基于微帶天線的糧食水分含量檢測研究*

王 曉梁峻閣*強(qiáng) 天王 琮顧曉峰

(1.江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心，江蘇 無錫 214122；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院微波工程系，黑龍江 哈爾濱 150001)

糧食含水量(Moisture Content，MC)是評價(jià)作物狀態(tài)的重要指標(biāo)。以由稻谷加工出的大米為例，其含水量一般在14.5%～16.0%之間，過高的水分含量會加劇大米內(nèi)部微生物的繁殖，引發(fā)霉變、生蟲等變質(zhì)反應(yīng)，過低的水分含量則會破壞大米內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低營養(yǎng)價(jià)值。因此，在糧食生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和谷倉存儲等環(huán)節(jié)需要有一種實(shí)時(shí)檢測的方法來嚴(yán)格監(jiān)控其含水量。

基于糧食水分含量的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法是傳統(tǒng)的烘干稱量法。該方法檢測精度高，不易受待測樣品密度、結(jié)構(gòu)等因素影響，但測試方法復(fù)雜，僅適用于取樣測量及為在線測量提供基本校準(zhǔn)，無法用于實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。目前，糧食含水量的實(shí)時(shí)檢測一般通過檢測與含水量有關(guān)的電量或非電量參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，主要包括電阻法[1-2]、電容法[3-5]、中子法[6-7]、紅外法[8-9]和微波法[10-12]。由于微波能穿透被測對象，可通過空間輻射或穿過介質(zhì)內(nèi)部的方式實(shí)現(xiàn)無損、非接觸、高精度的實(shí)時(shí)在線檢測，因此微波法逐漸成為物質(zhì)含水量檢測領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

用于含水量檢測的微波技術(shù)有自由空間法、諧振腔微擾法和微帶線技術(shù)。其中，自由空間法和諧振腔微擾法分別需要一對喇叭天線和諧振腔腔體，體積較大，可操作性較差，而微帶線技術(shù)只需將待測樣品放在微帶線上面或附近即可進(jìn)行含水量的測量，且微波器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)靈活性強(qiáng)，環(huán)型、傳輸線型和貼片型等不同的微帶線結(jié)構(gòu)已相繼被提出。Ahmad等人[13]提出了一款微帶環(huán)形諧振器，在2.2 GHz～3 GHz頻段內(nèi)建立了回波損耗和插入損耗與油棕櫚種子、果實(shí)含水量的關(guān)系，為油棕櫚的成熟度評判提供依據(jù)。Kon等人[14]利用相變和衰減的比值，提出了基于微帶傳輸線的糧食水分動態(tài)檢測方案，通過優(yōu)化檢測頻率擴(kuò)大了含水量的檢測范圍。Jain等人[15]設(shè)計(jì)了不同數(shù)量槽的矩形貼片傳感器，能夠產(chǎn)生多階諧振頻率，為土壤含水量的檢測提供多個(gè)微波參量。不過，現(xiàn)有的基于微帶線結(jié)構(gòu)的含水量檢測研究仍停留在直接接觸測量方式，非接觸檢測方面的工作尚無報(bào)道，且微波多參量的檢測體系尚未完善。

本文針對微帶線法，運(yùn)用多個(gè)微波參量展開糧食含水量檢測。在第1節(jié)設(shè)計(jì)并加工了一款用于檢測物質(zhì)水分含量的微帶天線，闡明了微帶天線的檢測機(jī)理。第2節(jié)以大米為研究對象，研究了接觸與非接觸兩種測試方案。第3節(jié)分析樣品含水量、體密度和檢測高度對諧振頻率fres、回波損耗S11和相位φ的影響，并從檢測靈敏度和準(zhǔn)確度兩方面評估了所設(shè)計(jì)微帶器件的檢測性能。

1 設(shè)計(jì)與仿真

1.1 微帶天線的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的微帶天線由接地層、襯底和圖案化的金屬層三部分組成。其中，金屬選用Cu，襯底材料為Teflon(介電常數(shù)為2.55，損耗角正切為0.002，厚度為0.5 mm)。金屬層如圖1(a)所示，在目標(biāo)諧振頻率fres與襯底的介電常數(shù)εr給定的基礎(chǔ)上，微帶天線的長L與寬W可計(jì)算得到:

式中:c0是光速，h代表襯底的厚度，ΔW為貼片因邊緣效應(yīng)而延長的寬度，εeff表示有效介電常數(shù)。

圖1(d)比較了微帶天線的仿真與測試結(jié)果。由于濕法刻蝕工藝在器件制備過程中存在不可避免的誤差，與仿真結(jié)果相比，加工后微帶天線的fres升高了14 MHz，S11增加了0.41 dB。

