專利名稱：一種糧堆介電常數(shù)的微波測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量糧庫(kù)中糧堆的介電常數(shù)的方法，尤其涉及一種利用電磁波在 介質(zhì)中的傳播速度受所在介質(zhì)的介電常數(shù)影響的特性，將桿狀天線平行插入糧堆中，通過(guò) 收發(fā)一定頻率的電磁波(即微波，下同)進(jìn)行介電常數(shù)測(cè)量的方法，屬于材料分析測(cè)試技術(shù) 領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
1990年，我國(guó)開(kāi)始建立國(guó)家專項(xiàng)糧食儲(chǔ)備制度。為了加強(qiáng)對(duì)國(guó)家糧食儲(chǔ)備庫(kù)的管 理和監(jiān)督，有必要對(duì)其儲(chǔ)備糧食的數(shù)量和質(zhì)量進(jìn)行檢查。但是，國(guó)家糧食儲(chǔ)備庫(kù)中的糧食往 往堆積在平房倉(cāng)、立筒倉(cāng)、淺圓倉(cāng)等各種類型的倉(cāng)庫(kù)中。采用常規(guī)的檢查手段無(wú)法精確了解 糧堆內(nèi)部的密度、含水率等信息。在公開(kāi)號(hào)為CN1963377的中國(guó)發(fā)明專利中，提出了一種針對(duì)糧庫(kù)儲(chǔ)糧數(shù)量的測(cè)量 方法。該方法采用攝像頭、激光傳感器、壓力傳感器和PC機(jī)組成測(cè)量系統(tǒng)，用激光傳感器測(cè) 量糧堆的體積，同時(shí)啟動(dòng)攝像頭拍攝實(shí)時(shí)照片，存入PC機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)；根據(jù)糧庫(kù)的建庫(kù)數(shù)據(jù) 對(duì)激光傳感器測(cè)出的體積進(jìn)行修正；測(cè)量?jī)?chǔ)糧的密度，利用壓力傳感器測(cè)量壓力傳感器上 方“糧柱”的重量，通過(guò)激光傳感器測(cè)量出壓力傳感器上方“糧柱”的高度，根據(jù)“糧柱”的重 量、高度以及壓力傳感器的承壓面積，計(jì)算出“糧柱”的密度也就是儲(chǔ)糧的密度；由儲(chǔ)糧的密 度和糧堆的體積計(jì)算出儲(chǔ)糧的總重量。但是，該方法對(duì)儲(chǔ)糧密度的估計(jì)是不夠準(zhǔn)確的，仍然 會(huì)造成較大的誤差。人們通過(guò)糧食物理化學(xué)特性的分析，認(rèn)為可以通過(guò)對(duì)糧堆介電常數(shù)的測(cè)量，間接 獲得糧堆的密度、溫度、含水率等信息。介電常數(shù)是綜合反映介質(zhì)極化行為的一個(gè)主要的宏 觀物理量，是電介質(zhì)固有的屬性。介電常數(shù)可以表示成復(fù)數(shù)形式B=B1 _j ε 〃(1)其中，ε是復(fù)介電常數(shù)。ε ‘為相對(duì)介電常數(shù)，可表示電介質(zhì)存儲(chǔ)電場(chǎng)能量的能 力。ε “為相對(duì)介電損耗系數(shù)，也稱衰減因子，可表示電介質(zhì)損耗電場(chǎng)能量的能力。糧食的化學(xué)成份主要有水分、糖類、脂類、蛋白質(zhì)及其它含氮物質(zhì)，此外含有少量 酶、維生素、生長(zhǎng)素、色素及礦物質(zhì)等。對(duì)于糧食來(lái)說(shuō)，影響介電常數(shù)的因素主要包括1.糧 食的品種和品質(zhì)；2.糧食的密度和孔隙度；3.糧食的含水率；4.糧食的溫度。利用糧堆的 介電特性可以迅速簡(jiǎn)便地確定糧食的密度和含水率，進(jìn)一步檢測(cè)其品質(zhì)。關(guān)于這一點(diǎn)，師萱 等發(fā)表的論文《介電特性在農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)分析中的應(yīng)用》(載于《農(nóng)產(chǎn)品加工 學(xué)刊》2006 年第6期)中有進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。