多频谱微波含水量分析方法、装置以及水分测量仪与流程

本发明涉及在线检测技术领域，特别涉及一种多频谱微波含水量分析方法、装置以及水分测量仪。

背景技术：

微波水分测量技术已经普遍的应用到各个行业。该测量技术主要用来监控生产过程中物料的水分含量，以便企业提高产品质量、有效控制生产过程。

微波水分测量测量原理如下：当微波信号穿透物料时，由于物料中的水分子是极性分子，可吸收微波以产生键脚振动，从而将电磁能转化为热能，使得微波信号发生相位延迟及振幅衰减。其中，相位延迟及振幅衰减主要与物料的介电常数相关，而相位延迟及振幅衰减则主要由介电损耗及导电损耗引起。

在进行水分测量时，介电损耗才能真实反映出物料中的含水量。因此，在进行水分测量时，应尽可能避免导电损耗并突出介电损耗。由于每种物料的成份不同，其导电性也不同，从而导致形成的导电损耗也存在差异。例如，煤灰中的矿物质会溶于水产生离子，在外加电磁场的作用下，离子导电更容易形成导电损耗。

目前，微波水分测量仪都是采用固定频率的微波信号进行水分测量。但是，不同物料对于不同频率的微波产生的导电损耗及介电损耗是不一样的。例如在含水量10％的煤灰中，当频率较低时，由于导电性突出使得导电损耗的影响大于介电损耗。在这种情况下，就会造成水分测量的结果不准确。

技术实现要素：

基于此，有必要针对现有水分测量方法检测结果不准确的问题，提供一种能提高结果准确性的多频谱微波含水量分析方法、装置以及水分测量仪。

一种多频谱微波含水量分析方法，包括步骤：

获取预设频率范围内的预设数量且频率不同的多束微波信号穿过待测物料形成的多束回波信号分别相对于对应的所述多束微波信号产生的相位差及振幅衰减；

对所述多束回波信号产生的相位差及振幅衰减分别进行量化处理，得到所述预设数量的衰减数据；

根据所述预设数量的所述衰减数据获得所述待测物料的含水量。

在其中一个实施例中，对所述多束回波信号产生的相位差及振幅衰减分别进行量化处理，得到所述预设数量的衰减数据的步骤为：

分别获取每个所述回波信号的相位差与振幅衰减的比值，以作为所述衰减数据。

在其中一个实施例中，根据所述预设数量的所述衰减数据获得所述待测物料的含水量的步骤为：

利用预设的校准矩阵及所述衰减数据，并采用比尔朗伯公式进行迭代以获得所述含水量。

一种多频谱微波含水量分析装置，包括：

获取模块，用于获取预设频率范围内的预设数量且频率不同的多束微波信号穿过待测物料形成的多束回波信号分别相对于对应的所述多束微波信号产生的相位差及振幅衰减；

量化模块，用于对所述多束回波信号产生的相位差及振幅衰减进行量化处理，得到所述预设数量的衰减数据；

分析模块，用于根据所述预设数量的所述衰减数据获得所述待测物料的含水量。

在其中一个实施例中，所述量化模块用于分别获取每个所述回波信号的相位差与振幅衰减的比值，以作为所述衰减数据。

在其中一个实施例中，所述分析模块用于利用预设的校准矩阵及所述衰减数据，并采用比尔朗伯公式进行迭代以获得所述含水量。

一种水分测量仪，包括评估仪器及与所述评估仪器通讯连接的发射天线及接收天线，所述评估仪器包括：

频率控制器，用于在预设频率范围内生成预设数量且频率不同的多束微波信号；

处理器，用于获取所述多束回波信号分别相对于对应的所述多束微波信号产生的相位差及振幅衰减；对所述多束回波信号产生的相位差及振幅衰减分别进行量化处理，得到所述预设数量的衰减数据；根据所述预设数量的所述衰减数据获得所述待测物料的含水量；

所述发射天线用于向待测物料发射所述多束微波信号；

所述接收天线用于接收所述多束微波信号穿过所述待测物料形成的多束回波信号。

在其中一个实施例中，所述频率控制器还用于获取设置指令，并根据所述设置指令获得所述预设频率范围。

在其中一个实施例中，所述处理器对所述多束回波信号产生的相位差及振幅衰减进行量化处理，得到所述预设数量的衰减数据的步骤具体包括：用于分别获取每个所述回波信号的相位差与振幅衰减的比值，以作为所述衰减数据。

