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在线式微波湿度检测系统研究 |
| 摘 要：在纺织品后整理阶段，湿度直接影响生产的质量和企业的效益。微波是目前正在研究的一种比较先进的在线检测方法。本文讨论了水对微波的作用机理及微波测湿的原理，提出了克服传统烘干法不能实现在线测量的缺点的解决方案，介绍了微波湿度检测系统的软、硬件设计;着重介绍了基于ARM7微处理器的数据处理与传输的硬件实现。 关键词：微波 湿度 在线检测 织物 Abstract: In the follow-up stage which textiles are handled, the water content directly influences the quality of production and the benefit of enterprise. Microwave is one of the advanced measurement on-line methods at present. This paper discusses the characteristics of water on the microwave and the principle of microwave moisture detection, proposes a solution that overcomes the traditional drying method not be achieved on-line measurement, introduces hardware and software design of the microwave moisture detection system; and emphatically notes the realize of data processing and transmitting based on ARM7. Key words: Microwave Moisture Detective On-line Textile 引言 随着科学技术的发展，人们对纺织材料的加工处理提出了新的更高的要求。而纺织印染业在我国国民经济收入中占有较大的比例，是我国主要产业之一。但我国每年仍需进口几十亿美元的高档服装面料用于出口服装的加工。这主要是因为我国印染工艺和装备落后，尤其是自动化水平低，染整设备工艺参数在线检测跟不上，从而导致产品整体水平低，档次和附加值不高。纺织品档次的高低在很大程度上取决于染整后处理水平。作为染整后整理的关键工艺参数，湿度的在线检测倍受关注，它直接影响到工艺的可靠性、合理性。为此国家明确指出，用先进技术提升、改造纺织等传统产业，提升印染后整理技术势在必行。 我国测湿技术的研究有一定的基础，但在生产实际中的应用与世界先进国家相比还有一定的距离。国外已经有成熟产品问世，但是这些检测系统及传感器应用于国内企业的生产线时，还存在价格高、兼容性差和操作难度大等问题，使之不能在国内广泛推广与应用。 由此可见，在国内研究开发织物湿度的在线检测系统势在必行，而使用微波测湿是目前最有发展前途的一种方法，它比红外线法和放射线法好，因后者只能测样品表面或具有辐射危害，而微波法则能测出整个样品的湿度或作局部性检测，而所需的微波辐射很小对人体无害。把微波检测用于织物湿度的在线检测系统并应用于生产实际，实现对设备的控制，对保证产品的质量、节约能源和提高企业的效益都具有一定的现实意义。 1 水对微波作用机理与频率选择 水是一种电介质，水分子是非线性结构的，该结构使它产生恒定的偶极矩为 式中的 在上式中， 在上式中包含三个常数 弛豫过程与温度、基质的物理、化学和生物特性有关。水的弛豫频率处于微波波段，因此水对微波的吸收比干固体高几千倍，这种显著的差别表明，材料中含水量的多少是决定湿材料介电常数的基本因素，这是根据测量材料介电常数进行微波测湿的物理基础。湿料在低频段，因离子导电而使衰减增大， 2 微波测湿原理及步骤 微波是电磁波中介于普通无线电波（长波、中波、短波、超短波）与红外线之间的波段，它是属于无线电波中波长最短即频率最高的波段，其频率范围从300MHZ（波长lm）至300GHZ（波长0.lmm），按照波长的不同，通常可以将微波波段分为分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波四个波段。由于水与干固体对微波的吸收相差悬殊，且微波对物体的穿透性强。水分子对微波作用的宏观效果是使微波能量发生衰减，微波接收器获取的能量变化则反映了基质含水量的多少。 微波测湿原理为：利用微波特性来检测织物湿度。由发射天线发出微波，此波遇到织物时将被吸收，使微波功率发生变化。利用接收天线，接收到通过织物的微波，并把它转化为电信号，再经过信号调理电路，通过测量微波的功率损耗，由湿度与微波衰减量的关系曲线即可以得到湿度，实现了微波检测[2]。微波发射/接收装置如图1所示。  图1 微波发射/接收装置 测量步骤为：首先在一定条件下测得标准样品的含水量与微波衰减量的关系曲线——定标曲线。则在同样条件下，测定待测样品的微波衰减量，就可以从定标曲线上查得相应的湿度。