專利名稱：用微波確定物質(zhì)的至少一種物理參數(shù)的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及借助于向物體發(fā)射微波，并分析同極性和交叉極性的發(fā)射和反射的微波來確定一個(gè)物體的至少一種物理參數(shù)的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
我們都知道，在很多產(chǎn)品，如木材，煙草和食物的加工過程中，產(chǎn)品中的水分含量在進(jìn)入產(chǎn)品生產(chǎn)的最后階段前起著很重要的作用。
當(dāng)水分用微波輻射來測(cè)量時(shí)，微波和被測(cè)量物質(zhì)的水分子相互作用。由于水分子的偶極子性質(zhì)，微波場(chǎng)和這些分子相互作用，使分子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致入射能量的熱吸收。通過測(cè)量微波的衰減(能量的損耗)以及微波的相移(速度的損耗)，就可以精確地確定物質(zhì)的水分含量。這通常是通過把輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的。一種材料中的衰減和相移可以用來計(jì)算該材料的介電性能。一種材料的介電性能通常用相對(duì)復(fù)介電系數(shù)，ε＝ε’+jε″來表達(dá)，其中ε’是代表一種材料儲(chǔ)存電能的能力的介電常數(shù)，ε″是代表材料中電場(chǎng)能量損耗的損耗因子。知道了ε’和ε″，就可以根據(jù)已知公式計(jì)算出材料的水含量和密度。
而且，其他的物理參數(shù)如脂肪，蛋白質(zhì)和鹽分，可以通過比如說采用多個(gè)頻率，并離析受制于兩種損耗機(jī)制的頻率特性差異的水分吸收效應(yīng)和鹽離子吸收效應(yīng)來決定。通過反復(fù)的設(shè)備分析，并且和用傳統(tǒng)方法得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。
迄今為止所知道的采用微波的方法一般只測(cè)量水分含量，而不測(cè)量其他的物理參數(shù)，如脂肪，蛋白質(zhì)和鹽分。比如說，還沒有做出采用非接觸的微波技術(shù)來測(cè)量脂肪含量的設(shè)備。一種用微波進(jìn)行脂肪含量估算的手提設(shè)備已經(jīng)制造出來。但是，這個(gè)設(shè)備需要和被測(cè)物體緊密接觸，而且實(shí)際測(cè)量的是水分含量。這個(gè)設(shè)備是預(yù)先標(biāo)定的，然后從測(cè)得的水分含量來計(jì)算脂肪含量。
還有其他的系統(tǒng)和方法被開發(fā)來測(cè)量材料的水分含量。一種就是用一個(gè)類似于上述設(shè)備的所謂“帶狀線”傳感器的手提儀器。這個(gè)儀器放置在材料上面使得帶狀線和材料密切接觸。然后產(chǎn)生微波，并沿著帶狀線傳播，然后在帶狀線中測(cè)量出衰減。然后這種衰減或損耗被轉(zhuǎn)換成水分含量。這種方法是一種表面測(cè)量。為了得到塊狀材料的總體水分含量，必須在不同的地方測(cè)量，并且將這個(gè)物體翻過來測(cè)量。然后用所得的平均值作為一個(gè)指示值。
在另外一種裝置中，材料被放置在微波發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射天線和接收天線之間，并且把源信號(hào)和從材料來的輸出信號(hào)進(jìn)行比較，可以推斷出材料的性質(zhì)。
在還有一種裝置中，在美國第4578998號(hào)專利，描述了一種采用信號(hào)的不同的極化態(tài)的微波系統(tǒng)。由于采用兩種不同極化態(tài)，用兩個(gè)輻射器橫掃一個(gè)片狀材料進(jìn)行測(cè)量，就可以避免兩者之間的信號(hào)交換。換句話說，極化態(tài)是用來區(qū)別兩個(gè)輻射器的。
美國第4578998號(hào)專利的問題在于，測(cè)得的信號(hào)包括穿過材料的衰減和從周圍材料反彈回來的微波反射，其中后者并沒有被考慮進(jìn)去。這就給結(jié)果引入誤差。
