摘 要：在紡織品后整理階段，濕度直接影響生產的質量和企業的效益。微波是目前正在研究的一種比較先進的在線檢測方法。本文討論了水對微波的作用機理及微波測濕的原理，提出了克服傳統烘干法不能實現在線測量的缺點的解決方案，介紹了微波濕度檢測系統的軟、硬件設計;著重介紹了基于ARM7微處理器的數據處理與傳輸的硬件實現。 關鍵詞：微波 濕度 在線檢測 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 　　隨著科學技術的發展，人們對紡織材料的加工處理提出了新的更高的要求。而紡織印染業在我國國民經濟收入中占有較大的比例，是我國主要產業之一。但我國每年仍需進口幾十億美元的高檔服裝面料用于出口服裝的加工。這主要是因為我國印染工藝和裝備落后，尤其是自動化水平低，染整設備工藝參數在線檢測跟不上，從而導致產品整體水平低，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鍵工藝參數，濕度的在線檢測倍受關注，它直接影響到工藝的可靠性、合理性。為此國家明確指出，用先進技術提升、改造紡織等傳統產業，提升印染后整理技術勢在必行。 　　我國測濕技術的研究有一定的基礎，但在生產實際中的應用與世界先進國家相比還有一定的距離。國外已經有成熟產品問世，但是這些檢測系統及傳感器應用于國內企業的生產線時，還存在價格高、兼容性差和操作難度大等問題，使之不能在國內廣泛推廣與應用。 　　由此可見，在國內研究開發織物濕度的在線檢測系統勢在必行，而使用微波測濕是目前最有發展前途的一種方法，它比紅外線法和放射線法好，因后者只能測樣品表面或具有輻射危害，而微波法則能測出整個樣品的濕度或作局部性檢測，而所需的微波輻射很小對人體無害。把微波檢測用于織物濕度的在線檢測系統并應用于生產實際，實現對設備的控制，對保證產品的質量、節約能源和提高企業的效益都具有一定的現實意義。 1　水對微波作用機理與頻率選擇 　　水是一種電介質，水分子是非線性結構的，該結構使它產生恒定的偶極矩為，故水是極性物質，具有很強的極化特性。在微波電場中，水分子發生取向極化：一方面，不斷從電場中得到能量而轉換為水分子的勢能并存貯起來，儲存能量用度量;另一方面，由于水分子具有惰性，取向極化運動相對于外電場的變化存在一個時間上的滯后，稱為弛豫。而電場的變化也使水分子向相反的程序進行，即水分子又不斷地釋放能量，釋放能量用度量。前者表現為對微波信號的相移，后者表現為對微波信號的衰減，這一特性用水分子的介電常數（電容率）來表征，即有： 　　（1） 　　式中的和分別為 　　（2） 　　（3） 　　在上式中， 為弛豫時間。 是無限大頻率（光頻）的介電常數。為靜態介電常數，對應極低的頻率[1]。在低頻或高頻時， 為常數，其漸進值分別為和。它在弛豫頻率附近，轉變也很緩慢。其虛部在低頻或高頻情況下，都很小，只是轉變區域變得較大。因為在低頻區，極化得以充分進行，每周的損耗正比于頻率。而在高頻區，由于極化不能進行，故損耗也隨頻率的升高而消失。實際上，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很小的恒定值上。在弛豫頻率上， 達到極大值 　　（4） 　　在上式中包含三個常數、和。 是由于電子極化和原子極化所產生，因此于溫度無關。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、基質的物理、化學和生物特性有關。水的弛豫頻率處于微波波段，因此水對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的基本因素，這是根據測量材料介電常數進行微波測濕的物理基礎。濕料在低頻段，因離子導電而使衰減增大， 與濕度的相關性好，但與濕度的相關性差。但當頻率達到10GHz以上時，只與濕度有關，而與材料無關[1]，故選用該頻段用于微波測濕。 2 微波測濕原理及步驟 　　微波是電磁波中介于普通無線電波（長波、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最短即頻率最高的波段，其頻率范圍從300MHZ（波長lm）至300GHZ（波長0.lmm），按照波長的不同，通常可以將微波波段分為分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波四個波段。由于水與干固體對微波的吸收相差懸殊，且微波對物體的穿透性強。水分子對微波作用的宏觀效果是使微波能量發生衰減，微波接收器獲取的能量變化則反映了基質含水量的多少。 　　微波測濕原理為：利用微波特性來檢測織物濕度。