摘 要：在紡織品后整理階段，濕度直接影響生產(chǎn)的質(zhì)量和企業(yè)的效益。微波是目前正在研究的一種比較先進(jìn)的在線檢測(cè)方法。本文討論了水對(duì)微波的作用機(jī)理及微波測(cè)濕的原理，提出了克服傳統(tǒng)烘干法不能實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量的缺點(diǎn)的解決方案，介紹了微波濕度檢測(cè)系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì);著重介紹了基于ARM7微處理器的數(shù)據(jù)處理與傳輸?shù)挠布?shí)現(xiàn)。 關(guān)鍵詞：微波 濕度 在線檢測(cè) 織物 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 　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)紡織材料的加工處理提出了新的更高的要求。而紡織印染業(yè)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)收入中占有較大的比例，是我國(guó)主要產(chǎn)業(yè)之一。但我國(guó)每年仍需進(jìn)口幾十億美元的高檔服裝面料用于出口服裝的加工。這主要是因?yàn)槲覈?guó)印染工藝和裝備落后，尤其是自動(dòng)化水平低，染整設(shè)備工藝參數(shù)在線檢測(cè)跟不上，從而導(dǎo)致產(chǎn)品整體水平低，檔次和附加值不高。紡織品檔次的高低在很大程度上取決于染整后處理水平。作為染整后整理的關(guān)鍵工藝參數(shù)，濕度的在線檢測(cè)倍受關(guān)注，它直接影響到工藝的可靠性、合理性。為此國(guó)家明確指出，用先進(jìn)技術(shù)提升、改造紡織等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，提升印染后整理技術(shù)勢(shì)在必行。 　　我國(guó)測(cè)濕技術(shù)的研究有一定的基礎(chǔ)，但在生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用與世界先進(jìn)國(guó)家相比還有一定的距離。國(guó)外已經(jīng)有成熟產(chǎn)品問世，但是這些檢測(cè)系統(tǒng)及傳感器應(yīng)用于國(guó)內(nèi)企業(yè)的生產(chǎn)線時(shí)，還存在價(jià)格高、兼容性差和操作難度大等問題，使之不能在國(guó)內(nèi)廣泛推廣與應(yīng)用。 　　由此可見，在國(guó)內(nèi)研究開發(fā)織物濕度的在線檢測(cè)系統(tǒng)勢(shì)在必行，而使用微波測(cè)濕是目前最有發(fā)展前途的一種方法，它比紅外線法和放射線法好，因后者只能測(cè)樣品表面或具有輻射危害，而微波法則能測(cè)出整個(gè)樣品的濕度或作局部性檢測(cè)，而所需的微波輻射很小對(duì)人體無害。把微波檢測(cè)用于織物濕度的在線檢測(cè)系統(tǒng)并應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制，對(duì)保證產(chǎn)品的質(zhì)量、節(jié)約能源和提高企業(yè)的效益都具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。 1　水對(duì)微波作用機(jī)理與頻率選擇 　　水是一種電介質(zhì)，水分子是非線性結(jié)構(gòu)的，該結(jié)構(gòu)使它產(chǎn)生恒定的偶極矩為，故水是極性物質(zhì)，具有很強(qiáng)的極化特性。在微波電場(chǎng)中，水分子發(fā)生取向極化：一方面，不斷從電場(chǎng)中得到能量而轉(zhuǎn)換為水分子的勢(shì)能并存貯起來，儲(chǔ)存能量用度量;另一方面，由于水分子具有惰性，取向極化運(yùn)動(dòng)相對(duì)于外電場(chǎng)的變化存在一個(gè)時(shí)間上的滯后，稱為弛豫。而電場(chǎng)的變化也使水分子向相反的程序進(jìn)行，即水分子又不斷地釋放能量，釋放能量用度量。前者表現(xiàn)為對(duì)微波信號(hào)的相移，后者表現(xiàn)為對(duì)微波信號(hào)的衰減，這一特性用水分子的介電常數(shù)（電容率）來表征，即有： 　　（1） 　　式中的和分別為 　　（2） 　　（3） 　　在上式中， 為弛豫時(shí)間。 是無限大頻率（光頻）的介電常數(shù)。為靜態(tài)介電常數(shù)，對(duì)應(yīng)極低的頻率[1]。在低頻或高頻時(shí)， 為常數(shù)，其漸進(jìn)值分別為和。它在弛豫頻率附近，轉(zhuǎn)變也很緩慢。其虛部在低頻或高頻情況下，都很小，只是轉(zhuǎn)變區(qū)域變得較大。因?yàn)樵诘皖l區(qū)，極化得以充分進(jìn)行，每周的損耗正比于頻率。