一种粮堆介电常数的微波测量方法
阅读：1027发布：2020-05-30
专利汇可以提供一种粮堆介电常数的微波测量方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种粮堆 介电常数 的 微波 测量方法。该方法采用 信号 发射机、信号接收机、发射天线和接收天线实现。发射天线连接信号发射机，接收天线连接信号接收机，发射天线和接收天线均为杆状天线。首先把发射天线和接收天线隔一定的距离平行插入粮堆之中，使其位于粮面以下一定的 位置 ，并保持上、下端平齐；信号发射机通过发射天线发出 电磁波 ，该电磁波由接收天线接收后，送入信号接收机之中；测量获得电磁波在发射天线与接收天线之间传播的时间以及发射天线与接收天线的距离，由此计算粮堆的介电常数。，下面是一种粮堆介电常数的微波测量方法专利的具体信息内容。
1.一种粮堆介电常数的微波测量方法，采用信号发射机、信号接收机、发射天线和两个接收天线，所述发射天线连接所述信号发射机，所述两个接收天线连接所述信号接收机，所述发射天线和所述接收天线均为杆状天线，其特征在于：
所述两个接收天线与所述发射天线平行放置，距离一远一近，且成一角度，所述发射天线与两个接收天线插入粮堆之中，且位于粮面以下一定的位置，并保持上、下端平齐；
所述信号发射机通过所述发射天线发出电磁波，该电磁波由所述接收天线接收后，送入所述信号接收机之中；
通过测量获得两个接收天线与所述发射天线之间的距离分别为d1和d2，电磁波从这两个接收天线到达信号接收机的时间分别为t1和t2，按照下式计算粮堆的介电常数ε：
2
ε=(c·Δt/|d1-d2|)
其中，Δt=|t1-t2|，c为电磁波在真空中的传播速度。
2.如权利要求1所述的粮堆介电常数的微波测量方法，其特征在于：
所述信号发射机为微波信号发生器，工作频率在100MHz到1GHz之间。
3.如权利要求l所述的粮堆介电常数的微波测量方法，其特征在于：
所述杆状天线为半波长对称振子天线。
4.如权利要求l所述的粮堆介电常数的微波测量方法，其特征在于：
所述发射天线与所述接收天线之间的距离在6米之内。
5.一种粮堆介电常数的微波测量方法，采用信号发射机、信号接收机、发射天线和接收天线，所述发射天线连接所述信号发射机，所述接收天线连接所述信号接收机，所述发射天线和所述接收天线均为杆状天线，其特征在于：
所述微波测量方法使用一个用于反射电磁波信号的反射物，
首先把所述发射天线和所述接收天线隔一定的距离平行插入粮堆之中，使其位于粮面以下一定的位置，并保持上、下端平齐；所述反射物也插入粮堆中，所述发射天线和所述接收天线距离所述反射物一近一远，且成一角度；
所述信号发射机通过所述发射天线发出电磁波，该电磁波由所述接收天线接收后，送入所述信号接收机之中；
通过测量获得所述发射天线与所述反射物、所述接收天线间距离分别为d1和d2，所述接收天线与所述反射物的距离为d3，电磁波由所述发射天线经由所述反射物反射后到达信号接收机的时间为t1，直接到达信号接收机的时间为t2，按照下式计算粮堆的介电常数ε：
2
ε=(c·Δt/|d1+d3-d2|)
其中，Δt=|t1-t2|，c为电磁波在真空中的传播速度。
6.如权利要求5所述的粮堆介电常数的微波测量方法，其特征在于：
所述反射物为金属棒。
7.如权利要求5所述的粮堆介电常数的微波测量方法，其特征在于：
所述反射物为储备库的墙壁。
8.如权利要求5所述的粮堆介电常数的微波测量方法，其特征在于：所述杆状天线为半波长对称振子天线。
9.如权利要求5所述的粮堆介电常数的微波测量方法，其特征在于：所述发射天线与所述接收天线之间的距离在6米之内。
一种粮堆介电常数的微波测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种测量粮库中粮堆的介电常数的方法，尤其涉及一种利用电磁波在介质中的传播速度受所在介质的介电常数影响的特性，将杆状天线平行插入粮堆中，通过收发一定频率的电磁波(即微波，下同)进行介电常数测量的方法，属于材料分析测试技术领域。
背景技术
