基于微波透射技术的烟包含水率在线测试仪设计

摘要

在工农业生产过程中，某些物质的含水率多少对其产品的性能、质量和存储都会有非常重要的影响。特别在烟草行业中，其烟包含水率的多少直接影响储存和后期卷烟质量，因而是强制考核指标。针对目前人工抽样烘箱检测实时性低、国外测水仪造价高等原因，结合微波技术，在简化设计的基础上实现实时在线无损测量、可靠性好、精度高。 首先，本文在介绍常用的几种含水率测量方法优缺点后，根据烟包实际情况和国外相关成熟产品检测方法，利用水在微波下的极化现象，且水的介电常数高于其他物质，其微波透射后能量衰减主要由水分引起，设计采用基于微波透射技术实现烟包含水率的精确测量，在此基础上构建其数学模型，通过测量能量衰减多少来间接测量烟包含水率。依据这一原理设计测水仪总体方案并分析其主要工作原理。 其次，根据测水仪总体方案进行了软硬件设计。对于硬件方面，使用双通道实现测量，由于微波频率很高很难直接对其进行分析，采用1KHz方波信号进行调制并测量该信号幅值变化，介绍和设计微波射频收发模块各微波器件功能和主要参数；对于信号处理电路模块，设计双二阶环形滤波器实现选频放大，使用STM32处理器进行数据采集，增加测量物体高度、环境温湿度等外围电路提高测量精度；对于软件方面，根据实际测量任务多需要，移植UCOSII操作系统并编写相关任务，对于采集任务，使用DMA+双缓冲+中断方式保证实时性；在PC端，设计基于Qt的用户软件，其跨平台特性方便后期移植，针对功能需求和模块划分，主要分为系统总览、日志总览、查看数据、基本设置、关于软件和帮助六个模块，在对各模块详细设计后，实现软硬件之间可靠通信。 最后，通过设计模拟应用环境进行实验调试和功能性验证，并对结果进行分析。调试结果表明，本文设计的测水仪在误差范围内可测量0~30%物质含水率，最高测量精度达到0.18%，单次测量转换时间小于500ms，在实现仪器主要功能前提下满足对性能的要求。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 含水率研究方法现状

1.2.1 含水率研究方法概述

1.2.2 微波法测含水率的发展现状

1.3 研究目标和研究内容

2 微波频率下含水率测量原理及方法研究

2.1 微波的特点

2.1.1 微波波段的划分

2.1.2 微波的主要特征

2.1.3 微波的应用

2.2 微波频率下含水物质介电特性分析

2.2.1 水的极化现象

2.2.2 水的介电特性

2.3 测量方法确定及检测数学原理

2.4 本章小结

3 烟包含水率在线测试仪总体方案设计

3.1 测试仪主要性能指标

3.2 系统总体设计

3.3 整体工作原理概述

3.4 本章小结

4 烟包含水率在线测试仪硬件设计

4.1 微波射频收发装置设计

4.1.1 微波信号发生单元

4.1.2 隔离器

4.1.3 衰减器

4.1.4 功率分配器

4.1.5 微波天线

4.1.6 检波器

4.2 信号处理装置设计

4.2.1 选频放大电路设计

4.2.2 数据采集设计

4.2.3 电源设计

4.2.4 外围电路设计

4.3 本章小结

5 烟包含水率在线测试仪软件设计

5.1 基于UCOSII操作系统的下位机软件设计

5.1.1 UCOSII嵌入式操作系统

5.1.2 UCOSII操作系统在STM32F103ZET6芯片中的移植

5.1.3 UCOSII任务程序

5.1.4 任务与任务之间的通信

5.1.5 任务优先级和声明任务创建

5.2 基于Qt的用户上位机软件设计

5.2.1 Qt框架

5.2.2 开发环境介绍

5.2.3 软件总体架构设计

5.2.4 软件详细设计与实现

5.3 本章小结

6 实验验证及分析

6.1 烟包含水率测试仪调试

6.1.1 微波射频收发装置调试

6.1.2 信号处理装置调试

6.1.3 上位机调试

6.2 烟包含水率静态测量实验

6.2.1 实验设备

6.2.2 实验步骤

6.2.3 数据处理与结果分析

6.2.4 误差分析

6.3 本章小结

7 总结与展望

参考文献

读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