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原文传递一种基于扫频微波穿透法的谷物含水率在线测量装置

专利名称：	一种基于扫频微波穿透法的谷物含水率在线测量装置
摘要：	本发明公开了一种基于扫频微波穿透法的谷物含水率在线测量装置，包括微波发射端、微波接收端、天线升降平台、控制单元和输送机；微波发射端和微波接收端分别滑动设置在天线升降平台的下、上半空间；控制单元根据激光对准传感器的信号和微波信号的衰减偏差移动微波天线完成天线的自动对准；由天线远场条件、含水率测量结果代表性和减小微波空间传输损耗三个条件确定并调整至最佳的测量距离和天线间距离；输送机携带待测谷物穿过微波发射端与微波接收端之间形成的测量空间，与微波扫频信号相互作用，用优化的微波扫频信号代替单一频率的信号测量谷物含水率，在抑制多重反射影响的同时更加全面的获得谷物水分信息，提高谷物含水率的测量精度。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	浙江;33
申请人：	浙江大学
发明人：	韦真博;张津阳;王俊;王永维;程绍明
专利状态：	有效
申请日期：	2019-01-23T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-28T00:00:00+0800
申请号：	CN201910064299.X
公开号：	CN109813733A
代理机构：	杭州求是专利事务所有限公司
代理人：	邱启旺
分类号：	G01N22/04(2006.01);G;G01;G01N;G01N22
申请人地址：	310058 浙江省杭州市西湖区余杭塘路866号
主权项：	1.一种基于扫频微波穿透法的谷物含水率在线测量装置，其特征在于，包括微波发射端(1)、微波接收端(2)、天线升降平台(3)、控制单元(4)和输送机(5)等；微波发射端(1)和微波接收端(2)安装在天线升降平台(3)上，微波发射端(1)和微波接收端(2)分别滑动设置在天线升降平台(3)的下半空间和上半空间，天线升降平台(3)提供Z轴方向的移动；微波发射端(1)、微波接收端(2)和天线升降平台(3)均由控制单元(4)控制；微波发射端(1)用于发射微波信号和调节微波发射天线在XY平面中的位置，微波接收端(2)用于接收微波信号和调节微波接收天线在XY平面中的位置，天线升降平台(3)用于调节微波发射端(1)和微波接收端(2)在Z轴方向的位置使装置工作在最优的检测距离，控制单元(4)根据待测谷物的种类设置初始的微波扫频信号MSS，保留MSS中对应微波发射天线反射系数Γ和驻波比ρ最小的3～5个频点构成优化的微波扫频信号MSS’，控制单元(4)发射优化的微波扫频信号MSS’，计算出微波扫频信号MSS’各个频点下的微波信号的衰减A和相移Φ，作为参数输入控制单元(4)中由机器学习算法在实验数据上训练好的谷物含水率预测模型计算出当前待测谷物的含水率，输送机(5)携带待测谷物从微波发射端(1)与微波接收端(2)之间形成的测量空间中穿过，不断更新测量空间中的待测谷物，实时在线测量谷物含水率。 2.根据权利要求1所述的一种基于扫频微波穿透法的谷物含水率在线测量装置，其特征在于，所述微波发射端(1)包括发射天线单元(11)和发射天线移动平台(12)；发射天线单元(11)搭载在发射天线移动平台(12)，由发射天线移动平台(12)提供XY两个方向的移动；所述发射天线单元(11)包括微波发射天线(111)、激光对射传感器接收端(112)和第一传感器支架(113)，激光对射传感器接收端(112)通过第一传感器支架(113)与微波发射天线(111)组合成一个整体，反映微波发射天线(111)的位置。 3.根据权利要求2所述的一种基于扫频微波穿透法的谷物含水率在线测量装置，其特征在于，所述发射天线移动平台(12)包括发射端X向导轨(121)、发射端X向滑块(122)、发射端X向框架(123)、发射端X向电动推杆(124)、发射端Y向导轨(125)、发射端Y向滑块(126)、发射端Y向框架(127)、发射端Y向电动推杆(128)和发射端超声波测距传感器(129)，发射天线移动平台(12)从空间上可分为发射端X层和发射端Y层，发射端X向导轨(121)、发射端X向滑块(122)、发射端X向框架(123)和发射端X向电动推杆(124)构成发射端X层，第一传感器支架(113)固定在发射端X向滑块(122)上，发射端X向滑块(122)滑动套接在发射端X向导轨(121)上，发射端X向导轨(121)和发射端X向电动推杆(124)固定在发射端X向框架(123)，发射端X向电动推杆(124)的伸出端驱动发射天线单元(11)沿发射端X向导轨(121)滑动；发射端Y向导轨(125)、发射端Y向滑块(126)、发射端Y向框架(127)和发射端Y向电动推杆(128)构成发射端Y层，发射端X向框架(123)固定在发射端Y向滑块(126)上，发射端Y向滑块(126)滑动套接在发射端Y向导轨(125)，发射端Y向导轨(125)和发射端Y向电动推杆(128)固定在发射端Y向框架(127)上，发射端Y向电动推杆(128)的伸出端与发射端X向框架(123)固定连接，通过发射端Y向电动推杆(128)的伸缩实现发射天线单元(11)沿发射端Y向导轨(125)滑动，发射端超声波测距传感器(129)安装在发射端Y向框架(127)上，用于检测微波发射天线(111)距待测谷物的检测距离。 4.