基于微波的粮食水分检测系统设计

1.概述1.1 设计的目的和意义我国是世界上最大的粮食生产和消费国家，年总产粮食约5亿吨。

据统计，我国粮食收获后在脱粒、晾晒、贮存、运输等过程中的损失达15%，远远超过联合国粮农组织规定的5%的标准。

在这些损失中，每年因气候潮湿，湿粮食来不及晒干或未达到安全水分造成霉变、发芽等损失的粮食高达5%，若按年产5亿吨粮食计算，相当于2500万吨粮食。

若每人每天食用1斤粮食，可供6。

8万人一年的用量，约合人民币250亿元。

吉林省是农业大省，粮食年产量约为225亿公斤，由于粮食含水量的问题，每年损失约占7%，约为15。

75亿公斤，折合人民币约为14亿元左右。

这些数字是惊人的，因此发展粮食干燥机械化技术，改变传统靠天吃饭的被动局面，使到手的粮食损失降低到最低点，从这一意义上说，粮食干燥的现代化比田间的农业机械化更为重要，也是粮食丰产、丰收的重要保障条件。

本毕业设计的目的是设计一个微波粮食烘干控制系统。

该系统是以89C51单片机为核心，利用单片机来控制电机旋转的圈数和磁控管的工作时间，从而将粮食的含水量控制在安全水之下。

1.2 国内外粮食烘干技术发展状况与趋势现在很多粮食大国对粮食都采用微波或红外烘干技术，使粮食的质量得到明显的提高，而加工成本却得到明显下降，如美国和加拿大采用的是大型全自动、人机界面的微波或红外烘干加工系统。

而国内现有的粮食谷物烘干处理方式都是热风式烘干（燃油或燃煤），用于粮库、农场、种籽，和饲料加工等企业。

由卸粮、提升、清理、检厅，烘前仓、烘后仓、热风炉（油炉、煤炉）、电器及控制等单元组成。

我国现有的粮食烘干设备存在以下问题：1、烘干时间过长，一般在2~3小时/吨2、热风炉需要燃煤或燃油，造成了能源的大量消耗，而且造成了大量的空气污染。

3、由于是燃煤或燃油，很容易造成粮食的烧焦或火灾，对粮食也不卫生。

4、烘干不均匀，很难将水量控制在安全水范围内，造成了粮食和饲料的大量损失。

5、整个工艺流程复杂，设备成本高，能耗大。

基于微波的大米水分快速检测研究发布时间：2021-07-19T06:20:59.128Z 来源：《中国科技人才》2021年第10期作者：赵永强[导读] 大米在流通之前，加强对粮仓大米水分检测是非常关键的。

