雷達型微波測水儀器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(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 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(shù)】
[0002] 在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)療等行業(yè)中，對建筑建材、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(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(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，該對物料形態(tài)、樣品尺寸、運動狀態(tài)和設(shè)備安裝位置均 有較高要求，在實際應(yīng)用中受到較多限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種雷達型微波測水儀器，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(shù)。
[0004] 本發(fā)明的目的主要通過W下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0005] 雷達型微波測水儀器，包括W下部件：
[0006] 機架底座；用于放置待測物料樣品；
[0007] 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(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理終端；
[000引信標器；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(diào)制形成信標信號，并將信標信號發(fā)射到微波雷達主機；
[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給微波雷達主機，微波雷達主機 根據(jù)頻率選擇信號輸出相應(yīng)頻率的連續(xù)單頻微波信號，數(shù)據(jù)處理終端還用于接收微波雷達 主機的輸出數(shù)據(jù)并計算出待測物料樣品的含水量。
[0010] 根據(jù)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(shù)據(jù)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(diào) 制形成信標信號，信標器并轉(zhuǎn)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?shù)綌?shù)據(jù)處理終端進行處理。
[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)的復介電常數(shù) 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(yù)存的系 統(tǒng)校準參數(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0. 1%。
[0012] 所述輸出數(shù)據(jù)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。
[0013] 從結(jié)構(gòu)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(shè)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(shù)據(jù)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(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)置在機架底座上的一體化機架，微波雷達主機安裝在一 體化機架上，數(shù)據(jù)處理終端也安裝在一體化機架上。
[0015] 優(yōu)選的，機架底座開有凹槽，信標器和信標器的信標器天線都設(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)置多個信標器。
[0016] 信標器要實現(xiàn)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(diào)制形成信標信號，并將信標信號發(fā)射到微波雷達主機，因此優(yōu)選的所述信標器包括電池、 開關(guān)驅(qū)動器B、方波振蕩器、反射式微波單刀單擲開關(guān)、匹配負載，電池均與開關(guān)驅(qū)動器B、 方波振蕩器供電連接，開關(guān)驅(qū)動器B與反射式微波單刀單擲開關(guān)進行驅(qū)動連接，方波振蕩 器與開關(guān)驅(qū)動器B匹配連接，反射式微波單刀單擲開關(guān)與匹配負載匹配連接，反射式微波 單刀單擲開關(guān)還與信標器的信標器天線連接。
[0017] 優(yōu)選的，所述微波雷達主機包括發(fā)射連續(xù)單頻微波信號的發(fā)射單元、連續(xù)單頻微 波信號的功率檢測單元、連續(xù)單頻微波信號與信標信號進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)動器A受頻率選擇信號的控制，單刀雙擲開關(guān)受開關(guān)驅(qū)動器A的控制， 定向禪合器A接收單刀雙擲開關(guān)的輸出信號生成連續(xù)單頻微波信號給發(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，晶體振蕩器同時發(fā)送參考時鐘信號給數(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。
[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)單頻微波信號或接收功率檢測單元的連續(xù)單頻微波信號，接 收天線接收信標器發(fā)送的信標信號，信標信號經(jīng)過低噪聲放大器的放大后通過正交混頻器 與連續(xù)單頻微波信號進行正交混頻，正交混頻器輸出2路正交混頻信號，一路正交混頻信 號輸出到中頻濾波器A、再經(jīng)過中頻放大器A輸出中頻同相分量信號給數(shù)據(jù)處理終端，另一 路正交混頻信號輸出到中頻濾波器B、再經(jīng)過中頻放大器B輸出中頻正交分量信號給數(shù)據(jù) 處理終端。
[0021] 本發(fā)明的優(yōu)點如下；本發(fā)明采用的微波雷達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波束照射空間范圍內(nèi)即可，無需與測試儀器接觸， 對物料的精確形狀、尺寸及運動狀態(tài)沒有特別要求，可作為在各種工業(yè)應(yīng)用場合對多種物 料含水量進行測試的通用方法。本發(fā)明的數(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信 號的幅度和相位信息，測試誤差可達0. 1 %W下，并且測試精度不受物料中空氣含量的影 響，對于纖維、谷物、藥材等疏松物料具有良好的測試精度和一致性。本發(fā)明的微波雷達透 射式測水方案系統(tǒng)校準十分簡單，對一類物料樣品只需進行一次校準測試，對校準測試的 樣品的形狀、尺寸、密度無特殊要求。本發(fā)明微波雷達透射式測水方案，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。本發(fā)明測試速度很 快，一次測試時間小于1ms，可滿足對傳送狀態(tài)下的物料含水量的快速、實時和在線測試需 求。
【附圖說明】
[002引圖1為本發(fā)明的示意圖。
[0023] 圖2為微波雷達主機電路框圖。
[0024] 圖3為信標器的電路框圖。
[0025] 圖中的附圖