Microwave Sensor Using Free‐Space Technique for Moisture Measurement

Microwave Sensor Using Free‐Space Technique for Moisture Measurement

著者 Zhang Yangjun

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静岡大学大学院電子科学研究科研究報告

volume 22

page range 143‑145

year 2001‑03‑30

出版者 静岡大学大学院電子科学研究科

URL http://hdl.handle.net/10297/1500

氏名 。(本籍

) 

学 位 の種 類

学 位 記 番 号

  198  

学位授与の要件

学位論文題目

   MicЮ

Space Techdque for Moisture Metturenlent

(水分計測における自由空間技術 を用いたマイクロ波セン サに関する研究)

論 文 審 査 委 員   (委員長)

教 授 岡 本 尚 道

目田 文 内 容 の 要 旨

Modern machinery in agriculture and industrial processes needs on-line, non-contacting measurement equip- ment. Among a variety of moisture meters, moisture content measurement using microwave free-space tech- nique is the most interesting. Even though some instruments and equipment based on microwave free-space technique for determining moisture content are presently available, there is still a continuing need for further development of rapid, low-cost and more practical moisture measurement.

This thesis is a study on the moisture content measurement using microwave free-space technique. A new method to reduce influence in the measurement setup and new principles for density-independent moisture measurement are proposed in the thesis.

The first chapter describes the background and purpose of the study. In the second chapter, the microwave interaction with dielectric material is discussed. Theory about the interaction is the fundamental of this study.

The measurement setup using the microwave free-space setup is described in third chapter. At first, influence caused by mismatch and multiple reflections over frequency range from 8 to 13 GLtzis analyzed, then a new method to reduce the influence of multiple reflections is proposed. The new method uses two pieces of absorb- ing material inserted between the antenna and the sample. It is simple and easily realized in the practical mea-

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surement.A senous ofexpe五 IIlellts proved that the new method is valid to improve the accuracy of attenuation and phase shit measurement.The rnaxilnunl error in the rneasurement of attenuation and phase shift by the improve fFeC― Space setup are approximately O.3 dB and 2 degree,while that by the conventional frec‐ space setup are about l.5 dB and 10 degree.

Using the llleasureIIlent setuP,microwave attenuation and phase shit caused by timber,tea leaves and saw¨

dust were measured.The fourth chapter desc五bes the relation between micЮ wave paraIIleters and moisture content,together with the effects contnbuted by density,thickness and ttDquency.The expenIIlent results show that either the attenuation or the phase shit increasOs with the moismre contentincreasing,and is nearly a lnear inction ofdensity.At a cer● in iequency and a cenln temperature,the func■ons for the attenuation and the phase shitt with respect to density,thickness and moisture content are obtained empi五 cally.Itis shown th江 威 different frequency different function can be ob住」ned because both the attenuation and the phase shift are

Lquency dttendent.

h Chapter 5,two new lnethods for density‐ independent moisture measurement are proposed based on the lneasurement results of attenuation and phase shit.One method uses the attenuations at 9 and 12 GHz,and the Other uses the phase shilLs at 9 and 12(3比 .Both inethods are able to deterlmne lnoisture content without any knowledge ofthickness and densiり of material under tst.The lneぬ ods are used for ttc IIloiSmre m∽ surement oftea leaves and timbers.The IIlethod using two attenuations can ineasure the moisture content oftimber in the range hm 2to 20%with a mean error of 2.3%.By the methods using two phase shits,the rrlean value of error in the moisture detenmnatlon is l.3%for dmberin the nЮ isture range mm 2 to 30%,and l.7%for tea leaves in the same moismre rangeo Companng with the reported density― independent methods,the new methods have the advantage to measure moisture content using only one microwave detectors.魚 皿 饉ona■y,the method using 帥O phase shi■ s has the ability to measure low moisture content.

Itis well known that all micЮ wave moisture sensors are based on the IIucrowave interaction with matenal.