因为安全的大米水分能够有效将大米储藏的价值提高，减少大米的损失，保证大米的品质。

其不仅对于劳动成果的保护具有关键的意义，对于大城市的粮食供应也能奠定坚实的基础。

所以加强对大米储藏过程中的快速无损检测，对于大米水分的研究十分关键。

杭州市富阳区食品安全检验检测中心浙江省杭州市 311400摘要：在日常饮食中，大米作为营养含量较高的食物，受到许多人的喜爱。

但是对于大米安全储存水分的把握，会直接影响大米的储藏损失，从而影响大米的使用品质，在一定程度上对于人们劳动成果的提高也有一定意义。

加强对大米水分的快速无损检测，能够有效的解决过分依赖人工经验判断的局面，为大米的安全储藏和使用提供有效的依据。

本课题主要从微波无损检测技术出发，加强对大米水分检测进行基础性研究，从而为大米的安全使用提供有效的依据。

关键词：微波；大米水分；快速检测；研究大米在流通之前，加强对粮仓大米水分检测是非常关键的。

因为安全的大米水分能够有效将大米储藏的价值提高，减少大米的损失，保证大米的品质。

其不仅对于劳动成果的保护具有关键的意义，对于大城市的粮食供应也能奠定坚实的基础。

所以加强对大米储藏过程中的快速无损检测，对于大米水分的研究十分关键。

一、大米水分检测方法概括在大米水分检测中，主要利用的方法通常有直接法和间接法。

通常情况下直接法的利用有干燥或化学方法进行保证，从而检测大米样品的绝对含水率。

而干燥法又包括电烘箱法、减压法等；化学法又包括卡尔费休法和碳化钙等。

在大米水分检测中，加强这些方法的利用虽然能够保证检测的精密度这些方法检测精度高，但是因为各种他条件的限制，通常会影响检测速度和质量。

而间接法的利用主要是通过和水分有关的物理量利用，将物质中存在的各种含水率测定出来，不仅检测速度比较快，而且检测方法较多。

微波在线式粮食水分检测系统伟利国,张小超,胡小安,李福超(中国农业机械化科学研究院,北京　100083)摘　要:微波检测是一种新的水分无损检测方法。

为此,针对粮食水分检测的特点和要求,设计了基于微波的粮食水分在线式检测系统,实现了对粮食水分含量的实时和连续检测;重点介绍了微波水分检测原理、系统组成结构、数据采集及结果分析。

关键词:在线检测;粮食水分;微波中图分类号:S375;TP274+.5 文献标识码:A文章编号:1003-188X(2009)06-0145-030　引言粮食水分含量决定粮食的物理、化学和生物特征,是粮食质量的关键指标,直接影响粮食的收购、运输、储藏和加工贸易等过程。

微波水分检测是近几年发展起来的一项无损检测新技术,它具有检测精度高、测量范围广、稳定性好、便于动态检测、对环境的敏感性小以及可以在相对恶劣环境条件下进行检测等优点。

作为一种频率非常高的电磁波,微波具有很强的穿透性,它所检测的不仅仅是粮食表面的水分,还能够在无损的情况下检测到粮食内部的水分含量。

微波检测技术广泛应用于食品、烟草、煤炭、药品、木材和混凝土等物料的水分检测。

微波水分检测正在逐步取代精度低、取样要求高、适应性差的电容法和电阻法等传统水分检测方法,成为一种理想的粮食水分检测技术[1]。

1　微波水分检测原理及特性微波是一种波长短、频率高的电磁波,其主要物理特性有似光性和近声性[2]。

当波长远小于反射体时,微波和几何光学特性相似,即具有反射、折射、衍射及行程可逆等特性;当波长与反射体具有相同数量级时,微波又近于声学特性。

微波能穿透非金属材料,在金属表面产生反射。

水分子是极性分子,常态下偶极子呈杂乱无章分收稿日期:2008-08-20基金项目:国家科技支撑计划项目(2006BAD11A12)作者简介:伟利国(1978-),男,黑龙江鸡西人,硕士,(E-m ail) weiliguo2@hot m 。

通讯作者:张小超(1957-),男,南京人,教授,博士生导师,(E-mail)zxc@caa m 。

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－３１０６．２０２３．０９．０１０引用格式：秦瑶，侯天罡，蔡成欣，等．基于超表面透镜天线的小麦含水量微波检测系统设计［Ｊ］．无线电工程，２０２３，５３（９）：２０６１－２０６６．［ＱＩＮＹａｏ，ＨＯＵＴｉａｎｇａｎｇ，ＣＡＩＣｈｅｎｇｘｉｎ，ｅｔａｌ．ＭｉｃｒｏｗａｖｅＤｅｔｅｃｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｆｏｒＷｈｅａｔＭｏｉｓｔｕｒｅＣｏｎｔｅｎｔＢａｓｅｄｏｎＭｅｔａ ｓｕｒｆａｃｅＬｅｎｓＡｎｔｅｎｎａ［Ｊ］．ＲａｄｉｏＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０２３，５３（９）：２０６１－２０６６．］基于超表面透镜天线的小麦含水量微波检测系统设计秦　瑶１，２，３，侯天罡１，２，３，蔡成欣１，２，３，李明星１，２，３（１．河南工业大学粮食信息处理与控制教育部重点实验室，河南郑州４５０００１；２．河南工业大学河南省粮食光电探测与控制重点实验室，河南郑州４５０００１；３．河南工业大学信息科学与工程学院，河南郑州４５０００１）摘　要：控制小麦含水量在安全范围内对小麦品质安全具有重要意义，而对小麦含水量的高精度快速检测是决定控制过程实施的关键因素。

