基于微波同轴谐振腔物料水分测量若干关键技术研究

摘要

水分是影响农作物、食品和矿物等产品品质的根本因素之一。无论是在实验室还是在生产线上，只有通过准确而快速的水分测量才能确定干燥系统、复烤机、加湿机、压力机和碾磨机的控制或调整，从而达到最佳的生产工艺。因此快速、准确地测量物料水分成为相关领域亟待解决的问题。传统的微波透射法，由于其微波耦合到自由空间，测量易受到外界干扰，测量精度很难再有实质性提高。而以同轴谐振腔作为测量物料水分的传感器，则由于将被测物料置于腔体内部，不适合工业在线测量的应用。因此，有必要研制一种以开路同轴谐振腔作为传感器的测量系统，实现快速、高精度的测量，并使用特殊的算法实现测量不受物料密度变化的影响。
　　本课题中利用谐振腔作为传感器对物料水分进行测量，同时结合相关的理论、方法和关键技术进行深入研究，主要工作如下：
　　首先，通过系统分析国内外微波法物料水分测量技术的发展现状，指出高精度、快速的物料水分测量已经成为相关生产加工领域面临的主要问题；在分析现有水分测量方法的基础上，指出红外法、自由空间微波法在水分测量中存在的不足。本文提出了开路同轴谐振腔水分传感器的方案及基于混合物介电常数模型的与密度无关算法，能够有效地解决以上问题。
　　提出了一种基于同轴谐振腔微扰原理的谐振微波传感模型，从谐振腔微扰原理出发，利用时域有限差分法（FDTD）对谐振腔空间进行网格划分并求解，建立了谐振腔传感模型。以该模型为基础，系统分析了传感器和物料作用后的内外电磁场分布、谐振腔空载谐振频率及开口保护盖材质对测量精度的影响，并给出了谐振腔传感器应用于在线测量的安装方法和相应的物料传送结构。仿真结果表明：选择2.45GHz作为谐振频率可以较好地平衡测量非线性和分辨力两个因素；开口保护盖的材质影响测量分辨力。
　　通过分析现有各种与密度无关算法原理和存在的问题，提出一种与物料介电常数直接相关的与密度无关算法。深入研究了导体颗粒分散体系的Maxwell-Garnett理论，建立了含水物料的固—液—气三相混合物介电常数模型，并指出三相混合物介电常数模型可以用体积比加权的单相介电常数求和近似表示。在此模型的基础上，从基于体积比的物料水分定义出发，推导了广泛适用且独立于物料密度的水分计算方程，并给出了对于不同种类物料水分测量的补偿策略。该模型为含水混合物介电常数研究提供了基础理论模型和一种简化方法。实验表明：该方法在0～25％的水分范围内适用。
　　设计了快速、高精度的谐振参量测量系统，并多次采用差分的方法，以确保测量系统不受微波信号源稳定度的影响。设计了基于DDS和锁相倍频的可调高稳定度微波源，分析了影响振荡器、耦合器及混频模块性能的各种因素。通过研究窄带谐振腔谐振特性，使用洛仑兹法对谐振曲线进行化简，设计了九点扫频的谐振参数快速测量方法。实验表明：单次测量时间小于1s。
　　最后，研究了实验样品的制备过程。对同轴开路谐振腔水分传感器的稳定性、分辨力和重复性进行了实验研究。通过实验分析了谐振参数检测电路的性能，对本文提出的与密度无关算法进行了验证性实验。实验表明：传感器水分测量分辨力为1.3%，水分测量系统的最大偏差为0.6%。

目录

基于微波同轴谐振腔物料水分测量若干关键技术研究

SOME KEY TECHNOLOGIES ON MOISTURE COTENT MEASUREMENT OF MICROWAVE COAXIAL RESONANT CAVITY

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景、目的和意义

1.2 国内外微波法测量物料水分的研究现状

1.2.1 物料水分测量方法的研究现状

1.2.2 间接法测量物料水分的研究现状

1.3 课题主要研究内容

第2章 微波谐振腔微扰理论

2.1 引 言

2.2 微波谐振腔微扰理论

2.3 谐振腔FDTD计算模型

2.4 谐振腔的二端口网络传输参数等效模型

2.5 谐振腔谐振频率和品质因数的测量

2.6 本章小结

第3章 开路同轴谐振腔水分传感器的设计研究

3.1 引言

3.2 开路同轴谐振腔法水分测量原理

3.3 开路同轴谐振腔内外电磁场分析

3.4 空载谐振频率对传感器传感特性的影响

3.5 端口保护盖材料对传感器传感特性的影响

3.6 传感器开口弥散场分析

3.7 在线测量水分传感器接入方法

3.8 本章小结

第4章 与密度无关的物料水分测量方法研究

4.1 引言

4.2 传统与密度无关测量方法的缺陷

4.3 固—液—气三相混合物复介电常数模型

4.4 传感器谐振参数的密度分离方法

4.5 与密度无关的物料水分测量方程

4.6 本章小结

第5章 微波谐振腔物料水分测量系统

5.1 引言

5.2 微波谐振腔物料水分测量系统构成与工作原理

5.3 宽带DDS锁相扫频源

5.4 谐振腔传感器谐振参量的快速测量技术

5.5 对不同种类物料水分测量的补偿策略

5.6 本章小结

第6章 实验研究

6.1 引言

6.2 实验物料的准备

6.3 水分传感器性能实验

6.4 谐振参数检测电路性能实验

6.5 与密度无关测量方法验证实验

6.6 水分测量系统准确度实验

6.7 本章小结

结 论

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历

参考文献