（机械制造及其自动化专业论文）小麦水分在线测控技术研究.pdf

摘要 随着人们生活水平的提高，同常饮食中对食品品质的要求也越来越高。同时，在食 品科学快速发展的今天，对重要的食品原料面粉的研究也随之而深入。对面粉高品 质的追求，必然对小麦品质的检测和加工工艺的要求要更加科学、高效和合理。这其中 小麦水分在线测量及控制是小麦储运和加工过程中的重要环节之一。 在小麦水分在线测控技术的研究中，小麦水分的在线测量是小麦水分测控技术的重 要环节，为此本课题将研究的重点放在小麦水分在线测量技术的研究上。目前常用的水 分测量方法有电阻法、电容法、红外线法及核磁共振法等几种方法。为了适应小麦实验 及加工过程中对小麦水分在线测量的要求，本课题将微波加热的高效特性和高精度重量 传感器结合起来，研究微波加热法小麦水分在线测量技术。课题源自河南省科技攻关项 目粮食水分在线模糊控制装置的研究( 项目编号：9 9 1 1 2 0 2 2 1 ) 。 小麦水分在线测控系统采用上下位机两级软硬件结构及控制执行系统，将微波、微 控制器、机电设计和斜率控制结合起来，组成小麦水分在线测控技术的主架构。课题主 要研究内容包括以下三个方面： ( 1 ) 通过微波加热烘干法对小麦样品水分测量的实验，分析整理微波加热法小麦水 分测量方法中小麦水分损失与微波加热功率和加热时间之间的实验规律。 ( 2 ) 通过对微波传播技术截止条件的分析，设计微波加热炉上下侧物料进出口的圆 柱型开口及圆柱型微波防泄漏屏蔽铜管，实现微波加热法小麦水分的在线测量。 ( 3 ) 设计制作微波加热法小麦水分测量系统的下位机信号采集、模数转换、数据传 输、水量控制等硬件电路及软件程序；编写基于v i s u a lb a s i c 6 0 的人机交互界面，实现 两级系统之间数据的传输，实现对数据进行处理和存储。 本课题充分利用微波传播的截止条件，设计微波加热炉物料进出口及微波的防泄漏 屏蔽管：从大量实验中分析探讨微波加热和小麦水分损失的实验规律，在实验分析规律 的基础上进行软硬件设计，研究微波加热法水分测量技术在小麦水分在线测控中应用。 关键词：水分测定，微波加热，微控制器应用 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ep e o p l el i v i n gs t a n d a r de n h a n c i n g ，i nt h ed a i l y d i e tm o r ea n dm o r er e q u e s t i sh i g ht of o o dq u a l i t y m e a n w h i l ei nf o o ds c i e n c ef a s td e v e l o p m e n tt o d a y ，b r e a df l o u rt h a tt l l e i m p o r t a n tf o o dr a wm a t e r i a lm u s tg e tm o r ea t t e n f i o nb yt h ef o o dr e s e a r c h e r a c c o r d i n gt ot h e b r e a df l o u rq u a l i t yp u r s u i n g t h em e a s u r eo f 也ew h e a tq u a l i t ya n dt h ep r o c e s s i n gc r a f to ft h e w h e a tr e q u e s tm o r es c i e n t i f i c ，h i 【g h l ye f f e c t i v ea n dr e a s o n a b l e t h a tw h e a tm o i s t u r ec o n t e n t d e t e r m i n a t i o na n dt h em o i s t u r ec o n t e n tc o n f f o la l eo n eo fi m p o r t a n t1 i n k si nt h ew h e a t s t o r a g e 、t r a n s p o r t i n ga n dt h ew h e a tp r o c e s s i n g i nt h ew h e a tm o i s t u r e c o n t e n to n - l i n e o b s e r v a t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g yr e s e a r c h 。