圖1 微帶天線的設(shè)計(jì)與仿真

圖2展示了貼片天線的寬度W0和傳輸線長度L2對微帶天線S參數(shù)的影響，fres的位置主要取決于W0，而L2的微調(diào)影響傳輸線與貼片天線的匹配，匹配度越高，諧振狀態(tài)下的回波損耗越小。經(jīng)過對上述參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到微帶天線的具體尺寸如下:L0＝42.5 mm，W0＝16.5 mm，L1＝16.73 mm，W1＝16.75 mm，L2＝4.8 mm，W2＝28 mm，L3＝2.98 mm，W3＝15 mm。

圖2 關(guān)鍵尺寸對微帶天線S參數(shù)的影響

1.2 檢測機(jī)理

對于微帶天線而言，所測大米相當(dāng)于終端負(fù)載，不同的水分含量影響終端負(fù)載的電磁特性。常溫下，水的介電常數(shù)大約為80，損耗角正切為0.12～0.47，而常見的糧食主體材料的介電常數(shù)為1～5，損耗角正切為0.001～0.05。兩者的介電常數(shù)存在明顯差異，其混合物的復(fù)合介電常數(shù)主要取決于水。

水分子是一種強(qiáng)極性分子，外加電場使其極化為偶極子，取向沿著交變電場變化不斷重新排列。水偶極子在微波的作用下頻繁轉(zhuǎn)換方向，消耗大量的電場能量。穿過混合物或被混合物反射后的微波能量衰減、諧振頻率降低及相位移動主要由水分引起。因此，利用對水分敏感的微帶天線將大米的含水量轉(zhuǎn)換成微波電學(xué)參量的變化，建立換算數(shù)學(xué)模型，可實(shí)現(xiàn)含水量的在線測量。

2 材料與方法

2.1 樣品制備

本文所用的大米樣品為粳米，將5 g大米樣品置于150℃的鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥90 min，根據(jù)烘干前后的質(zhì)量損失可以計(jì)算出大米的初始含水量(MCi):

式中:mwet表示大米樣品的質(zhì)量，mdry表示大米樣品中絕干成分的質(zhì)量。經(jīng)測量實(shí)驗(yàn)大米樣品的MCi為13.2%。通過加濕和烘干的方式進(jìn)行糧食調(diào)質(zhì)，可制備得到10%、12%、14%、16%、18%和20%的5份樣品。

2.2 測量方法

本文設(shè)計(jì)的微波傳感器通過50Ω的SMA連接器與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Vector Network Analyzer，VNA)相連。如圖3(a)所示，向測試盒中分別倒入水分含量不同的大米樣品15 g，保證體積恒定，將其置于微帶天線上方，并記錄相應(yīng)的S參數(shù)?；隗w密度的測試方案如圖3(b)所示，測試盒與器件直接接觸，采用自由落體和按壓兩種方式將樣品倒入測試盒中，即可得到低體密度和高體密度的大米樣品。由于微帶天線在縱向空間有電磁場的輻射作用，可以實(shí)現(xiàn)大米水分的非接觸檢測，如圖3(c)所示，將器件固定在多功能3D打印機(jī)(CP-01，創(chuàng)想三維)頂部，測試盒放置于可調(diào)整Z軸坐標(biāo)的移動平臺上方，研究檢測高度H對S參數(shù)的影響。

冷橋現(xiàn)象是在進(jìn)行房屋建筑的過程中非常常見的一種情況，指的是建筑物在構(gòu)建過程中可能發(fā)生的墻面出現(xiàn)的水霧情況。基于當(dāng)前房屋建筑的現(xiàn)狀來說，通常冷橋現(xiàn)象發(fā)生后的表現(xiàn)是：在房屋的墻角，比如內(nèi)外轉(zhuǎn)角、屋頂及外墻拼接角等位置出現(xiàn)的墻面存在水霧吸附的情況。

圖3 樣品測試方案

3 結(jié)果與分析

3.1 含水量

圖4(a)為體密度恒定但含水量不同的大米樣品的頻率響應(yīng)，提取fres和S11，得到兩者與含水量的關(guān)系，如圖4(b)所示。隨著大米中水分含量的增加，fres由2.688 GHz降低至2.682 GHz，S11由-9.36 dB增大至-7.88 dB。在電場的作用下，大米中存在的水分子發(fā)生極化，介電常數(shù)增加，等效電容增大，導(dǎo)致諧振模向低頻移動。此外，含水量越多的大米內(nèi)部由于質(zhì)子運(yùn)動劇烈而產(chǎn)生電流，加劇了微帶天線的損耗，引起S11的增大。