采用手提接觸儀器的缺點(diǎn)是這是一種塊狀材料的表面測(cè)量。因此，為了得到材料作為整體的測(cè)量結(jié)果是很耗時(shí)的，因?yàn)樗枰@著材料測(cè)量不同的點(diǎn)，并且因?yàn)樗枰跍y(cè)量時(shí)由人操作將傳感器放置得跟材料緊密接觸而帶來操作上的不便。這可以導(dǎo)致誤差，因?yàn)槿瞬豢赡苊看味家酝耆粯拥姆绞讲僮鲀x器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的在于通過提供一種測(cè)量物質(zhì)的至少一種諸如塊狀材料的水分和脂肪含量之類的物理參數(shù)的方法和設(shè)備來改進(jìn)上述方法。這是通過利用極化態(tài)(po1arisation)在樣品中建立一條發(fā)射路徑來實(shí)現(xiàn)的，其中一束微波發(fā)射并穿過被測(cè)材料，而且只有發(fā)射微波中有預(yù)先設(shè)定極性(polarity)的反射波被檢測(cè)到。這樣的優(yōu)點(diǎn)是只有穿過材料的信號(hào)才能被測(cè)量到。這是通過一個(gè)極化板來實(shí)現(xiàn)的，這樣使得只有那些通過物質(zhì)的交叉極性的微波被檢測(cè)到，從周圍結(jié)構(gòu)反射的同極性的微波就被排除。這樣就增加了測(cè)量的靈敏度和精度。因此，只有那些穿過被測(cè)物質(zhì)后從極化板反射出來的波被接收。當(dāng)建立系統(tǒng)來檢測(cè)交叉極性的反射波時(shí)，可以確保被測(cè)微波在被檢測(cè)之前已經(jīng)穿過物質(zhì)兩次。當(dāng)建立系統(tǒng)來檢測(cè)同極性的反射波時(shí)，可以確定接收天線孔闌到材料表面的距離，而且可以通過跟沒有材料時(shí)的同極性反射波進(jìn)行比較來把這個(gè)距離跟材料的厚度聯(lián)系起來。
根據(jù)第一方面，本發(fā)明涉及一種借助于向物體發(fā)射微波并分析反射的微波來測(cè)定物體的至少一種物理參數(shù)的設(shè)備，所述設(shè)備包括產(chǎn)生隨時(shí)間變化的電信號(hào)的源；位于物體附近的發(fā)射器，用于將隨時(shí)間變化的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成微波并把微波射向物體；
鄰接著物體并位于發(fā)射器對(duì)面的極化器(polarizer)，用于旋轉(zhuǎn)發(fā)射波的至少一部分極化態(tài)并且反射發(fā)射波的預(yù)定極性；相對(duì)于極化器位于物體對(duì)面的接收器，用于接收預(yù)定極性的反射微波并把它們轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，用于利用電信號(hào)來計(jì)算物體的至少一種物理參數(shù)。
而且，最好提供控制電路來進(jìn)行源的控制。極化器可以是帶有眾多的位于極化板水平面內(nèi)的用來旋轉(zhuǎn)至少一部分發(fā)射波的平行金屬絲的平板。這些金屬絲可以用諸如塑料之類的非反射介質(zhì)來支撐。極化板的底層是一種諸如金屬平板之類的反射材料。當(dāng)微波碰到極化板時(shí)，它們的一部分碰到旋轉(zhuǎn)極化態(tài)的金屬絲，而另一部分從金屬絲中穿過支撐材料，直到從底板反射回來。底板根據(jù)反射定律反射微波，其中被反射的微波中的一部分碰到旋轉(zhuǎn)極化態(tài)的金屬絲。采用極化板的合適厚度，就是金屬絲和底板之間的間隔，可以使得“第二”極化態(tài)和“第一”極化態(tài)相同。最好這個(gè)間隔是1/4λ，其中λ是微波的波長，或者一般采用(1/4+n)λ，其中n為整數(shù)。然而這一般是當(dāng)金屬絲和反射平板之間存在空氣的典型情況。但是當(dāng)金屬絲和反射平板之間存在一種材料時(shí)，這個(gè)厚度比率就有所不同，它由這種材料的介電性質(zhì)決定。旋轉(zhuǎn)了的極化態(tài)被一個(gè)接收器所接收并從微波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這個(gè)接收的微波的極化態(tài)可以是比如說相對(duì)于發(fā)射微波旋轉(zhuǎn)了90°，這可以是線極化和/或圓極化。這個(gè)接收器可以是比如說一根天線或一個(gè)偶極子。
隨時(shí)間變化的電源信號(hào)的頻率取決于是只測(cè)量一個(gè)參數(shù)，比如說水分還是測(cè)量更多的參數(shù)，比如說水分和鹽分。這是因?yàn)樗望}分子的不同的特性和它們不同的諧振頻率。在一個(gè)實(shí)施例中，隨時(shí)間變化的電信號(hào)有一個(gè)順序循環(huán)的頻率，就是說首先這個(gè)頻率用來測(cè)量水分，然后第二個(gè)不同的頻率用來測(cè)量鹽分。因此隨時(shí)間變化的電磁場(chǎng)至少有一個(gè)頻率。
為了確定物體的比如說水分含量和/或密度之類的至少一種物理參數(shù)，可以采用一個(gè)參考信道。在一個(gè)實(shí)施例中，該設(shè)備配有一個(gè)耦合器來劃分發(fā)射器和接收器之間的電信號(hào)，該發(fā)射器可以是一個(gè)發(fā)射天線，其中被引向接收器的那部分電信號(hào)通過參考信道并被用作參考信號(hào)。最好是一半源信號(hào)通過參考信道，另一半到達(dá)發(fā)射天線。
