雷达型微波测水仪器的测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及测水装置，是一种可W在工业、农业和医疗等行业中广泛应用的雷达 型微波测水仪，用来对物料的含水率（物料中水重量与物料总重量的百分比）进行快速、无 接触、精确在线测量。
【背景技术】
[0002] 在工业、农业和医疗等行业中，对建筑建材、农作物、谷物、纺织物、医用原材料等 物料的含水率需要进行精确测量和控制，才能更好地控制产品质量。目前常用的物料含水 量测量方法有加热干燥称重法、红外反射率测水法、微波谐振腔法、微波透射法等等。加热 干燥称重法是国标测量方法，精度高，但测量速度慢，只能对少量样品含水率进行测试，不 能用于在线快速测试，并且只反映样品的含水量，由于物料含水量通常并不均匀，样品含水 量与真实物料的平均含水量可能存在偏差，因此要反映真实物料的平均含水量需要多次取 样测量进行统计分析，测试周期长，效率低。红外反射率测水法是利用不同含水量样品对特 定波长红外线反射率的差异，通过测量红外反射率来反演样品含水量，可W用于在线测试， 但由于红外线主要在物料表面反射，对物料的穿透深度小，因此主要用于测量物料表层含 水量，难W进行物料体含水量的准确测水。微波谐振腔法是将微波谐振腔放置在含水物料 附近，含水物料对谐振腔产生微扰使谐振频率偏移，由于不同含水量的物料的介电常数差 异较大，因此对不同含水量的物料，微波谐振腔的频率偏移量不同。将微波谐振腔接入微波 振荡器回路，根据微波振荡信号频率与标称值的偏差反演得到物料含水率。微波谐振腔法 通常也只反映靠近谐振器的物料含水量，不能反映物料整体平均含水率情况，并且必须保 证物料与谐振腔具有特定的相对位置关系才能保证测试精度，比如测试过程中物料表面与 谐振腔测试面需始终保持紧密接触，该对物料形态、样品尺寸、运动状态和设备安装位置均 有较高要求，在实际应用中受到较多限制。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种雷达型微波测水仪器的测试方法，具有良好测试精度 和较强通用性的无接触式、快速物料平均体含水率测试技术。
[0004] 本发明的目的主要通过W下技术方案实现：
[0005] 雷达型微波测水仪器的测试方法，
[0006] 包括构建雷达型微波测水仪器步骤；包括W下部件；机架底座：用于放置待测物 料样品；微波雷达主机：用于发射连续单频微波信号用W透射待测物料样品，并接收信标 器发射的信标信号，并将输出数据发送给数据处理终端；信标器：用于接收透射待测物料 样品后的微波信号，并将接收到的微波信号进行调制形成信标信号，并将信标信号发射到 微波雷达主机；数据处理终端；数据处理终端输出频率选择信号给微波雷达主机，微波雷 达主机根据频率选择信号输出相应频率的连续单频微波信号，数据处理终端还用于接收微 波雷达主机的输出数据并计算出待测物料样品的含水量。
[0007] 根据上述各个装置，本发明的工作原理是：待测物料样品放置在微波雷达主机和 信标器之间，测试时，在数据处理终端控制下，雷达发射依次发射两个频率的连续单频微波 信号，连续单频微波信号透射待测物料样品后，连续单频微波信号被信标器接收后进行调 制形成信标信号，信标器并转发信标信号，信标信号透射待测物料样品后被微波雷达主机 接收，微波雷达主机每次接收到信标信号后，分别测试信标信号相对于连续单频微波信号 的同相分量（I)和正交分量（曲的幅度，并将I、Q幅度信息传输到数据处理终端进行处理。 [000引数据处理终端中，基于包含物料介质、水和空气3种成分混合介质的复介电常数 模型和水的介电弛豫模型，利用两个连续单频微波信号频率上的I、Q幅度信息和预存的系 统校准参数，处理得到混合介质中物料介质和水重量比，从而得到物料体含水量，即水的重 量占含水物料重量百分比，测试精度可达0. 1%。
[0009] 所述输出数据包括参考时钟信号、连续单频微波信号的功率检测信号，还包括连 续单频微波信号与信标信号进行正交混频后输出的中频同相分量，还包括连续单频微波信 号与信标信号进行正交混频后输出的中频正交分量。