[0002] 1990年，我国开始建立国家专项粮食储备制度。为了加强对国家粮食储备库的管理和监督，有必要对其储备粮食的数量和质量进行检查。但是，国家粮食储备库中的粮食往往堆积在平房仓、立筒仓、浅圆仓等各种类型的仓库中。采用常规的检查手段无法精确了解粮堆内部的密度、含水率等信息。
[0003] 在公开号为CN1963377的中国发明专利中，提出了一种针对粮库储粮数量的测量方法。该方法采用摄像头、激光传感器、压力传感器和PC机组成测量系统，用激光传感器测量粮堆的体积，同时启动摄像头拍摄实时照片，存入PC机的数据库；根据粮库的建库数据对激光传感器测出的体积进行修正；测量储粮的密度，利用压力传感器测量压力传感器上方“粮柱”的重量，通过激光传感器测量出压力传感器上方“粮柱”的高度，根据“粮柱”的重量、高度以及压力传感器的承压面积，计算出“粮柱”的密度也就是储粮的密度；由储粮的密度和粮堆的体积计算出储粮的总重量。但是，该方法对储粮密度的估计是不够准确的，仍然会造成较大的误差。
[0004] 人们通过粮食物理化学特性的分析，认为可以通过对粮堆介电常数的测量，间接获得粮堆的密度、温度、含水率等信息。介电常数是综合反映介质极化行为的一个主要的宏观物理量，是电介质固有的属性。介电常数可以表示成复数形式：
[0005] ε＝ε′-jε″ (1)
[0007] 粮食的化学成份主要有水分、糖类、脂类、蛋白质及其它含氮物质，此外含有少量酶、维生素、生长素、色素及矿物质等。对于粮食来说，影响介电常数的因素主要包括：1.粮食的品种和品质；2.粮食的密度和孔隙度；3.粮食的含水率；4.粮食的温度。利用粮堆的介电特性可以迅速简便地确定粮食的密度和含水率，进一步检测其品质。关于这一点，师萱等发表的论文《介电特性在农产品品质检测分析中的应用》(载于《农产品加工·学刊》2006年第6期)中有进一步的详细说明。
[0008] 测量介电常数可以采用多种技术方案。例如在公开号为CN1305102的中国发明专利中，四川大学的黄卡玛、阎丽萍等人提出了一种反射式介电常数直接测量方法及测量探头。该测量方法是向松散介质发射微波，对采集的反射波进行遗传算法处理，直接得到介电常数和相关参数。所采用的设备包括微波信号源、微波测量探头、适当的接口电路和计算机。其中的专用微波测量探头是内导体比外导体长的终端开口同轴线，探头外涂敷防腐保护层。但是，该方法对于国家粮食储备库中密实堆放的粮食而言并不是很适用。对于国家粮食储备库中的粮堆而言，可以使用探地雷达在粮堆表面进行测量，但这种方案受粮食厚度和仓顶反射信号的影响较大，并且不能测量出粮堆密度随深度变化的情况。另外一种技术方案是利用时域反射计(TDR)插入粮堆表面进行测量，但这种技术方案的缺点是只能探测探针周围小范围的介电常数信息，不能测量粮堆深处的介电常数，且探针的插入会对有效范围内的测量对象产生较大的扰动，导致结果不准确。
发明内容
[0009] 本发明所要解决的技术问题在于提供一种针对粮堆介电常数的微波测量方法。该方法充分考虑了国家粮食储备库中粮堆的特点，将杆状天线平行插入粮堆中，通过收发一定频率的电磁波进行介电常数的测量。
[0010] 为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：
[0011] 一种粮堆介电常数的微波测量方法，采用信号发射机、信号接收机、发射天线和接收天线，所述发射天线连接所述信号发射机，所述接收天线连接所述信号接收机，所述发射天线和所述接收天线均为杆状天线，其特征在于：
[0012] 首先把所述发射天线和所述接收天线隔一定的距离平行插入粮堆之中，使其位于粮面以下一定的位置，并保持上、下端平齐；
[0013] 所述信号发射机通过所述发射天线发出电磁波，该电磁波由所述接收天线接收后，送入所述信号接收机之中；
[0014] 测量获得所述电磁波在所述发射天线与所述接收天线之间传播的时间t以及所述发射天线与所述接收天线的距离d，按照下式计算粮堆的介电常数ε：
[0015] ε＝(c·t/d)2
[0016] 其中，c为电磁波在真空中的传播速度。
[0017] 其中，所述微波测量方法使用两个接收天线，这两个接收天线与所述发射天线平行放置，距离一近一远，且成一角度；