制作定标曲线的标准样品称为定标样品，其含水量是由经典测含水量的方法“烘干法”给出的。因此，该测湿方法属于相对测量。 3 系统整体的设计与实现 3.1 系统电路设计 湿度在线检测装置采用双通道检测方式，主要由信号源、测量部分、信号采集及处理、数码显示和上位机接口等五部分组成。其基本组成框图如图2所示。  图2 湿度测量系统结构框图 信号源采用自带隔离器的点频微波源，以防微波反方向传输。 在数据采集电路中，接收/发射天线采用带波导同轴转换器的低副瓣透镜天线，信号放大电路采用的是直流放大器。 微处理器采用的是基于ARM7TDMI 核的S3C44B0X，它包含8通道多路ADC， 8个地址空间，4路组相联统一的8KB Cache，未作为Cache 使用的Cache 存储空间可作为片内SRAM使用，支持5位、6位、7位、8位串行数据传送/接收，16位的看门狗定时器，1个基于中断操作的多主的I2C 总线，完全满足系统的需要。 ARM7TDMI 通过USBN9603 与上位工控机进行数据的交换。在该设计中采用非复用8位并行总线模式。因为该模式中没有使用DMA 方式，因此DACK 接高电平。CPU 通过译码器生成的CS1 对USB 控制器进行选通，USBN9603 通过EXINT0 对CPU 发出中断请求。ARM7TDMI 与USBN9603 的连接如图3所示。  图3 ARM7TDMI 与USBN9603 的连接图 其测量过程为：信号源发送的微波，经过可变衰减器、同轴传输线后，被T型头分成两路：一路经过隔离器2和信号放大电路直接输入到微处理器;另一路通过波导转换器输送到发射天线，再经过织物，被接收天线接收，被接收到的信号由隔离器3和信号放大电路，输入到微处理器。最终两路信号经过处理后，调用特征曲线得出湿度，送给显示电路显示，完成与上位工控机的数据交换，达到对湿度测量的目的。 3.2 软件设计 本系统中，软件采用模块化结构设计，用C 语言编写。整个程序主要包括主程序、A/D转换、数据采集与处理、查表、显示和USB 接口控制等子程序模块。 该系统程序的整体设计方案是：把S3C44B0X 的初始化子程序作为主程序，调用其他的子程序对检测的数据进行处理，并存储和显示结果。系统主程序流程图如图4所示。  图4 系统主程序流程图 在该系统中，上位机主要通过USB 接口完成与湿度测量系统的微处理器的实时通讯和数据库的访问功能。系统启动后，操作人员通过上位工控机的人机界面向系统输入设定的湿度范围，系统通过湿度测量系统测出的湿度，与设定值相比较，若超出了设定范围，系统输出控制指令，接通相应的设备，并发出报警。 USB 接口控制程序包括USB 读/写、中断初始化 、初始化USB 和中断服务程序几个部分。对USB控制器进行读/写操作，主要是设置内部地址寄存器，指明要读/写数据的起始地址;初始化中断主要是初始化中断控制器及中断模式，并指明中断输入引脚;初始化USB 需使用USB 读/写函数对USB 控制器内部的控制寄存器进行设置;中断服务程序处理USB 控制器产生的中断，将数据从USB 内部FIFO 读出，并建立正确的事件标志，以通知主循环程序处理。流程图如图5所示。  图5 USB 接口控制程序流程图 4 结束语 本文主要介绍了织物湿度在线检测系统，适合于卷染机、轧染机和烘房等印染设备。系统采用对定标点进行3次测量，然后将3次测量结果取算术平均值的算法，可以达到消除失配误差的目的。且利用一种特殊的测量方法和双通道硬件电路设计，使该系统具有较高的测量精度和可靠性。目前已完成了微波测量原理的分析与研究和整个测量系统的设计，并利用实验室现有资源对该测量方法进行了实验验证。研究结果表明，该系统的原理具有可行性和合理性，对提高染整设备工艺参数的在线检测技术水平有重要意义。 |
，故水是极性物质，具有很强的极化特性。在微波电场中，水分子发生取向极化：一方面，不断从电场中得到能量而转换为水分子的势能并存贮起来，储存能量用
度量;另一方面，由于水分子具有惰性，取向极化运动相对于外电场的变化存在一个时间上的滞后，称为弛豫。而电场的变化也使水分子向相反的程序进行，即水分子又不断地释放能量，释放能量用
度量。前者表现为对微波信号的相移，后者表现为对微波信号的衰减，这一特性用水分子的介电常数（电容率）
来表征，即有：
（1）
和
分别为
（2）
（3）
为弛豫时间。 
是无限大频率（光频）的介电常数。
为静态介电常数，对应极低的频率[1]。在低频或高频时， 
为常数，其渐进值分别为
和
。它在弛豫频率附近，转变也很缓慢。其虚部
在低频或高频情况下，都很小，只是转变区域变得较大。因为在低频区，极化得以充分进行，每周的损耗正比于频率。而在高频区，由于极化不能进行，故损耗也随频率的升高而消失。实际上，只是极性损耗消失，而在毫米波波段由于电子和原子极化，总的损耗保持在一个很小的恒定值上。在弛豫频率上， 
达到极大值
（4）
、
和
。 
是由于电子极化和原子极化所产生，因此于温度无关。由于随温度的升高，无序性增加，使
随温度的上升而减小。 
和温度成反比的。
与湿度的相关性好，但
与湿度的相关性差。但当频率达到10GHz以上时，
只与湿度有关，而与材料无关[1]，故选用该频段用于微波测湿。