基于微带宽带环和微带耦合线传感器的稻米水分测定外文翻译资料

基于微带宽带环和微带耦合线传感器的稻米水分测定

摘要：稻米内部水分含量（MC）的测定是稻米加工过程中收获、储存、品质控制和运输等环节的重要指标。在较低频率下，采用微带宽带环传感器和低插入损耗微带耦合线传感器工作，测定谷物的MC和相对复介电常数。采用基于共振技术的传感器测量不同水分条件下稻米的复介电常数。从而获得了谷物MC测量的校准方程，并用白米验证了MC的湿基范围为10%-28%。对于湿度的测量，耦合线传感器的灵敏度比宽带环传感器灵敏度强。当MC变化1%时，宽带环传感器和耦合线传感器的谐振频率变化分别为4.36MHz和10.69 MHz。然而，宽带环传感器比耦合线传感器具有更高的MC预测精度。宽带环传感器和耦合线传感器的湿度预报的平均误差分别为0.85%和1.30%。

关键词：含水量，微带耦合线，微带宽带环，米粒，介电常数，损耗因子

一、引言

水稻是人类特别是亚洲人的主要营养来源。稻米内部水分含量是稻米收获、储存、品质控制和运输等加工过程中的一个极其重要的参数。例如，通常在19% - 25%稻米内部水分含量之间收获，能达到大米的最高产量，除此之外，需要根据季节和天气的不同将稻米内部含水量干燥至14%或更低以安全存储。此外，研磨的理想稻米内部含水量是14%,在此含量下，能使大米去头最大化，并且尽可能地减少碎粒。因此，准确地测量稻米内部水分含量是重要的。

谷物含水量测定的常规标准方法是烘箱干燥法。虽然这种方法可以达到很高的精度，但它是耗时和不切实际的。为了克服这一问题，人们开创了电阻、射频电容和微波技术等间接方法。其中，微波技术由于微波频率的测量不受水离子电导率的影响而具有广阔的应用前景（Meyer and Schilz, 1981）。如今，有几种应用报道使用微波技术来检测谷物MC，如单个小麦谷物的微波微带环形谐振器(Abegaonkar et al ., 1999)以及使用微波收发器水分测量仪原型(Kim et al ., 2002),多层微带水分传感器(Jafari et al .， 2010)和用于米粒质量的圆柱形槽天线(You et al .， 2011)。此外，还将微波技术应用于油棕果实MC的测定(You et al .， 2010a)、大豆(Shrestha et al .， 2014)、块茎(Zainuddin et al .， 2013)、粘土颗粒(Mextorf et al .， 2012)、乳胶(Ansarudin et al ., 2012; Mohammadi et al ., 2012)和砂浆(Jusoh et al ., 2011)。

在微波技术中，微带环具有许多优点;例如，与波导谐振腔技术相比，无损测量、样品容易加载和卸载 (Joshi et al .， 1997)，更容易被制造成便携式设备(Sarabandi and Li, 1997)，与单线谐振器相比，没有端点效应(Chang and Hsieh, 2004)，与抑制滤波器相比，有最大传输功率(Sumesh Sofin and Aiyer, 2005) 以及在多尘环境中的精确测量(Kraszewski, 1998)。然而，典型的微带环松散耦合在谐振频率下表现出的高插入损耗约10分贝(Chang and Hsieh, 2004)。当信号通过具有高插入损耗的微带环传输时，传输信号会变得非常低。由于这种传输信号非常低，一些低成本的测量设备无法检测到传输信号。因此，本文设计了一种具有低插入损耗特性的微带环传感器。

在微波传感中，相对复介电常数是测量谷物MC的一个重要参数。这是因为微波与材料的相互作用受复介电常数控制，并且水的介电常数远高于干材料(Trabelsi et al .， 2009)。复介电常数测量技术可以被划分为透射-反射法和共振法。然而，现存的一些微波谷物水分传感器研究(Joshi et al., 1997; Abegaonkar et al., 1999;You et al., 2011)缺乏关于MC的复杂的介电常数特性。有限的研究,认为这种特征是主要基于在较高频率工作的传输技术的缺点 (9 GHz and 10.5GHz) (Kim et al., 2002; Jafari et al., 2010)与操作在高频的微波组件成本较高。另一方面，与传输技术相比，谐振技术可以准确测量低损耗因子的损耗材料(Sheen, 2009)。据作者所知，谐振型微带环传感器尚未应用于捣鼓复介电常数的测量。此外，该技术插入损耗高，由于共振曲线展宽，在测试高MC材料时，将导致共振提取困难。