t h ew h e a tm o i s t u r ec o n t e a ts u r v e y i so n e i m p o r t a n tl i n ko fw h e a tm o i s t u r ec o n t e n to b s e r v a t i o na n dc o n t r 0 1t e c h n o l o g y , s ot h ek e yp o i n t f o rt h i st o p i ci st op l a c ei nt h ew h e a tm o i s t u r ec o n t e n ts u r v e y a tp r e s e n tt h ec o m m o n l yu s e d m o i s t u r ec o n t e n td e t e r m i n a t i o nm e t h o d sa r et h er e s i s t a n c ew a y , t h ee l e c t r i cc a p a c i t yw a y , t h e i n f r a r e dm ym e t h o da n dt h en u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c et y p ea n ds oo n i no r d e rt oa d a p ti n t h ew h e a te x p e r i m e n ta n dt h ew h e a tm o i s t u r ee o n t e n to n l i n ed e t e r m i n a t i o nr e q u e s t ，t h i st o p i c a s s o c i a t e st h eh i g ha c c u r a c yw e i g h ts e n s o rw i t ht h em i c r o w a v ec a l e f a c t i o n ，r e s e a r c h i n gan e w m i c r o w a v eh e a t i n gm o i s t a r ec o n t e n ts u r v e yt e c h n o l o g y t h i st o p i ca l s oi st h es u b - t o p i co f t h e h e n a np r o v i n c es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc h a l l e n g et o p i c ”t h es t u d yo ng r a i nm o i s t u r e c o n t e n to n 1 i n ef u z z yc o n t r o ld e v i c e ”( t h ep r o j e c ts e r i a ln u m b e r ：9 9 1 1 2 0 2 2 1 、 t h i st o p i cu s et w ol e v e l so fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ec o n t r o l sa n dt h ee x e c u t i o ns y s t e m t h a tc o m b i n gt h em i c r o w a v et e c h n o l o g y , t h em e c h a n i c a la n de l e c t r i c a ld e s i g n t h es l o p e a n g l ec o n t r o la n dt h ef i t t i n gt e c h n o l o g yc o m p o s e st h ec o n s t r u c t i o no ft h ew h e a tm o i s t u r e c o a t e n to b s e r v a t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g y t h em a i nr e s e a r c hw o r ko ft h et o p i ci n c l u d i n g f o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s ： f 1 1f i n d i n gt h er u l eo ft h ew h i t em o i s t u r el o s i n gf r o me x p e r i m e n