专利名称：利用微波相位和衰减确定含水量的制作方法
技术领域：
和背景本发明涉及确定保持在筒管或锥体上的材料的含水量的装置和方法，更具体地说，涉及确定保持在含有中空芯的某种结构上的不同种类的材料的含水量的装置和方法。
多种不同种类的合成材料以及有机材料是用于构造许多不同方法制造的产品的结构的基础。在制造过程中使用这些材料之前，必须将这些材料收集到一起、运输并存储。制造过程本身可要求多种工序，首先，准备原材料，然后，在形成实际产品时使用加工过的材料。许多的这些工序取决于所述材料的含水量。例如，如果含水量太高，所述材料在使用之前，在存储和运输期间就可能分解。如果含水量太低，就可能给加工和使用所述材料带来困难。
依赖于它们的含水量情况的合成材料和有机材料包括棉花、纸张、绒毛、种子、药物和有机合成纤维。作为一个例子，可考虑棉花，尽管人们知道对于上述的任何材料也可给出类似的例子。处理棉花，以便将所需要的棉花与诸如种子那样的污染材料分开，然后，将棉花纺成纤维，用于纺织制造业。对于要成功地进行这样的加工和纺织，棉花纤维应该具有均匀的、即不太高也不太低的含水量。例如，低含水量的纤维太弱，更经常折断。
用于生产纺织品的棉花纤维的最佳含水量在纺织之前为从6．5％到8％，而在筒管上或在锥体上时为6％到10％，这取决于后续工艺步骤的要求。这样，纺织品中的有效的含水量的控制就取决于精确测量纤维的含水量。
筒管本身的内部结构造成了难以测量缠绕于其上的材料的含水量。围绕着筒管的纤维层常常并非是平行的，这就可能人为地改变了被传送的束流的情况，因此，也改变了筒管的表观含水量。这样，在计算材料的含水量时就必须考虑筒管的内部结构。
为了补偿所有这些潜在的、测量上的假象，可采用微波来进行水分测量。典型的情况是，微波辐射源位于棉花筒管的一侧，而天线位于该筒管的对面的那侧。发送辐射源的束流穿过一部分筒管，并由接收天线接收，然后，这会产生一个信号。这个信号用来确定那部分筒管的含水量以及该筒管的质量的均匀性。美国专利U．S．5，621，330中公开了一种用于进行这样的水分测量的方法，这里，引用这篇专利的全文作为参考。
不过，要进行这样的测量是困难的，这是因为筒管本身结构的原因。典型的棉花筒管具有一个中空芯。这个中空芯显著地干扰了微波辐射所做的测量，并降低了现有技术的装置和方法的有效性。进一步，筒管上的棉花纤维还具有该纤维本身的内部结构的许多的不均匀性。这明显地使得使得测量更困难。此后，术语“筒管”就是指具有一个中空芯的、实际上可以是任何三维形状的一种结构。
当然，不仅仅是棉花才是要运输、存储和在筒管上进行加工的材料，纸张、药物、绒毛纤维、丝的纤维和有机纤维也都是必须合成材料和有机材料，这些材料构成了许多不同产品的基础。这些材料的每一种也都可以进行运输并存储在筒管上。每一中材料的含水量可影响加工、存储和制造。进而，这些材料的每一种都形成了不同的结构。也就是说，纸的筒管可具有与棉花的筒管极为不同的内部结构。这样，水分测量装置就必须能够补偿所有这些不同类型的结构对于所测得的含水量的影响。
这样，就普遍认识到需要、并且是是极为有益地拥有一种测量材料的筒管含水量的装置，这种装置可对筒管的中空芯进行补偿、还可确定所述材料的内部结构，并且能够对于所述材料本身校正这样的测量结果。
发明概述按照本发明，提供了一种测量在筒管上的材料的含水量的方法，该筒管的特征是具有一个中空芯，该方法包括下述步骤(a)发送许多实际上是穿过一部分筒管的微波，这使得微波本身成为被发送的微波；(b)接收所发送的微波，这使得微波成为所接收的微波；(c)从所接收的微波确定相移和衰减；(d)至少对一部分在筒管上的材料重复步骤(a)到(c)，这使得能够得到许多相移和许多衰减；(e)至少采用一种实验系数，这种实验系数是从一组由所述筒管的重量、该筒管的温度、该筒管的形状以及所述材料的类型所构成的因素中选取的，以便校正上述许多衰减，产生许多校正过的衰减；(f)由上述校正过的那些衰减计算所述材料原始的含水量；(g)对由上述中空芯所导致的假象校正上述的许多相移，这使得所述的许多相移成为许多校正过的相移；(h)从所校正过的那些相移确定上述材料的密度；以及(i)从上述密度并由上述的原始的含水量计算所述材料的最终的含水量。
优选地，材料表征了一种内部结构，并且，通过将许多校正过的相移中的一个与该校正过的相移的先前的值进行比较，来计算内部结构的不均匀性，这使得如果所述许多校正过的相移之一与先前的值不同就能检测到不均匀性。更优选地，内部结构的不均匀性表明材料包含一种以上类型的材料。