而在高頻區(qū)，由于極化不能進(jìn)行，故損耗也隨頻率的升高而消失。實(shí)際上，只是極性損耗消失，而在毫米波波段由于電子和原子極化，總的損耗保持在一個(gè)很小的恒定值上。在弛豫頻率上， 達(dá)到極大值 　　（4） 　　在上式中包含三個(gè)常數(shù)、和。 是由于電子極化和原子極化所產(chǎn)生，因此于溫度無關(guān)。由于隨溫度的升高，無序性增加，使隨溫度的上升而減小。 和溫度成反比的。 　　弛豫過程與溫度、基質(zhì)的物理、化學(xué)和生物特性有關(guān)。水的弛豫頻率處于微波波段，因此水對(duì)微波的吸收比干固體高幾千倍，這種顯著的差別表明，材料中含水量的多少是決定濕材料介電常數(shù)的基本因素，這是根據(jù)測(cè)量材料介電常數(shù)進(jìn)行微波測(cè)濕的物理基礎(chǔ)。濕料在低頻段，因離子導(dǎo)電而使衰減增大， 與濕度的相關(guān)性好，但與濕度的相關(guān)性差。但當(dāng)頻率達(dá)到10GHz以上時(shí)，只與濕度有關(guān)，而與材料無關(guān)[1]，故選用該頻段用于微波測(cè)濕。 2 微波測(cè)濕原理及步驟 　　微波是電磁波中介于普通無線電波（長(zhǎng)波、中波、短波、超短波）與紅外線之間的波段，它是屬于無線電波中波長(zhǎng)最短即頻率最高的波段，其頻率范圍從300MHZ（波長(zhǎng)lm）至300GHZ（波長(zhǎng)0.lmm），按照波長(zhǎng)的不同，通?？梢詫⑽⒉úǘ畏譃榉置撞?、厘米波、毫米波和亞毫米波四個(gè)波段。由于水與干固體對(duì)微波的吸收相差懸殊，且微波對(duì)物體的穿透性強(qiáng)。水分子對(duì)微波作用的宏觀效果是使微波能量發(fā)生衰減，微波接收器獲取的能量變化則反映了基質(zhì)含水量的多少。 　　微波測(cè)濕原理為：利用微波特性來檢測(cè)織物濕度。由發(fā)射天線發(fā)出微波，此波遇到織物時(shí)將被吸收，使微波功率發(fā)生變化。利用接收天線，接收到通過織物的微波，并把它轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路，通過測(cè)量微波的功率損耗，由濕度與微波衰減量的關(guān)系曲線即可以得到濕度，實(shí)現(xiàn)了微波檢測(cè)[2]。微波發(fā)射/接收裝置如圖1所示。 　　測(cè)量步驟為：首先在一定條件下測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)樣品的含水量與微波衰減量的關(guān)系曲線——定標(biāo)曲線。則在同樣條件下，測(cè)定待測(cè)樣品的微波衰減量，就可以從定標(biāo)曲線上查得相應(yīng)的濕度。制作定標(biāo)曲線的標(biāo)準(zhǔn)樣品稱為定標(biāo)樣品，其含水量是由經(jīng)典測(cè)含水量的方法“烘干法”給出的。因此，該測(cè)濕方法屬于相對(duì)測(cè)量。 3 系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 　　3.1 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 　　濕度在線檢測(cè)裝置采用雙通道檢測(cè)方式，主要由信號(hào)源、測(cè)量部分、信號(hào)采集及處理、數(shù)碼顯示和上位機(jī)接口等五部分組成。其基本組成框圖如圖2所示。 　　信號(hào)源采用自帶隔離器的點(diǎn)頻微波源，以防微波反方向傳輸。 　　在數(shù)據(jù)采集電路中，接收/發(fā)射天線采用帶波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的低副瓣透鏡天線，信號(hào)放大電路采用的是直流放大器。 　　微處理器采用的是基于ARM7TDMI 核的S3C44B0X，它包含8通道多路ADC， 8個(gè)地址空間，4路組相聯(lián)統(tǒng)一的8KB Cache，未作為Cache 使用的Cache 存儲(chǔ)空間可作為片內(nèi)SRAM使用，支持5位、6位、7位、8位串行數(shù)據(jù)傳送/接收，16位的看門狗定時(shí)器，1個(gè)基于中斷操作的多主的I[sup]2[/sup]C 總線，完全滿足系統(tǒng)的需要。 　　ARM7TDMI 通過USBN9603 與上位工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。在該設(shè)計(jì)中采用非復(fù)用8位并行總線模式。因?yàn)樵撃Ｊ街袥]有使用DMA 方式，因此DACK 接高電平。CPU 通過譯碼器生成的CS1 對(duì)USB 控制器進(jìn)行選通，USBN9603 通過EXINT0 對(duì)CPU 發(fā)出中斷請(qǐng)求。ARM7TDMI 與USBN9603 的連接如圖3所示。 　　