在其中一个实施例中，所述处理器根据所述预设数量的所述衰减数据获得所述待测物料的含水量的步骤具体包括：用于利用预设的校准矩阵及所述衰减数据，并采用比尔朗伯公式进行迭代以获得所述含水量。

上述多频谱微波含水量分析方法、装置以及水分测量仪，利用多束不同频率的微波信号穿过待测物料，可获得多束回波信号。进一步的，可获得多组相位差及振幅衰减的数据，进而得到预设数量的衰减数据。由于穿过待测物料的微波信号具有多种不同的频率。因此，即使其中的某个频率的微波信号穿过待测物料时产生的导电损耗较大，而通过其余微波信号的补偿作用，总体的导电损耗带来的干扰也可被有效减少。因此，相当于传统的水分测量方法，检测结果的准确性得到有效提升。

附图说明

图1为本发明一个实施例中多频谱微波含水量分析方法的流程示意图；

图2为不同频率的微波信号穿过待测物料后的振幅衰减的示意图；

图3为本发明一个实施例中多频谱微波含水量分析装置的模块示意图；

图4为本发明一个实施例中水分测量仪的示意图；

图5为图4所示水分测量仪实现水分测量方法的流程示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本发明一个实施例中的多频谱微波含水量分析方法包括步骤s110～步骤s130：

步骤s110，获取预设频率范围内的预设数量且频率不同的多束微波信号穿过待测物料形成的多束回波信号分别相对于对应的多束微波信号产生的相位差及振幅衰减。

具体的，微波信号的预设频率范围一般是较宽的频率范围。例如，500mhz至5ghz的范围。微波信号穿过待测物料时，由于待检测物料中水分对能量的吸收作用，会导致穿过待测物料的回波信号发生相位偏移及振幅的衰减。待测物料通常是指粮食、棉花、烟丝等需要对含水量进行严格控制的物质，在一个具体的实施例中提供一种烟丝多频谱微波含水量分析方法，该待测物料为烟丝。

在一次测量过程中，向待测物料发出多束微波信号。多束微波信号可以通过波分复用形式同时发送，也可在预设时间段内发送。例如，可在25毫秒内发送100束频率不同的微波信号。其中，多束微波信号的频率存在差别。因此，导致每束微波信号穿过待测物料后，其对应的回波信号相对于原始微波信号所产生的相位差及振幅衰减与其他回波信号产生的相位差及振幅衰减也存在区别。例如，预设数量为100时，则表示采用100束频率各异的微波信号穿过待测物料。进一步的，则可获得100组相位差及振幅衰减数据。

如图2所示，采用不同频率的微波信号穿过同一待测物料时，各回波信号相对于原始的微波信号产生的相位差及振幅衰减存在差异。

步骤s120，对多束回波信号产生的相位差及振幅衰减分别进行量化处理，得到预设数量的衰减数据。

具体的，量化处理的步骤可以是对每组相位差及振幅衰减进行取绝对值、相加、相减运算或进行相除以得到相位差与振幅衰减的比值。由于在上述步骤s110中获取有预设数量的相位差及振幅衰减。因此，量化处理后可得到预设数量的衰减数据。

步骤s130，根据预设数量的衰减数据获得待测物料的含水量。

具体的，在特定频率的微波信号下，相位差、振幅衰减与含水量的对应关系已知。因此，可建立量化后的衰减数据与含水量的对应关系，并进一步根据得到的衰减数据获得含水量。

进一步的，由于包含有多组衰减数据。因此，可通过加权平均法、最小误差阈值分割算法等方式对测得的含水量进行优化，从而提升检测结果的准确性。

具体的，由于穿过待测物料的微波信号具有多种不同的频率。因此，即使其中的某个频率的微波信号穿过待测物料时产生的导电损耗较大，而通过其余微波信号的补偿作用，总体的导电损耗带来的干扰也可被有效减少。因此，相当于传统的水分测量方法，检测结果的准确性得到有效提升。

在一个实施例中，上述步骤s130为：利用预设的校准矩阵及衰减数据，并采用比尔朗伯公式进行迭代以获得含水量。

具体的，建立校准模型，采用beer-lambert公式获得含水量：

其中，c为含水量(％)，b0为回归截距(预设常数)，bi为回归系数(校准矩阵)，ai为衰减数据形成的矩阵。n为频率数。例如，当微波信号数量为100束时，bi、ai均为1行100列的矩阵，而n等于100。

