一种基于扫频微波穿透法的谷物含水率在线测量装置的制作方法

本发明涉及谷物品质检测，尤其是涉及一种基于扫频微波穿透法的谷物含水率在线测量装置，装置使用微波扫频信号在抑制多重反射影响的同时更加全面的获得谷物水分信息，是实现高精度的谷物含水率在线测量的关键装置。

技术背景

含水率是谷物的一个重要特性，对其物理、化学性质有着很大的影响。谷物的含水率影响其收获、存储、运输、加工等各个方面，更是某些粮食谷物质量评判的关键指标。微波检测方法作为一种新兴的快速无损检测方法，可以实现物料含水率的快速无损检测，其中的微波穿透法允许微波以空间辐射方式穿透待测的谷物，不仅可以检测谷物外表水，还可以检测谷物内部水分，含水率检测结果代表性好，故微波穿透法越来越多地应用到谷物含水率在线测量中。

微波穿透法需要两只微波天线安装在被测物料的上下两侧，一只天线发射微波，另外一只接收微波，微波辐射到测量空间中，穿透待测的谷物，接收天线接收透射微波信号，根据微波信号的衰减、相移等参数得到被测谷物的含水率。微波自由空间测量过程中会有多重反射的干扰，多重反射是衰减和相移测量误差的主要来源之一，已有学者提出采用微波扫频信号可以抑制多重反射的影响。cn200920033543.8提出了一种根据微波衰减量变化对织物含水率进行测量的装置，该装置只使用了单一频率的微波，而且在计算微波衰减时并没有考虑反射信号，导致计算的衰减值比真实衰减值大。cn201710017788.0提出了一种多频微波含水率检测系统，使用300mhz～2.4ghz的扫频信号，但是该检测系统针对的是液体，不适用于谷物。cn200910085533.3提出了一种双源双探头正交式微波测量含水率装置用于煤碳含水率测量，考虑到低频微波信号与高频微波信号的特性，使用2.4ghz和9.4ghz两种频率的微波，用到两套天线，测量装置较为复杂，而且在计算微波衰减时同样没有考虑反射信号，导致计算的衰减值比真实衰减值大。目前的基于微波穿透法的谷物含水率在线测量装置中，微波扫频信号的应用并不多，使用扫频信号不仅可以抑制多重反射的影响，而且可以更加全面的获得谷物的水分信息，此外，目前的基于微波穿透法的谷物含水率在线测量装置中微波收发天线之间的对准通常是用简单的测量工具结合人眼观察完成的，微波收发天线之间的对准精度差，两天线波束主瓣重合度不高，微波信号传输不完整，而且发射天线到被测物料的测量距离以及微波收发天线之间的距离设置的都较为随意，当微波天线应用于不同物料的含水率测量时，微波天线灵敏的位置区间并不相同，所以有必要调节发射天线到待测物料的测量距离以及收、发天线间距离至适当的值，因此，亟需一种具有微波收发天线自动对准，测量距离、天线间距离自动合理设置，使用扫频信号抑制多重反射影响的同时更加全面的获得谷物水分信息的谷物含水率在线测量装置。

技术实现要素：

本发明的目的是针对目前的基于微波穿透法的谷物含水率在线测量装置中的问题，多重反射对微波衰减和相移测量的干扰；微波收发天线之间的对准通常是用简单的测量工具结合人眼观察完成的，微波收发天线之间的对准精度差，两天线波束主瓣重合度不高，微波信号传输不完整；发射天线到被测物料的测量距离以及微波收发天线之间的距离设置的都较为随意，很难保证测量时微波天线均处于灵敏的位置区间，提供一种具有微波收发天线自动对准，测量距离、天线间距离自动合理设置，使用扫频信号抑制多重反射影响的同时更加全面的获得谷物水分信息的谷物含水率在线测量装置。