測(cè)量介電常數(shù)可以采用多種技術(shù)方案。例如在公開(kāi)號(hào)為CN1305102的中國(guó)發(fā)明專 利中，四川大學(xué)的黃卡瑪、閻麗萍等人提出了一種反射式介電常數(shù)直接測(cè)量方法及測(cè)量探 頭。該測(cè)量方法是向松散介質(zhì)發(fā)射微波，對(duì)采集的反射波進(jìn)行遺傳算法處理，直接得到介電 常數(shù)和相關(guān)參數(shù)。所采用的設(shè)備包括微波信號(hào)源、微波測(cè)量探頭、適當(dāng)?shù)慕涌陔娐泛陀?jì)算 機(jī)。其中的專用微波測(cè)量探頭是內(nèi)導(dǎo)體比外導(dǎo)體長(zhǎng)的終端開(kāi)口同軸線，探頭外涂敷防腐保護(hù)層。但是，該方法對(duì)于國(guó)家糧食儲(chǔ)備庫(kù)中密實(shí)堆放的糧食而言并不是很適用。對(duì)于國(guó)家 糧食儲(chǔ)備庫(kù)中的糧堆而言，可以使用探地雷達(dá)在糧堆表面進(jìn)行測(cè)量，但這種方案受糧食厚 度和倉(cāng)頂反射信號(hào)的影響較大，并且不能測(cè)量出糧堆密度隨深度變化的情況。另外一種技 術(shù)方案是利用時(shí)域反射計(jì)(TDR)插入糧堆表面進(jìn)行測(cè)量，但這種技術(shù)方案的缺點(diǎn)是只能探 測(cè)探針周圍小范圍的介電常數(shù)信息，不能測(cè)量糧堆深處的介電常數(shù)，且探針的插入會(huì)對(duì)有 效范圍內(nèi)的測(cè)量對(duì)象產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種針對(duì)糧堆介電常數(shù)的微波測(cè)量方法。該 方法充分考慮了國(guó)家糧食儲(chǔ)備庫(kù)中糧堆的特點(diǎn)，將桿狀天線平行插入糧堆中，通過(guò)收發(fā)一 定頻率的電磁波進(jìn)行介電常數(shù)的測(cè)量。為實(shí)現(xiàn)上述的發(fā)明目的，本發(fā)明采用下述的技術(shù)方案一種糧堆介電常數(shù)的微波測(cè)量方法，采用信號(hào)發(fā)射機(jī)、信號(hào)接收機(jī)、發(fā)射天線和接 收天線，所述發(fā)射天線連接所述信號(hào)發(fā)射機(jī)，所述接收天線連接所述信號(hào)接收機(jī)，所述發(fā)射 天線和所述接收天線均為桿狀天線，其特征在于首先把所述發(fā)射天線和所述接收天線隔一定的距離平行插入糧堆之中，使其位于 糧面以下一定的位置，并保持上、下端平齊；所述信號(hào)發(fā)射機(jī)通過(guò)所述發(fā)射天線發(fā)出電磁波，該電磁波由所述接收天線接收 后，送入所述信號(hào)接收機(jī)之中；測(cè)量獲得所述電磁波在所述發(fā)射天線與所述接收天線之間傳播的時(shí)間t以及所 述發(fā)射天線與所述接收天線的距離d，按照下式計(jì)算糧堆的介電常數(shù)ε ε = (c · t/d)2其中，c為電磁波在真空中的傳播速度。其中，所述微波測(cè)量方法使用兩個(gè)接收天線，這兩個(gè)接收天線與所述發(fā)射天線平 行放置，距離一近一遠(yuǎn)，且成一角度；通過(guò)測(cè)量獲得兩個(gè)接收天線與所述發(fā)射天線之間的距離分別為Cl1和d2，電磁波從 這兩個(gè)接收天線到達(dá)信號(hào)接收機(jī)的時(shí)間分別為、和t2，則按照下式計(jì)算糧堆的介電常數(shù) ε ε = (c · Δ Vldfd21)2其中，At= |tft2|?；蛘撸鑫⒉y(cè)量方法使用一個(gè)用于反射電磁波信號(hào)的反射物，所述反射物也 插入糧堆中，所述發(fā)射天線和所述接收天線距離所述反射物一近一遠(yuǎn)，且成一角度；通過(guò)測(cè)量獲得所述發(fā)射天線與所述反射物、所述接收天線間距離分別為Cl1和d2， 所述接收天線與所述反射物的距離為d3，電磁波由所述發(fā)射天線經(jīng)由所述反射物反射后到 達(dá)信號(hào)接收機(jī)的時(shí)間為、，直接到達(dá)信號(hào)接收機(jī)的時(shí)間為t2，則按照下式計(jì)算糧堆的介電 常數(shù)ε ε = (c · Δ t/ | (I^d3-Cl21)2其中，At= |tft2|。此時(shí)，所述反射物為金屬棒或者為儲(chǔ)備庫(kù)的墻壁。
