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【摘要】：针对造纸行业定量较轻的薄纸，用微波法测量，研制成用单面开槽波导作为传感元件的传感器及其测量电路用微波衰减法测定水份，可以在线测量（定量200g～600g/m?纸的水份瞬时平均值，但遇到纸的定量在100g/m?以下，单面开槽波导传感器就不适合纸页通过波导管测量面上，故吸收微波功率小，灵活度低，而信号处理电路需要放大倍数高，易产生电路不稳定，因此我们采用了一种非接触式薄纸测量水份装置，本文着重介绍一种专门适用于低定量薄纸水份测量的非接触式波导传感器。
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【关键词】 ： 微波 水份 低定量 非接触传感器
1 、引言
随着科技是第一生产力这一观念的形成，科技在实践中的应用迅速发展，在造纸工业中，水份测量领域内，纸业的水份含量是一个重要的质量指标，目前运用较广泛的是微波法（谐振）和红外测湿，并在此基础上与计算机组成系统控制，可改善纸页质量，节省纤维，节约能源，提高纸机效率，降低纸机断纸次数，提高生产效率。因此，在生产过程中纸页水份仪的在线连续测量是造纸行业的重要一环。因此我们采用了微波法测量纸页水份
2、微波测量水份的原理：
当被测量物体在有一定的微波能量通过的传感器的开槽口上经过时，会导致微波能量衰减，。微波能量衰减常数α质的介电特性可以由复合介电常数表示。式中 代表物料的电场形式蓄能有关的一个量。 则表示以热能形式损耗有关的量。介电常数和介电损耗的数值是决定物料的微波能量反射、传输和吸收有关的量值，即对微波能量损耗有关的量值，
在微波频率为10GHZ时，由于水 含的水份对纸的复合介电常数影响很大，即纸中水份越大，则它的介电常数也就越大。当纸通过传感器的传感元件时将导致微波能量的损耗增大。据衰减量即可得到该纸含水量。也即通过测量含水物质的介电特性而测得含水量。
本仪器应用本所研制的T-1型微波体效应振荡器产生的微波功率经隔离器及衰减器调节在一定的功率值，经传感器元件至测功率探头，当被测纸经过传感器元件的开槽处，导致微波功率损耗，并有功率探头检测，计算机处理在主机上显示出水份值。
3、传感器的设计、安装及测量电路
传感器主要由五个部件组成
（3.1）微波发生器：我们采用T-1型微波震荡器。它是使用2ETX3体效应管（Gunn diode）做成的微波发生器。体效应或称耿氏效应（Gunn's effect）是1963年GunnJB在实验中研究N型GaAS均匀样品的高场电流关系时，耿氏观察到了电流震动。在六十年代后期国外市场上有耿氏振荡器商品出售。由于它的寿命长（5万小时以上）。比以往用以发生微波的调速管寿命长100多倍。T-1是我们所设计制造的工业用微波发生器。工作电压低（11伏直流），性能稳定及可靠性高、耐震，比使用调速管能减少大量的日常维护工作，使微波测水能实际用于工业上。它的震荡腔是同轴腔（TEM波）转换入波导腔（TE10波）。
体效应震荡器的腔体设计，主要是对于已选定的体效应管求出输出功率最大时的频率Fm，和对应的腔体内径D。腔体心直径d。，腔长三个参数。
（3.2）隔离器（BG-Ic。型）使T-1型产生的微波能是向前方行进时衰减极小（≤1db）.但如有能量返回时则反向 衰减很大（≧20db）.这样，就使T-1可靠和稳定的工作。
（3.3）衰减器（BG-1型）、内部装有一个可调节的电阻性衰减片。它调节（即衰减）微波的能量至一定值（本仪器为16mw）.
（3.4）功率探头采用双电桥式测量座加补偿的办法消除环境影响如图：
这是直流替代测量电路，电路闭环设计为正反馈形式，当加在 Rt 上的微波功率 P` 变化时，Rt 将发生变化，导致 Uab 发生变化，U1 就随之变化，同时通过 Rt 上的电流 I也变化 △I 。但其变化规律总是要使 Rt 等于桥路设计阻值 R。 ，保持桥路平衡，这一自动平衡过程可表示如下：
P↑→R↓→V↓→V→I→R↑，根据替代原理，R上的电流I的变化引起的直流功率就等效与加在R上的微波功率。而我们的设计有V1=Rt· = ，因此，测出V，就得到微波功率P.