根据权利要求2所述的一种基于扫频微波穿透法的谷物含水率在线测量装置，其特征在于，所述微波接收端(2)包括接收天线单元(21)和接收天线移动平台(22)；接收天线单元(21)搭载在接收天线移动平台(22)，由接收天线移动平台(22)提供XY两个方向的移动；所述接收天线单元(21)包括微波接收天线(211)、激光对射传感器发射端(212)和第二传感器支架(213)，激光对射传感器发射端(212)通过第二传感器支架(213)与微波接收天线(211)组合成一个整体，代表微波接收天线(211)的位置。 5.根据权利要求4所述的一种基于扫频微波穿透法的谷物含水率在线测量装置，其特征在于，所述接收天线移动平台(22)包括接收端X向导轨(221)、接收端X向滑块(222)、接收端X向框架(223)、接收端X向电动推杆(224)、接收端Y向导轨(225)、接收端Y向滑块(226)、接收端Y向框架(227)、接收端Y向电动推杆(228)和接收端超声波测距传感器(229)，接收天线移动平台(22)从空间上可分为接收端X层和接收端Y层，接收端X向导轨(221)、接收端X向滑块(222)、接收端X向框架(223)和接收端X向电动推杆(224)构成接收端X层，第二传感器支架(213)固定在接收端X向滑块(222)上，接收端X向滑块(222)滑动套接在接收端X向导轨(221)上，接收端X向导轨(221)和接收端X向电动推杆(224)固定在接收端X向框架(223)，接收端X向电动推杆(224)的伸出端驱动接收天线单元(21)沿接收端X向导轨(221)滑动；接收端Y向导轨(225)、接收端Y向滑块(226)、接收端Y向框架(227)和接收端Y向电动推杆(228)构成接收端Y层，接收端X向框架(223)固定在接收端Y向滑块(226)上，接收端Y向滑块(226)滑动套接在接收端Y向导轨(225)，接收端Y向导轨(225)和接收端Y向电动推杆(228)固定在接收端Y向框架(227)上，接收端Y向电动推杆(228)的伸出端与接收端X向框架(223)固定连接，通过接收端Y向电动推杆(228)的伸缩实现接收天线单元(21)沿接收端Y向导轨(225)滑动，接收端超声波测距传感器(229)安装在接收端Y向框架(227)上，用于检测微波接收天线(211)距待测谷物的距离。 6.根据权利要求1所述的一种基于扫频微波穿透法的谷物含水率在线测量装置，其特征在于，所述天线升降平台3包括机架(31)、Z向导轨(32)、Z向滑块(33)、发射端升降推杆(34)和接收端升降推杆(35)；Z向导轨(32)安装在机架(31)高边的内侧，发射端升降推杆(34)安装在机架(31)的上部，发射端升降推杆(34)的伸出端与发射天线移动平台(12)连接，带动微波发射端(1)沿Z向导轨(32)做升降运动；接收端升降推杆(35)安装在机架(31)的下部，接收端升降推杆(35)的伸出端与接收天线移动平台(22)连接，带动微波接收端(2)沿Z向导轨(32)做升降运动，发射端升降推杆(34)和接收端升降推杆(35)的固定端安装在机架(31)高边不同平面的外侧，相互错开。 7.根据权利要求1所述的一种基于扫频微波穿透法的谷物含水率在线测量装置，其特征在于，所述控制单元(4)包括嵌入式计算机系统(401)、微控制器(402)、微波信号发生器(403)、隔离器(404)、可变衰减器(405)、第一定向耦合器(406)、环形器(407)、第二定向耦合器(408)、第三定向耦合器(409)、鉴相器(410)、第一检波器(411)、第二检波器(412)、第三检波器(413)、A/D转换器(414)和温度传感器(415)；嵌入式计算机系统(401)通过总线连接到微控制器(402)，微控制器(402)与微波信号发生器(403)相连，微波信号发生器(403)、隔离器(404)、可变衰减器(405)和第一定向耦合器(406)依次连接，第一定向耦合器(406)的输出端和耦合端分别连接环形器(407)和第二定向耦合器(408)，环形器(407)分别连接第二检波器(412)和微波发射天线(111)，第二定向耦合器(408)的输出端和耦合端分别连接第一检波器(411)和鉴相器(410)，第三定向耦合器(409)的输出端和耦合端分别连接第三检波器(413)和鉴相器(410)，鉴相器(410)、第一检波器(411)、第二检波器(412)和第三检波器(413)连接到A/D转换器(414)，A/D转换器(414)和温度传感器(415)连接到微控制器(402)；微波信号发生器(403)产生装置测量时的微波扫频信号；隔离器(404)、可变衰减器(405)、第一定向耦合器(406)、环形器(407)、第二定向耦合器(408)和第三定向耦合器(409)是构成微波通路的微波器件；第一检波器(411)、第二检波器(412)和第三检波器(413)测量微波信号的衰减，鉴相器(410)测量微波信号的相移。 8.根据权利要求1所述的基于扫频微波穿透法的谷物含水率在线测量装置，其特征在于：控制单元(4)根据激光对射传感器反馈的信号，调整两微波天线的水平位置，实现天线自动对准。 9.根据权利要求1所述的基于扫频微波穿透法的谷物含水率在线测量装置，其特征在于：针对不同种类的谷物根据控制单元(4)的指令自动调节微波发射天线(111)与被测物料间测量距离和天线间距离至优化值，使微波天线均处于灵敏的位置区间。 10.根据权利要求1所述的基于扫频微波穿透法的谷物含水率在线测量装置，其特征在于：所述控制单元(4)使用幅度一定、频率在测量带宽内连续变化的微波扫频信号作为装置的测量信号，在抑制多重反射影响的同时更加全面的获得谷物水分信息。扫频信号的中心频率f0与测量带宽BW由谷物的种类决定，并根据微波天线的特性参数对扫频信号优化，去除不良频点，将优化后的扫频信号作为装置最终的测量信号。
所属类别：	发明专利