雷達(dá)型微波測水儀器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及測水裝置，是一種可W在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)療等行業(yè)中廣泛應(yīng)用的 雷達(dá)型微波測水儀，用來對(duì)物料的含水率（物料中水重量與物料總重量的百分比）進(jìn)行快 速、無接觸、精確在線測量。
【背景技術(shù)】
[0002] 在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)療等行業(yè)中，對(duì)建筑建材、農(nóng)作物、谷物、紡織物、醫(yī)用原材料等 物料的含水率需要進(jìn)行精確測量和控制，才能更好地控制產(chǎn)品質(zhì)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(biāo)測量方法，精度高，但測量速度慢，只能對(duì)少量樣品含水率進(jìn)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(shí)物料的平均含水量可能存在偏差，因此要反映真實(shí)物料的平均含水量需要多次取 樣測量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(duì)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(duì)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(jìn)行物料體含水量的準(zhǔn)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(duì)諧振腔產(chǎn)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(shù)差 異較大，因此對(duì)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(jù)微波振蕩信號(hào)頻率與標(biāo)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(duì)位置關(guān)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(duì)物料形態(tài)、樣品尺寸、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和設(shè)備安裝位置均 有較高要求，在實(shí)際應(yīng)用中受到較多限制。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003] 本實(shí)用新型的目的在于提供一種雷達(dá)型微波測水儀器，具有良好測試精度和較強(qiáng) 通用性的無接觸式、快速物料平均體含水率測試技術(shù)。
[0004] 本實(shí)用新型的目的主要通過W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0005] 雷達(dá)型微波測水儀器，包括W下部件：
[0006] 機(jī)架底座；用于放置待測物料樣品；
[0007] 微波雷達(dá)主機(jī)：用于發(fā)射連續(xù)單頻微波信號(hào)用W透射待測物料樣品，并接收信標(biāo) 器發(fā)射的信標(biāo)信號(hào)，并將輸出數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理終端；
[000引信標(biāo)器；用于接收透射待測物料樣品后的微波信號(hào)，并將接收到的微波信號(hào)進(jìn)行 調(diào)制形成信標(biāo)信號(hào)，并將信標(biāo)信號(hào)發(fā)射到微波雷達(dá)主機(jī)；
[0009] 數(shù)據(jù)處理終端；數(shù)據(jù)處理終端輸出頻率選擇信號(hào)給微波雷達(dá)主機(jī)，微波雷達(dá)主機(jī) 根據(jù)頻率選擇信號(hào)輸出相應(yīng)頻率的連續(xù)單頻微波信號(hào)，數(shù)據(jù)處理終端還用于接收微波雷達(dá) 主機(jī)的輸出數(shù)據(jù)并計(jì)算出待測物料樣品的含水量。
[0010] 根據(jù)上述各個(gè)裝置，本實(shí)用新型的工作原理是：待測物料樣品放置在微波雷達(dá)主 機(jī)和信標(biāo)器之間，測試時(shí)，在數(shù)據(jù)處理終端控制下，雷達(dá)發(fā)射依次發(fā)射兩個(gè)頻率的連續(xù)單頻 微波信號(hào)，連續(xù)單頻微波信號(hào)透射待測物料樣品后，連續(xù)單頻微波信號(hào)被信標(biāo)器接收后進(jìn) 行調(diào)制形成信標(biāo)信號(hào)，信標(biāo)器并轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)信號(hào)，信標(biāo)信號(hào)透射待測物料樣品后被微波雷達(dá) 主機(jī)接收，微波雷達(dá)主機(jī)每次接收到信標(biāo)信號(hào)后，分別測試信標(biāo)信號(hào)相對(duì)于連續(xù)單頻微波 信號(hào)的同相分量（I)和正交分量怕）的幅度，并將I、Q幅度信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理終端進(jìn)行 處理。
[0011] 數(shù)據(jù)處理終端中，基于包含物料介質(zhì)、水和空氣3種成分混合介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù) 模型和水的介電弛豫模型，利用兩個(gè)連續(xù)單頻微波信號(hào)頻率上的I、Q幅度信息和預(yù)存的系 統(tǒng)校準(zhǔn)參數(shù)，處理得到混合介質(zhì)中物料介質(zhì)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(dá)0. 1%。
[0012] 所述輸出數(shù)據(jù)包括參考時(shí)鐘信號(hào)、連續(xù)單頻微波信號(hào)的功率檢測信號(hào)，還包括連 續(xù)單頻微波信號(hào)與信標(biāo)信號(hào)進(jìn)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(hào)與信標(biāo)信號(hào)進(jìn)行正交混頻后輸出的中頻正交分量。