圖4(c)為體密度恒定但含水量不同的大米樣品的相位響應(yīng)，由負(fù)相位轉(zhuǎn)為正相位的臨界狀態(tài)，即φ＝0°時(shí)，其相應(yīng)的頻率值fφ＝0°隨著含水量的增大而降低了11 MHz，如圖4(d)所示。由于大米含水量的不同會引起等效電容值的改變，繼而影響相位反射系數(shù)，導(dǎo)致相位匹配條件的變化，表現(xiàn)為共振頻率的偏移，故在諧振時(shí)相位不等于0°。這里選擇φ＝0°的臨界狀態(tài)，本質(zhì)上反映的是相位匹配條件隨水分含量的變化，且其與諧振頻率的變化趨勢是一致的。

圖4 不同含水量大米樣品的測試結(jié)果

當(dāng)大米水分含量較低時(shí)，內(nèi)部的水分以結(jié)合水為主，細(xì)胞內(nèi)的質(zhì)子運(yùn)動并不活躍，處于休眠狀態(tài)；隨著水分含量的增大，自由水的比例驟增，細(xì)胞吸水膨脹，質(zhì)子運(yùn)動加快，促進(jìn)大米內(nèi)部代謝；當(dāng)含水量達(dá)到18%及以上時(shí)，細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生降解，水被排出到細(xì)胞外間隙，呈現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)外部成分混合的趨勢。從圖4(b)和4(d)可知，過高和過低含水量的大米樣品，fres、S11和fφ＝0°的變化量較小，而中等水分含量的樣品基于微波電參量的檢測具有更高的靈敏度。

大米含水量的檢測靈敏度S可表示為

這里，ΔΓ表示fres、S11和fφ＝0°等微波參量的變化，ΔMC表示水分含量的變化值。因此，本文所設(shè)計(jì)的微帶天線基于fres的靈敏度為600 kHz/%，基于S11的靈敏度為0.149 dB/%，基于fφ＝0°的靈敏度為1 100 kHz/%。

檢測的準(zhǔn)確度是評價(jià)檢測性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，利用含水量與表征參數(shù)的換算公式，可以得到線性擬合后預(yù)測的物質(zhì)含水量(MCpre)，而物質(zhì)的實(shí)際含水量(MCact)可以通過烘干稱重法計(jì)算得到。準(zhǔn)確度常用最小平均相對誤差(Mean Relative Error，MRE)來表示:

MRE值越小，物質(zhì)含水量檢測的準(zhǔn)確度越高。圖5展示了fres、S11和fφ＝0°三種微波參量與大米樣品含水量的線性擬合并計(jì)算得到了相應(yīng)的MRE值，可以看出，基于S11的含水量分析線性度最高，基于fres的含水量分析準(zhǔn)確度最高，而基于fφ＝0°的含水量分析線性度和準(zhǔn)確度均保持較高水平，是最優(yōu)的評判參量。

圖5 諧振頻率、回波損耗、相位臨界狀態(tài)φ＝0°時(shí)的頻率與含水量的模型建立

3.2 體密度

微波參量在表征被測物質(zhì)含水量變化的同時(shí)，也受到樣品體密度的影響。圖6(a)～6(c)基于不同含水量的樣品，研究體密度對微帶天線fres、S11和fφ＝0°的影響曲線。 隨著體密度的增大，fres和fφ＝0°均向低頻偏移，S11也呈現(xiàn)減小的趨勢。低體密度樣品的顆粒堆疊松散，空氣充斥于顆粒間隙；高體密度樣品的單位體積的電介質(zhì)增多，在外加電場的作用下，電介質(zhì)極化程度提高，樣品的儲能特性增強(qiáng)，復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部ε′r增加，表現(xiàn)為等效電路的電容增加，進(jìn)而降低fres。此外，體密度的提高意味著空間內(nèi)大米物質(zhì)的增多和空氣的減少，高體密度大米的介電常數(shù)的虛部略大于低體密度大米，而與εr″相比，ε′r的增大是顯著的，故其損耗角正切值tanδ呈減小趨勢，導(dǎo)致S11降低。

圖6(d)為高、低體密度的大米樣品靈敏度分析，體密度較高的大米樣品基于fres、S11和fφ＝0°的靈敏度分別為440 kHz/%、0.212 dB/%和749 kHz/%，均大于體密度較低的樣品。