[0010] 从结构上来说；微波雷达主机位于机架底座正上方，信标器位于微波雷达主机的 正下方，信标器设置在机架底座上，微波雷达主机的微波雷达天线面向机架底座，信标器的 信标器天线面向微波雷达主机，数据处理终端的频率选择信号输出端与微波雷达主机的频 率选择信号端连接，微波雷达主机的输出数据端与数据处理终端的数据输入端连接。
[0011] 还包括如下测试步骤：
[0012] 第一步：第一步；测算出微波雷达天线和信标器天线出口面之间的距离为R;
[0013] 第二步：校准测试得到无量纲系统常数；
[0014] 校准测试的具体步骤如下；在没有物料样品时，微波雷达主机依次发射的频率 和f2(fi<f2)的微波信号进行校准测试；设频率为fid= 1，2)时，微波雷达发射功率为Pu， 微波雷达天线的天线增益Gi，信标器天线的天线增益为Ggi，微波雷达主机收到的信标信号 的同相分量和正交分量幅度分别为li和Qi，则有：
[00巧]Ii=Aicos巫i(式 1);
[0016] Qi=Ai sin巫i(式2);
[0017] 其中Ai是接收的信标信号幅度的绝对值，〇i是信标信号相对于发射信号的相位， 并有：
[0020] 式中，AM是频率为fi的电磁波的真空波长，LM、巫。1分别是频率fi上系统固有损 耗因子和传输相位，2。= 50Q是传输线特性阻抗；
[0021] 发射信号通过禪合器禪合部分功率，检波产生监测电压Vi为：
[0022]
[002引 ki是比例系数；
[0024] 于是可得：
[0027] 当系统为宽带设计，并且fi和f2满足：
[002引
[0029] 则近似有ki=k2=k，1。1= 1。2=L。，巫。1=巫。2=巫。，
[0030] 对一般天线有：
[0033] 其中，A、A。分别是雷达天线和信标器天线的有效面积，在系统工作频带内近似为 常量；
[0034] 故近似有；
[0037] 其中
是无量纲系统常数；
[003引第立步；待测物料样品测定；
[0039] 待测物料样品测定的具体步骤如下：当放置有待测物料样品后，同样在频率和 f2进行两次测试，在频率fi时雷达接收到的信标信号的同相分量和正交分量幅度分别为 1/和Q/，类似可得：
[0042] 式中，0 1、ai分别是存在物料样品时频率为fi的电磁波在空间的复传播常数丫i 的实部和虚部，并有：
[0043]
[0044] 式中e。/、e。/'和分别是有物料样品情况下，频率为时，电磁波传播路径上介 质复介电常数的实部和虚部；
[0045]根据已知量Xi、yi、Xi和Y巧W解出曰i;
[0050]设角度4 i (0《4 i< 2 31)满足
，则有：
[0055] 在满足（式8)条件下，认为电磁波在频率fi和f2上群速相等，电磁波传输时间也 相等，设二者分别Vg为和Td;
[0056]
[0化7](式21)中C是空气中的光速；
[0化引当满足条件：
[0059]
[0060] 时，（式21)中m取值满足；
[0061]
[0062](式22)中Ie」m。,是含水物料在频率f1或f2上复介电常数模值的最大值；根据 (式23)得到的m代入（式21)求得Td后，可得n;的取值为：
[0063]叫二fix (f1T d)，〇2二n i+m(式24);
[0064](式24)代入（式20)可W求得Pi;根据（式15)，求出eci'、Eci":
[0067] 设电磁波传播空间的空气、干燥物料和水的体积比分别为p;q;r，p+q+r= 1，则：
[00側 e'd-jeci" =pea+qe押ew(式 27);
[00例式中ea、ed、ew分别是空气、干燥物料和水的介电常数，ea=l，P+q甘=1 ;通 常干燥物料没有介电损耗，故Ed为正实数；
[0070] 于是；
[0071] e'ci-1-jeci"二q(ed_l)甘（eW-1)(式 28);
[0072] 根据水的介电弛豫模型，水的介电常数为：
[0073]
[0074] 其中es= 80和em= 4. 9分别是水的直流和无限高频率介电常数；T是水的介 电弛豫时间，纯水T=2Xl(Tiis，对含在不同物料中的水T具有不同的值；的实部和 虚部分别为：
[0079] 根据（式28)实部和虚部分别相等，并将（式29)、（式32)代入，可得：
33)；
[0087] 代入到（式35)，求出23ifiT，并代入（式3如求出r;r代入（式城求出q(e广 1):
[0090] 根据干燥物料和水的体积比q;r，可得物料含水