本发明解决技术问题所采取的技术方案是：

一种基于扫频微波穿透法的谷物含水率在线测量装置，包括微波发射端、微波接收端、天线升降平台、控制单元和输送机；微波发射端滑动设置在天线升降平台的下半空间，由天线升降平台提供z轴方向的移动；微波接收端滑动设置在天线升降平台的上半空间，由天线升降平台提供z轴方向的移动；微波发射端、微波接收端和天线升降平台均由控制单元控制；微波发射端用于发射微波信号和调节微波发射天线在xy平面中的位置，微波接收端用于接收微波信号和调节微波接收天线在xy平面中的位置，天线升降平台用于调节微波发射端和微波接收端在z轴方向的位置使装置工作在最优的检测距离，控制单元根据待测谷物的种类设置初始的微波扫频信号mss，保留mss中对应微波发射天线反射系数γ和驻波比ρ最小的3～5个频点构成优化的微波扫频信号mss’，mss’切换3～5个不同频率完成一次完整传输仅耗时几毫秒，从而可应用于在线测量。控制单元发射优化的微波扫频信号mss’，计算出微波扫频信号mss’各个频点下的微波信号的衰减a和相移φ，作为参数输入控制单元中由机器学习算法在实验数据上训练好的谷物含水率预测模型计算出当前待测谷物的含水率，输送机携带待测谷物从微波发射端与微波接收端之间形成的测量空间中穿过，不断更新测量空间中的待测谷物，实时在线测量谷物含水率。

进一步的，所述微波发射端包括发射天线单元和发射天线移动平台；发射天线单元搭载在发射天线移动平台，由发射天线移动平台提供xy两个方向的移动；发射天线单元包括微波发射天线、激光对射传感器接收端和第一传感器支架，激光对射传感器接收端通过两只自主设计的第一传感器支架与微波发射天线组合成一个整体，反映微波发射天线的位置.

进一步的，所述发射天线移动平台包括发射端x向导轨、发射端x向滑块、发射端x向框架、发射端x向电动推杆、发射端y向导轨、发射端y向滑块、发射端y向框架、发射端y向电动推杆和发射端超声波测距传感器，发射天线移动平台从空间上可分为发射端x层和发射端y层，发射端x向导轨、发射端x向滑块、发射端x向框架和发射端x向电动推杆构成发射端x层，第一传感器支架固定在发射端x向滑块上，发射端x向滑块滑动套接在发射端x向导轨上，发射端x向导轨和发射端x向电动推杆固定在发射端x向框架，发射端x向电动推杆的伸出端驱动发射天线单元沿发射端x向导轨滑动；

发射端y向导轨、发射端y向滑块、发射端y向框架和发射端y向电动推杆构成发射端y层，发射端x向框架固定在发射端y向滑块上，发射端y向滑块滑动套接在发射端y向导轨，发射端y向导轨和发射端y向电动推杆固定在发射端y向框架上，发射端y向电动推杆的伸出端与发射端x向框架固定连接，通过发射端y向电动推杆的伸缩实现发射天线单元沿发射端y向导轨滑动，发射端超声波测距传感器安装在发射端y向框架上，用于检测微波发射天线距待测谷物的检测距离。

进一步的，所述微波接收端包括接收天线单元和接收天线移动平台；接收天线单元搭载在接收天线移动平台，由接收天线移动平台提供xy两个方向的移动；接收天线单元包括微波接收天线、激光对射传感器发射端和第二传感器支架，激光对射传感器发射端通过两只自主设计的第二传感器支架与微波接收天线组合成一个整体，代表微波接收天线的位置。

进一步的，所述接收天线移动平台包括接收端x向导轨、接收端x向滑块、接收端x向框架、接收端x向电动推杆、接收端y向导轨、接收端y向滑块、接收端y向框架、接收端y向电动推杆和接收端超声波测距传感器，接收天线移动平台从空间上可分为接收端x层和接收端y层，接收端x向导轨、接收端x向滑块、接收端x向框架和接收端x向电动推杆构成接收端x层，第二传感器支架固定在接收端x向滑块上，接收端x向滑块滑动套接在接收端x向导轨上，接收端x向导轨和接收端x向电动推杆固定在接收端x向框架，接收端x向电动推杆的伸出端驱动接收天线单元沿接收端x向导轨滑动；

接收端y向导轨、接收端y向滑块、接收端y向框架和接收端y向电动推杆构成接收端y层，接收端x向框架固定在接收端y向滑块上，接收端y向滑块滑动套接在接收端y向导轨，接收端y向导轨和接收端y向电动推杆固定在接收端y向框架上，接收端y向电动推杆的伸出端与接收端x向框架固定连接，通过接收端y向电动推杆的伸缩实现接收天线单元沿接收端y向导轨滑动，接收端超声波测距传感器安装在接收端y向框架上，用于检测微波接收天线距待测谷物的距离，接收端超声波测距传感器与发射端超声波测距传感器采用相同型号的超声波测距传感器。