[0018] 通过测量获得两个接收天线与所述发射天线之间的距离分别为d1和d2，电磁波从这两个接收天线到达信号接收机的时间分别为t1和t2，则按照下式计算粮堆的介电常数ε：
[0019] ε＝(c·Δt/|d1-d2|)2
[0020] 其中，Δt＝|t1-t2|。
[0021] 或者，所述微波测量方法使用一个用于反射电磁波信号的反射物，所述反射物也插入粮堆中，所述发射天线和所述接收天线距离所述反射物一近一远，且成一角度；
[0022] 通过测量获得所述发射天线与所述反射物、所述接收天线间距离分别为d1和d2，所述接收天线与所述反射物的距离为d3，电磁波由所述发射天线经由所述反射物反射后到达信号接收机的时间为t1，直接到达信号接收机的时间为t2，则按照下式计算粮堆的介电常数ε：
[0023] ε＝(c·Δt/|d1+d3-d2|)2
[0024] 其中，Δt＝|t1-t2|。
[0025] 此时，所述反射物为金属棒或者为储备库的墙壁。
[0026] 所述信号发射机为微波信号发射机。
[0027] 所述杆状天线为半波长对称振子天线。
[0028] 所述发射天线与所述接收天线之间的距离在6米之内。
[0029] 利用本发明所提供的粮堆介电常数微波测量方法，可以在粮仓中同一测点可以把天线插入不同的深度，测量逐层的介电常数，以此建立粮仓介电常数随深度的变化模型和整个粮仓的介电常数分布模型，从而为建立粮堆的密度分布模型奠定必要的技术基础。附图说明
[0030] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
[0031] 图1为采用直接法测量介电常数的装置示意图；
[0032] 图2(a)为采用反射法测量介电常数的第一实施例的示意图；
[0033] 图2(b)为采用反射法测量介电常数的第二实施例的示意图；
[0034] 图3显示了小麦、玉米、大豆在10GHz、含水率一定、23℃时的介电常数、损耗系数和密度之间的关系；
具体实施方式
[0036] 本发明所提供的粮堆介电常数微波测量方法的基本原理是这样的：认为对于在国家粮食储备库中堆积的粮食而言，其相对电导率很小，相对磁导率为1。设粮食相对介电常数为ε，则在粮食中电磁波的传播速度v为：
[0037]
[0038] 其中，c为电磁波在真空中的传播速度。如果测得在电磁波在介质中的速度，即可算出得该介质的介电常数。
[0039] 由于电磁波的速度v等于传播距离d除以传播时间t，即：
[0040] v＝d/t (3)
[0041] 其中，d为收、发两天线之间的距离，可以通过直接测量获得；t为电磁波信号的传播时间，需要通过电磁波信号处理设备对信号进行处理后获得。
[0042] 由(2)、(3)两式可得：
[0043] ε＝(c·t/d)2 (4)
[0044] 即可计算出所测粮堆的特定区域中的介电常数。
[0045] 但是，国家粮食储备库本身采用钢筋混凝土或钢架结构。这会对电磁波的反射和散射产生直接影响，容易造成测量结果的较大误差。加之储备库中堆放的粮食往往深达六米以上，探地雷达等测量手段无法准确探测出粮堆内部的介电常数分布情况。为此，本发明人经过深入研究和反复实验，认为对于测量粮堆介电常数这一任务而言，可以使用能较深插入粮堆内部的杆状天线进行介电常数的测量。
[0046] 具体而言，首先把分别用于收、发电磁波信号的杆状天线隔一定的距离平行插入粮堆之中，使其位于粮面以下一定的位置，并保持上、下端平齐。杆状天线可以辐射或接收一定频率的电磁波，根据电磁波在介质中传播的速度受所在介质介电常数的影响，利用收、发分离的杆状天线测量电磁波在粮堆中的传播速度，进而计算出粮堆的介电常数。
[0048] 粮堆密度的测量过程要求尽可能不对粮堆进行扰动，使用杆状天线插入法虽然也扰动了粮堆，但所扰动的区域范围很小。如果保证天线之间的距离远大于扰动的区域范围，如在2米以上时，可以认为天线对粮堆的密度没有实质性的扰动。
[0049] 根据一些探地雷达资料显示，电磁波信号在介质中的最大穿透能力与其频率存在如表1所示的关系：
[0050]频率(Hz) 空气中半波长(米) 最大穿透能力(米)
1G 0.15 2
500M 0.3 3
