基于微波諧振腔介電常數(shù)檢測的棉花雜質(zhì)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■周斯堯 戴志芳 李娟

〔湖北省纖維檢驗(yàn)局，湖北武漢430000〕

基于微波諧振腔介電常數(shù)檢測的棉花雜質(zhì)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■周斯堯 戴志芳 李娟

〔湖北省纖維檢驗(yàn)局，湖北武漢430000〕

目前國內(nèi)外測量棉花含雜率原理主要分為兩種：第一種是根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，利用氣流與高速機(jī)械部件的相互作用將雜質(zhì)與棉纖維分離，然后稱重得出含雜率。采用此原理的常見儀器有Y101、YG402等；另一種就是采用圖像分析法，也是HVI大容量測試儀所采用的方法。該方法無需對棉樣進(jìn)行梳理，只需要用攝像頭獲取棉樣表面的圖像，再利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行圖像分析，得到雜質(zhì)數(shù)據(jù)。

Y101是常見的雜質(zhì)分析儀器，其主要優(yōu)點(diǎn)是能夠直接分析出棉花中的雜質(zhì)從而計(jì)算出雜質(zhì)含量，但其缺點(diǎn)就是測試時(shí)間過長，由于無法滿足現(xiàn)代大批量的檢測所需求的快速測試，因此使用受到很大的限制。

第二種圖像分析法的最大優(yōu)點(diǎn)就是能夠方便、快速地給出雜質(zhì)含量，且試樣量較大，樣品可以留存。但由于其只分析棉花表面圖像，因此棉花內(nèi)部不規(guī)則雜質(zhì)分布必然會(huì)對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響，準(zhǔn)確度上不如Ｙ101分析儀。

目前，國內(nèi)檢測含雜率的標(biāo)準(zhǔn)以及方法還是采用Y101進(jìn)行測試，并作為其他檢測方法的基準(zhǔn)和參照。從Y101、YG402到HVI、AFIS的發(fā)展也是適應(yīng)了大容量快速測試這一要求。與此同時(shí)，國際上含雜率測量儀器的發(fā)展也分為兩個(gè)方向，一個(gè)方向類似于HVI，可對原棉快速、準(zhǔn)確、大批量檢測；另一個(gè)方向就是在Y101的基礎(chǔ)上繼續(xù)小型化。

那么，若能有臺(tái)設(shè)備既能達(dá)到Y(jié)101的精確分析標(biāo)準(zhǔn)，又能結(jié)合HVI的圖像分析法實(shí)現(xiàn)的快速、準(zhǔn)確、大批量檢測，那么這臺(tái)儀器的誕生，對于棉花含雜率的檢測將起到深遠(yuǎn)的意義。

針對現(xiàn)有棉花雜質(zhì)檢測系統(tǒng)的缺陷，利用不同棉花內(nèi)部常見雜質(zhì)的介電常數(shù)各不相同的特性，我們基于微波檢測的棉花雜質(zhì)檢測系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。當(dāng)棉花通過微波掃描頭進(jìn)行諧振檢測時(shí)，若棉花中有雜質(zhì)存在，將會(huì)引起微波諧振腔的諧振頻率和幅度的變化，分析這些變化就可以準(zhǔn)確判斷棉花中是否含有雜質(zhì)，并檢測出雜質(zhì)的含量及成分，從而可以快速測量棉花的含雜率，提高出廠的棉花品質(zhì)。

一、微波檢測原理

微波作為一種特定頻率的電磁波，使電磁場與介質(zhì)內(nèi)部的微觀粒子相互作用，通過調(diào)節(jié)激勵(lì)源的振蕩頻率使諧振腔與激勵(lì)源信號達(dá)到諧振，從而獲取表征介質(zhì)材料的物理、生物特性的檢測量（如密度、濕度、溫度等參數(shù)）。當(dāng)諧振腔內(nèi)部分或全部填充其它非棉物質(zhì)（介質(zhì)材料）時(shí)，其諧振頻率和諧振幅度會(huì)因非棉介質(zhì)材料的介電常數(shù)不同、介質(zhì)材料的多少與形狀的不同而產(chǎn)生不同的變化。微波對于這種在諧振腔內(nèi)不同的介質(zhì)所產(chǎn)生的介電常數(shù)變化是十分敏感的。由于棉花的介電常數(shù)與雜質(zhì)的介電常數(shù)有很大差別，因此，可以利用不同物質(zhì)在微波諧振腔的諧振頻率和諧振幅度不同，從而產(chǎn)生的微波信號也不同，分析其微波諧振幅頻特性解析方法，可快速、精確地檢測出棉花中雜質(zhì)數(shù)量及雜質(zhì)類型。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由微波諧振腔檢測裝置探測頭、信號處理及控制電路、數(shù)據(jù)采集和處理計(jì)算機(jī)等幾個(gè)部分組成。微波諧振腔檢測裝置探測頭對含有雜質(zhì)的棉花進(jìn)行檢測，將檢測結(jié)果傳送到控制系統(tǒng)、信號處理及控制電路對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將含有雜質(zhì)的棉花信號傳送到計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)處理各方面?zhèn)鬟f過來的信息，從而實(shí)現(xiàn)對含雜質(zhì)棉花的檢測與剔除相同步的功能。

三、系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn)

該技術(shù)可對棉花中的異物進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、在線、非接觸式無損檢測。被測樣品可留存，理論上完成一個(gè)檢測流程在3 s以內(nèi)。

采用了一套全新的微波介電常數(shù)諧振幅頻特性的解析方法來精確地檢別棉花內(nèi)所攜帶的含雜率及成分，且識別率高，能檢測出體積較小的雜質(zhì)。

系統(tǒng)計(jì)算模塊可做成單片機(jī)高速數(shù)據(jù)處理模塊，使得樣機(jī)體積大大減小，該系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)大小為普通鞋盒大小。

四、應(yīng)用效果

以下是使用微波諧振檢測系統(tǒng)檢出的含有不同雜質(zhì)的一組照片：

圖1　棉結(jié)

圖2　僵片

圖3　帶纖維籽屑

圖4　軟籽表皮

圖5　破籽、不孕籽

圖6　索絲

五、結(jié)論

筆者采用上述模型，利用微波諧振腔對標(biāo)準(zhǔn)雜質(zhì)校準(zhǔn)樣品進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn)，從測試結(jié)果可以看出，得到的介電常數(shù)值及回波信號能充分地說明雜質(zhì)的含量以及空間位置信息，證明此種方式測量含雜率是可行的。