进一步的，所述天线升降平台包括机架、z向导轨、z向滑块、发射端升降推杆和接收端升降推杆；z向导轨安装在机架高边的内侧，发射端升降推杆安装在机架的上部，发射端升降推杆的伸出端与发射天线移动平台连接，带动微波发射端沿z向导轨做升降运动；接收端升降推杆安装在机架的下部，接收端升降推杆的伸出端与接收天线移动平台连接，带动微波接收端沿z向导轨做升降运动，发射端升降推杆和接收端升降推杆的固定端安装在机架高边不同平面的外侧，相互错开。机架是由铝合金型材和连接件组成的立体框架，长宽高尺寸为780*380*1250mm；四支z向导轨安装在机架高边的内侧，两两相对，其上的八个z向滑块分别与微波发射端和微波接收端相配合，允许微波发射端和微波接收端在导轨上升降运动；四支发射端升降推杆安装在机架的上部，其固定端固连在机架高边的外侧，伸出端通过销钉连接到微波发射端中发射天线移动平台的角点，伸出端伸出时带动发射天线移动平台沿z向导轨向下运动，微波发射端下降，伸出端缩回时带动发射天线移动平台沿z向导轨向上运动，微波发射端上升，四支发射端升降推杆的行程均达到500mm，满足微波发射端升降运动的要求；四支接收端升降推杆安装在机架的下部，其固定端固连在机架高边的外侧，伸出端通过销钉连接到微波接收端中接收天线移动平台的角点，伸出端伸出时带动接收天线移动平台沿z向导轨向上运动，微波接收端上升，伸出端缩回时带动接收天线移动平台沿z向导轨向下运动，微波接收端下降，四支接收端升降推杆的行程均达到500mm，满足微波接收端升降运动的要求；为避免发射端升降推杆和接收端升降推杆的运动之间发生干涉，发射端升降推杆和接收端升降推杆的固定端安装在机架高边不同平面的外侧，相互错开。

进一步的，所述控制单元包括嵌入式计算机系统、微控制器、微波信号发生器、隔离器、可变衰减器、第一定向耦合器、环形器、第二定向耦合器、第三定向耦合器、鉴相器、第一检波器、第二检波器、第三检波器、a/d转换器和温度传感器；嵌入式计算机系统通过总线连接到微控制器，微控制器与微波信号发生器相连，微波信号发生器、隔离器、可变衰减器和第一定向耦合器依次连接，第一定向耦合器的输出端和耦合端分别连接环形器和第二定向耦合器，环形器分别连接第二检波器和微波发射天线，第二定向耦合器的输出端和耦合端分别连接第一检波器和鉴相器，第三定向耦合器的输出端和耦合端分别连接第三检波器和鉴相器，鉴相器、第一检波器、第二检波器和第三检波器连接到a/d转换器，a/d转换器和温度传感器连接到微控制器；微波信号发生器产生装置测量时的微波扫频信号；隔离器、可变衰减器、第一定向耦合器、环形器、第二定向耦合器和第三定向耦合器是构成微波通路的微波器件；第一检波器、第二检波器和第三检波器测量微波信号的衰减，鉴相器测量微波信号的相移。

控制单元根据激光对射传感器反馈的信号，调整两微波天线的水平位置，实现天线自动对准。

针对不同种类的谷物根据控制单元的指令自动调节微波发射天线与被测物料间测量距离和天线间距离至优化值，使微波天线均处于灵敏的位置区间。

所述控制单元使用幅度一定、频率在测量带宽内连续变化的微波扫频信号作为装置的测量信号，在抑制多重反射影响的同时更加全面的获得谷物水分信息。扫频信号的中心频率f0与测量带宽bw由谷物的种类决定，并根据微波天线的特性参数对扫频信号优化，去除不良频点，将优化后的扫频信号作为装置最终的测量信号。