进一步的，bi预先存储，在利用beer-lambert公式获取c时可直接调用。通过建立校准模型，并利用偏最小二乘算法求可得bi。具体方式如下：

在校准模型中，多个已知样品的含水量可用以下矩阵公式表示：

x＝tw^t+e

而对于待测物料，其含水量则可用以下矩阵公式表示：

c＝us^t+f

x＝p(t)+e→x＝tp^t+e

其中那个，e和f是常数，t和u是scores，w和e是loading，公式转化可得到：

c＝q(t)+f→c＝tq^t+f

其中国，p和q是loadingmatrices。因此，进一步得到校准矩阵：

bi＝w(p^tw)^-1q^t

将上述校准矩阵代入beer-lambert公式中进行叠加运算，便可获得精确的含水量检测结果。

在一个实施例中，上述步骤s120为：分别获取每个回波信号的相位差与振幅衰减的比值，以作为衰减数据。

具体的，将相位差的差值及振幅衰减的值取绝对值进行除法运算，即可得到上述比值。例如，利用1.15ghz的微波信号照射1厘米的水时，振幅衰减为1db，相位差为127.5°，则得到的比值则为1/127.45或127.45。

相位差与振幅衰减与待测物料的密度有关。但是，在含水量不变的情况下，相位差与振幅衰减的比值则不会因物料密度变化而改变。因此，与现有直接根据相位差及振幅衰减来获得含水量的方式相比，通过比值确定含水量能避免物料密度变化对检测结果造成影响，从而进一步提升检测结果的准确性。

上述多频谱微波含水量分析方法，利用多束不同频率的微波信号穿过待测物料，可获得多束回波信号。进一步的，可获得多组相位差及振幅衰减的数据，进而得到预设数量的衰减数据。由于穿过待测物料的微波信号具有多种不同的频率。因此，即使其中的某个频率的微波信号穿过待测物料时产生的导电损耗较大，而通过其余微波信号的补偿作用，总体的导电损耗带来的干扰也可被有效减少。因此，相当于传统的水分测量方法，检测结果的准确性得到有效提升。

本发明还提供一种多频谱微波含水量分析装置。如图3所示，本发明一个实施例中的多频谱微波含水量分析装置包括获取模块110、量化模块120及分析模块130。

获取模块110用于获取预设频率范围内的预设数量且频率不同的多束微波信号穿过待测物料形成的多束回波信号分别相对于对应的多束微波信号产生的相位差及振幅衰减。

具体的，微波信号的预设频率范围一般是较宽的频率范围。例如，500mhz至5ghz的范围。微波信号穿过待测物料时，由于待检测物料中水分对能量的吸收作用，会导致穿过待测物料的回波信号发生相位偏移及振幅的衰减。待测物料通常是指粮食、棉花、烟丝等需要对含水量进行严格控制的物质，在一个具体的实施例中提供一种烟丝多频谱微波含水量分析方法，该待测物料为烟丝。

在一次测量过程中，向待测物料发出多束微波信号。多束微波信号可以通过波分复用形式同时发送，也可在预设时间段内发送。例如，可在25毫秒内发送100束频率不同的微波信号。其中，多束微波信号的频率存在差别。因此，导致每束微波信号穿过待测物料后，其对应的回波信号相对于原始微波信号所产生的相位差及振幅衰减与其他回波信号产生的相位差及振幅衰减也存在区别。例如，预设数量为100时，则表示采用100束频率各异的微波信号穿过待测物料。进一步的，则可获得100组相位差及振幅衰减数据。

如图2所示，采用不同频率的微波信号穿过同一待测物料时，各回波信号相对于原始的微波信号产生的相位差及振幅衰减存在差异。

量化模块120用于对多束回波信号产生的相位差及振幅衰减进行量化处理，得到预设数量的衰减数据。

具体的，量化模块120进行量化处理的步骤可以是对每组相位差及振幅衰减进行取绝对值、相加、相减运算或进行相除以得到相位差与振幅衰减的比值。由于在上述步骤s110中获取有预设数量的相位差及振幅衰减。因此，量化处理后可得到预设数量的衰减数据。

