论文部分内容阅读
摘要：本文通过分析微波谐振技术原理，结合卷烟机研制生产中的烟支重量控制过程，针对卷烟机原有放射源测量系统存在安全隐患的弊端。提出了使用毫瓦级微波系统对烟支重量进行实时测量，并对测量信号产生和处理技术进行了深入探讨。
关键词：微波；谐振；卷烟机重量控制系统
中图分类号：TS43 文献标识码：A 文章编号：1671-864X（2016）11-0283-01
微波是一种频率在300MHz～300GHz的电磁波。在微波频段，水的介电常数和损耗角正切远大于普通脱水物料，所以用微波照射含有水分的物料时，其能量会被损耗很大。基于这种特性，当被测物料通过微波谐振腔时，会引发谐振腔谐振频率的偏移和功率的衰减，通过检测谐振腔谐振频率的偏移量和品质因数的变化，经过后续的数据处理即可得到被测物料的密度。
烟支密度微波检测系统研制微波是基于一种特殊的微波谐振方法运行的在线密度测量仪。在测量过程中需要不断地测定微波谐振器的电气参数。这些参数用于专利的数据处理运算法则中计算在谐振器活动测定区内的产品密度。
每个谐振器都有两个独立的参数：谐振曲线的幅宽和谐振频率。知道了这两个参数，不仅可以计算出产品的密度，还可以计算出另一个独立的产品参数：产品的水份。
测量所用的微波功率非常小（小于10毫瓦），因此探头活动测量区内的物料不会被加热，温度不会改变。从探头发出的电气功率（功率的一部分，用来引导激活测量区的）可以忽略不计，使用这种微波系统实现对烟支密度的测量，对人体绝无伤害有助于解决原来使用放射源带来的对卷烟机械操作人员的电离辐射伤害问题。是一种安全可靠的测量方式。
烟支密度微波测量系统硬件特别配置的数字信号处理电路，测量速度非常高，每秒可进行13000次测量，即每76微秒就可以测定一个密度值（也可选水份值）。这些数值通过模拟输出端口输出，可用于控制生产进程。从而实现检测每一段烟支的烟丝重量，或者采用烟支截面测量烟支密度。ARM架构的测量控制单片机对微波测量数据进行统计后转换为与原来放射源系统输出相同的0-10V直流模拟信号或0-1KHZ频率信号。送入卷烟机重量控制系统（如MAID N），或简单控制设备（如MWC）来进行数据计算，完成平均重量控制、计算、统计以及重量超差烟支的以为提出功能。
微波测量烟支密度原理
谐振腔是具有储能与选频特性的微波元件，样品引入谐振腔内， 引起腔内电磁波的振荡频率和品质因数发生变化。
当微波谐振腔空腔和有烟时的谐振曲线如图1.1，可以看出谐振腔谐振频率和半功率带宽的变化。
通过传感器测量烟条通过谐振腔后，电磁波谐振频率相对与空载状态的变化（MW）和谐振曲线相对幅宽变化（FMW）和温度（T），计算出烟支密度与湿度。（图一 微波谐振腔空腔和有烟时的谐振曲线）
具有一定体积且含水的物料可近似为由三部分组成的混合物：1）一定体积的空气；2）一定体积的干燥物料；3）一定体积的纯水。
通过大量实验数据，拟合数据表明：烟支湿度与谐振频率变化（FMW）大致成正比关系，并受烟支温度微小影响。
烟支密度与微波谐振曲线相对幅宽，谐振频率和谐振曲线绝对幅宽呈近似线性关系，并受烟支温度微小影响。
硬件组成上分，烟支微波检测系统包括：
微波发送、接收模块
谐振腔
温度测量和加热模块
数据分析和控制模块
1.微波发送、接收模块。主要负责微波信号的谐振激励发生和检测返回信号变换，以射频模拟电路为主。由于检测结果中需要的到谐振腔的频率特性曲线，微波发送模块需要产生幅度恒定，频率步进变化的扫频信号。接收模块则需要测量不同频率的交流信号的有效值。
2.谐振腔。主要负责使电磁波谐振，并导出烟条作用后谐振信号。金属空腔是常用的电磁谐振器，通过调节外部微波激励源信号频率与金属空腔本身特征频率一致，使电磁波在金属腔内发生谐振。由于微波腔受外部水分影响较重，需要外加吹风及加热装置，防止结露及温度变化影响密度测试的结果。
3.温度测量和加热模块。主要负责保证谐振腔内烟条温度保持恒定，减小检测结果非线性。温度测量一般采用pt铂电阻。
4.数据分析和控制模块。主要负责温度恒温控制（PID调节）、回波数据分析，换算、补偿等运算输出密度信号。要具有较高的运行速率，具有自校准功能。
在谐振腔恒温的情况下，由信号处理单元发出锯齿波扫频信号，通过VCO产生特定频率段的微波，此微波在谐振腔内会产生谐振，使特定频率微波的幅度加强，检波器检测谐振后的微波，产生与锯齿波对应的谐振曲线，信号处理单元采样谐振曲线后计算得到烟支密度。
参考文献：
[1]姚德淼，毛均杰.微波技术基础[m].北京：电子工业出版社， 1989