提出了一种基于超表面透镜天线的小麦含水量微波检测系统，能够对小麦含水量实现高精度、无损和非接触检测。

该系统测量不同含水量小麦在２３．５～２４．５ＧＨｚ的衰减变化特性，通过与标准干燥法测得的小麦实际含水量建立线性回归方程（决定系数Ｒ２＝０．９９４６）作为小麦含水量的预测模型。

选取７２份小麦样本进行含水量预测，预测结果的均方根误差（ＲｏｏｔＭｅａｎＳｑｕａｒｅＥｒｒｏｒ，ＲＭＳＥ）为０．１９３％，平均绝对误差（ＭｅａｎＡｂｓｏｌｕｔｅＥｒｒｏｒ，ＭＡＥ）为０．１６％，最大相对误差（ＭａｘｉｍｕｍＲｅｌａｔｉｖｅＥｒｒｏｒ，ＭＲＥ）为５．２５％。

结果表明，提出的基于超表面透镜天线的微波检测系统是检测小麦含水量的有效方法。

关键词：小麦；含水量；超表面透镜天线；微波检测中图分类号：ＴＮ８２１＋．８；ＴＭ９３１文献标志码：Ａ开放科学（资源服务）标识码（ＯＳＩＤ）：文章编号：１００３－３１０６（２０２３）０９－２０６１－０６ＭｉｃｒｏｗａｖｅＤｅｔｅｃｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｆｏｒＷｈｅａｔＭｏｉｓｔｕｒｅＣｏｎｔｅｎｔＢａｓｅｄｏｎＭｅｔａ ｓｕｒｆａｃｅＬｅｎｓＡｎｔｅｎｎａＱＩＮＹａｏ１，２，３，ＨＯＵＴｉａｎｇａｎｇ１，２，３，ＣＡＩＣｈｅｎｇｘｉｎ１，２，３，ＬＩＭｉｎｇｘｉｎｇ１，２，３（１．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＧｒａｉｎＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，ＨｅｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５０００１，Ｃｈｉｎａ；２．ＨｅｎａｎＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＧｒａｉｎＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃＤｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，ＨｅｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５０００１，Ｃｈｉｎａ；３．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５０００１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅｗｈｅａｔｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｗｉｔｈｉｎａｓａｆｅｒａｎｇｅｐｌａｙａｇｒｅａｔｉｍｐｏｒｔａｎｃｅｉｎｗｈｅａｔｑｕａｌｉｔｙｓａｆｅｔｙ，ｔｈｅｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｒａｐｉｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｗｈｅａｔｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｉｓａｋｅｙｆａｃｔｏｒｉｎｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇｔｈｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｃｅｓｓ．Ａｍｉｃｒｏｗａｖｅｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒｗｈｅａｔｂａｓｅｄｏｎａｍｅｔａ ｓｕｒｆａｃｅｌｅｎｓａｎｔｅｎｎａｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈｃａｎａｃｈｉｅｖｅｈｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙ，ｎｏｎ ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅａｎｄｎｏｎ ｃｏｎｔａｃｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｗｈｅａｔｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔ．Ｔｈｅａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎｖａｒｉａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｗｈｅａｔｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｓｉｎｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒａｎｇｅｏｆ２３．５ＧＨｚｔｏ２４．５ＧＨｚｉｓｍｅａｓｕｒｅｄ，ａｎｄａｌｉｎｅａｒｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｅｑｕａｔｉｏｎ（ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎＲ２＝０．