（3.5） 传感器开槽波导，开槽宽度，波导覆盖材料的选用
开槽波导采用U型波导，如图：
U型波导的窄缝开在波导宽面的中心线位置上，由于在波导宽面中心线上的电场强度最大，因此，当被测物从窄缝中心穿过时，很小的水份变化即可引起吸收功率的很大变化，因此，这种测量方式的灵敏度较高，所以可用于薄带状，线列等总含水量较低，而精度要求较高的场合，U型波导的窄缝宽度要求能通过被测物，但又不向外辐射微波能量，因此缝宽一般不超过6mm，z在传感器开槽上必须覆盖上一层绝缘材料薄膜，让被测物在覆盖材料上滑動过去进行测量，否则被测物料会掉入波导内，使测量无法进行或引起很大的误差，这个覆盖材料必须有合适的?及较小的?，满足上述条件外还需要有较好的机械耐磨性和强度，以免物料通过时磨损而换覆盖层造成维修量大，另外我们注意到覆盖材料必须对水份有吸着性小，附着性小的特性，否则由于覆盖材料的吸着水和附着水的影响，将队测量指标值引入附加误差，我们参阅了一些绝缘材料的物理性能，并做了些实验，选用聚四氟已烯为覆盖材料。
4、仪器的定标：
（4.1） 静态定标：用于曲线拟合，定标后检验仪器的重复性等各项性能，并可在实验室测定纸张，其定标方法如下：
将不同水份的湿纸样覆盖在传感器元件上进行检验，记录仪器读数。
按国际标准ISO及轻工业部部颁标准指定的纸页水份测定方法（烘箱法）测得`样品的水份值，和仪器读数相比较。
（4.2）动态定标：
多次在线随机取样，按部颁标准用烘箱法测得%水份值及 含水量。并列表用图解法或计算器，计算机算出有关系数，因为在生产线上采样，很难多次取得较大和较小的水份值，所以必须参阅静态诺模图。
由于涂布纸含水量合格产品1%-2%H2O，优质产品0.8%-1%H2O，而本仪器在线动态实测时的精度为0.6%H2O，（标准离差 ó），满足水份测量的要求。由于仪器能显示反映纸页水份情况，给生产工人及时地调整纸机的烘干程度，纸浆浓度，使厂方因水份超标而造成的副品大大降低，为我国造纸行业簿纸的水份测定填补了空白。
结 束 语
本文设计了一种针对纸张定量必较低的簿纸的新型传感器波导接收装置，它使用非接触方式，提高了仪器的灵敏度和稳定性，有许多测量方式无法比拟的独特优点，延长仪器传感器使用寿命，由于其独特的使用方法和优点，已成为簿纸生产厂家的检测水份装置的必然选择，本文所描述的器件具体的设计不重要，重要的是系统的应用理念，解决方案。
参考文献：
1.赵春晖 张朝柱 编 微波技术 高等教育出版社 2007
2.汤世贤 编微波测量 国防工业出版社 1981
3.朱明等编 微波电路 国防科技大学出版社 1994 8
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【关键词】 ： 微波 水份 低定量 非接触传感器
1 、引言
随着科技是第一生产力这一观念的形成，科技在实践中的应用迅速发展，在造纸工业中，水份测量领域内，纸业的水份含量是一个重要的质量指标，目前运用较广泛的是微波法（谐振）和红外测湿，并在此基础上与计算机组成系统控制，可改善纸页质量，节省纤维，节约能源，提高纸机效率，降低纸机断纸次数，提高生产效率。因此，在生产过程中纸页水份仪的在线连续测量是造纸行业的重要一环。因此我们采用了微波法测量纸页水份
2、微波测量水份的原理：
当被测量物体在有一定的微波能量通过的传感器的开槽口上经过时，会导致微波能量衰减，。微波能量衰减常数α质的介电特性可以由复合介电常数表示。式中 代表物料的电场形式蓄能有关的一个量。 则表示以热能形式损耗有关的量。介电常数和介电损耗的数值是决定物料的微波能量反射、传输和吸收有关的量值，即对微波能量损耗有关的量值，
在微波频率为10GHZ时，由于水 含的水份对纸的复合介电常数影响很大，即纸中水份越大，则它的介电常数也就越大。当纸通过传感器的传感元件时将导致微波能量的损耗增大。据衰减量即可得到该纸含水量。也即通过测量含水物质的介电特性而测得含水量。
本仪器应用本所研制的T-1型微波体效应振荡器产生的微波功率经隔离器及衰减器调节在一定的功率值，经传感器元件至测功率探头，当被测纸经过传感器元件的开槽处，导致微波功率损耗，并有功率探头检测，计算机处理在主机上显示出水份值。
3、传感器的设计、安装及测量电路
传感器主要由五个部件组成
（3.1）微波发生器：我们采用T-1型微波震荡器。它是使用2ETX3体效应管（Gunn diode）做成的微波发生器。体效应或称耿氏效应（Gunn's effect）是1963年GunnJB在实验中研究N型GaAS均匀样品的高场电流关系时，耿氏观察到了电流震动。在六十年代后期国外市场上有耿氏振荡器商品出售。由于它的寿命长（5万小时以上）。比以往用以发生微波的调速管寿命长100多倍。T-1是我们所设计制造的工业用微波发生器。工作电压低（11伏直流），性能稳定及可靠性高、耐震，比使用调速管能减少大量的日常维护工作，使微波测水能实际用于工业上。它的震荡腔是同轴腔（TEM波）转换入波导腔（TE10波）。
体效应震荡器的腔体设计，主要是对于已选定的体效应管求出输出功率最大时的频率Fm，和对应的腔体内径D。腔体心直径d。，腔长三个参数。
（3.2）隔离器（BG-Ic。型）使T-1型产生的微波能是向前方行进时衰减极小（≤1db）.但如有能量返回时则反向 衰减很大（≧20db）.这样，就使T-1可靠和稳定的工作。
（3.3）衰减器（BG-1型）、内部装有一个可调节的电阻性衰减片。它调节（即衰减）微波的能量至一定值（本仪器为16mw）.