對(duì)物體的測(cè)量可以在物體處于靜止位置時(shí)進(jìn)行，也可以在物體被一個(gè)諸如傳送帶之類的輸運(yùn)工具傳送時(shí)進(jìn)行。發(fā)射和接收天線一般設(shè)置得相互靠近，在物體上方適當(dāng)?shù)奈恢茫⑶宜鼈兊妮椛鋱D是朝著物體的。為了測(cè)量衰減，兩個(gè)天線是相互正交極化的。
而且，為了測(cè)量材料的介電常數(shù)，很重要的是能夠確定材料的厚度。這個(gè)測(cè)量的一個(gè)方法是設(shè)置一個(gè)相對(duì)于極化器位于物體上方并且和發(fā)射天線靠近的第二接收天線。因此同極性的信號(hào)測(cè)量了在沒有材料存在時(shí)和有材料存在時(shí)的距離的差異。最好是在這種情況下使所接收到微波的極性和發(fā)射微波的相同。還可以用超聲波達(dá)到相同的目的。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是提供一種向物體發(fā)射微波并測(cè)量反射的微波來確定物體的至少一種物理參數(shù)的方法，所述方法包含以下步驟產(chǎn)生隨時(shí)間變化的第一電信號(hào)，并把至少一部分第一電信號(hào)轉(zhuǎn)換成微波；向物體發(fā)射微波；用一個(gè)位于發(fā)射器的對(duì)面并鄰近物體的極化器來反射發(fā)射的微波，其中反射微波的至少一部分極化態(tài)被旋轉(zhuǎn)；用一個(gè)位于物體對(duì)面的接收器接收從極化器反射的被旋轉(zhuǎn)的那部分微波，并把發(fā)射波中的被接收部分轉(zhuǎn)換成第二電信號(hào)；并且分析第二電信號(hào)并且確定至少一種物理參數(shù)。
在一個(gè)實(shí)施例中來自源的隨時(shí)間變化的電信號(hào)被一分為二，一部分通過參考信道，另一部分從極化板到達(dá)接收工具，然后兩個(gè)信號(hào)再次相加。疊加信號(hào)用來作為比如當(dāng)沒有材料在極化板時(shí)的具有一個(gè)參考相位和一個(gè)參考電平的參考信號(hào)。當(dāng)物體被放置在極化器上時(shí)產(chǎn)生的任何從這個(gè)參考相位和參考電平的偏移被用來確定這個(gè)物體的相對(duì)復(fù)數(shù)介電系數(shù)。參考相位或頻率的偏移可以用來計(jì)算物體的介電常數(shù)ε’，而參考電平的偏移可以用來計(jì)算物體的損耗因子ε″。當(dāng)計(jì)算ε’和ε″時(shí)另一個(gè)重要參數(shù)是微波穿過的材料厚度。這個(gè)參數(shù)可以用比如相對(duì)于極化器位于物體對(duì)面的第二接收工具來測(cè)定。這個(gè)第二接收工具最好被調(diào)整使得它能檢測(cè)和發(fā)射微波極性相同的微波。因此從物體上反射的那部分微波被確定，把它跟比如說沒有任何物體時(shí)候的參考信號(hào)相比較，而且從這個(gè)參考信號(hào)的相移用來確定物體的高度。知道了孔闌和極化板之間的距離和發(fā)射天線的輻射角度，就可以測(cè)定有效的測(cè)量面積。結(jié)合厚度，就計(jì)算出體積。
發(fā)射的微波可以是線極化的，而接收工具檢測(cè)到的反射波的極化部分最好和發(fā)射微波的極化態(tài)成90°角。這樣是為了保證只有穿過整個(gè)物體的那部分發(fā)射波被檢測(cè)到，其中，極化器放在物體的下面，因此具有這種極化態(tài)的微波必須是穿過物體的。測(cè)量在材料中的相位變化和衰減變化的一種方法是采用一個(gè)參考信道。借助于參考信道中的可調(diào)節(jié)的衰減器和移相器，在沒有材料存在的情況下從參考信道來的信號(hào)和從極化器反射的信號(hào)的總和可以是0。比如在材料中的纖維主要是一個(gè)比如說和反射天線垂直的方向的情況下，微波也可以采用圓極化而不是線極化。
而且，水分含量可以用于確定一個(gè)諸如魚之類的物體的脂肪濃度，其中浮力是已知的，并且是常數(shù)，因此在體內(nèi)脂肪和水之間的關(guān)系可以通過經(jīng)驗(yàn)公式得到。這可以采用歷史數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)。