所述输送机包括机架、传送带、传动滚筒和电机。传送带使用透明材质，允许激光对射传感器发出的激光光束可以穿过传送带，电机通过传动滚筒带动传送带运动。

本发明带来的有益效果是：使用微波扫频信号作为测量信号，抑制多重反射影响的同时更加全面的获得谷物水分信息，同时，将天线对准、测量距离和天线间距离合理设置作为含水率测量时的一个基础，保证微波信号传输完整性且微波天线均处于灵敏的位置区间，提高测量精度，结合嵌入式计算机系统的强大运算能力，快速、高精度地实现谷物含水率的在线测量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明基于扫频微波穿透法的谷物含水率在线测量装置的轴测示意图；

图2是本发明基于扫频微波穿透法的谷物含水率在线测量装置的右视示意图；

图3是本发明发射天线单元的轴测示意图；

图4是本发明发射天线移动平台的轴测示意图；

图5是本发明微波发射端的轴测示意图；

图6是本发明微波发射端的左视示意图；

图7是本发明微波接收端的轴测示意图；

图8是本发明微波接收端的左视示意图；

图9是本发明微波发射端和微波接收端与天线升降平台相配合的轴测示意图；

图10是本发明基于扫频微波穿透法的谷物含水率在线测量装置的结构框图，主要是展示控制单元的组成器件；

图中，微波发射端1、微波接收端2、天线升降平台3、控制单元4、输送机5、发射天线单元11、发射天线移动平台12、微波发射天线111、激光对射传感器接收端112、第一传感器支架113、发射端x向导轨121、发射端x向滑块122、发射端x向框架123、发射端x向电动推杆124、发射端y向导轨125、发射端y向滑块126、发射端y向框架127、发射端y向电动推杆128、发射端超声波测距传感器129、接收天线单元21、接收天线移动平台22、微波接收天线211、激光对射传感器发射端212、第二传感器支架213、接收端x向导轨221、接收端x向滑块222、接收端x向框架223、接收端x向电动推杆224、接收端y向导轨225、接收端y向滑块226、接收端y向框架227、接收端y向电动推杆228、接收端超声波测距传感器229、机架31、z向导轨32、z向滑块33、发射端升降推杆34、接收端升降推杆35、嵌入式计算机系统401、微控制器402、微波信号发生器403、隔离器404、可变衰减器405、第一定向耦合器406、环形器407、第二定向耦合器408、第三定向耦合器409、鉴相器410、第一检波器411、第二检波器412、第三检波器413、a/d转换器414、温度传感器415。

具体实施方式

下面将结合附图和实例对本发明进一步说明。

如图1-2所示，一种基于扫频微波穿透法的谷物含水率在线测量装置，包括微波发射端1、微波接收端2、天线升降平台3、控制单元4和输送机5。微波发射端1与天线升降平台3连接，位于天线升降平台3的下半空间，由天线升降平台3提供z轴方向的移动；微波接收端2与天线升降平台3连接，位于天线升降平台3的上半空间，由天线升降平台3提供z轴方向的移动；微波发射端1与微波接收端2之间形成一个测量空间，输送机5穿过该测量空间，位于微波发射端1和微波接收端2之间，输送机5上的待测物料与微波发射1端辐射的微波扫频信号相互作用，透射微波信号由微波接收端2接收，反射微波信号由微波发射端1接收，透射微波信号与反射微波信号通过同轴线缆传输至天线升降平台3侧面的控制单元4进行处理分析。

如图3-6所示，微波发射端1包括发射天线单元11和发射天线移动平台12，发射天线单元11安装在发射天线移动平台12上，由发射天线移动平台12提供xy两个方向的移动。发射天线单元11包括微波发射天线111、激光对射传感器接收端112和第一传感器支架113，第一传感器支架113通过天线法兰固定到微波发射天线111的两侧，两个激光对射传感器接收端112分别安装到两只第一传感器支架113上，微波发射天线111与激光对射传感器接收端112组合成了一个整体，激光对射传感器接收端112可以反映微波发射天线111的位置。

发射天线移动平台12包括发射端x向导轨121、发射端x向滑块122、发射端x向框架123、发射端x向电动推杆124、发射端y向导轨125、发射端y向滑块126、发射端y向框架127、发射端y向电动推杆128和发射端超声波测距传感器129，发射天线移动平台12从空间上可分为发射端x层和发射端y层，两层之间的距离为43mm。