t s ，d i s c o v e r i n gt h eb e s t w a yo ft h ew h e a tm o i s t u r em e a s u r eb e t w e e nt h em i c r o w a v ew o r k i n gt i m ea n dt l l em i c r o w a v e p o w e r ( 2 ) t h r o u g ht h em i c r o w a v ep r o p a g a t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c h ，d e s i g n i n gt h em a t e r i a l c o l u m n a ri m p o r ta n de x p o r to fm i c r o w a v eh e a t i n gf o m a c ea n dt h ec o p p e rp i p et h a tg u a r d i n g a g a i n s tm i c r o w a v el e a k a g e r e a l i z i n gt h eo n 1 i n eo b s e r v a t i o na n dc o n t r o lt e e h n o l o g y f 3 、d e s i g n i n gm i c r o w a v ec a l e f a c t i o nm e t h o dm o i s t u r ec o n t e n tr e c o g n i z e r , l o w e rp o s i t i o n m a c h i n eh a r d w a r es i g n a lg a t h e r i n g ，t h ea dc o n v e r s i o n ，t 1 1 ed a t at r a n s m i s s i o n ，t h ee l e c t r i e t i r e u i t ，w a t e rv o l u m ec o n t r o l ，t h es o f t w a r ep r o c e d u r ea n ds oo n c o m p i l i n gm a n m a c h i n e c o n t a c ts u r f a c ep r o g r a l i aw i t hv i s u a lb a s i c ，r e a l i z i n gt h ed a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e nt w ol e v e l s o f s y s t e m sa n dt h ep r o c e s s i n ga n dm e m o r yo f t h ed a t a st o p i cm a i n l yt d e st od e s i g nt h er e a s o n a b l em a t e r i a li m p o r ta n de x p o r to fm i c r o w a v e h e a t i n gf u r n a c ea n dt h et u b ew h i c hc a na g a i n s tt h el e a k a g eo f m i c r o w a v e ，a tt h es o _ m et i m et h e t o p i cm u s ta n a l y z et h er u l ew h i c h1 0 s e sw i t l lt h ew h e a tm o i s t u r ec o n t e n tf r o mt h em a s s i v e e x p e r i m e n t s ，c a r r y i n go nt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g nb a s e do nt h ee x p e r i m e n tr u l e ， s t u d y i n gt h ea p p l i c a t i o no fm i c r o w a v eh e a t i n gm o i s t u r ec o n t e n td e t e r m i n a t i o nt e c h n o l o g yi n t h ew h e a tm o i s t u r ec o n t e n to n - l i n eo b s e r v a t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：m o i s t u r em e a s u r e ，m i c r o w a v ec a l e f a c t i o n ，m c ua p p l i c a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河 南工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 论文作者签名：日期：鲨! 