W1和第二穩頻器W2，可以使得入射激光的頻率(f₁和f₂)可控，可以易于獲得太赫茲頻段的輻射。

其中，第一耦合器FC1和第二耦合器FC2的各個輸出端的分光比可以根據實際需要設定，一般地，大部分分入射功率(例如99％)的激光光束分路至光學混頻器X1，極少入射功率(1％左右)的激光光束被分路至第一穩頻器W1和第二穩頻器W2。通過第一穩頻器W1和第二穩頻器W2可以調控激光拍頻的外部頻率。

在具體實現時，光學混頻器X1可以通過圖2中的第三耦合器FC3連接第一太赫茲探測器103和第二太赫茲探測器104。具體地，如圖2所示，光源組件還包括第三耦合器FC3，第三耦合器FC3的輸入端連接光學混頻器X1的輸出端，第三耦合器FC3的輸出端分別連接第一太赫茲探測器103的輸入端和第二太赫茲探測器104的輸入端。

其中，第三耦合器FC3的分光比可以根據實際需要設定，第三耦合器FC3的兩個輸出端分光比均是50％為佳。

在其中一個實施例中，如圖3所示，透鏡組件11包括第一拋物面鏡PM1第二拋物面鏡PM2、第一分光鏡BS1、第二分光鏡BS2、平面鏡M1和透鏡L1，太赫茲輻射器102輻射的太赫茲信號經第一拋物面鏡PM1反射到第一分光鏡BS1后，被第一分光鏡BS1分束成兩部分，一部分經平面鏡M1反射、第二拋物面鏡PM2聚焦至第一太赫茲探測器103；另一部分經透鏡L1聚焦、待測樣品13反射、透鏡L1聚焦、第二分光鏡BS2反射至第二太赫茲探測器104。

采用本實施例中的方案，進入第一太赫茲探測器103和第二太赫茲探測器104的光束都經過聚焦過程，可以增加信號強度，提升檢測的準確性。需要說明的是，透鏡組件11的結構組成不限于此。

為了便于理解本發明的方案，以下結合圖4和圖5對本發明的工作原理進行說明。

圖4中，第一激光源G1和第二激光源G2用于產生頻率接近的紅外激光光束，分別與第一耦合器FC1和第二耦合器FC2光纖連接和分束，大部分入射功率的激光光束被分路至光學混頻器X1形成激光拍頻，極少入射功率(1％左右)的激光光束被分路至第一穩頻器W1和第二穩頻器W2，第一穩頻器W1和第二穩頻器W2對入射激光的頻率(f₁和f₂)進行調控，從而調控激光拍頻的外部頻率。

光學混頻器X1用于將第一激光源G1和第二激光源G2產生的兩路激光光束混頻或疊加，使兩路頻率稍微不同的激光成分(例如頻率分別為f₁和f₂)之間相互發生差頻振蕩效應，以產生激光拍頻，此激光拍頻的外部頻率是入射激光頻率之差(即f₁-f₂)，此外部頻率直接決定后續產生的太赫茲輻射的頻率。

一路激光拍頻照射太赫茲輻射器102內的光電導體(如GaAs)，產生了電子-空穴對，載流子在偏壓信號發生器121的電場作用下發生定向移動，形成調制光電流，用天線結構將這種受拍頻調制的光電流進行輸出，從而產生太赫茲輻射信號，即上述太赫茲信號，發射至自由空間內設置的調光透鏡組件11中。值得注意的是，非線性晶體也可替代光學混頻器X1和太赫茲輻射器102提取激光拍頻并產生太赫茲輻射。

另一路激光拍頻通過第三耦合器FC3分別分束至第一太赫茲探測器103和第二太赫茲探測器103中；激光拍頻進入第一太赫茲探測器103和第二太赫茲探測器103后，照射第一太赫茲探測器103和第二太赫茲探測器103中的光電導體，形成電子-空穴對，返回的太赫茲輻射形成了外加在此光電導體上的電場，促使載流子的定向移動，形成光電流，該光電流可在隨后的信號分析組件12內進行信號的采集和處理。

這里，第一太赫茲探測器103和第二太赫茲探測器10的結構及探測原理完全相同，但用途不同，第一太赫茲探測器103用于接收直接從太赫茲輻射器102發射的太赫茲信號，得到一個參考電信號；第二太赫茲探測器103用于接收從待測樣品反射回來的太赫茲輻射，將其轉化為電信號，并與參考電信號進行比較，從而實時地分析待測樣品內的水分含量。