发射端x向导轨121、发射端x向滑块122、发射端x向框架123和发射端x向电动推杆124构成发射端x层，第一传感器支架113固定在发射端x向滑块122上，发射端x向滑块122滑动套接在发射端x向导轨121上，发射端x向导轨121和发射端x向电动推杆124固定在发射端x向框架123，发射端x向电动推杆124的伸出端驱动发射天线单元11沿发射端x向导轨121滑动；

发射端y向导轨125、发射端y向滑块126、发射端y向框架127和发射端y向电动推杆128构成发射端y层，发射端x向框架123固定在发射端y向滑块126上，发射端y向滑块126滑动套接在发射端y向导轨125，发射端y向导轨125和发射端y向电动推杆128固定在发射端y向框架127上，发射端y向电动推杆128的伸出端与发射端x向框架123固定连接，通过发射端y向电动推杆128的伸缩实现发射天线单元11沿发射端y向导轨125滑动。

通过发射天线移动平台12允许安装在其上的发射天线单元11在一个2d平面内移动，可以灵活的调整发射天线单元11的水平位置，便于进行天线对准。

如图7-8所示，微波接收端2包括接收天线单元21和接收天线移动平台22，接收天线单元21安装在接收天线移动平台22上，由接收天线移动平台22提供xy两个方向的移动。接收天线单元21包括微波接收天线211、激光对射传感器发射端212和第二传感器支架213，第二传感器支架213通过天线法兰固定到微波接收天线211的两侧，两个激光对射传感器发射端212分别安装到微波接收天线211两侧的第二传感器支架213上，微波接收天线211与激光对射传感器发射端212组合成了一个整体，激光对射传感器发射端212可以反映微波接收天线211的位置。

所述接收天线移动平台22包括接收端x向导轨221、接收端x向滑块222、接收端x向框架223、接收端x向电动推杆224、接收端y向导轨225、接收端y向滑块226、接收端y向框架227、接收端y向电动推杆228和接收端超声波测距传感器229，接收天线移动平台22从空间上可分为接收端x层和接收端y层，两层之间的距离为43mm。

接收端x向导轨221、接收端x向滑块222、接收端x向框架223和接收端x向电动推杆224构成接收端x层，第二传感器支架213固定在接收端x向滑块222上，接收端x向滑块222滑动套接在接收端x向导轨221上，接收端x向导轨221和接收端x向电动推杆224固定在接收端x向框架223，接收端x向电动推杆224的伸出端驱动接收天线单元21沿接收端x向导轨221滑动；

接收端y向导轨225、接收端y向滑块226、接收端y向框架227和接收端y向电动推杆228构成接收端y层，接收端x向框架223固定在接收端y向滑块226上，接收端y向滑块226滑动套接在接收端y向导轨225，接收端y向导轨225和接收端y向电动推杆228固定在接收端y向框架227上，接收端y向电动推杆228的伸出端与接收端x向框架223固定连接，通过接收端y向电动推杆228的伸缩实现接收天线单元21沿接收端y向导轨225滑动。

通过接收天线移动平台22允许接收天线单元21在一个2d平面内移动，可以灵活的调整接收天线单元21的水平位置，便于进行天线对准。

如图9所示，展示了微波发射端1和微波接收端2与天线升降平台3的连接方式和相对位置，所述天线升降平台3包括机架31、z向导轨32、z向滑块33、发射端升降推杆34和接收端升降推杆35；微波发射端1通过z向滑块33和z向导轨32连接到天线升降平台3，位于天线升降平台3的下半空间，微波发射天线111口径面朝向上方的待测样品；微波接收端2通过z向滑块33和z向导轨32连接到天线升降平台3，位于天线升降平台3的上半空间，微波接收天线211口径面朝向下方的待测样品；四支发射端升降推杆34安装在机架31的上部，其固定端固连在机架31高边的外侧，伸出端通过销钉连接到微波发射端1中发射天线移动平台12的角点，带动发射端1升降运动；四支接收端升降推杆35安装在机架31的下部，其固定端固连在机架31高边的外侧，伸出端通过销钉连接到微波接收端2中接收天线移动平台22的角点，带动微波接收端2升降运动；为避免发射端升降推杆34和接收端升降推杆35的运动之间发生干涉，发射端升降推杆34和接收端升降推杆35的固定端安装在机架31高边不同平面的外侧，相互错开。通过发射端升降推杆34和接收端升降推杆35可以调整微波发射天线111到被测物料的检测距离以及微波发射天线111与微波接收天线211之间的距离。