分析模块130用于根据预设数量的衰减数据获得待测物料的含水量。

具体的，在特定频率的微波信号下，相位差、振幅衰减与含水量的对应关系已知。因此，可建立量化后的衰减数据与含水量的对应关系，分析模块130进一步根据得到的衰减数据获得含水量。

进一步的，由于包含有多组衰减数据。因此，分析模块130可通过加权平均法、最小误差阈值分割算法等方式对测得的含水量进行优化，从而提升检测结果的准确性。

具体的，由于穿过待测物料的微波信号具有多种不同的频率。因此，即使其中的某个频率的微波信号穿过待测物料时产生的导电损耗较大，而通过其余微波信号的补偿作用，总体的导电损耗带来的干扰也可被有效减少。因此，相当于传统的水分测量方法，检测结果的准确性得到有效提升。

在一个实施例中，上述步骤s130为：利用预设的校准矩阵及衰减数据，并采用比尔朗伯公式进行迭代以获得含水量。

具体的，建立校准模型，采用beer-lambert公式获得含水量：

其中，c为含水量(％)，b0为回归截距(预设常数)bi为回归系数(校准矩阵)，ai为衰减数据形成的矩阵。n频率数。例如，当微波信号数量为100束时，bi、ai均为1行100列的矩阵，而n等于100。

进一步的，bi预先存储，在利用beer-lambert公式获取c时可直接调用。通过建立校准模型，并利用偏最小二乘算法求可得bi。具体方式如下：

在校准模型中，多个已知样品的含水量可用以下矩阵公式表示：

x＝tw^t+e

而对于待测物料，其含水量则可用以下矩阵公式表示：

c＝us^t+f

x＝p(t)+e→x＝tp^t+e

其中那个，e和f是常数，t和u是scores，w和e是loading，公式转化可得到：

c＝q(t)+f→c＝tq^t+f

其中国，p和q是loadingmatrices。因此，进一步得到校准矩阵：

bi＝w(p^tw)^-1q^t

将上述校准矩阵代入beer-lambert公式中进行叠加运算，便可获得精确的含水量检测结果。

在一个实施例中，上述步骤s120为：分别获取每个回波信号的相位差与振幅衰减的比值，以作为衰减数据。

具体的，将相位差的差值及振幅衰减的值取绝对值进行除法运算，即可得到上述比值。例如，利用1.15ghz的微波信号照射1厘米的水时，振幅衰减为1db，相位差为127.5°，则得到的比值则为1/127.45或127.45。

相位差与振幅衰减与待测物料的密度有关。但是，在含水量不变的情况下，相位差与振幅衰减的比值则不会因物料密度变化而改变。因此，与现有直接根据相位差及振幅衰减来获得含水量的方式相比，通过比值确定含水量能避免物料密度变化对检测结果造成影响，从而进一步提升检测结果的准确性。

上述多频谱微波含水量分析装置，利用多束不同频率的微波信号穿过待测物料，可获得多束回波信号。进一步的，可获得多组相位差及振幅衰减的数据，进而得到预设数量的衰减数据。由于穿过待测物料的微波信号具有多种不同的频率。因此，即使其中的某个频率的微波信号穿过待测物料时产生的导电损耗较大，而通过其余微波信号的补偿作用，总体的导电损耗带来的干扰也可被有效减少。因此，相当于传统的水分测量方法，检测结果的准确性得到有效提升。

本发明还提供一种水分测量仪。如图4所示，本发明一个实施例中的水分测量仪10包括评估仪器100、发射天线200及接收天线300。发射天线200及接收天线300与评估仪器100通讯连接。

评估仪器100包括频率控制器101及处理器102。其中，频率控制器101用于在预设频率范围内生成预设数量且频率不同的多束微波信号。具体的，频率控制器101包括石英晶振、低噪声锁相环频率器、混频器、衰减器、调制器、射频放大器、差分放大器、滤波器、对数放大器、相位差比较器。

发射天线200用于向待测物料发射多束微波信号；接收天线300用于接收多束微波信号穿过待测物料形成的多束回波信号。

具体的，微波信号的预设频率范围一般是较宽的频率范围。例如，500mhz至5ghz的范围。微波信号穿过待测物料时，由于待检测物料中水分对能量的吸收作用，会导致穿过待测物料的回波信号发生相位偏移及振幅的衰减。待测物料通常是指粮食、棉花、烟丝等需要对含水量进行严格控制的物质，在一个具体的实施例中，该待测物料为烟丝。