300M 0.5 5
200M 0.75 8
100M 1.5 15
50M 3 30
1G 0.15 2
500M 0.3 3
300M 0.5 5
200M 0.75 8
100M 1.5 15
50M 3 30
[0051] 表1电磁波信号的穿透能力与频率的关系
[0052] 在此需要说明的是，探地雷达电磁波信号在介质中需要经过反射后接收，因此电磁波信号实际的最大传播距离是穿透能力的2倍以上。
[0053] 本发明中的杆状天线可以采用半波长对称振子天线。这是一种最简单、最基本的杆状微波天线。在实际使用本粮堆介电常数微波测量方法时，首先通过实验测量不同频率的电磁波在粮堆中的传播距离，由此确定合适的天线尺寸。例如500MHz的信号可以传播6米以上，天线尺寸应该在30cm左右较为合适。
[0054] 该杆状天线尺寸还应该满足便携的要求，方便插入粮堆深处。因此，天线本身必须具有一定的硬度和韧性。为使天线能够顺利插入粮堆深处，可以在需要时使用粮库中用于埋设测温电缆用的电动下线器。
[0055] 在进行粮堆介电常数测量时，可以考虑使用调幅波、调频波或窄脉冲作为传播信号。这三种信号在实际测量中会有不同的表现。经过实验验证，调幅波受干扰的可能性最大，通常不使用。超宽带窄脉冲信号、连续调频波都是较好的用于实现精确定位的电磁波。例如现有的商用探地雷达多数采用超宽带窄脉冲信号。采用冲激体制的超宽带窄脉冲信号有很多优点，它的系统结构比较简单，冲激源输出直接激励天线，不需要任何变换和放大。
另外，现有的雷达物位仪多使用连续调频波信号，在接收端使用傅立叶变换，并锁定相关比较的方法，可以将位置测量精度控制在1mm；但是其系统相对复杂，技术实现的难度较高。
对于本发明而言，优选采用上述的超宽带窄脉冲信号作为进行介电常数测量的电磁波。
另外，现有的雷达物位仪多使用连续调频波信号，在接收端使用傅立叶变换，并锁定相关比较的方法，可以将位置测量精度控制在1mm；但是其系统相对复杂，技术实现的难度较高。
对于本发明而言，优选采用上述的超宽带窄脉冲信号作为进行介电常数测量的电磁波。
[0056] 在本粮堆介电常数微波测量方法中，根据测量的微波传播路径不同，可以分为直接法和反射法测量介电常数。下面分别说明如下：
[0057] 图1显示了采用直接法来测量粮堆介电常数的基本原理。此方法使用一个发射、两个接收的天线插入粮堆，利用电磁波到两接收天线的时间差计算介电常数。在工作时，发射天线向外发射电磁波，并且不再与信号接收机连接；两个完全相同的接收天线与发射天线平行放置，距离一近一远，且成一角度。如图1所示，接收天线A和接收天线B分别位于距发射天线距离为d1和d2的位置，并通过等长的同轴电缆与信号接收机相连接。由于同发射天线的距离不同，电磁波信号经两根天线传到信号接收机上面的电磁波信号也会有一个时间差Δt，设从天线A、B到达信号接收机的时间分别为t1和t2，它满足以下公式：
[0058] t1＝d1/v+t0 (5)
[0059] t2＝d2/v+t0 (6)
[0060] Δt＝|t1-t2| (7)
[0061] 其中，t0为在天线和导线上的传播时间，因为两个天线和导线完全相同，因此电磁波信号在天线和导线上的传播时间相同。
[0062] 由前述的式(4)、(5)、(6)和(7)可得：
[0063] ε＝(c·Δt/|d1-d2|)2 (8)
[0064] 其中，Δt的值由信号接收机根据A、B两根天线的信号相位差获得，d1和d2的值通过直接测量获得。该直接测量方法采用对称的接收天线布置方式，使得电磁波信号到达信号接收机的时间差更加精确。
[0065] 在图1所示的实施例中，信号发射机选用微波信号发射机，由其生成微波信号。信号由放大线路、输出电路经过同轴电缆传送到发射天线。信号发射机每次工作时向外发出电磁波，并停机，等待下一次发射；或者每隔一秒钟进行一次发射，供信号接收机分析使用。信号发射机的工作频率最好控制在100MHz到1GHz之间，频率太高会使穿透能力变弱，频率太低则需要加大天线尺寸。
[0066] 本发明中的信号接收机是常规的微波信号接收器。在信号接收机中，接收电路通过信号放大器对接收到的信号进行放大、滤波，显示在显示设备上面，并记录在存储设备中。通过对数字信号的处理，可以自动计算出信号之间的时间差。
