微波水分測量方法、裝置、設備及存儲介質與流程
2023-10-11 14:08:09
本發明涉及水分測量技術領域，特別是涉及一種微波水分測量方法、裝置、設備及存儲介質。
背景技術：
微波水分測量技術越來越普遍地應用到各個行業，其可以監控生產過程中物料的水分含量，以便提高產品質量、有效控制生產過程，據此節約成本，提高生產效率和生產效益。
微波水分測量的基本原理為：發射天線發射的微波穿透被測物料，到達接收天線，接收天線接收到的微波反饋給評估儀，由評估儀分析出被測物料的水分含量。當微波穿透物料時，由於物料中的水分子是極性分子，會吸收微波，產生鍵腳振動，將電磁能轉化為熱能，從而產生了微波相位的差別和振幅的衰減，依靠這兩個量可以計算物料中水分的含量。
目前的微波測量方式，不可避免地會受物料密度變化的影響，當一定體積中的被測物料的密度發生變化時，微波水分測量儀無法精確地反應被測物料的真實含水量。如：當一定體積的6公斤含水6％的棉包m經過微波水分測量儀時，微波水分測量儀反應該物料含水6％，當相同體積的12公斤含水6％的棉包m經過時，微波水分測量儀認為棉包m含水12％。這是因為棉包m的重量增加、密度變大，單位體積中的水分含量增加了，但實際上棉包m的真實水分含量還是6％，實際生成中物料的重量和密度是無法保持嚴格一致，從而據此導致最終測得的含水量不準確。
技術實現要素：
基於此，本發明實施例的目的在於提供一種微波水分測量方法、一種微波水分測量裝置、一種設備及存儲介質，以提高微波水分測量的準確性。
為達到上述目的，本發明實施例採用以下技術方案：
一種微波水分測量方法，包括步驟：
獲取物料類型信息；
根據所述物料類型信息，從與所述物料類型信息對應的頻率區間中提取預定數目的頻率信息；
控制微波發射天線依次發射與預定數目的頻率信息對應的頻率的微波信號；
獲取微波接收天線接收到的微波信號；
確定微波接收天線接收到的各頻率的微波信號相對於微波發射天線發射的各頻率的微波信號的相位差和阻尼衰減量；
以各頻率的微波信號的相位差為第一向量、阻尼衰減量為第二向量，對第一向量和第二向量疊加分別獲得各頻率的微波信號的微波信號向量；
根據各頻率的微波信號的微波信號向量確定所述待測物料的含水量。
一種微波水分測量裝置，包括：
類型確定模塊，用於獲取物料類型信息；頻率信息確定模塊，用於根據所述物料類型信息，從與所述物料類型信息對應的頻率區間中提取預定數目的頻率信息；
微波照射控制模塊，用於控制微波發射天線依次發射與預定數目的頻率信息對應的頻率的微波信號，並獲取微波接收天線接收到的微波信號；
向量確定模塊，用於確定微波接收天線接收到的各頻率的微波信號相對於微波發射天線發射的各頻率的微波信號的相位差和阻尼衰減量；並以各頻率的微波信號的相位差為第一向量、阻尼衰減量為第二向量，對第一向量和第二向量疊加分別獲得各頻率的微波信號的微波信號向量；
含水量確定模塊，用於根據各頻率的微波信號的微波信號向量確定所述待測物料的含水量。
一種設備，包括存儲器、處理器以及存儲在所述存儲器上並可在所述處理器上運行的電腦程式，所述處理器執行所述電腦程式時實現如上所述的方法。
一種計算機存儲介質，其上存儲有電腦程式，該電腦程式被處理器執行時實現上述方法的步驟。
根據如上所述的實施例的方案，其在進行微波水分測量時，基於接收到的物料類型選擇指令，從物料類型選擇指令中的物料類型信息對應的頻率區間中提取出頻率信息，且提取的是預定數目的頻率信息，進而控制微波發射天線發射提取到的預定數目的頻率信息對應頻率的微波信號，從而基於預定數目的接收到的微波信號和對應的發射的微波信號來實現含水量的測量，且在確定含水量時，基於接收的微波信號和發送的微波信號確定的微波信號向量來確定含水量，從而其基於與被測物料的類型對應的頻率區間內的多個頻率發送微波，且根據基於微波信號確定的由相位差和阻尼衰減量確定的微波信號向量實現含水量的確定，從而提高了微波水分測量的準確性。