其測(cè)量過程為：信號(hào)源發(fā)送的微波，經(jīng)過可變衰減器、同軸傳輸線后，被T型頭分成兩路：一路經(jīng)過隔離器2和信號(hào)放大電路直接輸入到微處理器;另一路通過波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器輸送到發(fā)射天線，再經(jīng)過織物，被接收天線接收，被接收到的信號(hào)由隔離器3和信號(hào)放大電路，輸入到微處理器。最終兩路信號(hào)經(jīng)過處理后，調(diào)用特征曲線得出濕度，送給顯示電路顯示，完成與上位工控機(jī)的數(shù)據(jù)交換，達(dá)到對(duì)濕度測(cè)量的目的。 　　3.2 軟件設(shè)計(jì) 　　本系統(tǒng)中，軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用C 語言編寫。整個(gè)程序主要包括主程序、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集與處理、查表、顯示和USB 接口控制等子程序模塊。 　　該系統(tǒng)程序的整體設(shè)計(jì)方案是：把S3C44B0X 的初始化子程序作為主程序，調(diào)用其他的子程序?qū)z測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并存儲(chǔ)和顯示結(jié)果。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。 　　在該系統(tǒng)中，上位機(jī)主要通過USB 接口完成與濕度測(cè)量系統(tǒng)的微處理器的實(shí)時(shí)通訊和數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問功能。系統(tǒng)啟動(dòng)后，操作人員通過上位工控機(jī)的人機(jī)界面向系統(tǒng)輸入設(shè)定的濕度范圍，系統(tǒng)通過濕度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)出的濕度，與設(shè)定值相比較，若超出了設(shè)定范圍，系統(tǒng)輸出控制指令，接通相應(yīng)的設(shè)備，并發(fā)出報(bào)警。 　　USB 接口控制程序包括USB 讀/寫、中斷初始化 、初始化USB 和中斷服務(wù)程序幾個(gè)部分。對(duì)USB控制器進(jìn)行讀/寫操作，主要是設(shè)置內(nèi)部地址寄存器，指明要讀/寫數(shù)據(jù)的起始地址;初始化中斷主要是初始化中斷控制器及中斷模式，并指明中斷輸入引腳;初始化USB 需使用USB 讀/寫函數(shù)對(duì)USB 控制器內(nèi)部的控制寄存器進(jìn)行設(shè)置;中斷服務(wù)程序處理USB 控制器產(chǎn)生的中斷，將數(shù)據(jù)從USB 內(nèi)部FIFO 讀出，并建立正確的事件標(biāo)志，以通知主循環(huán)程序處理。流程圖如圖5所示。 4 結(jié)束語 　　本文主要介紹了織物濕度在線檢測(cè)系統(tǒng)，適合于卷染機(jī)、軋染機(jī)和烘房等印染設(shè)備。系統(tǒng)采用對(duì)定標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行3次測(cè)量，然后將3次測(cè)量結(jié)果取算術(shù)平均值的算法，可以達(dá)到消除失配誤差的目的。且利用一種特殊的測(cè)量方法和雙通道硬件電路設(shè)計(jì)，使該系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度和可靠性。目前已完成了微波測(cè)量原理的分析與研究和整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有資源對(duì)該測(cè)量方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)的原理具有可行性和合理性，對(duì)提高染整設(shè)備工藝參數(shù)的在線檢測(cè)技術(shù)水平有重要意義。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 李英. 微波、毫米波傳感器與非電量檢測(cè). 電子工業(yè)出版社,1991 　　[2] 陳立秋. 染整工業(yè)自動(dòng)化. 中國(guó)紡織出版社，2005 　　[3] 孫士平，毛宗源. 基于鎖定放大的砂石含水量微波測(cè)試系統(tǒng)研究. 中國(guó)儀器儀表，2006.9 　　[4] 王淑萍等. 一種微波測(cè)濕實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與研究. 物理實(shí)驗(yàn)，1997.2 　　[5] 左春英, 丁言鎂. 微波測(cè)濕原理及其應(yīng)用. 微波學(xué)報(bào)，2005.4