[0067] 在粮堆测量中，如果两根天线距离2米，粮食介电常数按2估计，则电磁波信号在天线之间的粮堆中的传播时间为：
[0068]
[0069] 即信号发射机和信号接收机的工作频率必须达到纳秒的级别，才能还原信号的真实波形，并由此获取两个通道的信号的时间差。
[0070] 图2(a)和图2(b)分别显示了采用反射法来测量粮堆介电常数的基本原理。反射法是使用一个发射、一个接收的天线和一根作为反射物的金属棒插入粮堆，利用电磁波直接到接收天线与经反射后到接收天线的时间差计算介电常数。该反射物也可以利用储备库的墙壁实现。其中，图2(a)所示的实施例中采用金属棒作为反射物，图2(b)所示的实施例中采用储备库的墙壁作为反射物。
[0071] 如图2(a)所示，在工作时，发射天线向外发射电磁波；在离储备库的墙壁较远的地方将接收天线、金属棒与发射天线平行放置，收、发两天线距离金属棒一近一远，且成一角度。发射天线与反射物、接收天线间距离分别为d1和d2，接收天线与反射物的距离为d3。由于电磁波由发射天线到达接收天线的路径不同，从而传到信号接收机上面的电磁波信号也会有一个时间差，设两个从不同路径传播的电磁波到达信号接收机的时间分别为t1和t2，它满足以下公式：
[0072] t1＝(d1+d3)/v+t0 (9)
[0073] t2＝d2/v+t0 (10)
[0074] Δt＝|t1-t2| (11)
[0075] 其中，t0为在天线和导线上的传播时间，两个从不同路径传播的电磁波信号在天线和导线上的传播时间相同。
[0076] 由式(4)、(9)、(10)和(11)可得：
[0077] ε＝(c·Δt/|d1+d3-d2|)2 (12)
[0078] 其中，Δt的值由信号接收机根据A、B两根天线的信号相位差获得，d1、d3和d2的值通过直接测量获得。
[0079] 图2(b)适合于收、发两天线距离储备库的墙壁较近的情况。在此情况下，不需要使用金属棒作为反射物，而是直接使用墙壁作为反射物。在离墙近的地方，接收天线与发射天线平行放置，收、发两天线距离墙一近一远，且成一角度。发射天线与反射物、接收天线间距离分别为d1和d2，接收天线与反射物的距离为d3。相关的测量和计算过程与图2(a)所示的完全一致，在此就不详细赘述了。
[0080] 在具体实践中，国家粮食储备库常用的平房仓的装粮深度为6米。考虑到减少多径效应、避免因反射造成误差的需要，收、发两天线之间的距离最好控制在6米之内。由于收发天线间的距离远大于天线插入扰动的区域的半径，所以本粮堆介电常数微波测量方法可以近似当作是无扰动测量。
[0081] 利用图1和图2所介绍的方法，可以在粮仓中同一测点可以把天线插入不同的深度，测量逐层的介电常数，以此建立粮仓介电常数随深度的变化模型和整个粮仓的介电常数分布模型，从而为建立粮堆的密度分布模型和含水率分布模型奠定技术基础。
[0082] 图3显示了小麦、玉米、大豆在10GHz、含水率一定、23℃时的介电常数、损耗系数和密度之间的关系(引自Samir Trabelsi和Stuart 0Nelson的论文《Free-space measurement of dielectric properties ofcereal grain and oilseed at microwave frequencies》，载于《Measurement Science and Technology》2003年第14卷589～600页)。表2显示了小麦种子的含水率与介电常数关系的测试数据(引自米双山2000年发表的博士论文《介电式种子分选机理及其设备的研究》)。图4显示了种子的介电常数与含水率之间的关系。
[0083]
[0084] 表2
[0085] 因为介电常数与粮食密度、含水率等因素之间关系的存在，可以利用介电常数特性迅速方便地确定国家粮食储备库中粮堆的含水率和密度数据，从而为有效开展清仓查库工作奠定技术上的基础。
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