下面要結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明，特別是本發(fā)明的具體的優(yōu)選實(shí)施例。其中圖1顯示如何在一個(gè)實(shí)施例中使用本發(fā)明的方法來測(cè)量水分含量的流程圖；圖2a和圖2b是可以采用發(fā)明方法的設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例示意圖；圖3是可以采用本發(fā)明方法來測(cè)量水分含量的第二實(shí)施例的示意圖。而且，這個(gè)實(shí)施例還測(cè)量被測(cè)物體或物質(zhì)的深度和密度；圖4是一顯示在發(fā)射束中對(duì)物體或物質(zhì)的存在的電響應(yīng)的樣本的圖表，它用來計(jì)算被測(cè)物體的密度和被測(cè)物體的濕重；圖5顯示極化器的一個(gè)實(shí)施例；圖6顯示采用這個(gè)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明，特別是一些具體的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
圖1是顯示一個(gè)設(shè)備的實(shí)施例如何和本發(fā)明的方法一起使用來測(cè)量水分含量的流程圖。該設(shè)備包括一個(gè)微波輻射源1，如圖所示在耦合器2的左側(cè)。在優(yōu)選的實(shí)施例中，微波輻射源1是一個(gè)掃頻源，它順序發(fā)射頻率在一個(gè)預(yù)定頻帶寬度內(nèi)隨時(shí)間線性變化的微波。這個(gè)輻射源(或這些輻射源)可以設(shè)置得發(fā)射一個(gè)以上的中心頻率。這個(gè)掃頻源1在向耦合器2發(fā)送信號(hào)前從開關(guān)15接收一個(gè)信號(hào)。開關(guān)15決定要發(fā)射哪一個(gè)中心頻率。
從掃頻源1送來的信號(hào)，一旦被放大到一個(gè)合適的電平，就在耦合器2上被分開，一部分信號(hào)通過一個(gè)參考信道到達(dá)接收器7，而剩下的部分到測(cè)量信道中的發(fā)射天線。最好的情況是到兩個(gè)不同方向的信號(hào)是相等的，每個(gè)剛好是原始信號(hào)的50％。
可以這樣理解，被測(cè)樣品可以被塊狀物質(zhì)的連續(xù)流所代替而不會(huì)背離本發(fā)明的原理。為了便于說明，這里僅用單個(gè)被測(cè)樣品來描述該設(shè)備。
微波用諸如發(fā)射天線4之類的裝置指向樣品?；蛘?，也可以用平面天線達(dá)到相同的目的。
源信號(hào)10a是一個(gè)非常高頻的微波信號(hào)，它通過一個(gè)源振蕩器在一個(gè)預(yù)先設(shè)定的從略微低于中心頻率到略微高于中心頻率的頻帶寬度上進(jìn)行線性掃描而受到頻率調(diào)制。源信號(hào)優(yōu)選的中心頻率由樣品14的性質(zhì)決定而頻率的數(shù)目由要測(cè)量的諸如水分，鹽分或蛋白質(zhì)之類的物理參數(shù)的數(shù)目決定。
源信號(hào)10a穿過樣品14，射到極化器5上，然后反射回來。因?yàn)樵葱盘?hào)10a已經(jīng)穿過了樣品，它既受到衰減又減慢速度。這個(gè)衰減的程度主要由源信號(hào)遇上的樣品14的材料損耗因子ε″決定。源信號(hào)被減慢的程度主要由材料14的介電常數(shù)ε’決定。
當(dāng)源信號(hào)10a射到極化器5時(shí)，極化器5把信號(hào)的極化態(tài)改變成接收天線6的極化態(tài)。發(fā)射天線4和接收天線6除了它們的極化態(tài)互相正交以外是基本相同的。這就意味著任何從樣品，傳送帶或傳送帶上的上部結(jié)構(gòu)或任何周圍環(huán)境反射回來的信號(hào)，以及任何從發(fā)射天線4到接收天線6的直接輻射都不會(huì)被接收器7所識(shí)別，因?yàn)檫@些信號(hào)沒有進(jìn)入接收天線6所需的正確極化態(tài)。一旦系統(tǒng)被校準(zhǔn)，原則上只有系統(tǒng)中由于樣品14的存在而導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)中的電變化會(huì)被接收器7檢測(cè)到。
樣品4會(huì)引入附加的相移和衰減到測(cè)量信道中。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，只有一個(gè)接收天線，但是應(yīng)該知道，也可以有一個(gè)以上的接收天線。
在一個(gè)實(shí)施例中，在參考信道和測(cè)量信道中都采用一個(gè)混頻器來測(cè)量相位差。在另一個(gè)實(shí)施例中，參考信號(hào)8a進(jìn)入一個(gè)衰減器和移相器3。衰減器和移相器3將在校準(zhǔn)的過程中這樣設(shè)置使得這個(gè)信道復(fù)制測(cè)量信道在沒有樣品14的情況和在有已知特性的樣品存在的情況下的電特性。
接收器7在接收器輸入端把參考信號(hào)8b和反相的測(cè)量信號(hào)10b相加。在接收器中產(chǎn)生一個(gè)零信號(hào)的參考信道中的插入相移和衰減被記錄下來。記錄的相移和衰減被送到處理器以便完成諸如水分之類的物理參數(shù)的計(jì)算。
