基于介电法的面粉或类似物质含水量测定仪及测定方法与流程

本发明属于农作物含水量测定技术领域，涉及面粉或类似物质含水量测定技术，尤其涉及一种基于介电法的面粉或类似物质含水量测定仪及测定方法。

背景技术：

农作物含水量测定技术，特别是面粉或类似物质含水量测定应用广泛，有很高的应用和经济价值。如面粉含水量测量在面点加工工厂有举足轻重的作用。面粉含水量的不同会影响酵母的活性，含水量少的面团发酵速度要低于水分适当的面团发酵速度，在同等发酵时间里，含水量过少会使产气量不足，需要较长的时间才可以达到正常的蓬发体积。但面团含水量也不应过高，含水量过高将会导致ph值降低、酸度增加、面团弹性不足等一系列问题。在面点生产车间，仅凭面点师傅的经验对面团发酵的含水量进行监控，既不经济也难以实现，并且会造成产品质量良莠不齐。目前面团含水量的管理和监控主要通过各种传感器以及机械的自动调节，这是面粉或类似物质含水量测定仪的主要应用范围。

现有水分测定方法繁多，大都通过物理方法进行测量，被测物体中的水分经干燥、烘干或者蒸馏分离，通过被测物体的重量变化确定含水量。采用物理方法测定水分存在耗时长、对物质本身有较大损耗、检测过程复杂、对测量样本要求较高等缺点。新型测量方法大多利用物质特性进行含水量快速测量，初步解决了传统含水量测定方法中耗时长、对物质本身存在损耗的问题。如：利用水分对某一波长的红外光的吸收程度与水分在样品中含量的关系测定水分含量；运用微波衰减原理以及水分对微波衰减的特点来进行水分测量；利用微波红外测温方法快速测量水分等等。但这些方法大多需要专业器材，且器材价格昂贵，不被小型商家所接受。

测量介电常数对水分测量研究领域起着重要的作用，典型的如使用介电技术对伊朗小麦水分含量进行预测、使用电介质法测量气体湿度等。在与介电常数相关的水分测量研究中大多运用介电物理学中介电常数本身作为电场中显示极化程度的物理量的原理。介电常数是介质的物理参数，表示介质材料的介电性质或极化性质。当电场中存在高介电常数的材料时，会产生感应电荷而削弱电场，使电介质内的电场的强度明显减弱。在同等条件下，因为不同物质介电常数有着本质的区别，不同比例混合的两种物质的介电常数不同。在电磁波传输理论中，介质的存在对电磁波的传播有所作用。同频率的电磁波在不同的介质中具有不同的传播特性，它们在介质中的传播速度随介质的不同有所不同。结合电磁波传输理论和介电常数性质可用来进行含水量的测量。

技术实现要素：

为了克服上述技术的不足，本发明提供一种基于介质介电常数测量含水量的方法及基于介电法的含水量测定仪，用于解决现有传统含水量测量方法和新型含水量测量方法中耗时长、检测过程复杂、测量仪器价格昂贵、对测量样本要求较高等问题。

本发明的原理是：本发明利用物质的介电常数值及电磁波在介质中的传播特性，通过将发射探针和接收探针插入介质中，计算发射探针发出的波形和接收探针收到的波形的相位差，通过相位差和介电常数的关系实现对介质的介电常数的测量。根据不同含水量的同一介质介电常数不同以及介质的介电常数与相位差的关系，将相位差测量电压值与已知介电质含水量数值进行标定，得到标定曲线模型。可利用此标定曲线模型测量介质的含水量。

下面具体阐述利用本发明测量面粉或类似物含水量的测量原理。

已知空气的介电常数值为1.0006，水的介电常数值为83.83，干面粉的介电常数值为2.5-3.0。面粉与水的介电常数值偏差大，面粉中掺杂一小部分水就会造成其介电常数值的偏移。本发明将电磁波传输理论与ad8302芯片结合，对不同含水量面粉的介电常数进行有效测量。

以面粉作为电磁波传输介质，电磁波的传播速度v(非真空介质中)与传输介质的介电常数的关系表示为式1：

其中：c表示真空中电磁波的传播速度(c＝3×10⁸m/s)，ε表示传输介质的介电常数。

同频率的电磁波在不同含水量的面粉中传播速度不同，在面粉或类似物质含水量介电测量仪的实现中选择固定的传播距离s作为固定指标。结合上面的式1，当传播距离一定时，电磁波在介质中的传播时间t和传输介质介电常数ε存在某种物理联系。某一固定频率的电磁波在传输介质中传播到距离s处的时间：