９９４６）ｗｉｔｈｔｈｅａｃｔｕａｌｗｈｅａｔｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｄｂｙｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄｄｒｙｉｎｇｍｅｔｈｏｄｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｓａｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｆｏｒｔｈｅｗｈｅａｔｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔ．７２ｗｈｅａｔｓａｍｐｌｅｓａｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄｆｏｒｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅＲｏｏｔＭｅａｎＳｑｕａｒｅＥｒｒｏｒ（ＲＭＳＥ）ｏｆｔｈｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｉｓ０．１９３％，ＭｅａｎＡｂｓｏｌｕｔｅＥｒｒｏｒ（ＭＡＥ）ｉｓ０．１６％，ａｎｄＭａｘｉｍｕｍＲｅｌａｔｉｖｅＥｒｒｏｒ（ＭＲＥ）ｉｓ５．２５％．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｉｃｒｏｗａｖｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｅｔａ ｓｕｒｆａｃｅｌｅｎｓａｎｔｅｎｎａｉｓａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｍｅｔｈｏｄｔｏｄｅｔｅｃｔｔｈｅｗｈｅａｔｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｈｅａｔ；ｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔ；ｍｅｔａ ｓｕｒｆａｃｅｌｅｎｓａｎｔｅｎｎａ；ｍｉｃｒｏｗａｖｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ收稿日期：２０２３－０３－１７基金项目：国家自然科学基金（５２００３０７６）；河南工业大学自科创新基金支持计划（２０２２ＺＫＣＪ０２）；河南省重点研发与推广专项（科技攻关）（２２２１０２１１００２５）；河南高校青年骨干教师培养计划（２０２１ＧＧＪＳ０６５）；河南省教育厅重点科研项目（２３Ａ５１０００７）；河南工业大学青年骨干教师培养计划；河南工业大学粮食信息处理中心科研平台开放课题（ＫＦＪＪ２０２２００５，ＫＦＪＪ２０１８１０２）；河南工业大学高层次人才基金（３１４０１２３２）ＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＩｔｅｍ：ＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（５２００３０７６）；ＩｎｎｏｖａｔｉｖｅＦｕｎｄｓＰｌａｎｏｆＨｅｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（２０２２ＺＫＣＪ０２）；ＫｅｙＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄＰｒｏｍｏｔｉｏｎｏｆＳｐｅｃｉａｌｉｚｅｄＰｒｏｊｅｃｔｓｏｆＨｅｎａｎＰｒｏｖｉｎｃｅ（ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＲｅｓｅａｒｃｈ）（２２２１０２１１００２５）；ＴｒａｉｎｉｎｇＰｌａｎｆｏｒＹｏｕｎｇＢａｃｋｂｏｎｅＴｅａｃｈｅｒｓｉｎＨｅｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ（２０２１ＧＧＪＳ０６５）；ＫｅｙＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｊｅｃｔｏｆＨｅｎａｎＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＥｄｕｃａｔｉｏｎＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ（２３Ａ５１０００７）；ＴｒａｉｎｉｎｇＰｒｏｇｒａｍｆｏｒＹｏｕｎｇＢａｃｋｂｏｎｅＴｅａｃｈｅｒｓｏｆＨｅｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ＲｅｓｅａｒｃｈＰｌａｔｆｏｒｍＯｐｅｎＳｕｂｊｅｃｔｓｏｆＧｒａｉｎＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＣｅｎｔｅｒｏｆＨｅｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＫＦＪＪ２０２２００５，ＫＦＪＪ２０１８１０２）；Ｈｉｇｈ ｌｅｖｅｌＴａｌｅｎｔＦｕｎｄｏｆＨｅｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（３１４０１２３２）信号与信息处理０　引言小麦含水量对小麦在运输、储存和加工过程中的稳定性具有直接影响。

科技资讯2017 NO.18SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION工 程 技 术73科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 粮食水分含量是粮食储藏安全的一个重要质量指标,及时掌握粮食水分可以预防由于含水量过高而引起的粮食霉变。

