基于谐振法的液体和粉末材料成份在线检测系统及方法与流程

本发明属于微波无损检测技术领域，尤其涉及到基于谐振法的液体和粉末材料成份在线检测系统及方法。

背景技术：

针对液体(如液态橡胶、酒精等)和粉末(如面粉)材料成份检测技术已经在工业中广泛应用。传统检测技术包括电容法、光电法、超声法、微波法，化学检测法，其中电容检测法需要设计多个传感器，在线安装不方便以及容易受温度影响；传统微波检测法有基于雷达算法和传输反射法，但分别存在不适用在线检测和检测精度不高的缺陷；化学检测法虽然检测精度高，但操作复杂费时不适合在线实时检测。目前的大部分检测方法都是针对某一种材料进行成份检测，可检测范围较窄。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于谐振法的液体和粉末材料成份在线检测系统及检测方法。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种基于谐振法的液体和粉末材料成份在线检测系统，包括数据处理及控制模块a和微波测试模块b；

所述数据处理及控制模块包括数字信号处理器、外部存储、按键面板、和显示屏；

所述的微波检测模块包括扫频测试模块、微波同轴传输线、和谐振腔，谐振腔上设有材料检测孔，谐振腔边缘设有耦合接头，数字信号处理器分别和外部存储、按键面板、显示屏、扫频测试模块连接，扫频测试模块和第一耦合接头通过第一微波同轴传输线连接，扫频测试模块和第二耦合接头通过第一微波同轴传输线连接；

数据处理及控制模块a和微波测试模块b通过数据传输线连接实现检测控制和数据传输，数字信号处理器发送控制指令给扫频测试模块，设置其扫频范围、点数和功率，并将扫频测试的幅度/频率数据反馈给数字信号处理器，然后根据谐振频偏与介电常数变化量的函数和lichtenecker对数法则计算出材料成份比例。

作为优选方式，不同材料检测孔分别和不同材料损耗相对应。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种基于谐振法的液体和粉末材料成份检测方法，利用开孔的微波谐振腔，根据材料损耗不同选择不同检测孔，将液体或粉末材料输送管穿过谐振腔，基于经典微扰算法以及不同谐振模式的谐振腔内场分布，通过实验分析计算出不同谐振模式下等效复介电常数变化量与谐振频偏的函数，把函数直接代入lichtenecker对数法则公式计算材料成份比例。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种基于谐振法的液体和粉末材料成份检测方法，采用上述检测系统进行检测，包括如下步骤：

1)材料输送管放置或安装材料检测孔中的一个；

2)连接电源，若工作指示灯亮，说明系统正常，可以进行材料检测；

3)在软件中选择正确的测试端口并成功打开，在未加入待测材料时，先进行校准；

4)加入液体或粉末材料，等待10秒，在材料均匀稳定后再进行测试，检测结果实时显示；

5)插入外部存储设备，选择保存数据。

本发明的工作原理如下：

本系统采用的谐振腔工作在tm0n0模式，腔体内电场和磁场分布见附图3，对比待测材料加入前后，谐振频率和品质因数变化，利用经典微扰算法可分析出混合样品材料的相对复介电常数变化量与谐振频偏的函数关系，并根据不同谐振模式的谐振腔内场分布，建立不同谐振模式下，等效复介电常数变化量与谐振频偏的函数。

lichtenecker对数法则是应用于多相混合物微波复介电常数计算的对数法则。当混合物中各个成份材料都是各向同性、对称、均匀的理想媒质，各个成份的材料均匀混合的前提下，lichtenecker对数法则可以表示为：

其中，εi表示混合物中第i种介质的相对复介电常数，vi表示混合物中的第i种物质材料所占的体积分数，ε表示混合样品材料的相对复介电常数。

本发明的有益效果为：1)利用多孔谐振器，可以检测多种不同损耗的液体和粉末材料成份，检测精度较高。2)利用谐振法检测材料成份，便于安装，适合在线实时检测，操作简单。

附图说明

图1是本发明基于谐振法的液体和粉末材料成份在线检测系统结构图。

图2是谐振腔结构图。

图3是电场和磁场分布图，其中左图是电场分布图，右图是磁场分布图。

其中，1是数字信号处理器、2是外部存储、3是按键面板、4是显示屏、5是数据传输线、6是扫频测试模块、7a是第一微波同轴传输线、7b是第一微波同轴传输线，8a是第一耦合接头、8b是第二耦合接头，9a-9c是材料检测孔、10是谐振腔，a是数据处理及控制模块，b是微波检测模块。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

一种基于谐振法的液体和粉末材料成份在线检测系统，包括数据处理及控制模块a和微波测试模块b；

所述数据处理及控制模块包括数字信号处理器1、外部存储2、按键面板3、和显示屏4；

所述的微波检测模块包括扫频测试模块6、微波同轴传输线7a-7b、和谐振腔10，谐振腔10上设有材料检测孔9a-9c，谐振腔10边缘设有耦合接头8a、8b，数字信号处理器1分别和外部存储2、按键面板3、显示屏4、扫频测试模块6连接，扫频测试模块6和第一耦合接头8a通过第一微波同轴传输线7a连接，扫频测试模块6和第二耦合接头8b通过第一微波同轴传输线7b连接；

数据处理及控制模块a和微波测试模块b通过数据传输线5连接实现检测控制和数据传输，数字信号处理器1发送控制指令给扫频测试模块6，设置其扫频范围、点数和功率，并将扫频测试的幅度/频率数据反馈给数字信号处理器1，然后根据谐振频偏与介电常数变化量的函数和lichtenecker对数法则计算出材料成份比例。

不同材料检测孔分别和不同材料损耗相对应。

本实施例提供一种基于谐振法的液体和粉末材料成份检测方法，利用开孔的微波谐振腔，根据材料损耗不同选择不同检测孔，将液体或粉末材料输送管穿过谐振腔，基于经典微扰算法以及不同谐振模式的谐振腔内场分布，通过实验分析计算出不同谐振模式下等效复介电常数变化量与谐振频偏的函数，把函数直接代入lichtenecker对数法则公式计算材料成份比例。

基于谐振法的液体和粉末材料成份检测方法，采用上述检测系统进行检测，包括如下步骤：

1)材料输送管放置或安装材料检测孔9a-9c中的一个；

2)连接电源，若工作指示灯亮，说明系统正常，可以进行材料检测；

3)在软件中选择正确的测试端口并成功打开，在未加入待测材料时，先进行校准；

4)加入液体或粉末材料，等待大约10秒，在材料均匀稳定后再进行测试，检测结果实时显示；

5)插入外部存储设备，选择保存数据。

本发明的工作原理如下：

本系统采用的谐振腔工作在tm0n0模式，腔体内电场和磁场分布见附图3，对比待测材料加入前后，谐振频率和品质因数变化，利用经典微扰算法可分析出混合样品材料的相对复介电常数变化量与谐振频偏的函数关系，并根据不同谐振模式的谐振腔内场分布，建立不同谐振模式下，等效复介电常数变化量与谐振频偏的函数。

lichtenecker对数法则是应用于多相混合物微波复介电常数计算的对数法则。当混合物中各个成份材料都是各向同性、对称、均匀的理想媒质，各个成份的材料均匀混合的前提下，lichtenecker对数法则可以表示为：

其中，εi表示混合物中第i种介质的相对复介电常数，vi表示混合物中的第i种物质材料所占的体积分数，ε表示混合样品材料的相对复介电常数。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。