优选地，所述至少一种实验系数是许多实验系数，而这些系数存储在数据库中。还有，优选地，按照非确定性的算法来校正许多校正过的衰减，该算法利用实验系数来校正衰减。更优选地，材料是从下述这组材料中选取的，这组材料包括棉花纤维、丝纤维、绒毛纤维、药物、纸张、以及合成纤维。优选地，确定密度的步骤包括检测材料中的缺陷，该缺陷选自包括材料内的不均匀的水分分布以及在该材料内部存在有外来物体在内的这样一组缺陷。
按照本发明的另一个实施例，提供了一种用于确定在一个组件中的材料的含水量，该方法包括下述这些步骤(a)实际上穿过在所述组件中的一部分材料发送许多频率的许多微波，使得所述许多频率的微波的每一频率的微波顺序发送，这使得所述微波成为被发送的、某一特定频率的微波；(b)接收上述特定频率的、所发送的微波，这使得微波成为所接收的、某一特定频率的微波，而且，这使得能够接收上述许多频率的、被发送的微波；(c)从上述所接收的、每一特定频率的微波确定一个衰减，这使得能够确定许多衰减；(d)从上述许多衰减确定所述那部分材料的含水量；以及(e)重复步骤(a)到(d)，以便确定在上述组件上的所述材料的许多部分的含水量。
优选地，通过调整许多频率的线性效应来确定衰减，这使得该衰减正比于所述许多频率的每一个频率。还有，优选地，含水量正比于许多衰减的和。更优选地，将所述许多衰减的和除以一个相关因子，该相关因子由材料的类型和组件的结构从实验上来确定。
按照本发明的一些优选的实施例，所述方法进一步包括下述步骤(f)从所接收的、每一特定频率的微波确定一个相移，这使得能够确定许多相移；(g)从所述许多相移确定所述材料的密度；以及(h)重复步骤(a)到步骤(g)，以便确定在上述组件上的所述材料的许多部分的密度。优选地，按照一个实验函数，通过适合于许多相移的线性回归来确定材料的密度，所述实验函数按照所述材料的类型和所述组件的结构来选取。可以选择地，而且是更优选地，将材料的许多部分的每一部分的密度与该材料的许多部分的每一其它部分的密度进行比较，以便确定在组件中的该材料的结构的均匀性，如果所述那些密度基本上不同，那么，所述结构就是不均匀的。还有，更优选地，按照结构的均匀性来校正材料的许多部分的含水量。
此后，术语“材料”包括可存储在筒管或任何其它中空芯结构上的任何材料。例如，棉花、绒毛、丝、合成纤维、纸张可存储在筒管上。药物，例如粉末状药物也可以存储在“筒管”上，尽管这样的筒管也许会是一个具有一个中空芯的粉末盒。此后，术语“包”是指任何这样的结构，材料以一些加压层的方式存在于该结构中，并且，用围绕该结构缠绕的带子捆紧所述材料。以后，术语“组件”是指包括包以及筒管在内的材料的任何结构。
附图简述这里，只是通过举例的方式并参考附图来说明本发明，在附图中
图1A和图1B是在筒管上的材料的说明性的例子，可通过本发明的方法测量所述材料的水分；图2是说明可与本发明的方法一起使用的一种装置的一个实施例的一幅方框图；图3是计算材料含水量的方法一幅流程图；图4A和图4B显示了在真实的含水量与按照图3所计算的含水量之间的一致性；图5A到图5D更详细地显示了对于平行筒管情况时的图3的计算；图6A到图6D更详细地显示了对于垂直筒管的情况时的图3的计算；图7A和图7B显示了用于按照本发明的方法计算含水量的数据曲线的一些例子；图8显示了可与本发明的方法一起使用的一种装置的第二个典型优选实施例的说明本发明是关于可用于测量在具有中空芯的筒管上的材料的含水量和内部结构的方法和装置。
参照附图和所附的说明书，可更好地理解本发明的方法和装置的原理和运作。
现在，参照附图，图1A和图1B是存储在具有中空芯的筒管上的材料的说明性的例子。图1A显示了具有中空芯12的筒管10的内部视图。术语“中空芯”包括任何实际上中空的空间或区域，而该中空的空间或区域含有不是连续固体的任何物质。例如，这种物质可包括空气、或另一种气体或者一些气体、真空、聚合纤维、沙子或其它颗粒状物质、或液体。只是为了清楚起见，下面的说明将集中围绕着含有空气的中空芯来加以说明。
许多层材料14缠绕在筒管10上。那些层14例如可以是任何诸如棉花纤维那样的合成材料或有机材料。下面的说明将主要针对于带有棉花纤维的筒管，应该理解，这只是为了说明的目的，这并不意味着以任何方式来加以限定。
那些层14具有有点不均匀的内部结构，这是指材料的密度可以变化。图1B显示了圆柱状的第二个筒管16的内部视图。筒管16也有中空芯12以及一些层材料14，例如，那些层材料14可以是纸片。应该注意的是术语“层”即包括一些单独的片，也包括一些单独的纤维，以及这些单独的片和纤维所构成的组。