兰：瑟 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河南工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；本人授权河 南工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保 密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名_ 担菇 日期：丛：尘：鲨 导师签名： 日期： 小麦水分在线测控技术研究 第一章绪论 1 1 目前小麦水分测量的方法和水平 对食品工业的重要原料面粉的研究中，有大量的面粉特性参数需要测定，而小 麦在加工的过程中，麦粒的众多特性参数和加工的方法直接影响着面粉的质量。在对小 麦的储藏和加工的过程中，小麦的水分含量是一个重要的特性参数，要对小麦水分进行 测控就需要研究小麦水分精确而快速的测定方法。 目前小麦的水分测定的方法有很多种，其大体可以分为以下几类： ( 1 ) 近红外水分测量方法1 1 j 近红外水分测量的原理是依据水分子对某特定波长的近红外线吸收强烈的原理来 测定物料的水分的。它有两种基本的测量方法：透射式和反射式。透射式是利用一束一 定强度的红外光线透过一定厚度的样品，再测量该光束被吸收的程度来确定样品水分含 量：反射式是利用测量被测物品的表面的近红外光强来确定被测物品的水分含量。由于 反射式测量法在测量样品的处理和光学设计上的特点，其湿度范围在o - 5 0 时，反 射式测量法更适用于工业流水线。 近红外水分测定是近红外分析仪技术的重要分支，其分析的基础是l a m b e r - - b e e r 定律： e = l n ( 1 0 1 ) = e c d 2 ( 1 1 ) 式中：e 为吸光度，i o 为入射光强，i 为出射或反射光强，c 为某一物品的浓度，占为吸 收系数，d 为样品吸收厚度。显然样品浓度越高，出射光线就越弱，或者说光线被吸收 的越多，即吸收光度e 与待测物品的浓度c 成正比。 ( 2 ) 电容式水分测量方法 根据谷物( 如小麦) 与水分的介电常数差异较大的性质来测量小麦的水分含量。一 般而言干燥谷物的相对介电常数约为2 9 ( 常取4 ) ，而水的相对介电常数为8 1 8 2 ， 当谷物的含水量不同时，其介电常数是不同的。可以证明：当其他条件确定时，构成电 容的电介质的介电常数不同，电容量也不同。若以空气为介质，其电容量为c o ，则采用 相对介电常数为占r 的电介质时，该电容器的电容为c = 占r c o ，根据这一原理，小麦在含 水量不同时其相对介电常数也不同，即s ，不同，可以测定电容值的变化来推算出物料的 含水量。 ( 3 ) 电导法水分测量方法 电导式水分仪是利用物体的电导或直流电阻随其含水量的不同而变化的原理设计 河南工业大学硕士学位论文 的，根据电导的变化来检测物体的含水量。电阻r x 与含水率m 的关系为： m = k i + k 2 1 n r x ( 1 2 ) 式中k l 、k 2 为常数，含水率与电阻之间呈对数关系。电导式水分仪具有结构简单，响 应速度快，成本低等优点；缺点是一般需要把粮食磨碎，压制成固定大小和形状的电阻， 不宜检测微量及高含水量物质的水分，此外，电极与样品接触时的状态，也会影响检测 的精度。 ( 4 ) 微波吸收法小麦水分的测量 水与粮食的介电常数相比特别高，而且在超高频范围内存在介电损耗最大值“微波 法就是利用超高频能量通过样品产生能量损耗的变化计算出水分值”根据电磁能量关 系，超高频能量在含水物质中的衰减量w ( d b ) 为 w = 8 , 6 8 6 a b m p a + l r 一m 。e o s 2 b t ( 1 3 ) 式中m 为相对水分含量：h 为空气与被测物之间反射系数的模；b 为含水物质的相数； 为水的衰减系数；p 为密度因数；k 为材质因数；t 为被测物的厚度。若被测物厚度 t 足够大时，公式( 1 - - 3 ) 第三项可忽略，水分含量表示为 m = 丽w 吾- 丽 r l ( 1 一a ) 8 6 8 6 口。p 衙 微波吸收法的优点是非接触测量，能检测水分含量的绝对值，可以连续在线检测。