所述信號(hào)發(fā)射機(jī)為微波信號(hào)發(fā)射機(jī)。所述桿狀天線為半波長(zhǎng)對(duì)稱振子天線。所述發(fā)射天線與所述接收天線之間的距離在6米之內(nèi)。利用本發(fā)明所提供的糧堆介電常數(shù)微波測(cè)量方法，可以在糧倉(cāng)中同一測(cè)點(diǎn)可以把 天線插入不同的深度，測(cè)量逐層的介電常數(shù)，以此建立糧倉(cāng)介電常數(shù)隨深度的變化模型和 整個(gè)糧倉(cāng)的介電常數(shù)分布模型，從而為建立糧堆的密度分布模型奠定必要的技術(shù)基礎(chǔ)。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。圖1為采用直接法測(cè)量介電常數(shù)的裝置示意圖；圖2(a)為采用反射法測(cè)量介電常數(shù)的第一實(shí)施例的示意圖；圖2(b)為采用反射法測(cè)量介電常數(shù)的第二實(shí)施例的示意圖；圖3顯示了小麥、玉米、大豆在10GHz、含水率一定、23°C時(shí)的介電常數(shù)、損耗系數(shù) 和密度之間的關(guān)系；圖4顯示了小麥種子的介電常數(shù)與含水率之間的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所提供的糧堆介電常數(shù)微波測(cè)量方法的基本原理是這樣的認(rèn)為對(duì)于在國(guó) 家糧食儲(chǔ)備庫(kù)中堆積的糧食而言，其相對(duì)電導(dǎo)率很小，相對(duì)磁導(dǎo)率為1。設(shè)糧食相對(duì)介電常 數(shù)為ε，則在糧食中電磁波的傳播速度ν為V=C /Ve(2)其中，c為電磁波在真空中的傳播速度。如果測(cè)得在電磁波在介質(zhì)中的速度，即可 算出得該介質(zhì)的介電常數(shù)。由于電磁波的速度ν等于傳播距離d除以傳播時(shí)間t，即ν = d/t(3)其中，d為收、發(fā)兩天線之間的距離，可以通過(guò)直接測(cè)量獲得；t為電磁波信號(hào)的傳 播時(shí)間，需要通過(guò)電磁波信號(hào)處理設(shè)備對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后獲得。由(2)、(3)兩式可得ε = (c · t/d)2(4)即可計(jì)算出所測(cè)糧堆的特定區(qū)域中的介電常數(shù)。但是，國(guó)家糧食儲(chǔ)備庫(kù)本身采用鋼筋混凝土或鋼架結(jié)構(gòu)。這會(huì)對(duì)電磁波的反射和 散射產(chǎn)生直接影響，容易造成測(cè)量結(jié)果的較大誤差。加之儲(chǔ)備庫(kù)中堆放的糧食往往深達(dá)六 米以上，探地雷達(dá)等測(cè)量手段無(wú)法準(zhǔn)確探測(cè)出糧堆內(nèi)部的介電常數(shù)分布情況。為此，本發(fā)明 人經(jīng)過(guò)深入研究和反復(fù)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為對(duì)于測(cè)量糧堆介電常數(shù)這一任務(wù)而言，可以使用能較深 插入糧堆內(nèi)部的桿狀天線進(jìn)行介電常數(shù)的測(cè)量。具體而言，首先把分別用于收、發(fā)電磁波信號(hào)的桿狀天線隔一定的距離平行插入 糧堆之中，使其位于糧面以下一定的位置，并保持上、下端平齊。桿狀天線可以輻射或接收 一定頻率的電磁波，根據(jù)電磁波在介質(zhì)中傳播的速度受所在介質(zhì)介電常數(shù)的影響，利用收、 發(fā)分離的桿狀天線測(cè)量電磁波在糧堆中的傳播速度，進(jìn)而計(jì)算出糧堆的介電常數(shù)。