其中，s为固定的传播距离，c为光速(c＝3×10⁸m/s)，ε是传输介质的介电常数。

将发射探针和接收探针插入传输介质中，接收探针处的震动的时间比在空气中晚，可知由于传输介质的存在，使得接收探针接收的电磁波出现不同的相位偏移。

角频率公式为式3：

其中，t＝1×10^-5s，f＝100mhz，π指代圆周率。

通过式3可得发射探针发出的波形和接收探针收到的波形的相位差公式：

其中：f＝100mhz，c为光速(c＝3×10⁸m/s)，ε是面粉的介电常数。

通过式4可知，同一电磁波在不同介质中传播产生的相位差不同，且相位差与传输介质的介电常数呈正向比例。

ad8302的主要功能是测量幅度比和相位差，它可以对两个分别由ad8302芯片中的2号引脚(inpa)和6号引脚(inpb)输入的信号的相位差进行测量，输出一个与相位差相关的电压vphs：

vphs＝vφ[φ(vina)-φ(vinb)](式5)

其中，φ(vina)和φ(vinb)分别为a、b两通道的输入信号相位，vφ为斜率，vphs为相位比较输出。

通过相位差和传输介质介电常数的关系，结合式4，可以得到：

其中：f＝100mhz，c为光速(c＝3×10⁸m/s)，ε是面粉的介电常数，s为固定的传播距离，vφ为斜率，vphs为相位比较输出。

通过对相位差的测量即可实现对传输介质的介电常数的测量。

不同含水量面粉的介电常数不同，即vphs值不同。选取恰当且具有代表性的几组(具体实施时选取8组)不同含水量的面粉样本，使用本发明测量相位差检测电压vphs，得到一标定曲线：

含水量＝(6.383*vphs-4.158*vphs²+0.9634*vphs³-3.037)％(式7)

可通过测量相位差检测电压vphs结合标定曲线中vphs和含水量的对应关系对未知含水量面粉进行含水量检测。

本发明提供的技术方案是：

一种基于介电法的含水量测定仪，可用于测量面粉或类似物质的含水量；其包括测试电路和显示电路。测定仪的测试电路主要由信号源电路、平行双棒式探针、相位差检测电路组成；测定仪显示电路主要由arm处理器电路、lcd显示屏组成。

在测试电路中，信号源电路采用有源晶振产生100mhz信号，经平行双棒式探针在面粉样本中传播。相位差检测电路主体为ad8302芯片，将芯片输出引脚vmag(13号引脚)和vphs(9号引脚)直接跟芯片反馈设置输入引脚mset(12号引脚)和pset(10号引脚)相连(13号引脚连12号引脚，9号引脚连10号引脚)，使芯片的测量模式工作在默认的斜率和中心点上(精确幅度测量比例系数为30mv/db，精确相位测量比例系数为10mv/度，中心点为900mv)。信号源电路有源晶振产生的100mhz信号和经探针传输后接收到的信号分别由ad8302芯片中的2号引脚(inpa)和6号引脚(inpb)输入，进行两信号间的相位差测量，在9号引脚输出相位差测量电压vphs。

显示电路中，将相位差检测电路中输出的vphs由pc2(10号引脚)输入到arm处理器电路主体stm32f103rct6芯片中，此芯片属于嵌入式-微控制器，可进行ad转换。通过stm32f103rct6芯片中的12位逐次逼近型的模拟数字转换器将电压vphs由模拟量转换为数字量，显示在lcd显示屏上，并通过stm32f103rct6芯片中的计算器计算对应标定曲线上vphs电压对应的含水量数值，同样显示在lcd显示屏上。

本发明还提供一种基于介电法的面粉或类似物质含水量测定方法，将发射探针和接收探针插入待测样本中，计算发射探针发出的波形和接收探针收到的波形的相位差，通过相位差和介电常数的数学关系以及含水量的多少对物质的介电常数的影响实现对待测样本含水量的测量。