缺点 是受形状、密度、厚度等影响，仪器结构复杂，价格高。 综上所述，谷物的水分检测目前已有很多种方法，但是这些方法都存在以下两点突 出的问题： 电容、微波吸收等水分检测方法属于间接测量。当测量粮食的含水量变化较大 或测量粮食的不同品种时，需要重新标定设备的相关参数，而旦参数改变， 参数之间的合理匹配较难，设备的测量精度难以保证； 目前水分检测设备的精度和可靠性受环境影响因素影响较大，特别是测量时的 温度和湿度因素对测量值的影响显著。 以上的各种方法都被应用到实际的测试产品中，使用起来也较方便，这些产品都是 机电一体化技术发展的成果。但是随着微波技术在食品工业的广泛应用，微波技术对食 品实验的贡献也越来越大，从而使人们对微波在食品领域的应用也越来越莺视。如微波 干燥、微波加热、微波灰化、微波消解及微波萃取等多种实验仪器正在被广泛的应用到 食品工业实验中。其中微波水分测定也是研究分支之一，进过初步的调研，目前国内在 微波技术食品应用领域也开始了相关的理论及实验研究，并取得相应的技术成果。但是 2 小麦水分在线测控技术研究 在微波加热法小麦水分测量技术的研究中，国内的研究还并不深入，特别是将微波加热 技术应用到在线小麦水分测量的领域中。 国外，美国的c e m 公司是全球最大的微波化学仪器生产商。在杰出的微波化学专 家d r m i c h a e lc o l l i n s 的带领下，目前c e m 已, 经建立了微波设备在控制反应进程生命科学 和分析化学样品前处理应用方面的世界领先地位，不断研究和探索微波化学机理，开拓 主频2 4 5 g 1 8 g h z 之间的微波技术科研应用，取得了大量的成果和专利。 s m a r t - - s y s t e m5 微波水分固型物或挥发物测试仪( 如图l 一1 所示) 是c e m 公司目 前最新的s m a r t - - s y s t e m5 智能化微波挥发物含量测试系统。设计采用新的微波聚焦波导 腔槽技术，通过非金属结晶体单向波导，直接瞄准样品进行微波聚焦辐射，由于采用快 门大小调节控制导入微波当量，因此这种结构可以摆脱传统的开关磁控管功率调整方 式，同时利用相红外温控检测调节加热腔内温度，使测量更加准确。 图1 1s m a r t s y s t e m5 微波水分固型物或挥发物测试仪 c e m 公司的s m a r t - s y s t e m5 微波水分固型物或挥发物测试仪获得了五项发明专 利，在微波功率调节上和三相红外温度监控方面有着独特的巧妙设计及合理应用。国内 在微波加热法在线水分测量上目前还处于初始阶段，本课题就是基于上述分析的背景下 展开，尽管技术及相关的设计与国外有着很大的差距，但努力于通过实验与理论结合做 好前期的研究工作。 3 河南工业大学硕士学位论文 1 2 新型小麦水分测控技术研究意义 我国是一个农业大国，每年谷物的产量都非常巨大，在粮食产后储运和加工的过程 中因对小麦水分检测的不准确，会造成大批的粮食霉变、发芽、出粉率低、食用品质下 降，同时还导致储运和加工成本的大幅度增加。随着人们生活水平的不断改善和提高， 对食品的品种和质量的要求也越来越高。因此，如何强化科学管理和应用高新技术减少 粮食产后的损失并使之加工增值，是一项十分重要的任务，在粮食的储运和加工过程中， 应用“粮食水分的在线测控技术”是一项有效减少粮食损失并使之加工增值的高新技术。 虽然目前小麦水分测量方法较多，但都存在着精度、测量速度和受外界因素影响等 方面的影响，同时在多种测量的方式中，测量的环境对测量的结果影响很大。国外不少 的水分测量装置在精度和抗干扰方面都做了很多的工作，但是较高的价格也是制约其推 广应用的原因之一。现阶段伴随着微波科技的发展，微波技术在食品领域成功的应用， 微波对含水量较高食物加热的高效性，从而为小麦水分在线检测提供了的新的测量思路 3 1 。在借鉴国外微波对食品实验提供先进的应用技术之后，结合河南省科技厅农业科技 攻关课题粮食水分在线模糊控制装置的研究( 项目编号：9 9 1 1 2 0 2 2 1 ) ，提出了使用 微波加热技术对小麦水分在线检测进行研究，从而实现小麦水分在线测控技术新的突 破。 1 3 本课题研究内容 在小麦水分测控技术的研究中，本课题主要将工作集中在小麦水分测量环节的研究 上。在传统的食品实验中最准确的水分测定，将被测物放在温控烘箱里在1 0 5 _ + 2 c 的温 度下利用被测物前后的重量差值求出被测物的含水量 m ；塑 w l( 1 5 ) 这种方法虽然非常可靠且准确，但是费时繁琐，不适合水分快速的测定，只是在实验室 或者标定时使用。通过前面的分析，根据微波对水分快速加热的特性，再结合实验室1 0 5 2 摄氏度直接干燥水分检测的方法( 直接干燥法适用于那些不含或者含其他挥发性 物质甚微的食品，在温控烘箱1 0 5 2 温度下直接干燥失去所有物质的重量。