本糧堆介電常數(shù)微波測(cè)量方法在實(shí)施時(shí)必須保證天線之間的平行性，并保證天線 頂端對(duì)齊。為此，可以使用如超聲波定位儀等設(shè)備，精確測(cè)量天線間的實(shí)際距離。糧堆密度的測(cè)量過(guò)程要求盡可能不對(duì)糧堆進(jìn)行擾動(dòng)，使用桿狀天線插入法雖然也 擾動(dòng)了糧堆，但所擾動(dòng)的區(qū)域范圍很小。如果保證天線之間的距離遠(yuǎn)大于擾動(dòng)的區(qū)域范圍， 如在2米以上時(shí)，可以認(rèn)為天線對(duì)糧堆的密度沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的擾動(dòng)。根據(jù)一些探地雷達(dá)資料顯示，電磁波信號(hào)在介質(zhì)中的最大穿透能力與其頻率存在 如表1所示的關(guān)系
頻率(Hz)空氣中半波長(zhǎng)(米)最大穿透能力(米)IG0. 152500M0. 33300M0. 55200M0. 758100M1. 51550M330表1電磁波信號(hào)的穿透能力與頻率的關(guān)系在此需要說(shuō)明的是，探地雷達(dá)電磁波信號(hào)在介質(zhì)中需要經(jīng)過(guò)反射后接收，因此電 磁波信號(hào)實(shí)際的最大傳播距離是穿透能力的2倍以上。本發(fā)明中的桿狀天線可以采用半波長(zhǎng)對(duì)稱振子天線。這是一種最簡(jiǎn)單、最基本的 桿狀微波天線。在實(shí)際使用本糧堆介電常數(shù)微波測(cè)量方法時(shí)，首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同頻率 的電磁波在糧堆中的傳播距離，由此確定合適的天線尺寸。例如500MHz的信號(hào)可以傳播6 米以上，天線尺寸應(yīng)該在30cm左右較為合適。該桿狀天線尺寸還應(yīng)該滿足便攜的要求，方便插入糧堆深處。因此，天線本身必須 具有一定的硬度和韌性。為使天線能夠順利插入糧堆深處，可以在需要時(shí)使用糧庫(kù)中用于 埋設(shè)測(cè)溫電纜用的電動(dòng)下線器。在進(jìn)行糧堆介電常數(shù)測(cè)量時(shí)，可以考慮使用調(diào)幅波、調(diào)頻波或窄脈沖作為傳播信 號(hào)。這三種信號(hào)在實(shí)際測(cè)量中會(huì)有不同的表現(xiàn)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，調(diào)幅波受干擾的可能性最 大，通常不使用。超寬帶窄脈沖信號(hào)、連續(xù)調(diào)頻波都是較好的用于實(shí)現(xiàn)精確定位的電磁波。 例如現(xiàn)有的商用探地雷達(dá)多數(shù)采用超寬帶窄脈沖信號(hào)。采用沖激體制的超寬帶窄脈沖信號(hào) 有很多優(yōu)點(diǎn)，它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，沖激源輸出直接激勵(lì)天線，不需要任何變換和放大。 另外，現(xiàn)有的雷達(dá)物位儀多使用連續(xù)調(diào)頻波信號(hào)，在接收端使用傅立葉變換，并鎖定相關(guān)比 較的方法，可以將位置測(cè)量精度控制在Imm;但是其系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難度較高。 對(duì)于本發(fā)明而言，優(yōu)選采用上述的超寬帶窄脈沖信號(hào)作為進(jìn)行介電常數(shù)測(cè)量的電磁波。在本糧堆介電常數(shù)微波測(cè)量方法中，根據(jù)測(cè)量的微波傳播路徑不同，可以分為直