附圖說明
圖1是一個應用示例中的微波水分測量的結構原理示意圖；
圖2是一個實施例中的微波水分測量方法的流程示意圖；
圖3是一個實施例中的微波水分測量裝置的結構示意圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步的詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施方式僅僅用以解釋本發明，並不限定本發明的保護範圍。
除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬於本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在於限制本發明。本文所使用的術語「或/及」包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。
圖1示出了一個應用示例中的微波水分測量的結構原理示意圖，如圖1所示，進行微波水分測量的微波水分測量儀包括評估儀100、發射天線200及接收天線300。發射天線200及接收天線300可通過高頻傳輸線等方式與評估儀100通訊連接。評估儀100包括頻率控制器及處理器，該頻率控制器具體可以包括石英晶振、低噪聲鎖相環頻率器、混頻器、衰減器、調製器、射頻放大器、差分放大器、濾波器、對數放大器以及相位差比較器。
在進行微波水分測量時，頻率控制器基於處理器的控制生成指定頻率的微波信號，該微波信號經由發射天線200發射出去，發射出去的微波信號會穿透非金屬傳送帶上的被測物料，到達接收天線300。接收天線300接收到的微波信號會傳輸至評估儀100，評估儀100基於接收天線300接收到的微波信號和發射天線200發射的微波信號，計算出被測物料的含水量。
圖2示出了一個示例中的微波水分測量方法的流程示意圖，該方法可應用於圖1所示的評估儀中。如圖2所示，該示例中的微波水分測量方法包括：
步驟s201：獲取物料類型信息；
步驟s202：根據所述物料類型信息，從與所述物料類型信息對應的頻率區間中提取預定數目的頻率信息；
步驟s203：控制微波發射天線依次發射與預定數目的頻率信息對應的頻率的微波信號；
步驟s204：獲取微波接收天線接收到的微波信號；
步驟s205：確定微波接收天線接收到的各頻率的微波信號相對於微波發射天線發射的各頻率的微波信號的相位差和阻尼衰減量；
步驟s206：以各頻率的微波信號的相位差為第一向量、阻尼衰減量為第二向量，對第一向量和第二向量疊加分別獲得各頻率的微波信號的微波信號向量；
步驟s207：根據各頻率的微波信號的微波信號向量確定所述待測物料的含水量。
根據如上所述的實施例的方案，其在進行微波水分測量時，基於接收到的物料類型選擇指令，從物料類型選擇指令中的物料類型信息對應的頻率區間中提取出頻率信息，且提取的是預定數目的頻率信息，進而控制微波發射天線發射提取到的預定數目的頻率信息對應頻率的微波信號，從而基於預定數目的接收到的微波信號和對應的發射的微波信號來實現含水量的測量，且在確定含水量時，基於接收的微波信號和發送的微波信號確定的微波信號向量來確定含水量，從而其基於與被測物料的類型對應的頻率區間內的多個頻率發送微波，且根據基於微波信號確定的由相位差和阻尼衰減量確定的微波信號向量實現含水量的確定，從而提高了微波水分測量的準確性。
在一個示例中，上述根據各頻率的微波信號的微波信號向量確定所述待測物料的含水量時，一個具體示例中的方式可以包括：
確定各頻率的微波信號的微波信號向量的夾角；
構建包含各微波信號向量的夾角的向量矩陣；
根據所述向量矩陣確定所述待測物料的含水量。
在具體的應用示例中，可以根據所述向量矩陣以及預設確定的回歸係數矩陣確定所述待測物料的含水量。