图2显示了用于进行本发明的含水量测量的、一种典型的装置。应该注意的是，只是为了说明的目的而给出这种装置，这并不意味着要加以限制。装置26包括一个在筒管10的一侧所示出的微波辐射源28。微波辐射源28优选地只是包括一个用于发射源束流32的源天线30。源束流32射向且穿过筒管10，并作为出射束流34通过且穿出筒管10。由至少一个接收天线36来接收出射束流34。接收天线36位于筒管10相对于源天线30实际上是相对的那一侧上。
在接收天线36已接收了出射束流34之后，接收天线36产生一个天线信号38。然后，天线信号38来到衰减单元40。衰减单元40包括一个测量天线信号38的衰减的、衰减测量器42。当源束流32穿过筒管10时，源束流32就衰减。通过基本质量(elementary mass)，并通过源束流32所遇到的筒管10的材料的含水量来确定这一衰减的范围，该基本质量是源束流32所遇到的筒管10的材料的质量。这样，衰减测量器实际上测量了源束流32穿过筒管10所产生的衰减的范围。
至少一部分天线信号38还到相移确定器44，相移确定器44确定天线信号38的相移。这一相移实际上是由穿过筒管10的源束流32所导致的相移，从而该相移是在源束流32的相位与输出束流34的相位之间的差。然后，确定衰减和相移。
还可选择微波辐射源28具有大量特性，设计这些特性用来通过控制源束流32的电场密度的方向从而使得含水量测量的灵敏度最大化。微波辐射源28可包括电场导向器86。电场导向器86确定源束流32相对于筒管10的电场密度的方向，从而使得该电场密度的方向部分地确定了衰减的大小和相移的大小。如果筒管10有一些层14(未示出)，当电场密度基本上垂直于筒管10的那些层14(未示出)时，就得到天线信号38的实际上的最大衰减和实际上的最大相移。当电场密度实际上平行于筒管10的那些层14(未示出)时，就得到天线信号38的实际上的最小衰减和实际上的最小相移。即使筒管10没有那些层14，按照正在测量的材料相对于电场密度的取向，改变电场密度的方向仍旧会改变天线信号38的衰减和相移。电场导向器86按照来自天线测量器42的反馈来确定电场密度的方向。这样，如果天线信号38的衰减低，那么，为了补偿，电场导向器86就能改变电场密度方向。很清楚，对于使水分测量的灵敏度和精度最高来说，这具有明显的优点。
然后，水分确定器46使用天线信号38的衰减和相移，以便确定筒管10的含水量。图3显示了用于确定在筒管上的材料的含水量和内部结构的那些计算的一幅流程图。用衰减来确定材料的原始含水量，而用相移来确定材料的内部结构。将衰减和相移这两者与实验上确定的校正系数结合，以便计算材料的最终的含水量。
上述流程图的第一步是扫描材料，可用本质上如上所述的装置来进行所述扫描。通过穿过筒管发送许多微波来扫描材料，这使得所述许多微波穿过所述筒管并在另一侧被接收。由这一扫描步骤计算衰减，就如图所示的那样。现在，上述流程图分成两部分。右边的分支显示了计算材料的原始含水量时所用的步骤，而左边的分支显示了确定所示材料的内部结构时所用的步骤。为清楚起见，右边(含水量)分支中的那些步骤会具有一个附带的字母“a”；例如“3a”、“4a”、等等。左边(内部结构)分支中的步骤具有一个附带的字母“b”，例如，“3b”、“4b”等等。
沿着右边的分支，在步骤3a中，使用一种算法来过滤对于衰减所得到的数据点。如上面的图2所示，每次进行一次衰减测量，得到一个数据点。必须如下面的图7A和图7B所示的那样过滤这些数据点，这是因为否则的话可能会得到假的数据点。
一旦过滤了数据，如步骤4a中所示的那样，就考虑材料和筒管的重量效应校正衰减。这种校正是基于一个实验上确定的系数，并且，产生了一个校正过重量的衰减值。下一步，在步骤5a中，考虑温度，校正已校正过重量的衰减，右边产生一个校正过温度的衰减值。用于这种校正的函数正比于1-Ts／Te，这里，Te是标准温度，而Te是所测得的温度。这样，校正过温度的衰减值就补偿了不同温度时的测量效果。
在步骤6a中，采用一组完整的、来自一片单独的材料的所有校正过温度的衰减值来计算对于那片材料的原始水分值。按照一个函数来进行这一计算，该函数可以是所有校正过温度的衰减值的线性积分，或者是一个多项式，这取决于诸如正在测量的材料的类型、筒管本身的形状和结构那样的一些实验系数。在任何情况下，计算中都要包括这些实验系数，这使得可以补偿它们对于测量的影响。将用这种原始的水分值来确定对于所述那片材料的最终的水分值。不过，不知道材料的密度，就不能确定最终的水分值，如上述流程图的左边的分支所示的那样计算材料的密度。