6接法和反射法測(cè)量介電常數(shù)。下面分別說(shuō)明如下圖1顯示了采用直接法來(lái)測(cè)量糧堆介電常數(shù)的基本原理。此方法使用一個(gè)發(fā)射、 兩個(gè)接收的天線插入糧堆，利用電磁波到兩接收天線的時(shí)間差計(jì)算介電常數(shù)。在工作時(shí)，發(fā) 射天線向外發(fā)射電磁波，并且不再與信號(hào)接收機(jī)連接；兩個(gè)完全相同的接收天線與發(fā)射天 線平行放置，距離一近一遠(yuǎn)，且成一角度。如圖1所示，接收天線A和接收天線B分別位于 距發(fā)射天線距離為Cl1和d2的位置，并通過(guò)等長(zhǎng)的同軸電纜與信號(hào)接收機(jī)相連接。由于同發(fā) 射天線的距離不同，電磁波信號(hào)經(jīng)兩根天線傳到信號(hào)接收機(jī)上面的電磁波信號(hào)也會(huì)有一個(gè) 時(shí)間差A(yù)t，設(shè)從天線A、B到達(dá)信號(hào)接收機(jī)的時(shí)間分別為、和t2，它滿足以下公式ti = di/v+to(5)t2 = d2/v+t0(6)At= I trt21(7)其中，t0為在天線和導(dǎo)線上的傳播時(shí)間，因?yàn)閮蓚€(gè)天線和導(dǎo)線完全相同，因此電磁 波信號(hào)在天線和導(dǎo)線上的傳播時(shí)間相同。由前述的式(4)、(5)、(6)和(7)可得ε = (c · Δ t/ | d「d21)2(8)其中，Δ t的值由信號(hào)接收機(jī)根據(jù)A、B兩根天線的信號(hào)相位差獲得，Cl1和d2的值 通過(guò)直接測(cè)量獲得。該直接測(cè)量方法采用對(duì)稱的接收天線布置方式，使得電磁波信號(hào)到達(dá) 信號(hào)接收機(jī)的時(shí)間差更加精確。在圖1所示的實(shí)施例中，信號(hào)發(fā)射機(jī)選用微波信號(hào)發(fā)射機(jī)，由其生成微波信號(hào)。信 號(hào)由放大線路、輸出電路經(jīng)過(guò)同軸電纜傳送到發(fā)射天線。信號(hào)發(fā)射機(jī)每次工作時(shí)向外發(fā)出 電磁波，并停機(jī)，等待下一次發(fā)射；或者每隔一秒鐘進(jìn)行一次發(fā)射，供信號(hào)接收機(jī)分析使用。 信號(hào)發(fā)射機(jī)的工作頻率最好控制在IOOMHz到IGHz之間，頻率太高會(huì)使穿透能力變?nèi)?，頻率 太低則需要加大天線尺寸。本發(fā)明中的信號(hào)接收機(jī)是常規(guī)的微波信號(hào)接收器。在信號(hào)接收機(jī)中，接收電路通 過(guò)信號(hào)放大器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，顯示在顯示設(shè)備上面，并記錄在存儲(chǔ)設(shè)備 中。通過(guò)對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理，可以自動(dòng)計(jì)算出信號(hào)之間的時(shí)間差。在糧堆測(cè)量中，如果兩根天線距離2米，糧食介電常數(shù)按2估計(jì)，則電磁波信號(hào)在 天線之間的糧堆中的傳播時(shí)間為t = d/v=^ . d/c= V2 X2ra/ (3X108m/s) = 9. 4 X l(T9s = 9. 4ns即信號(hào)發(fā)射機(jī)和信號(hào)接收機(jī)的工作頻率必須達(dá)到納秒的級(jí)別，才能還原信號(hào)的真 實(shí)波形，并由此獲取兩個(gè)通道的信號(hào)的時(shí)間差。圖2(a)和圖2(b)分別顯示了采用反射法來(lái)測(cè)量糧堆介電常數(shù)的基本原理。反射 法是使用一個(gè)發(fā)射、一個(gè)接收的天線和一根作為反射物的金屬棒插入糧堆，利用電磁波直 接到接收天線與經(jīng)反射后到接收天線的時(shí)間差計(jì)算介電常數(shù)。該反射物也可以利用儲(chǔ)備庫(kù) 的墻壁實(shí)現(xiàn)。其中，圖2(a)所示的實(shí)施例中采用金屬棒作為反射物，圖2(b)所示的實(shí)施例 中采用儲(chǔ)備庫(kù)的墻壁作為反射物。如圖2(a)所示，在工作時(shí)，發(fā)射天線向外發(fā)射電磁波；在離儲(chǔ)備庫(kù)的墻壁較遠(yuǎn)的 地方將接收天線、金屬棒與發(fā)射天線平行放置，收、發(fā)兩天線距離金屬棒一近一遠(yuǎn)，且成一 角度。