粮食水分和温度是粮食仓储过程中的重要参数,将它们控制在适当范围是保证储粮安全的重要手段,而目前粮食水分检测方法费时费力,无法实现就仓在线检测。虽然有如红外法、谐振腔微扰法、电容法等方法可以实现在线检测,但它们感知区域有限,检测结果对于储粮水分缺乏代表性。微波透射法具有较好的穿透性,可以适用于大范围粮食的水分检测,但是检测结果受粮食体密度和温度影响较大。当前储粮温度检测中大量采用的传感器会严重干扰微波信号,这制约了微波透射法在储粮水分检测领域的应用,因此在粮仓中微波透射法需要与一种非侵入式测温方法配合使用。声波测温法是一种非侵入式的测温方法,因其具有较好的穿透性使它适合与微波透射法结合应用于储粮检测领域。本文为融合微波和声波检测技术实现储粮水分和温度的检测,主要工作和创新成果如下:第一,研究粮食复介电常数测量方法。本文运用仿真方法研究终端开路的同轴复介电常数探头应用于粮食测量领域时的设计约束,研究结果显示探头感知区域半径需达到粮食颗粒长度的2.5倍以上,而且在1～5 GHz频率范围探头感知区域半径近似随着内导体半径的增大而线性增大。在此基础上设计制作了适用于颗粒长度小于10 mm小麦的复介电常数测量探头,并且在考虑样品槽对电磁场影响的情况下,采用模式匹配法建立探头端面反射系数的解析模型,利用最小二乘法实现模型正问题求解(由被测小麦复介电常数计算探头端面反射系数),利用窄带扫频法和卷积神经网络算法实现模型逆问题求解(由探头端面反射系数计算被测小麦复介电常数)。第二,建立粮食水分、温度、体密度与复介电常数的关系模型。通过测量12组湿基水分在1.1%～25.4%范围的硬白冬小麦样品在15～35℃、1～5 GHz的复介电常数,分析频率、水分和温度对复介电常数的影响。分析结果显示在1～5 GHz范围,小麦介电常数随着频率的增大而减小,小麦损耗因子随频率的变化与水分相关,当湿基水分小于7.9%时损耗因子随着频率的增大而减小,而当湿基水分大于等于7.9%时损耗因子随着频率的增大而增大。频率固定时,小麦介电常数随湿基水分的增大而增大,损耗因子随着湿基水分增大呈现先缓慢增大再快速增大最后慢速增大的趋势。小麦介电常数和损耗因子都随着温度的增大而增大,并且增大程度随频率增大而减小,随湿基水分的增大而增大。在此基础上,将小麦看作干物质、结合水、游离水和空气的混合物建立小麦的复介电常数模型(R2>0.99),并且温度对模型的影响可以采用一组线性函数修正。此外,通过解耦模型可以分别得到小麦湿基水分模型(R2>0.99)和小麦体密度模型(R2>0.97)。第三,建立粮食水分、温度、体密度与粮食中声速的关系模型。通过测量12组湿基水分在1.1%～25.4%范围的硬白冬小麦在低、中、高三种体密度下和15～25℃下的声速,发现500～1500 Hz声速随着频率的增大而增大,这种变化趋势可以用二次曲线拟合。对于同频率的声波,声速随着湿基水分的增大呈现先减小后增大的特性,这种趋势也可以用二次曲线拟合。对于确定水分的小麦,声速随着温度的增大而增大,随着体密度的增大而减小。在此基础上,本文建立了描述小麦中声速与湿基水分、温度和体密度关系的模型(R2>0.97)。此外,考虑到小麦水分是通过影响小麦堆中的孔隙尺寸进而影响声速,本文利用等效流体JCA(Johnson-Champoux-Allard)模型和粒子群算法实现小麦堆中平均孔隙尺寸的估计,并且研究发现平均孔隙尺寸随着水分的增加呈现先缓慢减小后增大的现象。第四,提出融合微波和声波的粮食水分、温度和体密度检测技术。为解决粮堆水分、温度、体密度对多种电子传感器存在交互影响问题,本文采用微波和声波透射法相结合的检测方法,通过测量粮食的复介电常数和粮食中的声速,并结合复介电常数模型和粮食中声速模型实现水分、温度和体密度的计算。在此基础上,设计搭建实验装置验证本文提出方法的有效性。通过测量实验装置未装入粮食时(空气作为填充介质)微波信号的时延和衰减以及声波信号时延实现实验装置的校准。在考虑仓储小麦常见的湿基水分范围下,采用湿基水分范围:11.8%～17.2%、温度范围:25～35℃、体密度范围:737～790 mg/cm3的12组样品作为实验对象验证本文提出方法的有效性,实验结果显示湿基水分测量绝对误差小于0.7%、温度测量绝对误差小于0.9℃、体密度测量绝对误差小于10mg/cm3。