[0013] 從結(jié)構(gòu)上來說；微波雷達(dá)主機(jī)位于機(jī)架底座正上方，信標(biāo)器位于微波雷達(dá)主機(jī)的 正下方，信標(biāo)器設(shè)置在機(jī)架底座上，微波雷達(dá)主機(jī)的微波雷達(dá)天線面向機(jī)架底座，信標(biāo)器的 信標(biāo)器天線面向微波雷達(dá)主機(jī)，數(shù)據(jù)處理終端的頻率選擇信號(hào)輸出端與微波雷達(dá)主機(jī)的頻 率選擇信號(hào)端連接，微波雷達(dá)主機(jī)的輸出數(shù)據(jù)端與數(shù)據(jù)處理終端的數(shù)據(jù)輸入端連接。
[0014] 在上述結(jié)構(gòu)中，還包括設(shè)置在機(jī)架底座上的一體化機(jī)架，微波雷達(dá)主機(jī)安裝在一 體化機(jī)架上，數(shù)據(jù)處理終端也安裝在一體化機(jī)架上。
[0015] 優(yōu)選的，機(jī)架底座開有凹槽，信標(biāo)器和信標(biāo)器的信標(biāo)器天線都設(shè)置在凹槽內(nèi)。根據(jù) 待測物料體積大小和測量體積分辨率要求，可W在不同位置設(shè)置多個(gè)信標(biāo)器。
[0016] 信標(biāo)器要實(shí)現(xiàn)接收透射待測物料樣品后的微波信號(hào)，并將接收到的微波信號(hào)進(jìn)行 調(diào)制形成信標(biāo)信號(hào)，并將信標(biāo)信號(hào)發(fā)射到微波雷達(dá)主機(jī)，因此優(yōu)選的所述信標(biāo)器包括電池、 開關(guān)驅(qū)動(dòng)器B、方波振蕩器、反射式微波單刀單擲開關(guān)、匹配負(fù)載，電池均與開關(guān)驅(qū)動(dòng)器B、 方波振蕩器供電連接，開關(guān)驅(qū)動(dòng)器B與反射式微波單刀單擲開關(guān)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)連接，方波振蕩 器與開關(guān)驅(qū)動(dòng)器B匹配連接，反射式微波單刀單擲開關(guān)與匹配負(fù)載匹配連接，反射式微波 單刀單擲開關(guān)還與信標(biāo)器的信標(biāo)器天線連接。
[0017] 優(yōu)選的，所述微波雷達(dá)主機(jī)包括發(fā)射連續(xù)單頻微波信號(hào)的發(fā)射單元、連續(xù)單頻微 波信號(hào)的功率檢測單元、連續(xù)單頻微波信號(hào)與信標(biāo)信號(hào)進(jìn)行正交混頻的正交混頻單元。
[001引優(yōu)選的，所述發(fā)射單元包括順次鏈接的開關(guān)驅(qū)動(dòng)器A、單刀雙擲開關(guān)、定向禪合器A、發(fā)射天線；開關(guān)驅(qū)動(dòng)器A受頻率選擇信號(hào)的控制，單刀雙擲開關(guān)受開關(guān)驅(qū)動(dòng)器A的控制， 定向禪合器A接收單刀雙擲開關(guān)的輸出信號(hào)生成連續(xù)單頻微波信號(hào)給發(fā)射天線，單刀雙擲 開關(guān)還受鎖相頻率源A和鎖相頻率源B的控制，鎖相頻率源A和鎖相頻率源B都接收晶體 振蕩器的振蕩信號(hào)，晶體振蕩器同時(shí)發(fā)送參考時(shí)鐘信號(hào)給數(shù)據(jù)處理終端。
[0019] 優(yōu)選的，功率檢測單元包括順次鏈接的定向禪合器B、檢波器、放大器，定向禪合器 B接收發(fā)射單元的連續(xù)單頻微波信號(hào)。
[0020] 優(yōu)選的，正交混頻單元包括順次鏈接的接收天線、低噪聲放大器、正交混頻器，正 交混頻器接收發(fā)射單元的連續(xù)單頻微波信號(hào)或接收功率檢測單元的連續(xù)單頻微波信號(hào)，接 收天線接收信標(biāo)器發(fā)送的信標(biāo)信號(hào)，信標(biāo)信號(hào)經(jīng)過低噪聲放大器的放大后通過正交混頻器 與連續(xù)單頻微波信號(hào)進(jìn)行正交混頻，正交混頻器輸出2路正交混頻信號(hào)，一路正交混頻信 號(hào)輸出到中頻濾波器A、再經(jīng)過中頻放大器A輸出中頻同相分量信號(hào)給數(shù)據(jù)處理終端，另一 路正交混頻信號(hào)輸出到中頻濾波器B、再經(jīng)過中頻放大器B輸出中頻正交分量信號(hào)給數(shù)據(jù) 處理終端。
[0021] 本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)如下；本實(shí)用新型采用的微波雷達(dá)透射式測水方案是一種非接 觸式測水方案，測試過程中待測物料只需處于雷達(dá)波束照射空間范圍內(nèi)即可，無需與測試 儀器接觸，對(duì)物料的精確形狀、尺寸及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)沒有特別要求，可作為在各種工業(yè)應(yīng)用場合 對(duì)多種物料含水量進(jìn)行測試的通用方法。本實(shí)用新型的數(shù)據(jù)處理方法是基于包含物料介 質(zhì)、水和空氣3種成分混合介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)模型和水的介電弛豫模型，采用雙頻測試并 充分利用雷達(dá)信號(hào)的幅度和相位信息，測試誤差可達(dá)0.1 %W下，并且測試精度不受物料中 空氣含量的影響，對(duì)于纖維、谷物、藥材等疏松物料具有良好的測試精度和一致性。本實(shí)用 新型的微波雷達(dá)透射式測水方案系統(tǒng)校準(zhǔn)十分簡單，對(duì)一類物料樣品只需進(jìn)行一次校準(zhǔn)測 試，對(duì)校準(zhǔn)測試的樣品的形狀、尺寸、密度無特殊要求。本實(shí)用新型微波雷達(dá)透射式測水方 案，測試結(jié)果是被測物料的平均體含水率（重量比），與傳統(tǒng)的微波諧振腔等測試方法僅測 試物料表層含水率相比，能更準(zhǔn)確地反映被測物料含水情況，可適應(yīng)更廣泛的測試應(yīng)用要 求。本實(shí)用新型測試速度很快，一次測試時(shí)間小于1ms，可滿足對(duì)傳送狀態(tài)下的物料含水量 的快速、實(shí)時(shí)和在線測試需求。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本實(shí)用新型的示意圖。
[0023] 圖2為微波雷達(dá)主機(jī)電路框圖。
[0024] 圖3為信標(biāo)器的電路框圖。
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