具体干燥 时将样品切碎或磨细，样品的厚度不超过5 m m ，置于烘箱内干燥3 h ，然后置于干燥器内 冷却0 5 h ，称量，再烘干0 5 h ，取出冷却，称重，至前后两次质量差不超过2 m g ，即为 恒重。利用前后的重量差求出被测物的含水量1 3 1 。) 可以利用微波对被测物( 如小麦) 进 行加热快速性，从而在短的时间内让粮食的水分损失，再根据加热前后的被测物重量的 4 小麦水分在线测控技术研究 差值求出被测物的含水量。 采用微波加热法测量粮食水分的方法属于直接测量的方法，可以避免其他的测量方 法受温度和湿度因素的影响，同时由于微波加热的快速特性可以快速的测定被测物的水 分含量1 4 ，利用微波加热测定粮食水分的方法不需要在使用前对检测的参数进行标定和 调整。 本课题中微波加热法对小麦水分测量技术的研究主要针对以下几项： ( 1 ) 研究微波加热法对小麦水分测定的相关特性； 分析现有各种水分测量方法中干扰的因素在微波加热法小麦水分测量中的影响程 度，同时分析研究微波加热法小麦水分测量的可靠性、快捷性和便捷性。 ( 2 ) 研究微波加热法小麦水分在线测量技术 研究微波加热的特性、微波加热需要注意的问题、微波对小麦加热所需的时间及加 热不同阶段的加热功率和水分损失的关系。同时在此基础上研究在线微波加热炉、物料 进出开口、小麦重量的测量装罱、下微机信号采集、处理和控制系统。 ( 3 ) 研究微波法小麦水分在线测量的系统软件 在下位机进行数据采集、控制和通信的基础上编写上位软件，利用高效的数据通讯， 将小麦样品的实时重量及时的发送到上位软件，从而进行数据处理和存储计算含水 量并以变化曲线图的方式显示出来，编写动态实时小麦信息的显示模块，并同步将小麦 重量和水分信息存储到a c c e s s 数据库。 5 河南工业大学硕士学位论文 第二章微波加热法小麦水分测量平台的研究 2 1 系统测量平台 系统测量平台微波加热炉平台主要由磁控管微波发生机构、物料加热管、物料 上下进出开口的机电结构机构组成，同时重点考虑开口处微波泄漏问题的防护及称重传 感器的合理安装。具体细节将在下文分别加以介绍。 2 1 1 微波加热 微波对物质的加热和传统的加热方式有着直接的区别，传统加热方式是利用外界物 体发热，然后通过热传递将外部热量传递到被加热物质的内部，是一种从外到内的加热 方式。而微波加热是利用交变的微波场对物质的快速极化摩擦生热的一种方式，由于内 外同时发热，所以内部的温度上升较快，是一种从内向外的加热方式。 2 1 1 1 微波的产生和传播 微波是电磁波的一部分，它是频率很高或者说波长很短的一个波段，通常是指波长 在t m 到l m m ，频率从3 0 0 m h z 到3 0 0 g h z 的位于红外辐射光线和无线电波之间的一段 非常特殊的电磁波【5 1 。由于微波的应用极为广泛，为避免相互间的干扰，供工业、科学 及医学使用的微波频段是不同。在实际应用中，为了方便起见，常把微波波段简单的分 为：分米波段( b d m ) ( 频率从3 0 0 3 0 0 0 m h z ) 、厘米波段( b c m ) ( 频率从3 3 0 g h z ) 、 毫米波段( b m m ) ( 频率从3 0 3 0 0 g h z ) 及亚毫米波段( 频率从3 0 0 3 0 0 0 g h z ) 6 1 。 我们这里所用的是频率为2 4 5 0 m h z 的微波。 微波常由直流或5 0 h z 的交流电通过一个特殊的器件来获得，可以产生微波的器件 有很多种，主要可分为两大类；半导体器件和电真空器件，电真空器件是利用电子在真 空中的运动来完成能量交换的器件，或称之为电子管。半导体器件在获得微波大功率方 方面与电真空器件相比，至少相差三个数量级。磁控管就是一种能产生大功率微波的电 真空器件。 磁控管可在1 s 内发出几百个至几千个相互间隔的电波信号，即脉冲，也可以发射不 间断的连续电磁波，前者称为脉冲磁控管，主要用于雷达。后者称为连续波磁控管，由 于它能高效地连续输出大功率微波能，早期应用于工农业加热系统、微波治理、家用微 波炉中 7 1 。 磁控管的工作原理是基于电子在电磁场中的运动原理。当磁控管阴极与阳极之间存 6 小麦水分在线测控技术研究 在着一定的直流电场时，从阴极发射的电子受阳极上正电位的作用而加速向阳极运动。 由于空间交叉存在着电场和磁场，且电场和磁场的方向垂直，同时也与电子运动的方向 垂直，因此，电子并不象只受电场作用那样向阳极加速前进，丽是沿着周围轨道运动， 它在到达阳极的过程中，不断地把由电子电场中获得的能量转换为各个小谐振腔中高频 振荡所需的能量，最终在各个小腔中激起了振荡。因此，在一个正在工作的磁控管中， 不仅有加在阴阳两级间的直流电压形成的稳定电场，而且还在由各个小谐振腔中电子振 荡产生的交流电场。