微带耦合线在滤波器中得到了广泛的应用。它可以发展为在通带内具有低插入损耗，并且可以很容易地在任何所需的中心频率上设计的带通滤波器。除此之外，它体积小，重量轻，易于制造。You等人之前的研究。(2010b)，仅仅将微带耦合线传感器应用于糯米粉MC测量。此外该研究并未讨论MC测定和复介电常数测定的校准方程。目前还没有将微带耦合线传感器应用于米粒MC和米粒复介电常数测量的研究。

本文提出了将微带宽带环传感器和微带耦合线传感器用于谷物MC和相对复介电常数测量。该微带环设计为较宽的环，以提供与米粒相对较大的接触面积。另外，为了实现谐振频率下的低插入损耗，将50条Omega;馈线与环直接耦合。传感器的低插入损耗特性使得高MC材料也可以被谐振测量。本研究中的散粒测量不同于其他单粒测量(Abegaonkar et al., 1999)，因为谐振腔内部的晶粒取向极大地影响测量灵敏度和准确性。此外，所提出的耦合线传感器能够测量散装颗粒MC和复介电常数，而不是基于粉末的MC (You et al .， 2010b)。此外，耦合线传感器的校准方程是基于MC和谐振频率之间的关系。两种传感器都被设计在较低的频率下工作 (2.4-2.5 GHz)，以降低成本。本文还利用谐振技术计算了不同MC范围(10-28%)的谷物介电常数和损耗因子。此外，还利用扫描电子显微镜(SEM)研究了不同的MCs对谷物物理性质的影响。

二、实验和方法

2.1 传感器的制造

本文利用 MWO软件设计了工作频率为1 ~ 3 GHz、谐振频率分别为2.49和2.45 GHz的微带宽带环和耦合线传感器。所有传感器都是使用RT/Duroid 5880印刷电路板(PCB)制作的。传感器是使用AutoCAD软件绘制尺寸草图，并且打印在透明纸上，然后用标准光刻和酸蚀刻法在基板上画出传感器尺寸。然后，两个传感器都用两个SMA连接器固定在铝质地面上。最后，如图1所示，用丙烯酸支架覆盖传感器。图2显示了宽带环和耦合线传感器的配置和尺寸。传感器的尺寸如表1和表2所示。

表1宽带环传感器的衬底规格和尺寸

Dimension (mm)

Substrate ----------------------------------------------------------------------------------------

specifications

= 2.2 9.03 1.14 8.92 17.96 11.09

tan = 0.001

h = 0.381 mm

表2 耦合线传感器的衬底规格和尺寸

Dimension (mm)

Substrate --------------------------------------------------------------------------------------

specifications

= 2.2 22.3 22.1 22.0 2.4 2.0 2.3 0.3 2.0

tan delta; = 0.001

h = 0.787 mm

(a)宽带环传感器

(b)耦合线传感器

图1设计的传感器

(a)宽带环传感器

(b)耦合线传感器

图2 传感器的结构和尺寸

2.2 米粒样品的制备与测量

以生长于马来西亚“大米碗”吉打州的肥沃土壤的Jatitrade;长粒白米作为实验样品。米粒的平均长度为7.10 mm，平均宽度为2.04 mm，平均MC（湿基）14%。制备 MC范围为10 ~ 28%的米粒样品。将大米分为200 g/组的不同组。为了覆盖湿度范围，某些组的谷物被喷洒不同体积的蒸馏水实现湿度从15 %到28%的变化,而其他组的谷物在强制对流烤箱干一段时间使MC的范围变为10 %~13%。各水稻组的MC由最低MC以1%为增幅逐渐增加到最高MC。将每个组的米粒搅拌并密封在4℃容器中72 h，以确保米粒内部水分分布均匀。在测量前，将米粒置于室温条件下10 h。

在连接到传感器之前，对安捷伦E5071C网络分析仪的50 Omega;同轴电缆进行全双端口短开负载直通(SOLT)校准。校准完成后，将不同MC范围的米粒样品放入传感器的样品架中。通过网络分析仪获得不同样品的透射系数| T|、质量因子Q和谐振频率f_r的值。每次测量后，通过标准的烘箱干燥方法得到谷物的实际MC。在每份样品去除约10 g在130°C的强制对流烘箱中干燥24小时(ASABE, 2006)。以百分比计算的MC是在湿基上计算的:

(1)

式中:m_w、m_d分别为水的质量、干燥米粒的质量。

2.3 介电性能的测量

2.3.1 宽带环传感器

在自由空间中，微带环的特定频率（）取决于有效介电常数和环的平均周长。为了表征材料，用米粒填充微带环，然后产生一个宽带环频率（）和谐振曲线与自由空间相比的展宽。谷物的属性可以通过测量的

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