（3.4）功率探头采用双电桥式测量座加补偿的办法消除环境影响如图：
这是直流替代测量电路，电路闭环设计为正反馈形式，当加在 Rt 上的微波功率 P` 变化时，Rt 将发生变化，导致 Uab 发生变化，U1 就随之变化，同时通过 Rt 上的电流 I也变化 △I 。但其变化规律总是要使 Rt 等于桥路设计阻值 R。 ，保持桥路平衡，这一自动平衡过程可表示如下：
P↑→R↓→V↓→V→I→R↑，根据替代原理，R上的电流I的变化引起的直流功率就等效与加在R上的微波功率。而我们的设计有V1=Rt· = ，因此，测出V，就得到微波功率P.
（3.5） 传感器开槽波导，开槽宽度，波导覆盖材料的选用
开槽波导采用U型波导，如图：
U型波导的窄缝开在波导宽面的中心线位置上，由于在波导宽面中心线上的电场强度最大，因此，当被测物从窄缝中心穿过时，很小的水份变化即可引起吸收功率的很大变化，因此，这种测量方式的灵敏度较高，所以可用于薄带状，线列等总含水量较低，而精度要求较高的场合，U型波导的窄缝宽度要求能通过被测物，但又不向外辐射微波能量，因此缝宽一般不超过6mm，z在传感器开槽上必须覆盖上一层绝缘材料薄膜，让被测物在覆盖材料上滑動过去进行测量，否则被测物料会掉入波导内，使测量无法进行或引起很大的误差，这个覆盖材料必须有合适的?及较小的?，满足上述条件外还需要有较好的机械耐磨性和强度，以免物料通过时磨损而换覆盖层造成维修量大，另外我们注意到覆盖材料必须对水份有吸着性小，附着性小的特性，否则由于覆盖材料的吸着水和附着水的影响，将队测量指标值引入附加误差，我们参阅了一些绝缘材料的物理性能，并做了些实验，选用聚四氟已烯为覆盖材料。
4、仪器的定标：
（4.1） 静态定标：用于曲线拟合，定标后检验仪器的重复性等各项性能，并可在实验室测定纸张，其定标方法如下：
将不同水份的湿纸样覆盖在传感器元件上进行检验，记录仪器读数。
按国际标准ISO及轻工业部部颁标准指定的纸页水份测定方法（烘箱法）测得`样品的水份值，和仪器读数相比较。
（4.2）动态定标：
多次在线随机取样，按部颁标准用烘箱法测得%水份值及 含水量。并列表用图解法或计算器，计算机算出有关系数，因为在生产线上采样，很难多次取得较大和较小的水份值，所以必须参阅静态诺模图。
由于涂布纸含水量合格产品1%-2%H2O，优质产品0.8%-1%H2O，而本仪器在线动态实测时的精度为0.6%H2O，（标准离差 ó），满足水份测量的要求。由于仪器能显示反映纸页水份情况，给生产工人及时地调整纸机的烘干程度，纸浆浓度，使厂方因水份超标而造成的副品大大降低，为我国造纸行业簿纸的水份测定填补了空白。
结 束 语
本文设计了一种针对纸张定量必较低的簿纸的新型传感器波导接收装置，它使用非接触方式，提高了仪器的灵敏度和稳定性，有许多测量方式无法比拟的独特优点，延长仪器传感器使用寿命，由于其独特的使用方法和优点，已成为簿纸生产厂家的检测水份装置的必然选择，本文所描述的器件具体的设计不重要，重要的是系统的应用理念，解决方案。
参考文献：
1.赵春晖 张朝柱 编 微波技术 高等教育出版社 2007
2.汤世贤 编微波测量 国防工业出版社 1981
3.朱明等编 微波电路 国防科技大学出版社 1994 8