The interactton is dependent on the dielectric Properties of mate五 al,which is mainly decided by the moisture condned in the mate五alo Mbisture colltent lneasurelnent fbm the dielectric PЮ perties is uschl and attracive.

Such inethod can be used in lmЮ re applications because the dielectnc properties can be obtalned by《 五fferent microwave techniques.There is only one funcdon ofdiel∝

^tric PЮ perties for the density―

perties for density‐

on is based oll the IIloisture measure‐

ment by the new method using two phase shits attwo different frequencies.It uses the dielectric constants of material江 田o direrent ttequencies.Validity ofthe new inclon is pFOVed by the expenlnent results ofdmber and sawdust.The new method is expected to be an addidonalselection in the design ofnew面 crowave moismre meter.

Companson ofthe new methods with otherIIlethods using the mcrowave frec‐space techniquc is discussed in the last chapter.Further study forthe new methods is also pЮ posed.

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論 文 審 査 結 果 の 要 旨

物質の含水率を非接触で計測する方法 としてマイクロ波の利用が注 目されてお り、マイクロ波の伝 搬経路 に被測定物質を配 し計測する「 自由空間技術」に属する測定法が最近実用に供 された。この測定 法は試料厚 さおよび密度変化の影響を受けるため試料重量を制御することによりこれらの影響を低減 させているが、本材のように固形で厚 さおよび密度が異なる物質に対 しては適用できず、応用範囲拡 大の障害 となっている。

本論文はマイクロ波 自由空間技術 を用いる水分計測装置において被測定物質の厚 さおよび密度に影 響 されない測定方法の確立を目的 とした研究を纏めたものである。被測定物質 とマイクロ波の相互作 用 に着 日した理論解析および解析結果に基づいて提案 した新 しい測定方法ならびに実験結果を7章 に 分 け記述 している。

第^1、2章では本研究の背景、目的、お よび基本的理論 について述べている。第3章 では、測定精度に 影響を与える電磁波の被測定物質表面での反射 について理論解析 し、電波吸収体 を用いることで多重 反射の影響 を低減 させる新 しい方法を提案 している。この方法は減衰量および移相量の測定誤差を従 来法の

1/7に

第4章 では、被測定物質の厚 さおよび密度に影響 されない新 しい含水率測定方法を考案するための 基礎 として、数種類の木材お よびおが くずのマイクロ波特性 を測定 している。第5章 ではこの結果 に 基づいた新 しい二つの含水率測定方法 を提案 している。第^1の方法は、異なる^2つの周波数におけるマ イクロ波減衰量か ら含水率 を求める方法であ り、種類、厚 さおよび密度が異なる含水率^2〜20%の木 材 を平均誤差2.3%の 精度で測定できた。第^2の方法は、異なる^2つの周波数におけるマイクロ波移相 量か ら含水率 を求める方法であ り、含水率^2〜30%の木材お よび^6〜32%の緑茶 をそれぞれ^1。4%およ

び1.2%の 平均誤差で測定でき、提案 した方法の有効性を示 している。第^6章では、移相量か ら得 られ る被測定物質の誘電率について解析検討 し、誘電率の実部から得 られる新 しい誘電率関数が含水率 と 良 く対応 していることを示 し、将来の理論解析 に役立つ ことを述べている。

第7章 は結論であ り、本研究の成果 として減衰 または移相のいずれか一方の検出器のみを用いて被 測定物質の厚 さ・密度に影響 されない含水率測定システムを実現 したこと、その優位性を他の方法 と 比較 して示 している。この測定法は装置の簡単化が可能であること、品種などの組成の違いにも幅広

く対応で きることが期待で きるため、生産 ラインでの水分計測装置 として有望である。

以上の知見お よび成果はマイクロ波応用計測技術 に多大な寄与があると共に、含水率計測を必要 と する工業および農業分野への貢献が大である。よって本論文は博士(工学)を授与するに充分であるこ

とを認める。

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