[2]刘兴鹏.基于微波同轴谐振腔物料密度测量技术的研究《哈尔滨工程大学》， 2010
关键词：微波；谐振；卷烟机重量控制系统
中图分类号：TS43 文献标识码：A 文章编号：1671-864X（2016）11-0283-01
微波是一种频率在300MHz～300GHz的电磁波。在微波频段，水的介电常数和损耗角正切远大于普通脱水物料，所以用微波照射含有水分的物料时，其能量会被损耗很大。基于这种特性，当被测物料通过微波谐振腔时，会引发谐振腔谐振频率的偏移和功率的衰减，通过检测谐振腔谐振频率的偏移量和品质因数的变化，经过后续的数据处理即可得到被测物料的密度。
烟支密度微波检测系统研制微波是基于一种特殊的微波谐振方法运行的在线密度测量仪。在测量过程中需要不断地测定微波谐振器的电气参数。这些参数用于专利的数据处理运算法则中计算在谐振器活动测定区内的产品密度。
每个谐振器都有两个独立的参数：谐振曲线的幅宽和谐振频率。知道了这两个参数，不仅可以计算出产品的密度，还可以计算出另一个独立的产品参数：产品的水份。
测量所用的微波功率非常小（小于10毫瓦），因此探头活动测量区内的物料不会被加热，温度不会改变。从探头发出的电气功率（功率的一部分，用来引导激活测量区的）可以忽略不计，使用这种微波系统实现对烟支密度的测量，对人体绝无伤害有助于解决原来使用放射源带来的对卷烟机械操作人员的电离辐射伤害问题。是一种安全可靠的测量方式。
烟支密度微波测量系统硬件特别配置的数字信号处理电路，测量速度非常高，每秒可进行13000次测量，即每76微秒就可以测定一个密度值（也可选水份值）。这些数值通过模拟输出端口输出，可用于控制生产进程。从而实现检测每一段烟支的烟丝重量，或者采用烟支截面测量烟支密度。ARM架构的测量控制单片机对微波测量数据进行统计后转换为与原来放射源系统输出相同的0-10V直流模拟信号或0-1KHZ频率信号。送入卷烟机重量控制系统（如MAID N），或简单控制设备（如MWC）来进行数据计算，完成平均重量控制、计算、统计以及重量超差烟支的以为提出功能。
微波测量烟支密度原理
谐振腔是具有储能与选频特性的微波元件，样品引入谐振腔内， 引起腔内电磁波的振荡频率和品质因数发生变化。
当微波谐振腔空腔和有烟时的谐振曲线如图1.1，可以看出谐振腔谐振频率和半功率带宽的变化。
通过传感器测量烟条通过谐振腔后，电磁波谐振频率相对与空载状态的变化（MW）和谐振曲线相对幅宽变化（FMW）和温度（T），计算出烟支密度与湿度。（图一 微波谐振腔空腔和有烟时的谐振曲线）
具有一定体积且含水的物料可近似为由三部分组成的混合物：1）一定体积的空气；2）一定体积的干燥物料；3）一定体积的纯水。
通过大量实验数据，拟合数据表明：烟支湿度与谐振频率变化（FMW）大致成正比关系，并受烟支温度微小影响。
烟支密度与微波谐振曲线相对幅宽，谐振频率和谐振曲线绝对幅宽呈近似线性关系，并受烟支温度微小影响。
硬件组成上分，烟支微波检测系统包括：
微波发送、接收模块
谐振腔
温度测量和加热模块
数据分析和控制模块
1.微波发送、接收模块。主要负责微波信号的谐振激励发生和检测返回信号变换，以射频模拟电路为主。由于检测结果中需要的到谐振腔的频率特性曲线，微波发送模块需要产生幅度恒定，频率步进变化的扫频信号。接收模块则需要测量不同频率的交流信号的有效值。
2.谐振腔。主要负责使电磁波谐振，并导出烟条作用后谐振信号。金属空腔是常用的电磁谐振器，通过调节外部微波激励源信号频率与金属空腔本身特征频率一致，使电磁波在金属腔内发生谐振。由于微波腔受外部水分影响较重，需要外加吹风及加热装置，防止结露及温度变化影响密度测试的结果。
3.温度测量和加热模块。主要负责保证谐振腔内烟条温度保持恒定，减小检测结果非线性。温度测量一般采用pt铂电阻。
4.数据分析和控制模块。主要负责温度恒温控制（PID调节）、回波数据分析，换算、补偿等运算输出密度信号。要具有较高的运行速率，具有自校准功能。
在谐振腔恒温的情况下，由信号处理单元发出锯齿波扫频信号，通过VCO产生特定频率段的微波，此微波在谐振腔内会产生谐振，使特定频率微波的幅度加强，检波器检测谐振后的微波，产生与锯齿波对应的谐振曲线，信号处理单元采样谐振曲线后计算得到烟支密度。
参考文献：
[1]姚德淼，毛均杰.微波技术基础[m].北京：电子工业出版社， 1989
[2]刘兴鹏.基于微波同轴谐振腔物料密度测量技术的研究《哈尔滨工程大学》， 2010