本发明计算发射探针发出的波形和接收探针收到的波形的相位差，通过相位差和介电常数的关系实现对介质介电常数的测量；根据不同含水量的介质介电常数不同以及介电常数与相位差的关系，将相位差测量电压值与已知介电质含水量数值进行标定，得到标定曲线模型；利用此标定曲线模型求得介质的含水量。具体实施时，主要采用adi公司(analogdevices,inc，亚德诺半导体技术有限公司)的用于rf(radiofrequency，射频)/if(intermediatefrequency，中频)幅度和相位测量的单片集成电路ad8302来测量电磁波经探针在待测面粉中传播后产生的相位变化。

基于介电法的面粉或类似物质含水量测定方法包括如下步骤：

1)将平行双棒式探针置于面粉或类似物质样本中；平行双棒式探针包括发射探针和接收探针；

2)信号源电路采用有源晶振产生信号(100mhz)；

3)该信号经平行双棒式探针在面粉或类似物质样本中传播；

4)相位差检测电路分别检测到步骤2)信号源电路产生的信号和步骤3)经平行双棒式探针传输后的信号；

5)相位差检测电路针对两信号进行相位差测量，获得相位差检测电压vphs。

以面粉或类似物质作为测量样本，通过相位差检测电压vphs和介电常数的关系(式6)以及介电常数与含水量的关系(水含量的多少对待测面粉样本介电常数有突出影响)，可实现对待测样本含水量的测量。

6)在获得含水量具体数值前，需根据介质的介电常数与测量相位差的关系将相位差检测电路输出的电压值vphs与待测物质进行标定，绘制标定曲线模型；

具体标定的方法为：以待测样本为面粉为例，选取8组不同含水量的面粉，对每组面粉分别执行步骤1)～5)，获得每组面粉样本对应的含水量测定仪输出值vphs；同时采用卤素水分测定仪测得各组面粉样本对应的确切含水量；将每组样本使用测定仪测得的vphs和卤素水份测定仪测得含水量对应记录。为获得更为准确的vphs和含水量数值，可分别使用本发明和卤素水份测定仪对每组样本进行多次测量取平均值。使用matlab中自带的cftool工具箱进行标定函数的拟合，将vphs与样品含水量(每ml面粉含水ml数)分别作为x轴和y轴，即可得到标定曲线。

得到的标定曲线表示如下：

含水量＝(6.383*vphs-4.158*vphs²+0.9634*vphs³-3.037)％(式7)

7)利用步骤6)得到的标定曲线模型，对未知含水量的面粉进行含水量测定：将相位差检测电路输出待测样本的相位差测量电压值vphs输入到测定仪显示电路(包括arm处理器电路和lcd显示屏)，将相位差测量电压vphs由模拟量转换为数字量，并显示；再计算标定曲线上vphs值对应的含水量数值，并显示。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明应用广泛，可测量面粉、荞麦粉、红薯粉等粉末状面点原材料的含水量，广泛应用于各种面点的加工流程。

在面点生产工厂进行烘干测量含水量或是使用在价格和维修成本上都比较昂贵的光学仪器检测含水量都是不实际的，通过本发明的基于介电法的面粉或类似物质含水量测定仪能在实时监控面团的含水量的同时避免以上缺点。

本发明利用介电常数这一有效的中间变量，通过测量与介电常数有所关联的电磁波传播相位差测量面粉或类似物质的水份含量。本发明采用ad8302芯片，用来输出一个与电磁波传播产生相位差相关的电压vphs。此芯片的价格较光学仪器相关零件价格有明显优势，且精度高，足以达到面点工厂的要求，普遍适用于大多数场合。此测量含水量方法不仅经济而且高效，是一种快速无损检测含水量的方法，具有很高的应用价值，值得在市面上广泛的推行。

附图说明

图1为本发明提供的基于介电法的通用含水量测定仪的测试电路框图。

图2是本发明提供方法的流程框图。

图3是本发明实施例得到的标定曲线模型。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

图1为本发明提供的基于介电法的通用含水量测定仪的测试电路框图。本发明设计一种基于介电法的通用含水量测定仪，包括测试模块和显示模块两个部分。测定仪的测试模块主要由信号源电路、平行双棒式探针、相位差检测电路组成。测定仪显示模块主要由arm处理器电路、lcd显示屏组成。本发明提供的基于介电法的面粉或类似物质含水量测定仪的电路示意图如图1所示。