如图10所示，所述控制单元4包括嵌入式计算机系统401、微控制器402、微波信号发生器403、隔离器404、可变衰减器405、第一定向耦合器406、环形器407、第二定向耦合器408、第三定向耦合器409、鉴相器410、第一检波器411、第二检波器412、第三检波器413、a/d转换器414和温度传感器415；嵌入式计算机系统401通过总线连接到微控制器402，微控制器402与微波信号发生器403相连，微波信号发生器403、隔离器404、可变衰减器405和第一定向耦合器406依次连接，第一定向耦合器406的输出端和耦合端分别连接环形器407和第二定向耦合器408，环形器407分别连接第二检波器412和微波发射天线111，第二定向耦合器408的输出端和耦合端分别连接第一检波器411和鉴相器410，第三定向耦合器409的输出端和耦合端分别连接第三检波器413和鉴相器410，鉴相器410、第一检波器411、第二检波器412和第三检波器413连接到a/d转换器414，a/d转换器414和温度传感器415连接到微控制器402；微波信号发生器403产生装置测量时的微波扫频信号；隔离器404、可变衰减器405、第一定向耦合器406、环形器407、第二定向耦合器408和第三定向耦合器409是构成微波通路的微波器件；第一检波器411、第二检波器412和第三检波器413测量微波信号的衰减，鉴相器410测量微波信号的相移。

本发明的工作过程：

1)天线自动对准；在测量含水率之前，需要完成微波收、发天线之间的对准，以保证两天线波束的主瓣重合，实现微波信号的稳定传输。

(1.1)微波天线的初步对准：

微控制器402控制发射天线移动平台12调整微波发射天线111的水平位置，使微波发射天线111处于放样台34的正下方，两个激光对射传感器接收端112分别通过两个第一支架113固定到微波发射天线111的两侧，激光对射传感器接收端112可以反映微波发射天线111的位置；两个激光对射传感器发射端212分别通过两个第二支架213固定到微波接收天线211的两侧，激光对射传感器发射端212可以代表微波接收天线211的位置；激光对射传感器发射端212向激光对射传感器接收端112方向发射低功率激光信号，如果激光对射传感器接收端112可以顺利接收激光对射传感器发射端212发射的低功率激光信号，激光对射传感器接收端112就不会反馈给微控制器402任何信号；如果激光对射传感器接收端112接收不到激光对射传感器发射端212发射的低功率激光信号，激光对射传感器接收端112将反馈给微控制器402一个低电平信号，微控制器402控制接收天线移动平台22不断调整微波接收天线211的水平位置直至激光对射传感器接收端112不再反馈任何信号，此时就完成了微波天线的初步对准；

(1.2)微波天线的最终对准：

嵌入式计算机系统401发送命令给微控制器402，微控制器402控制微波信号发生器403产生初始功率为p1微波信号，微波信号通过微波发射天线111辐射出去，再由微波接收天线211接收，接收回来的微波信号传输至第三检波器413，第三检波器413测量出接收回的微波信号的功率p2并将该值上传给微控制器402，微控制器402根据p1和p2的值计算出微波信号经微波发射天线111和微波接收天线211后的衰减a1，微控制器402由弗里斯(friis)传输公式计算得出微波信号衰减的理论值a2，微控制器402根据a1和a2的值计算出微波信号的衰减偏差d，如果衰减偏差d超过3db，微控制器控制接收天线移动平台22微调微波接收天线211的水平位置，直到衰减偏差d低于3db，此时就完成了微波天线的最终对准。