现在回到左边的分支，该分支包括计算材料密度的一些步骤，根据来自数据库的实验信息、从相移计算密度。所述实验信息包括材料的类型和筒管本身的结构、以及该筒管相对于天线和发射器的位置。该位置特别重要，这是因为筒管的密度依赖于被检测的那片材料的剖面而变化。例如，如图5A所示的那样，如果筒管以其一侧平放，穿过点a-a’所取的片将只包括在筒管上的材料。然而，穿过点b-b’所取的片还包括中空芯，该中空芯可显著地改变相移，因此，也就改变了所计算的密度。这样，将所测量的材料的片的相对位置包括在密度计算中。
此外，数据库优选地含有一些“模糊的描述符”，这些“模糊的描述符”用来找到正确的相位区域并确定所测量的相位值与所计算的相位值之间的适当关系。通过从具有已知特征的试验模型的分析收集数据，而且，然后通过将所计算的密度值与该试验模型的、真实的、已知的密度值做比较，这样来得到这些“模糊的描述符”。从这种试验模型的分析，可确定在所测得的相位值与所计算的密度值之间的相关性。由于这种相关性取决于试验模型的结构和几何形状，并取决于上述材料或构造所述试验模型所用的材料，所以，为了得到这些基本的、实验关系，这样的分析必须实际上对于每一所需的模型和材料来进行。
在步骤4b中，确定了材料片的所测得的密度与前述片的密度的前述测量结果的任何偏差。这样的偏差是重要的，这是因为表明了材料的内部结构的不均匀性。由于像所测的片中的中空芯存在与否这样的偏差来源已经得到补偿，唯一剩下的偏差来源就是材料内部结构的不均匀性。
在步骤5b中，以两种不同的方式中的一种计算了材料的真实密度，这取决于当在两个或更多个片之间进行比较时所计算的密度中的偏差。在第一种方法中，所计算的密度在许多片的两两之间的差别比较小，这使得可对于所有后续的计算采用一个单独的密度值。可以选择地，在许多片的、所计算的密度两两之间的差别比较大，这使得许多密度值，而且，优选地，所有的密度值，都用于后续的计算。
最后，在步骤7中，将真实的密度值或那些真实的密度值以及在步骤6a中计算的原始的水分值结合在一起，右边确定真实的水分值。用于计算真实的水分值的方程即包括真实的密度也包括计算出的在片中的密度中的偏差以及实验上所确定的相关因子。相关因子取决于材料的类型和结构，并且，通过实验来从实验上确定该相关因子。然后，例如通过在显示单元上显示来输出真实的水分值，该显示单元可包括可视的显示屏，或者，例如通过其它显示信息的装置来输出真实的水分值。优选地，还可显示材料的内部结构中的任何偏差，该偏差是通过比较所测得的那些相移而找到的，这是由于这样的信息可能对于该材料的制造者和加工者都是极为重要的。
图4A和图4B显示了在材料的真实的含水量与按照图3所计算的含水量之间的关系的一些图，所述材料的真实的含水量是通过首先完全干燥该材料，然后，加入预先测量过量的水分来确定的。要得到图4A中所示的数据，筒管垂直于用于测量的发射和接收天线(见下面用于说明的图6A)。要得到图4B中所示的数据，筒管平行于用于测量的发射和接收天线(见下面用于说明的图5A)。对于这两种情况，在真实的和所计算的水分测量结果之间显然存在有线性关系，这表明了图3的实验计算是有效的。
图5和图6中更详细地显示了图3所示的计算，如图5A所示，筒管平行于天线和接收器放着来得到测量结果。在图6中，筒管垂直于天线和接收器放着来得到测量结果就如图6A所示的那样。由此，显而易见的是，筒管相对于接收器和天线的位置对于相移和衰减的测量结果有显著的影响。
在图5A中，示出了筒管10平放于一侧。微波辐射源28在筒管10的左边，而接收天线36在右边，就如所示出的那样。箭头显示了筒管10相对于微波辐射源28和接收天线36的移动的方向。正如所见到的那样，可从两种不同类型的片得到测量结果。例如，穿过点a-a’的片包括材料本身，而不包括中空芯12。然而，穿过点b-b’的片包括中空芯12。在图5B到图5D中可清楚地看出这两种不同类型的测量的效果。
图5B显示了实际上是对于所有沿着筒管10的长度l的片所得到的、测量出的衰减。测得的衰减可分成有深槽92分开的两部分88和90。每一部分有两个峰94和一个扁平部分96。两个峰94代表第一个和最后一个所测量的片，并且虚假的厉害。对于部分88，当筒管10首先在微波辐射源28和接收天线36两者之间通过时测量第一个片，而当中空芯12首先在微波辐射源28和接收天线36两者之间通过时测量最后一个片。两个测量都不能用于确定校正过的衰减，因此也就不能用于原始的水分值，就如上面图3所示出的那样，这是因为，这些测量由于边缘效应的原因是虚假的。这样，用于确定部分88的衰减的那些数据点取自两个峰94之间，就如方框98所示出的那样。