發(fā)射天線與反射物、接收天線間距離分別為Cl1和d2，接收天線與反射物的距離為d3。由于電磁波由發(fā)射天線到達(dá)接收天線的路徑不同，從而傳到信號(hào)接收機(jī)上面的電磁波信號(hào) 也會(huì)有一個(gè)時(shí)間差，設(shè)兩個(gè)從不同路徑傳播的電磁波到達(dá)信號(hào)接收機(jī)的時(shí)間分別為、和 t2，它滿足以下公式ti = (Cl^d3) /v+tQ(9)t2 = d2/v+t0(10)At= trt2(11)其中，t0為在天線和導(dǎo)線上的傳播時(shí)間，兩個(gè)從不同路徑傳播的電磁波信號(hào)在天 線和導(dǎo)線上的傳播時(shí)間相同。由式(4)、(9)、(10)和(11)可得ε = (c · Δ t/I C^d3-Cl21)2(12)其中，Δ t的值由信號(hào)接收機(jī)根據(jù)A、B兩根天線的信號(hào)相位差獲得，Clpd3和d2的 值通過(guò)直接測(cè)量獲得。圖2(b)適合于收、發(fā)兩天線距離儲(chǔ)備庫(kù)的墻壁較近的情況。在此情況下，不需要 使用金屬棒作為反射物，而是直接使用墻壁作為反射物。在離墻近的地方，接收天線與發(fā)射 天線平行放置，收、發(fā)兩天線距離墻一近一遠(yuǎn)，且成一角度。發(fā)射天線與反射物、接收天線間 距離分別為Cl1和d2，接收天線與反射物的距離為d3。相關(guān)的測(cè)量和計(jì)算過(guò)程與圖2(a)所 示的完全一致，在此就不詳細(xì)贅述了。在具體實(shí)踐中，國(guó)家糧食儲(chǔ)備庫(kù)常用的平房倉(cāng)的裝糧深度為6米。考慮到減少多 徑效應(yīng)、避免因反射造成誤差的需要，收、發(fā)兩天線之間的距離最好控制在6米之內(nèi)。由于 收發(fā)天線間的距離遠(yuǎn)大于天線插入擾動(dòng)的區(qū)域的半徑，所以本糧堆介電常數(shù)微波測(cè)量方法 可以近似當(dāng)作是無(wú)擾動(dòng)測(cè)量。利用圖1和圖2所介紹的方法，可以在糧倉(cāng)中同一測(cè)點(diǎn)可以把天線插入不同的深 度，測(cè)量逐層的介電常數(shù)，以此建立糧倉(cāng)介電常數(shù)隨深度的變化模型和整個(gè)糧倉(cāng)的介電常 數(shù)分布模型，從而為建立糧堆的密度分布模型和含水率分布模型奠定技術(shù)基礎(chǔ)。圖3顯示了小麥、玉米、大豆在10GHz、含水率一定、23°C時(shí)的介電常數(shù)、損耗系 數(shù)和密度之間的關(guān)系(引自Samir Trabelsi和Stuart ONelson的論文《Free-space measurement of dielectric properties ofcereal grain and oilseed at microwave frequencies〉〉，載于〈〈Measurement Science and Technology〉〉2003 年第 14 卷 589 600 頁(yè))。表2顯示了小麥種子的含水率與介電常數(shù)關(guān)系的測(cè)試數(shù)據(jù)(引自米雙山2000年發(fā)表 的博士論文《介電式種子分選機(jī)理及其設(shè)備的研究》)。圖4顯示了種子的介電常數(shù)與含水 率之間的關(guān)系。
權(quán)利要求
一種糧堆介電常數(shù)的微波測(cè)量方法，采用信號(hào)發(fā)射機(jī)、信號(hào)接收機(jī)、發(fā)射天線和接收天線，所述發(fā)射天線連接所述信號(hào)發(fā)射機(jī)，所述接收天線連接所述信號(hào)接收機(jī)，所述發(fā)射天線和所述接收天線均為桿狀天線，其特征在于首先把所述發(fā)射天線和所述接收天線隔一定的距離平行插入糧堆之中，使其位于糧面以下一定的位置，并保持上、下端平齊；所述信號(hào)發(fā)射機(jī)通過(guò)所述發(fā)射天線發(fā)出電磁波，該電磁波由所述接收天線接收后，送入所述信號(hào)接收機(jī)之中；測(cè)量獲得所述電磁波在所述發(fā)射天線與所述接收天線之間傳播的時(shí)間t以及所述發(fā)射天線與所述接收天線的距離d，按照下式計(jì)算糧堆的介電常數(shù)εε＝(c·t/d)2其中，c為電磁波在真空中的傳播速度。