太赫茲輻射器102輻射的太赫茲信號，由第一拋物面鏡PM1收集并獲得一平行光，經第一分光鏡BS1分束，一路經平面鏡M1反射、第二拋物面鏡PM2聚焦至第一太赫茲探測器103，獲得一個參考光電流；另一路經透鏡L1聚焦、待測樣品13反射、透鏡L1匯聚、第二分光鏡BS2反射至第二太赫茲探測器104，獲得一路樣品光電流；這兩個光電流經過后端的信號分析組件12的放大和采集，得到的兩個電信號將進行比較，以分析樣品內水分含量。

在其中一個實施例中，如圖5所示，信號分析組件12還可以包括電流電壓放大器123和鎖相放大器124，電流電壓放大器123分別連接第一太赫茲探測器103和第二太赫茲探測器104，電流電壓放大器123還連接鎖相放大器124，鎖相放大器124分別連接偏壓信號發生器121和信號處理裝置122。

其中，電流電壓放大器123用于將微弱的光電流(如上的參考光電流的樣品光電流)轉換成電信號(參考電信號和樣品電信號)并將電信號進行一定強度低噪聲放大；鎖相放大器124抑制無用噪聲，改善檢測信噪比，同時對信號進行一定程度的放大；偏壓信號發生器121為鎖相放大器124提供參考信號；信號處理裝置122能夠對參考電信號和樣品電信號進行采集、預處理，獲取參考光譜和樣品光譜，根據光譜數據內水吸收峰的強度變化，獲得所測樣品的水分含量。

在具體實現時上述的水分儀系統組件10中的各器件之間一般是通過光纖連接，信號分析組件12中的各器件之間一般是電連接。本發明的水分含量檢測系統可以應用于工業生產中皮帶流水線上，具有較高的應用價值。

實施例二

根據上述實施例一的水分含量檢測系統，本發明還提供一種水分含量控制系統。如圖6所示，本實施例二的水分含量監控系統包括微機21以及上述任意一個實施例的水分含量檢測系統20，微機21與水分含量檢測系統20的信號處理裝置201連接，微機21還可以連接流水線控制設備22。

信號處理裝置201用于將檢測到的待測樣品的含水量值反饋給所述微機；

微機21用于將所述含水量值與預設的水分含量門限值進行比較，獲得比較結果，根據所述比較結果判斷所述待測樣品是否需要進一步進行脫水操作，獲得判斷結果，根據所述判斷結果生成指令并發送給流水線控制設備；

流水線控制設備22用于根據所述指令控制對應的流水線的運行方向。

以下結合附圖7以將本發明的水分含量控制系統應用于工業生產中的皮帶流水線上為例進行說明。該皮帶流水線常用于工農產品的工業生產，包括流水線控制設備22(例如，傳送帶控制系統)、傳送帶23及傳送帶23上的未知水分含量的待測半成品25(相當于上述的待測樣品)。水分含量檢測系統20對待測半成品25進行水分含量的檢測，并將獲得的半成品的含水量值反饋到微機21中，由微機21對接收到的含水量值與預設的水分含量門限值進行比較，獲得比較結果，根據所述比較結果判斷待測半成品25是否需要進一步進行脫水操作，獲得判斷結果，根據所述判斷結果生成指令并發送給流水線控制設備22以控制傳送帶的運行方向。

這里，水分含量門限值可以根據符合產品要求的水分含量進行設定。

其中，水分含量檢測系統20可固定于掃描軸上，沿某一條線或在某一個面積內對待測半成品25的水分含量進行評估，以更好的評測產品的平均水分含量是否符合產品要求的水分含量。

實施例三

根據上述實施例一的水分含量檢測系統，本發明還提供一種水分含量監控系統。如圖8所示，本實施例三的水分含量監控系統包括數據存儲服務器31以及如上任意一個實施例中所述的水分含量檢測系統，數據存儲服務器31與水分含量檢測系統30的信號處理裝置301連接。這里，數據存儲服務器31可以是云儲存器。信號處理裝置301將各個時刻監測到的含水量值實時地上傳到數據存儲服務器31，存儲服務器31可以基于接收到的各含水量值生成實時水分含量變化曲線。

采用本實施例的方案，流水線的管理者可通過各種終端程序，如電腦軟件、手機應用等，通過查看生產過程中的實時水分含量變化曲線，了解流水線設備的控制行為，以達到對流水線的監控的目的，數據存儲服務器31也可以線下儲存數據，并進行數據分析，從而方便流水線的管理者根據數據分析結果對生產制造工藝進行調整，實現生產效益最大化。

需要說明的是，當一個元件被稱為“連接”另一個元件，根據需要，它可以是直接連接到另一個元件或者間接連接至該另一個元件上。術語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或者暗示相對重要性。

以上所述實施例的各技術特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特征的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的范圍。

以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。