当中空芯12在微波辐射源28和接收天线36两者之间通过时，就产生深槽92，例如，就如同在点c-c’之间所取的片中一样。这个深槽92的原因是中空芯12只含有空气或主要含的是空气，这使得几乎没有或根本就没有衰减和／或穿过中空芯12的波的反射。当然，当中空芯12在微波辐射源28和接收天线36两者之间时所取得的测量结果是有假象的，而且，不能用来确定测量的含水量。
当在筒管10上的材料再次在微波辐射源28和接收天线36两者之间通过时就产生所测得的衰减的部分90，例如，就如同在片d-d’中一样。再一次，有来自第一个片和最后一个片的的测量结果的虚假的高峰。对于部分90，当中空芯12首先在微波辐射源28和接收天线36两者之间通过时，就测量第一个片，而当筒管10首先在微波辐射源28和接收天线36两者之间通过时，就测量最后一个片。再一次，两个测量结果都不能用来确定校正过的衰减，因此，也就不能确定原始的水分值，就如上面图3所示的那样，这是因为由于边缘效应造成这些测量结果是虚假的缘故。这样，用来确定对于那部分的衰减的那些数据点就取自在两个峰94之间，就如同方框100所示出的那样。
图5C显示了实际上是对于沿着筒管10的长度l的所有的片所测得的相移。当测量第一个片时，相移首先升起，然后，保持稳定，直到中空芯12在微波辐射源28和接收天线36两者之间通过时，这时，它实际上是降落。这一降落是由这样的事实造成的，即，中空芯12含有密度较稀疏的空气。当中空芯12离开微波辐射源28和接收天线36两者之间的区域时，相移再次升起，并保持稳定，直到筒管10离开微波辐射源28和接收天线36两者之间的区域。类似于衰减，用来确定相移的那些数据点取自两个峰之间。
图5D显示了对于所有的片的、校正过的密度的一个例子，所述校正是按照图3所勾画出的方法进行校正的。在这个例子中，材料的密度是不均匀的。在筒管10的边上的那些外层中的材料密度有一个值ρ1，就如图5D中的图上所标识出的那样。然而，靠近筒管10的中空芯的材料的密度表观上较高，为ρ2，就如图上所示出的那样(ρ2＞＞ρ1)。这样，材料的内部结构就不是均匀的，可通过测量相移来检测到这一点。
在图6A中，显示了筒管10基本上是垂直于微波辐射源和接收天线。微波射线穿过那些片中的筒管10，例如，穿过d-d’所取的片。在那个片中，射线首先穿过测量层14，然后，穿过中空芯，再一次穿过测量层14。不过，筒管10的底部的全部的材料的量比该筒管顶部的材料的量多，这是由于筒管10的形状实际上是一个圆锥的形状。如图6A所示，在筒管10的顶部开始测量，然后，沿着筒管10的长度移向底部。
图6B显示了实际上是对于沿着筒管10的长度l的所有的片所测得的相移。如上所述，在筒管10的底部的材料的总量较多，这使得所测得的衰减沿着筒管10的长度增加。两个峰102和104代表第一个和最后一个所测量的片，虚假地高。当筒管10首先在微波辐射源28和接收天线36两者之间通过时，测量第一个片，而当筒管10离开微波辐射源28和接收天线36两者之间的区域时测量最后一个片。两个测量结果都不能用来确定校正过的衰减，因此，也就不能确定原始的水分值，就如同上面的图3所示的那样，这是因为这些测量结果由于边缘效应的缘故是虚假的。这样，用来确定衰减的数据点取自两个峰102和104之间，就如同方框106所示出的那样。
类似地，图6C示出了实际上是对于沿着筒管10的长度l的所有的片所测得的相移。当测量第一个片时，相移首先升起，然后，保持稳定，直到筒管10离开微波辐射源28和接收天线36两者之间的区域。类似于衰减，用来确定相移的那些数据点取自峰108和峰110之间，就如同方框112所示出的那样。
图6D显示了对于所有的片的校正过的密度的一个例子，所述校正是按照图3所勾画的方法进行的。在这个例子中，材料的密度是不均匀的。在筒管10的顶部和在筒管10的底部的材料密度有一个值ρ1，就如同图6D中的图上所标识出的那样。然而，在筒管10的中间处的材料密度表观是较高的，为ρ2，就如同图上所示出的那样(ρ2＞＞ρ1)。这样，那些层14的内部结构是不均匀的，这可通过测量相移来检测到。
图7A和图7B说明了对于计算材料水分，选择所测得的衰减的某一特定部分的重要性。在图7A中，曲线显示了真实的水分值(X-轴)与从图5和图6所示的虚假的高峰之一所测得的衰减(Y-轴)两者之间的关系。显然，在材料的实际含水量和从所示那些峰所得到的虚假的测量结果之间没有相关性。通过对比，图7B显示了真实的水分值(X-轴)和从上述两个峰之间的区域(例如，方框106)所测得的衰减(Y-轴)之间的关系。相关性显然极高，这是由于真实的水分和所测得的衰减以接近线性的方式上升。这样，所测得的衰减只是测量结果的一些特定部分(例如，图6B中的方框106)中的真实水分的反映。