在一次测量过程中，发射天线200向待测物料发出多束微波信号。多束微波信号可以通过波分复用形式同时发送，也可在预设时间段内发送。例如，可在25毫秒内发送100束频率不同的微波信号。其中，多束微波信号的频率存在差别。因此，导致每束微波信号穿过待测物料后，其对应的回波信号相对于原始微波信号所产生的相位差及振幅衰减与其他回波信号产生的相位差及振幅衰减也存在区别。例如，预设数量为100时，则表示采用100束频率各异的微波信号穿过待测物料。进一步的，则可获得100组相位差及振幅衰减数据。

处理器102用于获取多束回波信号分别相对于对应的多束微波信号产生的相位差及振幅衰减；对多束回波信号产生的相位差及振幅衰减分别进行量化处理，得到预设数量的衰减数据；根据预设数量的衰减数据获得待测物料的含水量。具体的，处理器102包括控制单元、微波信号处理模块、通讯模块、供电模块、电流输出模块及数字信号输入模块。

具体的，处理器102用于实现上述实施例所示的多频谱微波含水量分析方法，其具体实现方式已在上述实施例中进行详细阐述，故在此不再赘述。

在一个实施例中，频率控制器101用于获取设置指令并根据设置指令获得预设频率范围。

因此，根据不同待测物料的不同属性，在测量前可预先设置合适的频率范围，从而有效地减少导电损耗，进一步提升检测结果的准确性。

如图5所示，上述水分测量仪用于实现水分测量方法，具体包括步骤s210～步骤s260。

步骤s210，频率控制器在预设频率范围内生成预设数量且频率不同的多束微波信号。

步骤s220，发射天线向待测物料发射多束微波信号。

步骤s230，接收天线多束微波信号穿过待测物料形成的多束回波信号。

具体的，微波信号的预设频率范围一般是较宽的频率范围。例如，500mhz至5ghz的范围。微波信号穿过待测物料时，由于待检测物料中水分对能量的吸收作用，会导致穿过待测物料的回波信号发生相位偏移及振幅的衰减。待测物料通常是指粮食、棉花、烟丝等需要对含水量进行严格控制的物质，在一个具体的实施例中提供一种烟丝水分测量方法，该待测物料为烟丝。

在一次测量过程中，向待测物料发出多束微波信号。多束微波信号可以通过波分复用形式同时发送，也可在预设时间段内发送。例如，可在25毫秒内发送100束频率不同的微波信号。其中，多束微波信号的频率存在差别。因此，导致每束微波信号穿过待测物料后，其对应的回波信号相对于原始微波信号所产生的相位差及振幅衰减与其他回波信号产生的相位差及振幅衰减也存在区别。例如，预设数量为100时，则表示采用100束频率各异的微波信号穿过待测物料。进一步的，则可获得100组相位差及振幅衰减数据。

步骤s240，获取多束回波信号分别相对于对应的多束微波信号产生的相位差及振幅衰减。

步骤s250，对多束回波信号产生的相位差及振幅衰减进行量化处理，得到预设数量的衰减数据；

步骤s260，根据预设数量的衰减数据获得待测物料的含水量。

具体的，上述步骤s240～步骤s260用于实现上述实施例所示的多频谱微波含水量分析方法，其具体实现方式已在上述实施例中进行详细阐述，故在此不再赘述。

在一个实施例中，在步骤s210之前，还包括步骤：获取设置指令并根据设置指令获得预设频率范围。

因此，根据不同待测物料的不同属性，在测量前可预先设置合适的频率范围，从而有效地减少导电损耗，进一步提升检测结果的准确性。

上述水分测量仪，利用多束不同频率的微波信号穿过待测物料，可获得多束回波信号。进一步的，可获得多组相位差及振幅衰减的数据，进而得到预设数量的衰减数据。由于穿过待测物料的微波信号具有多种不同的频率。因此，即使其中的某个频率的微波信号穿过待测物料时产生的导电损耗较大，而通过其余微波信号的补偿作用，总体的导电损耗带来的干扰也可被有效减少。因此，相当于传统的水分测量方法，检测结果的准确性得到有效提升。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。