圖6 不同含水量大米樣品的體密度對諧振頻率、回波損耗、相位臨界狀態(tài)φ＝0°時(shí)的頻率和多參量靈敏度的影響

針對靈敏度較高的體密度為1的大米樣品，圖7展示了fres、S11和fφ＝0°三種微波參量與該樣品含水量的線性關(guān)系，并可由式(7)得到相應(yīng)的MRE值?？梢钥闯?，基于fres的含水量分析線性度最低，準(zhǔn)確度較高；基于S11的含水量分析雖然線性度最高，但準(zhǔn)確度最低；基于fφ＝0°的含水量分析線性度較高，且準(zhǔn)確度最高。綜合考慮，fφ＝0°為最優(yōu)的含水量測量參數(shù)。

圖7 諧振頻率、回波損耗、相位臨界狀態(tài)φ＝0°時(shí)的頻率與體密度為1的大米含水量模型建立

3.3 檢測高度

在10～100 mm的范圍內(nèi)調(diào)整微波傳感器的檢測高度H，可實(shí)現(xiàn)大米水分含量的非接觸檢測。該微帶天線的縱向電場仿真結(jié)果(圖8)表明在距離天線表面縱向高度8 mm處存在1 000 V/m的電場，且隨著H的增大，場強(qiáng)逐漸降低。由圖9(a)～9(c)可知，隨著檢測高度的增加，在10 mm～30 mm區(qū)間，fres呈現(xiàn)降低趨勢，30 mm～90 mm內(nèi)檢測高度對fres的影響并不顯著，在100 mm處fres有所回升；S11和fφ＝0°分別在低于30 mm和40 mm的高度內(nèi)發(fā)生驟降，之后隨著H的增大，出現(xiàn)波動回升的趨勢。此外，基于不同含水量的大米樣品，檢測高度對fres的影響曲線存在多處重合點(diǎn)，而檢測高度反映在S11和fφ＝0°的變化更易于分辨，特別是在檢測高度較大的情況下。隨著H的增大，微波器件的縱向輻射場強(qiáng)逐漸減小，盛有待測樣品的測試盒引起的微擾效果變差，因此，盡管樣品具有不同的水分含量，微帶天線的fres、S11和fφ＝0°均隨著檢測高度的增加而趨于無負(fù)載狀態(tài)下的相應(yīng)值。

圖8 縱向電場仿真結(jié)果

圖9 不同含水量大米樣品的檢測高度對諧振頻率、回波損耗、相位臨界狀態(tài)φ＝0°時(shí)的頻率和多參量靈敏度的影響

圖9(d)對比了不同檢測高度下靈敏度，在10 mm和70 mm處基于fres的檢測靈敏度較高，為100 kHz/%，在30 mm處基于S11的靈敏度高達(dá)0.176 dB/%，在10 mm、20 mm和70 mm處基于fφ＝0°的靈敏度較高，最高為100 kHz/%。綜合fres、S11和fφ＝0°三種微波參量，在70 mm處的含水量檢測靈敏度是最優(yōu)的。

將檢測高度設(shè)為70 mm，分別建立fres、S11和fφ＝0°三種微波參量與大米樣品含水量的線性關(guān)系，通過式(7)計(jì)算出相應(yīng)的MRE值，如圖10所示，基于fφ＝0°的含水量分析線性度和準(zhǔn)確度均為最高，是檢測物質(zhì)含水量的最優(yōu)參數(shù)。

圖10 諧振頻率、回波損耗、相位臨界狀態(tài)φ＝0°時(shí)的頻率與檢測高度為70 mm的大米含水量的模型建立

4 結(jié)論

本文提出了一種利用微帶天線檢測大米水分含量的方法，基于微波與負(fù)載大米內(nèi)部水分的相互作用，在10%～20%含水量范圍內(nèi)，系統(tǒng)研究了樣品含水量、體密度及檢測高度與貼片天線的諧振頻率、回波損耗和相位的關(guān)系，檢測分辨率為2%。實(shí)現(xiàn)了物質(zhì)水分的非接觸檢測，發(fā)現(xiàn)在70 mm的檢測高度下檢測靈敏度最高。此外，基于靈敏度和準(zhǔn)確度，對微帶天線的檢測性能進(jìn)行了評估，發(fā)現(xiàn)相位臨界狀態(tài)下的頻率變化為最優(yōu)微波參量表征參數(shù)，證明了微波器件在物質(zhì)水分含量檢測領(lǐng)域的優(yōu)勢和應(yīng)用價(jià)值。