在一個(gè)使用多個(gè)頻率的設(shè)備中，方法和上述的一樣，開關(guān)15在不同頻率之間進(jìn)行切換。
上面是對(duì)一個(gè)實(shí)施例的描述。一般有四種主要的方法來進(jìn)行測(cè)量1.最簡單的實(shí)施例采用一個(gè)掃頻振蕩器1，加上在參考信道的電氣可控(可編程的)的移相器和衰減器3。在這個(gè)實(shí)施例中，調(diào)整接收器的受控移相器和衰減器3直到在接收器輸入端相加的信號(hào)‘正好’反相，在校準(zhǔn)頻率上產(chǎn)生一個(gè)圖4中的‘零’輸入信號(hào)4。當(dāng)樣品14存在時(shí)所記錄的衰減和相移的變化被送到處理器。
2.源1是非掃頻但頻率可控的，參考信道只包括一個(gè)電氣可控的衰減器3.在這種情況下，振蕩器頻率和衰減器3調(diào)整得在接收器7上產(chǎn)生一個(gè)零信號(hào)。所記錄的頻率和衰減的變化被送到處理器。
3.采用了一個(gè)能夠在接收器上產(chǎn)生如圖4所示的頻率響應(yīng)的掃頻源3。這個(gè)接收器電路更為復(fù)雜，它應(yīng)該能夠記錄作為被測(cè)物質(zhì)引起的相位變化和衰減變化的指標(biāo)的這個(gè)響應(yīng)特性的形狀變化。在這種情況下，參考信道的可編程移相器和衰減器不再需要，因?yàn)楦鼜?fù)雜的電路提供了必需的相移和衰減信息。但是，圖3中的手動(dòng)調(diào)整的衰減器和移相器17仍要保留以便在沒有樣品的時(shí)候在某一個(gè)頻率校準(zhǔn)該系統(tǒng)，使它達(dá)到正好反相或圖4中的零輸入信號(hào)26。
4.源1是非掃頻的，而且由于樣品插入造成的衰減和相移動(dòng)變化直接通過分立的交叉極化的接收信道來確定，一個(gè)信道用于振幅而另一個(gè)信道用于相位。在振幅信道中，用一個(gè)整流二極管來提供一個(gè)表示樣品衰減度量值的直流信號(hào)電平。在相位信道中，采用一個(gè)雙平衡混頻器來提供一個(gè)表示樣品引起的相位變化度量值的I.F.(直流)信號(hào)電平。
圖2a和圖2b是演示一個(gè)非常簡單類型的設(shè)備的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示意圖?？梢允且粋€(gè)掃頻源的微波源1產(chǎn)生隨時(shí)間變化的電信號(hào)，在一部分電信號(hào)在耦合器2處被分開的地方，部分信號(hào)被用作參考信號(hào)9，而剩下的信號(hào)傳送到發(fā)射天線4，在那里，一部分信號(hào)從極化器5反射，并且穿過物體14。這就是測(cè)量信號(hào)11。
圖3是一個(gè)能夠用于本發(fā)明的設(shè)備的第二實(shí)施例的示意圖。這個(gè)設(shè)備用圖2中設(shè)備相似的方法測(cè)量一個(gè)樣品(煙草)中的水分和鹽分，其中樣品可以處在一個(gè)靜止?fàn)顟B(tài)或者正在傳送帶上被傳送。
這個(gè)設(shè)備采用兩個(gè)不同的頻率，因?yàn)樗鼫y(cè)量兩個(gè)不同的物理參數(shù)，水分和鹽分。因此，開關(guān)15在收到從接收器7的一個(gè)信號(hào)后，在8GHz和12GHz之間切換。也可以采用其他的頻率獲得同樣的結(jié)果。
這個(gè)設(shè)備包括一個(gè)微波輻射源1。掃頻源1在傳送信號(hào)給耦合器2之前接收從開關(guān)15發(fā)來的信號(hào)。從掃頻源1發(fā)出的信號(hào)，一旦被放大到一個(gè)合適的水平，就在耦合器2上被分開，一部分作為參考信號(hào)8a經(jīng)過參考信道到達(dá)接收器7，而剩下的部分信號(hào)作為測(cè)量信號(hào)10a傳送到發(fā)射天線4。理想狀態(tài)下這些到兩個(gè)方向的信號(hào)應(yīng)該相等，每部分是原始信號(hào)的50％。
微波對(duì)準(zhǔn)樣品從發(fā)射天線4射出。源1是一個(gè)非常高頻的微波振蕩器，它的頻率在一個(gè)預(yù)先設(shè)定的頻帶寬度上反復(fù)地隨時(shí)間作線性變化。
一部分發(fā)射的信號(hào)11穿過樣品14，射在極化器上并反射回來。另一部分發(fā)射信號(hào)25在信號(hào)碰到樣品時(shí)被反射。這個(gè)部分被同極性接收天線19所接收，并通過檢測(cè)第一次反射的相移被用來測(cè)量樣品14的厚度。穿過樣品14并且射到極化器的那部分信號(hào)，在反射并改變極化態(tài)后，被橫向極化態(tài)的接收天線6所接收。