由發射天線發出微波，此波遇到織物時將被吸收，使微波功率發生變化。利用接收天線，接收到通過織物的微波，并把它轉化為電信號，再經過信號調理電路，通過測量微波的功率損耗，由濕度與微波衰減量的關系曲線即可以得到濕度，實現了微波檢測[2]。微波發射/接收裝置如圖1所示。 　　測量步驟為：首先在一定條件下測得標準樣品的含水量與微波衰減量的關系曲線——定標曲線。則在同樣條件下，測定待測樣品的微波衰減量，就可以從定標曲線上查得相應的濕度。制作定標曲線的標準樣品稱為定標樣品，其含水量是由經典測含水量的方法“烘干法”給出的。因此，該測濕方法屬于相對測量。 3 系統整體的設計與實現 　　3.1 系統電路設計 　　濕度在線檢測裝置采用雙通道檢測方式，主要由信號源、測量部分、信號采集及處理、數碼顯示和上位機接口等五部分組成。其基本組成框圖如圖2所示。 　　信號源采用自帶隔離器的點頻微波源，以防微波反方向傳輸。 　　在數據采集電路中，接收/發射天線采用帶波導同軸轉換器的低副瓣透鏡天線，信號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個地址空間，4路組相聯統一的8KB Cache，未作為Cache 使用的Cache 存儲空間可作為片內SRAM使用，支持5位、6位、7位、8位串行數據傳送/接收，16位的看門狗定時器，1個基于中斷操作的多主的I[sup]2[/sup]C 總線，完全滿足系統的需要。 　　ARM7TDMI 通過USBN9603 與上位工控機進行數據的交換。在該設計中采用非復用8位并行總線模式。因為該模式中沒有使用DMA 方式，因此DACK 接高電平。CPU 通過譯碼器生成的CS1 對USB 控制器進行選通，USBN9603 通過EXINT0 對CPU 發出中斷請求。ARM7TDMI 與USBN9603 的連接如圖3所示。 　　其測量過程為：信號源發送的微波，經過可變衰減器、同軸傳輸線后，被T型頭分成兩路：一路經過隔離器2和信號放大電路直接輸入到微處理器;另一路通過波導轉換器輸送到發射天線，再經過織物，被接收天線接收，被接收到的信號由隔離器3和信號放大電路，輸入到微處理器。最終兩路信號經過處理后，調用特征曲線得出濕度，送給顯示電路顯示，完成與上位工控機的數據交換，達到對濕度測量的目的。 　　3.2 軟件設計 　　本系統中，軟件采用模塊化結構設計，用C 語言編寫。整個程序主要包括主程序、A/D轉換、數據采集與處理、查表、顯示和USB 接口控制等子程序模塊。 　　該系統程序的整體設計方案是：把S3C44B0X 的初始化子程序作為主程序，調用其他的子程序對檢測的數據進行處理，并存儲和顯示結果。系統主程序流程圖如圖4所示。 　　在該系統中，上位機主要通過USB 接口完成與濕度測量系統的微處理器的實時通訊和數據庫的訪問功能。系統啟動后，操作人員通過上位工控機的人機界面向系統輸入設定的濕度范圍，系統通過濕度測量系統測出的濕度，與設定值相比較，若超出了設定范圍，系統輸出控制指令，接通相應的設備，并發出報警。 　　USB 接口控制程序包括USB 讀/寫、中斷初始化 、初始化USB 和中斷服務程序幾個部分。對USB控制器進行讀/寫操作，主要是設置內部地址寄存器，指明要讀/寫數據的起始地址;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/寫函數對USB 控制器內部的控制寄存器進行設置;中斷服務程序處理USB 控制器產生的中斷，將數據從USB 內部FIFO 讀出，并建立正確的事件標志，以通知主循環程序處理。流程圖如圖5所示。 4 結束語 　　本文主要介紹了織物濕度在線檢測系統，適合于卷染機、軋染機和烘房等印染設備。系統采用對定標點進行3次測量，然后將3次測量結果取算術平均值的算法，可以達到消除失配誤差的目的。且利用一種特殊的測量方法和雙通道硬件電路設計，使該系統具有較高的測量精度和可靠性。目前已完成了微波測量原理的分析與研究和整個測量系統的設計，并利用實驗室現有資源對該測量方法進行了實驗驗證。研究結果表明，該系統的原理具有可行性和合理性，對提高染整設備工藝參數的在線檢測技術水平有重要意義。 參考文獻 　　[1] 李英. 微波、毫米波傳感器與非電量檢測. 電子工業出版社,1991 　　[2] 陳立秋. 染整工業自動化. 中國紡織出版社，2005 　　[3] 孫士平，毛宗源. 基于鎖定放大的砂石含水量微波測試系統研究. 中國儀器儀表，2006.9 　　[4] 王淑萍等. 一種微波測濕實驗的設計與研究. 物理實驗，1997.2 　　[5] 左春英, 丁言鎂. 微波測濕原理及其應用. 微波學報，2005.4