2.如權(quán)利要求1所述的糧堆介電常數(shù)的微波測(cè)量方法，其特征在于所述微波測(cè)量方法使用兩個(gè)接收天線，這兩個(gè)接收天線與所述發(fā)射天線平行放置，距 離一近一遠(yuǎn)，且成一角度；通過(guò)測(cè)量獲得兩個(gè)接收天線與所述發(fā)射天線之間的距離分別為Cl1和d2，電磁波從這兩 個(gè)接收天線到達(dá)信號(hào)接收機(jī)的時(shí)間分別為、和、，按照下式計(jì)算糧堆的介電常數(shù)ε ε = (c · At/ldrdJ)2 其中，At = |t「t2|。
3.如權(quán)利要求2所述的糧堆介電常數(shù)的微波測(cè)量方法，其特征在于 所述信號(hào)發(fā)射機(jī)為微波信號(hào)發(fā)生器，工作頻率在IOOMHz到IGHz之間。
4.如權(quán)利要求1所述的糧堆介電常數(shù)的微波測(cè)量方法，其特征在于所述微波測(cè)量方法使用一個(gè)用于反射電磁波信號(hào)的反射物，所述反射物也插入糧堆 中，所述發(fā)射天線和所述接收天線距離所述反射物一近一遠(yuǎn)，且成一角度；通過(guò)測(cè)量獲得所述發(fā)射天線與所述反射物、所述接收天線間距離分別為Cl1和d2，所述 接收天線與所述反射物的距離為d3，電磁波由所述發(fā)射天線經(jīng)由所述反射物反射后到達(dá)信 號(hào)接收機(jī)的時(shí)間為、，直接到達(dá)信號(hào)接收機(jī)的時(shí)間為t2，按照下式計(jì)算糧堆的介電常數(shù)ε ε = (c · Δ t/ I (Ud3-Cl21)2 其中，At= |t「t2|。
5.如權(quán)利要求4所述的糧堆介電常數(shù)的微波測(cè)量方法，其特征在于 所述反射物為金屬棒。
6.如權(quán)利要求4所述的糧堆介電常數(shù)的微波測(cè)量方法，其特征在于 所述反射物為儲(chǔ)備庫(kù)的墻壁。
7.如權(quán)利要求1所述的糧堆介電常數(shù)的微波測(cè)量方法，其特征在于 所述桿狀天線為半波長(zhǎng)對(duì)稱振子天線。
8.如權(quán)利要求1所述的糧堆介電常數(shù)的微波測(cè)量方法，其特征在于 所述發(fā)射天線與所述接收天線之間的距離在6米之內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種糧堆介電常數(shù)的微波測(cè)量方法。該方法采用信號(hào)發(fā)射機(jī)、信號(hào)接收機(jī)、發(fā)射天線和接收天線實(shí)現(xiàn)。發(fā)射天線連接信號(hào)發(fā)射機(jī)，接收天線連接信號(hào)接收機(jī)，發(fā)射天線和接收天線均為桿狀天線。首先把發(fā)射天線和接收天線隔一定的距離平行插入糧堆之中，使其位于糧面以下一定的位置，并保持上、下端平齊；信號(hào)發(fā)射機(jī)通過(guò)發(fā)射天線發(fā)出電磁波，該電磁波由接收天線接收后，送入信號(hào)接收機(jī)之中；測(cè)量獲得電磁波在發(fā)射天線與接收天線之間傳播的時(shí)間以及發(fā)射天線與接收天線的距離，由此計(jì)算糧堆的介電常數(shù)。
文檔編號(hào)G01N9/24GK101957404SQ20091008948
公開(kāi)日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2009年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月20日
發(fā)明者吳方明, 吳炳方, 李強(qiáng)子, 楊雷東, 蒙繼華 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所