基於本示例中的方案，以下結合一個應用示例中的採用微波測量的方式測量水分的過程進行詳細舉例說明。
如上所述，在微波測量水分時，是基於接收天線接收到的微波信號和發射天線發射的微波信號，計算出被測物料的含水量。微波測量水分時，主要是利用水分的介電性質，介電常數可以表示為：
εr＝ε′r-j(ε″r+o』/ωε0)
其中，ε″r為介電損耗，o』/ωε0為導電損耗，ω和微波頻率成正比關係。
當處於低頻時，導電損耗佔主導地位，微波衰減和含水量之間的關係並不明顯；而處於高頻時，介電損耗佔優勢，微波衰減和含水量之間成明顯的線性關係。因此，為了確定測得的被測物料的含水量的準確性，在本實施例中，選取與被測物料合適的頻段(即微波衰減和含水量之間成明顯線性關係的頻段)進行測量。
在實施例方案中，首先確定被測試的待測物料的類型，即確定物料類型信息，可以採用任何可能的方式確定物料類型信息。一個實施例中的方式，可以是用戶通過設置的選擇開關、觸控螢幕等類似的設備發出物料類型選擇指令，該物料類型選擇指令包括有待測物料的物料類型信息，本實施例方案通過接收該物料類型選擇指令獲得該物料類型信息。在一些實施例中，也可以是自動對被測物料的類型進行識別，以獲得上述物料類型信息。
本發明實施例方案在獲得物料類型信息後，從與所述物料類型信息對應的頻率區間中提取預定數目的頻率信息。這裡的預定數目可以結合實際需要進行設定，例如可以設定為100。微波信號的頻率範圍一般是較寬的頻率範圍。本示例中的頻率範圍可以設置為500mhz至10ghz，對於不同類型的物料，各物料(即物料類型信息)對應的在該頻率範圍中的頻率區間可能相同，也可能不相同。
隨後，控制微波發射天線依次發射與預定數目的頻率信息對應的頻率的微波信號，即控制發射100個不同頻率的微波信號，這100個不同頻率的微波信號可以在預定時間期限內依次發射。該預定時間期限可以結合實際需要進行設置，一個示例中可以設置為10毫秒。
每個頻率的微波信號經發射天線發射出去後，穿透非金屬傳送帶上的被測物料，到達接收天線。在獲得接收天線接收到的微波信號後，根據接收天線接收到的微波信號和發射天線接收的微波信號，可以確定出該頻率的微波信號的相位差和阻尼衰減量。具體的確定相位差和阻尼衰減量的方式，可以採用任何可能的方式進行。
以該頻率的接收和發送的微波信號的相位差為一個向量，記為第一向量，將阻尼衰減量也作為一個向量，記為第二向量。將第一向量與第二向量疊加，可獲得該頻率的微波信號的微波信號向量。
通過對該微波信號向量進行分析，將該微波信號向量表示為坐標系中的向量，可以確定，該微波信號向量是一個和密度變化無關、但是和水分變化有關的量，即便是物料的密度發生改變，只要含水量一定，該微波信號向量在坐標系中的角度就不會發生改變，與含水量無關。
以上述發射了100個頻率的微波信號為例，對於上述發射的100個頻率的微波信號，從而可以獲得100個微波信號向量，確定這100個信號向量在坐標系中的夾角後，用將這100個信號向量表示的夾角構建一個向量矩陣，隨後，即可根據該向量矩陣以及預設確定的回歸係數矩陣確定被測物料的含水量。
具體應用中，可以基於下式確定被測物料的含水量：
式中，c為含水量(％)，b0為回歸截距(預設常數)，bi為回歸係數矩陣，ai為上述向量矩陣，n為頻率數。如，以上述發射了100個頻率的發射信號為例，bi、ai均為1行100列的矩陣，n等於100。
其中，回歸係數矩陣可以是預先確定並存儲的，在上述確定含水量時可直接使用。一個具體應用示例中，可以通過建立校準模型，並利用偏最小二乘算法確定上述bi。具體的確定該回歸係數矩陣的方式，可以基於多個已知樣品的含水量採用任何可能的方式進行。
基於與上述方法相同的思想，圖3示出了一個示例中的微波水分測量裝置的結構示意圖，如圖3所示，該示例中的微波水分測量裝置包括：
