雷達型微波測水儀器的測試方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及測水裝置，是一種可W在工業(yè)、農業(yè)和醫(yī)療等行業(yè)中廣泛應用的雷達 型微波測水儀，用來對物料的含水率（物料中水重量與物料總重量的百分比）進行快速、無 接觸、精確在線測量。
【背景技術】
[0002] 在工業(yè)、農業(yè)和醫(yī)療等行業(yè)中，對建筑建材、農作物、谷物、紡織物、醫(yī)用原材料等 物料的含水率需要進行精確測量和控制，才能更好地控制產品質量。目前常用的物料含水 量測量方法有加熱干燥稱重法、紅外反射率測水法、微波諧振腔法、微波透射法等等。加熱 干燥稱重法是國標測量方法，精度高，但測量速度慢，只能對少量樣品含水率進行測試，不 能用于在線快速測試，并且只反映樣品的含水量，由于物料含水量通常并不均勻，樣品含水 量與真實物料的平均含水量可能存在偏差，因此要反映真實物料的平均含水量需要多次取 樣測量進行統(tǒng)計分析，測試周期長，效率低。紅外反射率測水法是利用不同含水量樣品對特 定波長紅外線反射率的差異，通過測量紅外反射率來反演樣品含水量，可W用于在線測試， 但由于紅外線主要在物料表面反射，對物料的穿透深度小，因此主要用于測量物料表層含 水量，難W進行物料體含水量的準確測水。微波諧振腔法是將微波諧振腔放置在含水物料 附近，含水物料對諧振腔產生微擾使諧振頻率偏移，由于不同含水量的物料的介電常數差 異較大，因此對不同含水量的物料，微波諧振腔的頻率偏移量不同。將微波諧振腔接入微波 振蕩器回路，根據微波振蕩信號頻率與標稱值的偏差反演得到物料含水率。微波諧振腔法 通常也只反映靠近諧振器的物料含水量，不能反映物料整體平均含水率情況，并且必須保 證物料與諧振腔具有特定的相對位置關系才能保證測試精度，比如測試過程中物料表面與 諧振腔測試面需始終保持緊密接觸，該對物料形態(tài)、樣品尺寸、運動狀態(tài)和設備安裝位置均 有較高要求，在實際應用中受到較多限制。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種雷達型微波測水儀器的測試方法，具有良好測試精度 和較強通用性的無接觸式、快速物料平均體含水率測試技術。
[0004] 本發(fā)明的目的主要通過W下技術方案實現：
[0005] 雷達型微波測水儀器的測試方法，
[0006] 包括構建雷達型微波測水儀器步驟；包括W下部件；機架底座：用于放置待測物 料樣品；微波雷達主機：用于發(fā)射連續(xù)單頻微波信號用W透射待測物料樣品，并接收信標 器發(fā)射的信標信號，并將輸出數據發(fā)送給數據處理終端；信標器：用于接收透射待測物料 樣品后的微波信號，并將接收到的微波信號進行調制形成信標信號，并將信標信號發(fā)射到 微波雷達主機；數據處理終端；數據處理終端輸出頻率選擇信號給微波雷達主機，微波雷 達主機根據頻率選擇信號輸出相應頻率的連續(xù)單頻微波信號，數據處理終端還用于接收微 波雷達主機的輸出數據并計算出待測物料樣品的含水量。
[0007] 根據上述各個裝置，本發(fā)明的工作原理是：待測物料樣品放置在微波雷達主機和 信標器之間，測試時，在數據處理終端控制下，雷達發(fā)射依次發(fā)射兩個頻率的連續(xù)單頻微波 信號，連續(xù)單頻微波信號透射待測物料樣品后，連續(xù)單頻微波信號被信標器接收后進行調 制形成信標信號，信標器并轉發(fā)信標信號，信標信號透射待測物料樣品后被微波雷達主機 接收，微波雷達主機每次接收到信標信號后，分別測試信標信號相對于連續(xù)單頻微波信號 的同相分量（I)和正交分量（曲的幅度，并將I、Q幅度信息傳輸到數據處理終端進行處理。 [000引數據處理終端中，基于包含物料介質、水和空氣3種成分混合介質的復介電常數 模型和水的介電弛豫模型，利用兩個連續(xù)單頻微波信號頻率上的I、Q幅度信息和預存的系 統(tǒng)校準參數，處理得到混合介質中物料介質和水重量比，從而得到物料體含水量，即水的重 量占含水物料重量百分比，測試精度可達0. 1%。
[0009] 所述輸出數據包括參考時鐘信號、連續(xù)單頻微波信號的功率檢測信號，還包括連 續(xù)單頻微波信號與信標信號進行正交混頻后輸出的中頻同相分量，還包括連續(xù)單頻微波信 號與信標信號進行正交混頻后輸出的中頻正交分量。