參考信號(hào)8a經(jīng)過手動(dòng)調(diào)整的衰減器和移相器17后到達(dá)可編程/可變的衰減器和移相器18。手動(dòng)調(diào)整的衰減器和移相器17用來在儀器建立時(shí)校準(zhǔn)信號(hào)，使得在沒有物體時(shí)，在頻率掃描中某個(gè)頻率下的總和信號(hào)為0。當(dāng)樣品存在時(shí)，它增加了測(cè)量信道中微波衰減和相移，而到達(dá)天線6的信號(hào)10b是較弱的。然后接收器7發(fā)送一個(gè)信號(hào)來調(diào)整可編程/可變的衰減器和移相器18使得總和信號(hào)再次為0。這個(gè)調(diào)整的量被記錄下來作為樣品衰減和相位的測(cè)量值。
一種紅外溫度計(jì)20測(cè)量樣品14的溫度，并且傳送一個(gè)信號(hào)給接收器，使得相對(duì)復(fù)介電系數(shù)的測(cè)量可以根據(jù)不同的溫度進(jìn)行校正。
接收器7把參考信號(hào)8b和反相的測(cè)量信號(hào)10b相加。當(dāng)相移和衰減18被正確調(diào)整時(shí)，會(huì)檢測(cè)到零信號(hào)，表示8b中的衰減和10b中的相等。在參考信道中的相移和衰減就被記錄下來了。檢測(cè)到的相移和衰減被傳送到處理器，在那里進(jìn)行計(jì)算并把這些值轉(zhuǎn)換成有意義的信息。
圖4是一個(gè)顯示來自用于計(jì)算一個(gè)樣品的ε’和ε″的接收器7的電信號(hào)的樣本的圖表。X軸代表源的頻率掃描，y軸顯示信號(hào)的強(qiáng)度。首先，在沒有樣品時(shí)，系統(tǒng)被調(diào)整得產(chǎn)生響應(yīng)26。當(dāng)樣品存在時(shí)，由于材料中的損耗，發(fā)射微波的衰減增加，而且會(huì)產(chǎn)生相位變化。由于參考信道中的信號(hào)沒有變化，在樣品存在時(shí)，參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)的總和就發(fā)生變化，如響應(yīng)曲線27所示。水平方向的變化代表相移，垂直方向的變化代表樣品帶來的衰減，這些參數(shù)用來從已知公式計(jì)算出ε’和ε″。
濕重和密度可以根據(jù)物體有關(guān)的歷史數(shù)據(jù)來確定，這個(gè)物體可以是煙草，木材或谷物。每個(gè)這種物體都有它們自己的相移和衰減和實(shí)際的水分含量和密度的關(guān)系。如果不用公式，我們可以選擇從設(shè)備上搜集數(shù)據(jù)并且把它們和實(shí)際的水分和密度值對(duì)應(yīng)。
在圖4中，曲線26顯示當(dāng)沒有被測(cè)樣品時(shí)的被測(cè)信號(hào)，如圖2a所示。在這種情況下，被測(cè)信號(hào)跟參考信號(hào)相等，但是極化態(tài)不同。因此，參考信號(hào)和被測(cè)信號(hào)的總和在掃頻范圍中的某一頻率下為0。于是對(duì)于沒有水分的情況，這個(gè)參考值為0。
測(cè)量曲線27顯示當(dāng)信號(hào)通過帶有水分的樣品時(shí)的情況。在這種情況下，樣品使信號(hào)減少或衰減了50％。由于參考信號(hào)沒有變，參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)的總和在代表衰減的垂直方向上改變50％。如果樣品是純水，就吸收所有的微波，測(cè)量信號(hào)將衰減到零，只能接收到參考信號(hào)，就在參考信號(hào)的衰減電平上給出一根直線。
而且，曲線27顯示出一次頻率掃描中微波的相移，這可以從信號(hào)最小值的位置看出，它從f0移到f1。這個(gè)相移就是前面提到的用來計(jì)算樣品密度的相移。
用相對(duì)復(fù)介電常數(shù)計(jì)算出密度以后，如果物體的體積是已知的，就可以根據(jù)濕重mwet用計(jì)算密度的公式ρ＝(mwet+mdry)/V來計(jì)算干重mdry。如圖3所示，體積可以用同極性接收天線19測(cè)量樣品14厚度的方法來估算，樣品的厚度是可以進(jìn)行周期性記錄的。如果這個(gè)物體正在傳送帶上以恒速度被傳送，這個(gè)物體可以分成具有固定高度和不同厚度的各個(gè)部分。
圖5顯示一個(gè)由放置在極化板的水平面內(nèi)的用來旋轉(zhuǎn)至少一部分發(fā)射波的平行金屬絲28構(gòu)成的極化器的實(shí)施例。這些金屬絲可以用諸如塑料之類的非反射介質(zhì)29來支撐。極化板的底層可以是一種諸如金屬板30之類的反射材料。當(dāng)微波射到極化板時(shí)，它們的一部分碰到金屬絲使得極化態(tài)旋轉(zhuǎn)，而另一部分從金屬絲之間穿過支撐材料，直到被底板30反射回來。極化板的側(cè)面設(shè)置得平行于發(fā)射天線4和接收天線6之間的連線和兩個(gè)45°角31和32設(shè)置得相等，這就保證了來自發(fā)射天線4的入射微波和離開非反射介質(zhì)29的途中碰到金屬絲28從底板30反射的微波的極化態(tài)都旋轉(zhuǎn)90°。