图8显示了本发明的另一个优选的实施例的示意图，在图8中，已调整过图1的装置，使得能够发射一个以上的频率的微波。应该注意，这个优选的实施例可用来确定材料的含水量，该材料实际上具有由术语“组件”所包括的任何结构，术语“组件”包括包、筒管、和／或任何其它的材料块。注意，一个组件实际上可具有密度不同的不均匀的结构。
多频率装置108具有一个用于顺序发送多个频率的微波辐射的多频率发射器110。通过频率控制器112来选择要发送的频率。然后，发射器110使得辐射天线112发送所需频率的微波辐射。之后，所发送的微波辐射穿过组件或材料包(未示出)，并由接收天线114接收。接收天线114发送信号给信号接收器116。信号接收器116优选地是外差式(hetrodyne)接收器。基本上是同时将一个参考信号从发射器110送到参考接收器118，参考接收器118优选地也是一个外差式接收器。信号接收器116发送一个测量信号(标记为“I．F．1”)给检测器120，而参考接收器118发送一个参考信号(标记为“I．F．2”)给检测器120。检测器120用参考信号确定测量信号的正确衰减，然后，把这两个信号都送给相位检测器122，相位检测器122确定对于所述测量信号的正确相移。
在已经发送两种不同频率的微波辐射穿过材料之后所测得的、两个相移之间的粗略的相移差可做如下所述△P(粗略的)=F2／(F2-F1)*(P2-P1)最终的相移差是△P(最终的)=Pi+Pgmod(π)这样，就通过顺序地发送至少两种不同频率的微波辐射、并且在材料中的每一点至少“跳跃”或更换这两种频率来得到粗略的相移差。
说明相移和衰减的公式如下1．λ=C／F；l=(辐射的路径长度)；ε‘=(材料的介电常数)2.P1=2πλ1ϵ′l;]]>3.P2=2πλ2ϵ′l;]]>4.P1=KF1;P2=KF2;K=2πCϵ′l;P1-P2=ΔP=K(F1-F2);]]>5．P1=Ph(t)(F1)；P2=Ph(t)(F2)；6.K=P1-P2F1-F2;(F1>F2)]]>7．Pg=(包括nπ项的相位)=K*Fi(i是1或2)8.校正过的相移=(Pg-nπ)+P1-P22;n=(Pg-nπ>0)]]>注意，F是微波辐射的频率；l是当微波辐射束流穿过组件的材料时的束流路径的长度；ε’是材料块的介电常数；P1是频率为F1时的微波辐射的相位偏差；P2是频率为F2时的微波辐射的相位偏差；K(F1-F2)是频率为F1和F2时的辐射的相位偏差之间的差；Ph(t)是真实的相移，这使得所测得的相移P1例如是真实相移和频率F1的函数；Pg是粗略的相移差；而n是满足方程8的最大数目，这使得Pg-nπ大于0。
尽管这些方程都说明了校正过的相移并可用于相移的计算，但是，必须按照实验上所观测到的材料本身的性质和周围环境的影响来改进计算。图9显示了这些基于实验的计算的一幅流程图。在步骤1中，顺序地将许多频率的微波辐射发送穿过组件中的材料。在步骤2中，对于上述许多频率的微波辐射计算衰减和校正过的相移。
在步骤3中，进行一种算法，以便从所计算出的衰减值和校正过的相移值中滤去噪声。对于频率F2的衰减可描述为A2i=a1Ali+b1。类似地，相移是P12=a2Pli+b2。注意，Ali和Pli是从先前所测得的频率Fli得到的衰减和相移值。用于a1、a2、b1、和b2的值取自数据库，这取决于特定的应用和材料。例如，需要一组值用于包中的棉花，而需要另一组值用于松散的合成纤维包。基于所涉及的材料的实验上的测量结果来从实验上确定这些值。优选地在对于衰减和校正过的相移的所有的计算值进行滤去噪声的计算。此外，对于这些计算采用上述许多频率的每一频率值，这是由于衰减和相移值还取决于微波辐射频率。
优选地，从任何后续的计算中消除任何“边缘”的测量结果或当材料的边缘穿过微波辐射束时所做的测量结果，这是由于这些测量结果是虚假的。可以许多方式来确定某一特定的测量结果是否是“边缘”的测量结果。例如，可确定组件相对于束流的位置，这使得当组件的边缘就要穿过束流时，可发送一个信号给衰减和相移确定器。可以选择地，并且是优选地，可画出衰减的测量结果，并消除任何虚假的、衰减的高峰或低槽，例如，通过从平均衰减中去除大于二个或三个标准偏差的任何值。这样，在这一阶段的分析中，优选地消除了任何虚假的“边缘”测量结果。