類型確定模塊301，用於獲取物料類型信息；
頻率信息確定模塊302，用於根據所述物料類型信息，從與所述物料類型信息對應的頻率區間中提取預定數目的頻率信息；該預定數目可以結合實際需要進行設定，一個示例中可以設置為100；一個示例中的頻率區間可以是在500mhz到10ghz的範圍內；
微波照射控制模塊303，用於控制微波發射天線依次發射與預定數目的頻率信息對應的頻率的微波信號，並獲取微波接收天線接收到的微波信號；一個示例中，微波照射控制模塊303可以控制微波發射天線在預定時間期限內依次發射與預定數目的頻率信息對應的頻率的微波信號，該預定時間期限可以結合實際需要進行設置，例如可以設置為10毫秒；
向量確定模塊304，用於確定微波接收天線接收到的各頻率的微波信號相對於微波發射天線發射的各頻率的微波信號的相位差和阻尼衰減量；並以各頻率的微波信號的相位差為第一向量、阻尼衰減量為第二向量，對第一向量和第二向量疊加分別獲得各頻率的微波信號的微波信號向量；
含水量確定模塊305，用於根據各頻率的微波信號的微波信號向量確定所述待測物料的含水量。
根據如上所述的實施例的方案，其在進行微波水分測量時，基於接收到的物料類型選擇指令，從物料類型選擇指令中的物料類型信息對應的頻率區間中提取出頻率信息，且提取的是預定數目的頻率信息，進而控制微波發射天線發射提取到的預定數目的頻率信息對應頻率的微波信號，從而基於預定數目的接收到的微波信號和對應的發射的微波信號來實現含水量的測量，且在確定含水量時，基於接收的微波信號和發送的微波信號確定的微波信號向量來確定含水量，從而其基於與被測物料的類型對應的頻率區間內的多個頻率發送微波，且根據基於微波信號確定的由相位差和阻尼衰減量確定的微波信號向量實現含水量的確定，從而提高了微波水分測量的準確性。
一個示例中的含水量確定模塊305包括：
夾角確定模塊，用於確定各頻率的微波信號的微波信號向量的夾角；
矩陣構建模塊，用於構建包含各微波信號向量的夾角的向量矩陣；
確定模塊，用於根據所述向量矩陣確定所述待測物料的含水量。
在具體的應用示例中，確定模塊可以根據所述向量矩陣以及預設確定的回歸係數矩陣確定所述待測物料的含水量。
本領域普通技術人員可以理解實現上述實施例方法中的全部或部分流程，是可以通過電腦程式來指令相關的硬體來完成，的程序可存儲於一非易失性的計算機可讀取存儲介質中，如本發明實施例中，該程序可存儲於計算機系統的存儲介質中，並被該計算機系統中的至少一個處理器執行，以實現包括如上述各方法的實施例的流程。其中，的存儲介質可為磁碟、光碟、只讀存儲記憶體(read-onlymemory，rom)或隨機存儲記憶體(randomaccessmemory，ram)等。
基於如上所述的示例，一個實施例中還提供一種存儲介質，其上存儲有電腦程式，該電腦程式被處理器執行時實現如上所述的微波水分測量方法。
此外，在一個實施例中，還提供一種設備，該設備可以是上述評估儀任何可能的設備形式，其包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上並可在處理器上運行的電腦程式，所述處理器執行所述程序時，實現如上所述任一示例的微波水分測量方法。
以上所述實施例的各技術特徵可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特徵所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特徵的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的範圍。
以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。