[0010] 從結構上來說；微波雷達主機位于機架底座正上方，信標器位于微波雷達主機的 正下方，信標器設置在機架底座上，微波雷達主機的微波雷達天線面向機架底座，信標器的 信標器天線面向微波雷達主機，數據處理終端的頻率選擇信號輸出端與微波雷達主機的頻 率選擇信號端連接，微波雷達主機的輸出數據端與數據處理終端的數據輸入端連接。
[0011] 還包括如下測試步驟：
[0012] 第一步：第一步；測算出微波雷達天線和信標器天線出口面之間的距離為R;
[0013] 第二步：校準測試得到無量綱系統(tǒng)常數；
[0014] 校準測試的具體步驟如下；在沒有物料樣品時，微波雷達主機依次發(fā)射的頻率 和f2(fi<f2)的微波信號進行校準測試；設頻率為fid= 1，2)時，微波雷達發(fā)射功率為Pu， 微波雷達天線的天線增益Gi，信標器天線的天線增益為Ggi，微波雷達主機收到的信標信號 的同相分量和正交分量幅度分別為li和Qi，則有：
[00巧]Ii=Aicos巫i(式 1);
[0016] Qi=Ai sin巫i(式2);
[0017] 其中Ai是接收的信標信號幅度的絕對值，〇i是信標信號相對于發(fā)射信號的相位， 并有：
[0020] 式中，AM是頻率為fi的電磁波的真空波長，LM、巫。1分別是頻率fi上系統(tǒng)固有損 耗因子和傳輸相位，2。= 50Q是傳輸線特性阻抗；
[0021] 發(fā)射信號通過禪合器禪合部分功率，檢波產生監(jiān)測電壓Vi為：
[0022]
[002引 ki是比例系數；
[0024] 于是可得：
[0027] 當系統(tǒng)為寬帶設計，并且fi和f2滿足：
[002引
[0029] 則近似有ki=k2=k，1。1= 1。2=L。，巫。1=巫。2=巫。，
[0030] 對一般天線有：
[0033] 其中，A、A。分別是雷達天線和信標器天線的有效面積，在系統(tǒng)工作頻帶內近似為 常量；
[0034] 故近似有；
[0037] 其中
是無量綱系統(tǒng)常數；
[003引第立步；待測物料樣品測定；
[0039] 待測物料樣品測定的具體步驟如下：當放置有待測物料樣品后，同樣在頻率和 f2進行兩次測試，在頻率fi時雷達接收到的信標信號的同相分量和正交分量幅度分別為 1/和Q/，類似可得：
[0042] 式中，0 1、ai分別是存在物料樣品時頻率為fi的電磁波在空間的復傳播常數丫i 的實部和虛部，并有：
[0043]
[0044] 式中e。/、e。/'和分別是有物料樣品情況下，頻率為時，電磁波傳播路徑上介 質復介電常數的實部和虛部；
[0045]根據已知量Xi、yi、Xi和Y巧W解出曰i;
[0050]設角度4 i (0《4 i< 2 31)滿足
，則有：
[0055] 在滿足（式8)條件下，認為電磁波在頻率fi和f2上群速相等，電磁波傳輸時間也 相等，設二者分別Vg為和Td;
[0056]
[0化7](式21)中C是空氣中的光速；
[0化引當滿足條件：
[0059]
[0060] 時，（式21)中m取值滿足；
[0061]
[0062](式22)中Ie」m。,是含水物料在頻率f1或f2上復介電常數模值的最大值；根據 (式23)得到的m代入（式21)求得Td后，可得n;的取值為：
[0063]叫二fix (f1T d)，〇2二n i+m(式24);
[0064](式24)代入（式20)可W求得Pi;根據（式15)，求出eci'、Eci":
[0067] 設電磁波傳播空間的空氣、干燥物料和水的體積比分別為p;q;r，p+q+r= 1，則：
[00側 e'd-jeci" =pea+qe押ew(式 27);
[00例式中ea、ed、ew分別是空氣、干燥物料和水的介電常數，ea=l，P+q甘=1 ;通 常干燥物料沒有介電損耗，故Ed為正實數；
[0070] 于是；
[0071] e'ci-1-jeci"二q(ed_l)甘（eW-1)(式 28);
[0072] 根據水的介電弛豫模型，水的介電常數為：
[0073]
[0074] 其中es= 80和em= 4. 9分別是水的直流和無限高頻率介電常數；T是水的介 電弛豫時間，純水T=2Xl(Tiis，對含在不同物料中的水T具有不同的值；的實部和 虛部分別為：
[0079] 根據（式28)實部和虛部分別相等，并將（式29)、（式32)代入，可得：
33)；
[0087] 代入到（式35)，求出23ifiT，并代入（式3如求出r;r代入（式城求出q(e廣 1):
[0090] 根據干燥物料和水的體積比q;r，可得物料含水