下面的例子用來進(jìn)一步說明本發(fā)明，并非用來限制本發(fā)明。
例子下面的例子是以一個(gè)在9個(gè)茶葉樣品上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)為依據(jù)的，其中每個(gè)樣品大約100g，每個(gè)有從5％到20％的不同的水分含量。采用了兩個(gè)掃描頻率，一個(gè)在8GHz附近，一個(gè)在12GHz附近。測(cè)量了樣品中的衰減，但是沒有測(cè)量相移。這個(gè)實(shí)驗(yàn)顯示在衰減和樣品的實(shí)際水分含量之間有一個(gè)線性關(guān)系，這可以從圖6看出。相關(guān)系數(shù)很高，對(duì)于8GHz是0.9914，對(duì)于12GHz是0.9789。相關(guān)系數(shù)是一個(gè)從0到1的因子，表示數(shù)據(jù)點(diǎn)落在一條擬合曲線上的適配程度。
權(quán)利要求
1.一種借助于向物體發(fā)射微波并分析其反射微波來測(cè)量物體的至少一種物理參數(shù)的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包含產(chǎn)生隨時(shí)間變化的電信號(hào)的源；位于物體附近的發(fā)射器，用于將隨時(shí)間變化的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成微波并把微波射向物體；鄰接著物體并位于發(fā)射器對(duì)面的極化器，用于旋轉(zhuǎn)至少一部分發(fā)射波的極化態(tài)并且反射發(fā)射波的預(yù)定極性；相對(duì)于極化器位于物體對(duì)面的接收器，用于接收預(yù)定極性的反射微波并把它們轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，用于利用電信號(hào)來計(jì)算物體的至少一種物理參數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，進(jìn)一步包括控制所述源的控制電路。
3.如按照權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于，所述極化器是一個(gè)帶有位于平板的水平平面內(nèi)的用來旋轉(zhuǎn)至少一部分發(fā)射波的眾多的平行金屬絲的平板。
4.如權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述極化器的厚度是微波波長的四分之一。
5.如權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，進(jìn)一步包括一個(gè)耦合器來劃分在接收器和發(fā)射器之間的電信號(hào)，其中部分電信號(hào)通過參考信道到達(dá)接收器并被用作參考信號(hào)。
6.如權(quán)利要求1到5中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述正在被測(cè)量的物體正在被傳送中。
7.如權(quán)利要求1到6中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，發(fā)射器和接收器是相互正交極化的，并且接收器指向所述材料。
8.如權(quán)利要求1到7中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，至少一種物理參數(shù)是物體的水分含量和/或密度。
9.如權(quán)利要求1到8中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述接收器是天線。
10.如權(quán)利要求1到9中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述接收器是二極管。
11.如權(quán)利要求1到10中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述發(fā)射微波的極化態(tài)是線極化。
12.如權(quán)利要求1到11中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述發(fā)射微波的極化態(tài)是圓極化。
13.如權(quán)利要求1到12中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，進(jìn)一步包括相對(duì)于極化器位于物體對(duì)面的第二接收器來接收至少一部分反射的微波。