2)优化扫频信号；

嵌入式计算机系统401根据待测谷物的种类设置谷物含水率测量装置的中心测量频率f0和测量频带宽度bw，确定初始的微波扫频信号mss，嵌入式计算机系统401发送命令给微控制器402，微控制器402控制微波信号发生器403发出初始的微波扫频信号mss，微波扫频信号mss经过隔离器404和可变衰减器405到达第一定向耦合器406，其中一路信号经过第二定向耦合器408到达第一检波器411，另一路信号经过环形器407到达第二检波器412，第一检波器411和第二检波器412分别测量出天线的输入微波信号功率pin和反射微波信号功率pr，并将pin和pr的值上传给微控制器402，微控制器402计算各测量频点下微波发射天线111的反射系数γ和驻波比ρ，微控制器402保留对应微波发射天线111反射系数γ和驻波比ρ最小的3～5个频点构成优化的微波扫频信号mss’；控制单元4使用优化的微波扫频信号mss’代替单一频率的信号作为含水率测量装置的测量信号，在抑制多重反射影响的同时获得更多的谷物水分信息，而且微波扫频信号mss’切换3～5个不同频率完成一次完整传输仅耗时几毫秒，从而可应用于在线测量；

3)调节测量距离和天线间距离；得到微波扫频信号mss’后就确定了测量频率的区间，综合考虑天线远场条件、含水率测量结果代表性和减小微波空间传输损耗这三个条件，确定微波发射天线111到待测谷物的测量距离以及微波发射天线111与微波接收天线211间的距离。

(3.1)连通装置的微波信号通路：

嵌入式计算机系统401发送命令给微控制器402，微控制器402控制微波信号发生器403产生微波扫频信号mss’；微波扫频信号mss’经过隔离器404和可变衰减器405到达第一定向耦合器406，其中一路信号作为入射波信号经过第二定向耦合器408到达第一检波器411和鉴相器410；另一路信号作为透射波信号依次经过环形器407、微波发射天线111、微波接收天线211和第三定向耦合器409到达第三检波器413和鉴相器410；从微波发射天线111返回的部分信号作为反射波信号经过环形器407到达第二检波器412；由第一检波器411、第二检波器412、第三检波器413和鉴相器410产生的响应信号经过a/d转换器414和微控制器402的处理后，上传给嵌入式计算机系统401，完成装置微波信号通路的连通；

(3.2)根据远场条件确定检测距离的最小值dmin：

天线的辐射远场区是天线实际使用的区域，此区域中场的幅度与离开天线的距离成反比，且场的角分布(即天线方向图)与离开天线的距离无关，天线方向图的主瓣、副瓣和零点都已形成。天线的远场条件为:

式中d是微波发射天线111物理口径的最大尺寸，λ是微波的工作波长，r是被测对象距微波发射天线111的距离；远场条件要求检测距离的最小值dmin＝rmin＝2d²/λ；嵌入式计算机系统401根据当前微波的工作频率f计算微波的工作波长λ，再由远场条件确定检测距离的最小值dmin，记录下dmin的值并传输给微控制器402；

(3.3)由含水率检测结果代表性条件确定检测距离的最大值dmax：

考虑到含水率检测结果的代表性，大部分被测物料囊括在微波辐射面积内就可以保证含水率检测结果的代表性；一定频率下微波波束宽度是确定的，根据半功率点波束宽度和待测物料的宽度计算出使得所有的待测物料囊括在微波的辐射面积内时的检测距离，计算公式为:

式中w是待测物料的宽度，hpbw是半功率点波束宽度，d是微波发射天线111到待测物料的检测距离；继续增大检测距离，微波会作用到非待测物料而引入噪声，而且会加重微波泄露，所以由式(2)可确定检测距离的最大值dmax；嵌入式计算机系统401查询内置的参数表得到当前微波工作频率下微波发射天线111的半功率点波束宽度hpbw，再根据式(2)计算检测距离的最大值dmax，记录下dmax的值并传输给微控制器402；