在步骤4中，从上述许多过滤过的衰减和过滤过的相移值计算材料的密度和含水量，优选的是从所有的这些值计算。由下述方程确定材料的含水量W%=Σi=1nWi*ri]]>其中，ri是前面所述的相关因子。项Wi是步骤3中所确定衰减A2和相移P2、以及材料的类型和结构的函数。从由实验观测所确定这些值的数据库中得到上述相关因子。
然后，由相移值的和的统计函数计算材料的密度，所述这些相移值再一次取自数据库。这一函数依赖于所分析的材料的特性，就像步骤3中所说明的滤去噪声的计算那样。而且，密度是步骤3中所确定P2以及材料的类型和结构这两者的函数。这样，必需的信息取自实验上所确定信息的数据库。
优选地，在这一阶段，通过检查对于一部分材料所收集的密度来检测该材料中的任何缺陷。该缺陷可包括在材料内部的不均匀的水分分布。例如，在该材料内的异乎寻常高的含水量，以及，例如，在该材料内存在有外来物体。
在步骤5中，如果必须的话，在确定含水量和密度时，优选地对材料的温度进行补偿。再一次，对于步骤5，必须至少部分地按照实验观测来确定。
在步骤6中，输出材料的含水量和密度，例如，在计算机屏幕上显示，或者通过打印在纸上。
以一个以上的微波辐射频率确定材料中的每一点处的含水量和密度的优点如下。首先，在材料中的一点处测量衰减和相移，但是以一个以上的频率，使得能够对那些值进行平均，以便得到更精确的结果。其次，衰减中的变化是线性的，这使得能够易于计算由于不同频率下的测量所造成的衰减中的改变。然后，通过平均去除任何剩下的差别。第三，可对于材料的任何特定类型和形式来选择良好的频率范围，而不是依赖于一个单独的频率。最后，在所选择的频率范围的测量结果还使得能够确定真实的相移。
第三点，对于材料的特定类型和形式选择良好的频率范围的能力对混合材料或含有一种以上类型的物质的材料来说特别重要。例如，种子中常常混进杂草、根茎、和叶子，这些影响了所测量的种子本身的含水量。此外，具有不同性质的、不同类型的材料的混合物导致在所发送的微波中出现谐波。然而，从所画出的相移对频率的曲线的线性部分，可确定真实的相移。这样，采用许多的频率可简化确定混合材料的相移。
可以选择地，而且是优选地，可选择微波辐射的频率范围，使得来自材料的辐射的反射最小，并使得所发送的穿过该材料的微波辐射最大。更优选地，在进行测量之前，从数据库中选择合适的频率范围。基于这样一些因素来选择特定的范围，这些因素是材料的类型和材料的结构。因此，包中的棉花就与筒管中的纱线需要不同的频率范围。当进行测量时，还可选择频率范围，以便减少或消除来自环境干扰的外界噪声。这样的干扰的一个例子例如是手机。优选地，在选择用于进行测量的特定范围之前，检查一个以上频率范围，这是为了减少或消除这一问题。
此外，对所选择的频率范围进行优选的调整，这使得在一个更小的频率范围内进行更多测量，这给出了最好的结果。这样，跳跃着对频率范围所进行的调整使得能够做出最灵敏和最精确的测量结果。
尽管已经参照有限数量的实施例对本发明做了说明，应该理解的是可以做出许多变化、改进、以及本发明的其它一些应用。
权利要求
1.一种确定在一个筒管上的材料的含水量的方法，该筒管的特征是有一个中空芯，所述方法包括下述步骤(a)发送许多实际上是穿过至少一部分所述筒管的微波，这使得所述微波成为被发送的微波；(b)接收所述被发送的微波，这使得所述微波成为被接收的微波；(c)由所述被接收的微波确定相移和衰减；(d)至少对于一部分上述在筒管上的材料重复步骤(a)到步骤(c)，这使得得到许多相移和许多衰减；(e)从一组实验系数中选择采用至少一种实验系数，所述这组实验系数包括上述筒管的重量、该筒管的温度、该筒管的形状、以及所述材料的类型，以便校正所述衰减，这产生了许多校正过的衰减；(f)由所述校正过的衰减计算所述材料的原始的含水量；(g)对由中空芯所造成的假象校正所述许多相移，这使得所述许多相移成为许多校正过的相移；(h)由所述校正过的相移确定上述材料的密度；以及(i)由所述密度并由所述原始的含水量计算最终的含水量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述材料以一个内部结构为特征，并且，通过将所述许多校正过的相移中的一个相移与所述那些校正过的相移的先前的值做比较来计算所述内部结构的所述密度的不均匀性，这使得如果所述许多校正过的相移与所述先前值不同，就检测到所述不均匀性。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述内部结构的所述密度的所述不均匀性表明在上述筒管上的所述材料是一种以上类型的材料。