14.如權(quán)利要求1到13中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，接收的微波的極性和發(fā)射微波的極性相同。
15.一種借助向物體發(fā)射微波并分析其反射波來確定物體的至少一種物理參數(shù)的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟產(chǎn)生隨時(shí)間變化的第一電信號(hào)，并把至少一部分第一電信號(hào)轉(zhuǎn)換成微波；向物體發(fā)射微波；用位于發(fā)射器的對(duì)面并鄰近物體的極化器來反射發(fā)射的微波，其中反射微波的至少一部分極化態(tài)被旋轉(zhuǎn)；用位于物體對(duì)面的接收器接收從極化器反射的被旋轉(zhuǎn)的那部分微波，并把發(fā)射波中的被接收部分轉(zhuǎn)換成第二電信號(hào)；并且分析第二電信號(hào)并且確定至少一種物理參數(shù)。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，一部分第一電信號(hào)通過參考信道到達(dá)接收工具，并且被用作參考信號(hào)。
17.如權(quán)利要求15或16所述的方法，其特征在于，所述至少一部分發(fā)射微波的旋轉(zhuǎn)角度為90°。
18.如權(quán)利要求15到17中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述第二電信號(hào)和參考信號(hào)的總和用來確定至少一種物理參數(shù)。
19.如權(quán)利要求15到18中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述第二電信號(hào)用來確定至少一種物理參數(shù)。
20.如權(quán)利要求15到19中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括相對(duì)于極化器位于物體對(duì)面的第二接收工具，用來接收至少一部分具有預(yù)定極性的反射微波，其中接收的微波被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并且其中電信號(hào)相對(duì)于參考信號(hào)的相移用來確定物體的高度。
21.如權(quán)利要求15到20中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，其中信號(hào)的衰減電平和相移被用來計(jì)算物體的介電常數(shù)和損耗因子。
22.如權(quán)利要求15到21中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，其中物體的介電常數(shù)和損耗因子用來計(jì)算物體的密度。
23.如權(quán)利要求15到22中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，其中物體的介電常數(shù)和損耗因子用來計(jì)算物體的水分含量。
24.如權(quán)利要求15到23中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，其中物體的體積，密度和水分含量用來確定物體的干重。
25.如權(quán)利要求15到24中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，其中物體的至少一種物理參數(shù)的確定是以歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種測(cè)量物質(zhì)的至少一種諸如水分含量和鹽分含量之類的物理參數(shù)的方法和設(shè)備。這是通過發(fā)射微波束穿過被測(cè)材料而只檢測(cè)發(fā)射波中具有預(yù)定極性的那部分反射波來完成的。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，采用了一片極化板，使得只有穿過物質(zhì)的交叉極化的微波被檢測(cè)，而從周圍結(jié)構(gòu)反射的同極化的反射波被排除。被測(cè)物體可以處于在傳送帶上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或處于靜止?fàn)顟B(tài)。
文檔編號(hào)G01N22/00GK1559004SQ02813436
公開日2004年12月29日 申請(qǐng)日期2002年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月31日
發(fā)明者奧拉弗·H·瓊森, 瓊·索·索吉森恩, 艾倫·約翰·桑斯泰特, 索吉森恩, 奧拉弗 H 瓊森, 約翰 桑斯泰特 申請(qǐng)人:英特斯勘奧比格泰克尼有限公司