在测试模块中，信号源电路采用有源晶振产生100mhz信号，产生的波形分出两端，一端接入相位差检测电路作为一个比较量(第一比较量)，另一端经平行双棒式探针在面粉或类似物质样本中传播，传播后接收的波形接入相位差检测电路作为另一个比较量(第二比较量)。相位差检测电路主体为ad8302芯片，将芯片输出引脚vmag(13号引脚)和vphs(9号引脚)直接跟芯片反馈设置输入引脚mset(12号引脚)和pset(10号引脚)相连(13号引脚连12号引脚，9号引脚连10号引脚)，使芯片的测量模式工作在默认的斜率和中心点上(精确幅度测量比例系数为30mv/db，精确相位测量比例系数为10mv/度，中心点为900mv)。信号源电路有源晶振产生的100mhz电磁波信号和经探针传输后接收到的信号分别由ad8302芯片中的2号引脚(inpa)和6号引脚(inpb)输入，进行两信号间的相位差测量，在9号引脚输出相位差测量电压vphs，此值与电磁波传输介质的介电常数有关。

显示模块中，为便于观察电压vphs的数值大小，将相位差检测电路中输出的vphs由pc2(10号引脚)输入到arm处理器电路主体stm32f103rct6芯片中，此芯片属于嵌入式-微控制器，可进行ad转换。通过stm32f103rct6芯片中的12位逐次逼近型的模拟数字转换器将电压vphs由模拟量转换为数字量，将vphs的电压值显示在lcd显示屏上。与此同时，通过stm32f103rct6芯片中的计算器计算对应标定曲线(不同vphs电压值对应的含水量函数)上vphs电压对应的含水量数值，同样将含水量数值显示在lcd显示屏上。

具体实施时，利用上述基于介电法的面粉或类似物质含水量测定仪测定待测物样品的含水量。具体采用adi公司(analogdevices,inc，亚德诺半导体技术有限公司)的用于rf(radiofrequency，射频)/if(intermediatefrequency，中频)幅度和相位测量的单片集成电路ad8302来测量电磁波经探针在待测物中传播产生的相位变化。图2是本发明提供方法的流程框图。该方法实施前，需要将测定仪的测试模块和显示模块构建完全。

具体标定的方法为：

1)以制定测量面粉含水量的标定曲线为例，配置不同含水量的面粉样本8组。面粉样本外在表现由松散的粉末状到完全凝聚成团。

2)进行8组实验，对应每组样本分别使用本发明测量vphs和卤素水分测定仪测量含水量(每ml面粉或类似物质含水ml数)并记录。为获得更为准确的vphs和含水量数值，可分别使用本发明和卤素水份测定仪对每组样本进行多次测量取平均值。

卤素水份测定仪是由梅特勒-托利多制造的hb43-s型号，它基于热失重原理，对样本进行加热并蒸发其中所包含的水分进而计算出物质的含水量。其测量过程如下：首先使用仪器称量待测样品的质量，然后通过内置的干燥装置快速均匀的对待测样品进行加热纸质样品内水分完全蒸发。在此过程中，仪器实时称量样品质量，由于水分的蒸发样品的质量会逐渐减少，减少部分即为水分质量。可以确保水分完全蒸发后仪器自动停止加热干燥。在此期间，仪器不间断的根据初始测量质量和减少水分质量对水分含量进行计算，将得到的水分含量显示在仪器显示屏上。

标定实验结果为：

面粉含水量与含水量测定仪测量值对应关系

3)记录8组样本含水量真实值和相对应的本发明测量值，通过matlab拟合工具箱cftool的拟合功能绘制标定曲线。在此使用matlab中的cftool进行标定曲线的拟合，cftool是简单实用的函数拟合工具箱，提供丰富的拟合算法，能实现多种线性、非线性的函数的拟合。使用三次多项式作为曲线拟合标准，其具有拟合效果好、过拟合可能性低的特点。将得到的物质的vphs与物质的确切含水量分别作为x轴和y轴描点拟合，绘制得到标定曲线模型。

图3是本实施例得到的标定曲线模型。得到的标定曲线表示如下：

含水量＝(6.383*vphs-4.158*vphs²+0.9634*vphs³-3.037)％(式7)

4)将标定曲线传入单片机stm32f103rct6芯片中，使其能在本发明的显示屏上显示待测面粉vphs值对应的含水量。

具体使用方法为：

1)将本发明下端平行双棒式探针插入待测面粉中，要求探针被面粉样本完全包裹，无裸露部分。

2)本发明的显示屏上将实时显示待测面粉的含水量。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。