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述至少一种实验系数是许多选自下述这组实验系数的实验系数，所述这组实验系数包括所述筒管的重量、所述材料的类型、该筒管的结构、该筒管相对于所述许多微波的位置、以及温度，而且，所述系数存储在一个数据库中。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于在所述许多微波穿过至少一部分所述芯后，通过去除所产生的衰减，进一步校正所述许多校正过的衰减。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述材料选自下述这组材料，这组材料包括棉花纤维、丝纤维、绒毛纤维、药物材料、种子、纸张、以及合成纤维。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述筒管具有许多芯，并且，上述材料的结构和密度是不均匀的。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于在所述许多微波穿过上述筒管的边缘后，通过去除所产生的衰减和相移，进一步校正所述校正过的衰减和所述校正过的相移，这使得所述许多微波的第一部分穿过筒管的所述部分，而所述许多微波的第二部分实际上并不穿过所述那部分筒管。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于确定所述密度的步骤包括检测上述材料中取自下述这组缺陷中的缺陷，这组缺陷包括上述材料内部中的不均匀的水分分布、以及在该材料内存在有外来物体。
10.一种用于确定在一种组件中的材料的含水量的方法，该方法包括下述步骤(a)发送许多频率的许多微波实际上穿过所述组件中的一部分材料，顺序发送所述许多频率中的每一频率的所述微波，这使得所述微波成为被发送的某一特定频率的微波；(b)接收所述特定频率的、被发送的微波，这使得所述微波成为所述特定频率的被接收的微波，并且，这使得接收到来自所述许多频率的、被发送的微波；(c)由每一所述特定频率的、被接收的微波确定衰减，这使得确定了许多衰减；(d)由所述许多衰减确定所述那部分材料的含水量；(e)重复步骤(a)到步骤(d)，以便确定在所述组件上的上述材料的许多部分的含水量。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于通过对所述许多频率的线性效应的调整来确定所述衰减，这使得所述衰减正比于所述许多频率中的每一频率。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于所述含水量正比于所述许多衰减的和。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于将所述许多衰减的所述和除以一个相关因子，由材料的类型和所述组件的结构从实验上确定所述相关因子。
14.如权利要求10所述的方法，进一步包括下述步骤(f)由所述那些特定频率中的每一特定频率的、所接收的微波确定相移，这使得确定了许多相移；(g)由所述许多相移确定材料的密度；以及(h)重复(a)到步骤(g)，以便确定在上述组件上的所述材料的许多部分的所述密度。
15如权利要求14所述的方法，其特征在于根据一个实验函数，通过适配于所述许多相移的线性回归，确定所述材料的所述密度，根据所述材料的类型和所述组件的结构选择所述实验函数。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于将所述许多部分材料的每一部分的所述密度与该材料的所述许多部分材料的每一其它部分的所述密度做比较，以便确定在所述组件中的上述材料的结构的均匀性，如果所述密度实际上是不同的，那么，所述结构就是不均匀的。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于根据所述结构的所述的均匀性来校正所述材料的所述许多部分的上述含水量。
全文摘要
从微波束流(34,32)的相位和衰减读数得出材料(10)的含水量。用发射器(30)和接收器(36)得出对于许多频率的衰减和相移。由前述校正程序所得出的一种校正因素用来校正所述读数,这是为了提高精度。
文档编号G01N22/00GK1282421SQ98812199
公开日2001年1月31日 申请日期1998年11月19日 优先权日1997年11月20日
发明者丹尼·S·莫什, 亚历山大·格林瓦尔德 申请人:马尔科姆有限公司