粮食水分检测的传统方法主要有电容法、电阻法和近红外法等方法。

电容法测量的成本低、结构简单,但受粮食的品种、温度、密度等影响较大,测量的精度不高,稳定性较差。

电阻法粮食水分测量仪价格便宜、结构简单;缺点是取样要求高,信号强度低,传感器与粮食接触状态会影响测量精度,不宜用于微含水和高含水量的测定。

近红外法为非接触式测量,无需进行预处理,测量速度快、适用范围广;缺点是粮食形状大小、密度高低和环境温度等因素对测量结果均有影响[1]。

与传统方法相比,粮食水分微波检测方法对环境的敏感性较小,它能实现无损、非介入式、在线连续粮食水分快速检测。

微波的穿透能力很强,它所检测的不只是粮食表面的水分,而是粮食整体内部的水分含量。

1 粮食水分微波测量模型微波水分测量是基于粮食对微波能量的反射、吸收或谐振腔谐振频率等参数随粮食水分变化的规律,粮食水分测量所用微波的频率区域是9～10GHz,这个波段微波的特性是对粮食物料成分不太敏感,穿透率较弱。

根据电磁能量关系,微波能量在粮食物料中的衰减量(dB)为[2]：W cos2Bt (1)式中,M 为相对水分含量;αB 为水的衰减系数;ρ`为密度因素;t 为被测物料厚度;k 为材质因素;B 为含水物质的相数;|τ|为空气-被测物料之间反射系数的模。

当t取值足够大时,可以演算得到微波衰减传感器水分检测的测量模型,即被测粮食的相对水分含量:M (2)由上式可知,被测粮食物料的密度ρ`及材质k 与粮食水分含量的测量值有关,不同的粮食品种和成分将会影响测量结果。

一般采用机械方式对物料进行恒压整理,以消除物料密度变化的影响;不同粮食种类的影响,需要通过品种标定方式消除。

分析与检测1　微波透射法水分测量原理微波指的是频率为30～300 GHz 波段的一种无线电波，通过电能转化为热能的方式完成快捷加热工作。

一般人们都是对已经煮熟的大米进行微波操作，但是，加热的过程是一个水分蒸发的过程。

如果大米水分缺失过多，则会变得过硬，降低食用的口感，造成粮食的浪费。

基于此，技术人员开始研究如何对大米损失的水分进行科学合理的测量。

目前，较为常见的就是微波透射法水分测量方式，其主要的原理是大米中水分含量变化时，水的介电常数也会发生变化的基本原则，利用信号透射的方式来达到测量水分的最终目的[1]。

这项操作方法相对较为简单，且检测效率更高，受到了技术人员的一致认可。

2　材料与方法为了判断出微波透射法水分测量方式是否符合新时期技术人员对大米水分分析的快速检测要求，本文采取了对比分析的方法，来科学选择大米的品种和微波时应当选择的温度和时长，最大程度的保证大米水分。

2.1　实验样品想要保证本次实验的准确性和真实性，在实际开展大米水分检测工作时，技术人员选择了不同品种、不同含水量的大米进行对比实验。

本文主要选择了3种不同含水量的大米样本，采用微波透射法以及水分检测的专业仪器进行检测，经过称重测量得知，每种样本净重为1 300 g。

2.2　微波水分检测装置在开展水分检测工作时，还涉及对检测装置的安装和使用过程。

工作人员必须要意识到，装置运行状态是否稳定与实验的成功率之间有着很大的关系。

一般来说，可以安排专门的工作人员定期对装置进行维修和保养，避免操作过程中出现故障问题而影响实验结果。

从装置安装流程来看，工作人员可以预先准备一台微波机，然后，安装感应设备。

具体包括对温度的感应，和对电压信号的传输和记录。

基于信息技术的发展进步，新时期的数据记录和整理工作都可以利用网络技术来实现自动化操作，降低工作人员的操作压力和工作难度。

通过不断完善微波水分检测装置的基础建设工作，能及时快速的完成对大米的检测实验，科学有效的判断出微波大米的水分流失情况。