(3.4)由减小微波空间传输损耗逐步逼近(dmin,dmax)中的最优检测距离dbest：

微波空间传输损耗的计算需要用到天线理论中的弗里斯(friis)传输公式，具体公式如下：

式中pr是微波接收天线211的输出功率，pt是微波发射天线111的输入功率，gt是微波发射天线111的增益，gr是微波接收天线211的增益，r代表传输距离即检测距离的两倍，微控制器402根据发射端超声波测距传感器129测出的检测距离d，控制发射端升降推杆36去调节微波发射端1的竖直位置，直到检测距离达到其最大值dmax；微控制器402通过a/d转换器414读取第一检波器411和第二检波器412的测量结果计算出pt，读取第三检波器413的测量结果计算出pr，再由pt和pr计算出微波空间传输损耗；friis传输公式指出，减小传输距离是降低微波空间传输损耗的有效方法；微控制器402控制发射端升降推杆36缩回，带动微波发射端1上升，以1cm为步进减小检测距离，传输距离会随之减小降低微波空间传输损耗，按上述过程计算出当前检测距离下微波空间传输损耗及其变化率；重复这一过程直至微波空间传输损耗变化率小于1％，认为此时的检测距离是最优检测距离dbest；如果当检测距离减小至dmin时，pr随检测距离减小变化仍然不小于1％，则将天线远场条件确定出的dmin作为最优检测距离dbest。需要说明的是在检测距离调节过程中，微控制器402会同时调节微波发射端1和微波接收端2的位置，使二者对称布置在待测物料的上下两侧。

4)测量谷物含水率

(4.1)装载待测谷物并测量谷物厚度h：

装载待测谷物前接收端超声波测距传感器229测量出微波接收端2到放样台34的距离h1并上传微控制器402，将待测谷物平整地放置在测量空间中的放样台34上，装载待测谷物后接收端超声波测距传感器229测量出微波接收端2到待测谷物表面的距离h2并上传微控制器402，微控制器402由h1与h2之差得出谷物厚度h并上传嵌入式计算机系统401；

(4.2)发射微波扫频信号mss’

嵌入式计算机系统401发送命令给微控制器402，微控制器402控制微波信号发生器403产生微波扫频信号mss’；微波扫频信号mss’经过隔离器404和可变衰减器405到达第一定向耦合器406，其中一路信号作为参比信号经过第二定向耦合器408到达第一检波器411和鉴相器410；另一路信号经过环形器407和微波发射天线111辐射到测量空间，输送机5携带待测谷物从微波发射端1与微波接收端2之间形成的测量空间中穿过，不断更新测量空间中的待测谷物，该路信号与待测谷物相互作用，穿过放样台34中的待测谷物，携带待测谷物水分信息的透射微波信号经过微波接收天线211和第三定向耦合器409到达第三检波器413和鉴相器410；从微波发射天线111返回的部分信号作为反射波信号经过环形器407到达第二检波器412；由第一检波器411、第二检波器412、第三检波器413和鉴相器410产生的响应信号经过a/d转换器414上传给微控制器402；

(4.3)测量微波扫频信号mss’的衰减a和相移φ

第一检波器411、第二检波器412和第三检波器413分别测量出输入的微波信号功率pin、反射微波信号功率pr和透射微波信号功率pt，并上传给微控制器402，微控制器402根据式(4)计算微波扫频信号mss’各频点下信号的衰减a：

微控制器402在计算微波衰减a时考虑反射微波信号的影响，不考虑反射微波信号影响时的衰减值比真实的微波衰减a要大，导致测量的谷物含水率偏大。输入微波信号和透射微波信号传输至鉴相器410，鉴相器410对两个微波信号进行相位比较，得到微波的相移φ：

其中vi和vq是鉴相器(410)输出的反映两微波信号相位差的电压信号；vi和vq通过a/d转换器414上传给微控制器402，微控制器402根据式(5)计算出微波的相移φ。微控制器402将测量出的微波扫频信号mss’的衰减a和相移φ上传给嵌入式计算机系统401；

(4.4)计算待测谷物含水率

对于不同种类的待测谷物进行大量的标定实验，获得待测谷物在不同含水率下，微波扫频信号mss’穿过待测谷物后的衰减a与相移φ、环境温度t和谷物厚度h的测量数据，将微波扫频信号mss’每个测量频点下的衰减a和相移φ与环境温度t和谷物厚度h构成特征矩阵，将谷物含水率作为标签，利用机器学习算法在特征矩阵与标签构成的数据集上训练谷物含水率预测模型，将训练好的谷物含水率预测模型配置在嵌入式计算机系统401中，微控制器402将微波扫频信号mss’每个测量频点下的衰减a和相移φ、环境温度t以及谷物厚度h的测量数据上传给嵌入式计算机系统401，嵌入式计算机系统401调用内置的谷物含水率预测模型计算当前待测谷物的含水率。