|
糧食水分含量是糧食質量的關鍵指標，直接影響糧食的收購、運輸、儲藏、加工、貿易等過程。目前在國內糧食收購時，憑手摸牙咬或者傳統檢測方法來判斷糧食的水分，存在測定結果極不可靠、檢測時間長、浪費人力物力等問題。為了快速、準確檢測糧食水分，設計了基于微波的糧食水分檢測系統，通過檢測微波信號與被測糧食相互作用前后微波幅值、相位等變化，推算出糧食水分含量。 1 微波水分檢測 微波水分檢測是近幾年發展起來的一項無損檢測新技術，它具有檢測精度高、測量范圍廣、穩定性好、便于動態檢測、對環境的敏感性小、可以在相對惡劣環境條件下進行等優點。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。糧食中水的介電常數和衰減因子比其中干物質的介電特性值高很多，且作為極性分子的水在微波場作用下極化，表現出對微波的特殊敏感性。微波糧食水分檢測正是利用水對微波能量的吸收、反射等作用，引起微波信號相位、幅值等參數變化的原理進行水分含量檢測的。微波水分檢測正在逐步取代精度低、取樣要求高、適應性差的電容法、電阻法等傳統水分檢測方法，成為一種理想的糧食水分檢測技術。微波水分檢測可以采用透射式和反射式檢測方法，其微波傳感器布置如圖1所示。 一般物料厚度比較薄時，采用透射式檢測方法；物料厚度比較厚，密度比較大時采用反射式檢測方法。微波檢測是一種深度測量技術，所測結果為體積總體水分而具有代表性，這比之表面測量技術要優越得多。 2 系統設計 2．1 系統結構設計 在理論分析和大量實驗基礎上，設計了基于微波的糧食水分檢測系統，如圖2所示。該系統主要由微波發生器器、微波傳感器天線、溫度傳感器、檢測控制器及分析處理等部分組成。 微波發生器工作頻率為10．5 GHz，微波傳感器采取透射式檢測方法布置。隔離器使正向傳輸的微波無衰減或衰減很小的通過，而對于反向傳輸的微波則有較大的衰減。使用隔離器，可把負載不匹配所引起的反射通過隔離器吸收掉，不能返回到信號源，使信號源能穩定地工作。檢波器把微波信號轉換為電信號，經檢測控制器放大、濾波及A／D轉換后，檢測控制器通過串行總線與計算機進行數據通訊。計算機可完成對數據分析與實時顯示。檢測控制器可進行系統參數的設置、水分標定、檢測結果顯示等操作。通過溫度傳感器信號進行溫度補償，以獲得微波檢測信號與糧食水分含量的理想線性關系，提高系統檢測精度。 2．2 硬件設計 糧食水分檢測控制器是硬件設計的核心部分，它由放大濾波電路、A／D轉換、微控制器、鍵盤、LCD顯示和串行總線接口組成，如圖3所示。微波傳感器探頭拾取的微波電信號，經過放大、濾波處理后，再進行A／D轉換，糧食水分推算結果在LCD上進行實時顯示。鍵盤接口可以進行控制器參數設置、水分標定等操作。通過串口與計算機進行數據通訊，CAN總線為多個控制器的級聯接口。 微波傳感器模擬信號處理決定了整個系統的水分檢測范圍和檢測精度。圖4為傳感器信號處理電路。微控制器采用Microchip公司的PICl-8F6527。該處理器采用納瓦技術，功耗低，抗干擾能力強，外圍接口豐富，如CCP模塊(PWM)、MSSP模塊(SPI，I2C)、EUSART模塊、A／D轉換模塊等，可滿足系統應用需求。4種晶振模式，最高可達40 MHz。內部具有看門狗電路，可在線串行編程(in-circuit serial programming，ICSP)。A／D轉換器采用AD7806，16位采樣，其參考電壓源3 V由AD780提供，A／D采樣分辨率為45．8μV／bit，使系統具有較高的檢測精度。AD7806具有采樣自校正功能，保證了采樣的準確性，通過SPI總線與微控制器進行數據通訊。上電初始化完成后，AD7806通過引腳 由高變為低向微控制器提供中斷信號，通知微控制一個新的A／D轉換數據已經準備好，可以進行讀取操作。信號處理電路的放大倍數可在線調節，通過PICl8F6527控制數字電位器AD5227來完成，兩者之間通過3根數據線連接，提高了系統的水分檢測范圍。整個系統采用5 V工作電壓，低功耗設計，與外部設備的接口進行光電隔離，降低外部十擾，提高系統工作可靠性。 2．3 軟件設計 糧食水分檢測系統軟件由數據采集、水分值標定、水分值推算、系統靈敏度調節及顯示模塊組成。系統靈敏度調節模塊可根據采樣數據進行模擬信號放大倍數的調整，提高系統魯棒性。圖5為實時微波水分檢測軟件界面。 圖6為軟件設計流程。檢測系統在初次安裝或檢測的物料品種變換時，需要進行系統水分標定和參數的設置，一般需要標定2或2個以上數據點，根據標定值進行數據擬合處理。系統初始化完成后，數據采集模塊每采集一小段微波信號，對這段數據進行平滑處理。采用冒泡法先進行排序，選用中間的數據加權平均，并對采樣數據進行溫度補償。水分值推算模塊根據事先的標定值和平滑預處理后的結果，通過線性匹配算法推算出糧食水分含量值并實時顯示。 3 結果與分析 1)實驗材料 實驗樣品為8種不同水分的小麥(水分范圍8％～20％)各40kg。標準烘干法需要的材料有電熱恒溫烘箱、精度為0．001 g的電子天平、電動粉碎機、鋁盒等。 2)方法 用基于微波的糧食水分檢測系統在試驗平臺上對小麥進行測量，測得小麥水分值。同時取一定樣品，用標準烘干法獲得小麥的標準水分值。將系統測量值與烘干法獲得的標準值進行比較、分析。實驗數據見表1。 經實驗檢測該糧食水分檢測系統檢測含水量范圍為8％～20％，測量精度為O．5％。現場大量實驗檢測表明，該系統完全可以滿足糧食水分含量檢測的需求。 4 結論 基于微波的糧食水分檢測系統可以連續、準確地對糧食水分含量進行檢測，為糧食的收購、運輸和儲藏提供了強有力的技術保障。相對于傳統的電容、電阻等糧食水分檢測方法，微波檢測速度快、精度高、穩定性好，解決了目前在國內糧食收購時，檢測時間長、測定結果極不可靠、不能實現在線檢測等問題。大量室內外實驗表明，該系統可以滿足在糧食收購、儲藏、加工等過程中水分含量的檢測需要，具有廣闊的應用前景和經濟效益。 |