由电子与小谐振腔的瞬间相对位置的不同，这种场既能增加又能减 小电子运动的角速度，当电子运动速度降低时，其所损失的能量不会消失，而是交换给 了高频电磁场，使高频场增强，这种能量的交换会不断发生( 取决与电子运动过程中所 经过的位置) 、直到电子撞到阳极，没撞到阳极上的电子，由于场的作用，会重新返回 到阴极附近，当电子返回到阴极附近时，它又受到电场的加速而飞向阳极，进行第二次 能量交换，循环往复直到最后落到阳极，进行第二次能量交换，循环往复直到最后落到 阳极，被阳极收集为阳极电流，这样便使振荡维持下去，高频场从电子处获得能量后， 再以电磁波的形式辐射出去，即是我们所要利用的微波【8 j 。 微波是电磁波，它除了具有一般无线电波的共同性质以外，还具有许多与低频无线 电所不同的特性。 1 似光性【9 】 由于微波的波长很短，所以具有类似于光波的特性： ( 1 ) 在自由空间中是横波，并以光速沿直线传播。 ( 2 ) 在不同物质的分解面上，要发生反射和折射，特别是遇到金属表面将发 生反射，其反射方向符合光的反射规律。 ( 3 ) 当入射波与反射波相遇叠加时，能形成波的干涉现象，其中包括驻波现 象。在微波波导或谐振腔中，微波电磁场的驻波分布现象就很常见。 ( 4 ) 遵守波动的基本规律，如c o = z f ( 这里f 是与波长z 对应的振荡频率) 、 多普勒效应和惠更斯原理等。 2 频率高 由于微波的频率很高，因此，在电路频率特点上，就必须考虑在低频时不起主要作 用的趋肤效应、辐射效应和分布参数效应等高频效应。在低频下通常所采用的集中参数 元件、普通双线传输线线和l c 谐振回路等都不再适用微波系统。在微波领域里，通常 用所谓“场”的概念来分析系统内电磁波的结构，用波导传输线、谐振腔和由它们所构 成的分布参数电路元件来构成微波电路，用功率、频率、阻抗、驻波等作为微波测量的 基本量。 7 河南工业大学硕士学位论文 而且，由于微波频率很高，其辐射效应更为显著，这就意味着微波在普通的导线上 传输时，伴随着能量不断地向周围空间辐射，波动传输将很快地衰减，所以对传输元器 件有特殊要求。微波能量的空间分布同一般电磁场地能量分布一样，具有空间分布性质， 那里存在电磁场，那里就存在能量。 3 ，穿透能力强 微波有很强的穿透能力，当微波对介质发生作用时，介质将吸收微波射出地能量， 不同的介质对微波能的吸收能力不同，随着微波向介质内部的渗透，微波的能量指数衰 减，表示微波穿透的物理量为半衰深度，它表示入射微波功率衰减至一半时的深度，表 示为： d ：丝堇堑( 2 1 ) f x g t 9 6 式中f 微波频率 s ，介质相对介电常数 增占介质损耗角的正切 4 选择性强 微波与介质相互作用时，表现出极性的选择性。对非极性或弱极性的介质几乎呈透 明状态，即不起什么作用；而极性强的介质在微波场的作用下，将发生极化，使介质内 部分子发生转动，介电常数通常是介质极化能力强弱的标志，介电常数越大，介质的极 化能力越强。微波场对介电常数大的介质的作用十分显著，比如：水，牛肉等 1 0 1 。 2 1 1 2 微波对物质加热原理 食品中的水分、蛋白质、脂肪、糖质等，都属于电介质。在电磁场中它们都会发生 极化反应，尤其是食品中都含有相当多的水分，这些水分分子是为微波域内极化运动产 热的主要物质。水分子是极性分子，其共价键电子分布并不在中心，即正负电荷重心并 不重合，相当于偶极子。在自由状态下，这些分子极性呈杂乱排列，正负极抵消，总体 不显电性，但在交变电场中时，这些偶极子的水分子就会跟随电场作极化运动，如图2 1 所示【l l 。极化运动使水分子不断随电磁场的方向的变化而转动。当电场频率增加， 就会使水分子极化运动加快，产生大量的摩擦热。换句话而言，就是使介质的电损耗 占”( 如表2 1 所示【1 0 1 ) 增大。而在微波频率区域s ”最大，就是微波加热效应最显著 的物质。 8 小麦水分在线测控技术研究 表2 1 不同物质的微波损耗因数 从表可以看出，利用微波可以对水分子这样的偶极子进行高效率的加热。从微观上讲， 利用一般家用微波频率( 2 4 5 0 m h z ，也即本课题加热炉的微波加热频率) 加热，就意味 着使分子在l s 内发生1 8 0 。来回转动2 4 5 亿次。如此强烈地摩擦必然引起热运动的加 剧。高频波加热的原理与微波相同，因此这两种加热也通常称为介电感应加热【l o l 。 微 波 2 1 1 3 微波的危害及防护 图2 1 微波加热原理图 微波加热物料具有时间短、升温快和内外同时升温的特点，是一种完全不同于常规 的加热方式。随着家用微波炉的使用和普及，人们逐渐认识这种加热技术的特点和优越 性。工业微波加热设备或者家用烹饪微波炉，作为一种电气设备产品，它的使用安全性 需经产品安全检测，并符合国家规定的防护安全标准。微波设备的防护安全性包括设备 的电方面和微波方面的两种安全性，而人