CN108195852A - 基于可调微波谐振腔技术的纸张含水量检测方法 - Google Patents

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CN108195852A CN201711411202.5A CN201711411202A CN108195852A CN 108195852 A CN108195852 A CN 108195852A CN 201711411202 A CN201711411202 A CN 201711411202A CN 108195852 A CN108195852 A CN 108195852A
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云建斌
李显光
张文清
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
    • G01N22/04—Investigating moisture content

Abstract

本发明提供了基于可调微波谐振腔技术的纸张含水量检测方法，通过纸张含水量与谐振腔相对频率偏移的关系，进行纸张含水量的检测。本发明基于微波谐振腔技术，实现了大量程纸张水分的在线无损测量，利用微波技术对纸张水分进行高精度、快速的测量；本发明设计的谐振腔结构简单，制作方便，使用的方法便捷，检测精确度更高、抗干扰能力更强、工作更稳定。

Description

基于可调微波谐振腔技术的纸张含水量检测方法
技术领域
本发明属于检测领域，特别是涉及到一种基于可调微波谐振腔技术的纸张含水量检测方法。
背景技术
在造纸行业中稳定纸张含水量是保证纸张质量、减少纸病的基本要求；在印刷行业中，纸张含水量达不到规定的标准会对印刷、覆膜产生巨大的影响，而纸张含水量的准确测量是控制纸张内部水分的基础。
目前经常用到的检测方式主要有这几种：重力测湿法、红外线吸收法(NIR)、使用电容式测量仪等，但这几种方法都存在不足：
(1)重力测湿法：由于其操作步骤复杂，测量速度过慢，且对纸张样本存在一定的破坏性，故不能用于印刷行业的快速在线检测；
(2)红外吸收法：在检测过程当中，红外辐射容易被物料中其它成分吸收，导致检测结果出现偏差。另外，红外线的穿透能力比较差，很难把它应用在质量较重纸张含水量的快速检测；
(3)使用电容式测量仪：由于电容式测量仪自身结构的限制，在温度较高时，容易使得测量结果存在较大的误差，对于一些工作环境温度高、要求含水量精确的印刷工艺还是不能满足其要求。
微波具有很强的穿透力，当微波穿过含水物质时，微波自身所携带的能量会被水分吸收或消耗掉一部分，而纸张中的干燥成分(主要是植物纤维)对微波能量的影响极其微弱。进而可以通过微波能量衰减程度来表征物质内部水分含量。另外，微波的穿透性极好，能够穿透高克重纸张，实现含水量的检测。微波测含水量能够实现在线检测，并且具有快速、安全、无接触、不会破坏纸张等优点。
因此，目前亟需一种方法，能利用微波技术实现纸张含水量的检测。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种基于可调微波谐振腔技术的纸张含水量检测方法，利用微波技术对纸张水分进行高精度、快速的测量。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
基于可调微波谐振腔技术的纸张含水量检测方法，通过纸张含水量与谐振腔相对频率偏移的关系，进行纸张含水量的检测。
进一步的，所述纸张含水量与谐振腔谐振频率相对偏移的关系，确定方法为：
(1)计算不含水样本-即绝对干燥纸张放入谐振腔的相对偏移；
计算公式为：
其中，腔内没有物质时的谐振频率为fo；
不含水样本放入腔内时的谐振频率为f1，谐振偏移为δf1；
(2)计算含水样本放入谐振腔的相对偏移；
计算公式为：
其中，含水样本放入腔内时的谐振频率为f2，谐振偏移为δf2；
(3)计算含水样本与不含水样本的谐振频率相对偏移；
计算公式为：
其中，含水样本与不含水样本的谐振偏移为δf；
(4)通过步骤(1)-(3)采集同一样品厚度下，不同含水量的样品的谐振频率相对偏移，进行线性拟合，得到该样品厚度下的关系式；
(5)重复步骤(4)，得到各种样品厚度下的关系式。
更进一步的，所述谐振腔的设计方法包括：
(a)谐振腔设计为矩形谐振腔；依据下面公式计算矩形谐振腔的宽度a和高度b；
其中，λ是谐振频率的波长；
(b)使用HFSS软件中Optimetrics模块对腔体的长度、宽度和高度进行扫描和分析，确定谐振腔与波导最优长度；
(c)根据确定的宽度a和高度b，以及谐振腔与波导的长度和，制作金属腔体，内置开圆孔的薄片作为耦合膜片，耦合膜片在起到耦合作用的同时，将金属腔体分隔为谐振腔与矩形波导，分隔位置依据谐振腔与波导最优长度；
(d)激励源添加在所述矩形波导的外侧端面；所述谐振腔用于放置待测纸张。
相对于现有技术，本发明所述基于可调微波谐振腔技术的纸张含水量检测方法的有益效果为：
本发明基于微波谐振腔技术，实现了大量程纸张水分的在线无损测量，利用微波技术对纸张水分进行高精度、快速的测量；本发明设计的谐振腔结构简单，制作方便，使用的方法便捷，检测精确度更高、抗干扰能力更强、工作更稳定。
附图说明:
图1是本发明所述谐振腔的结构示意图。
其中：
1、金属腔体； 2、耦合膜片；
3、矩形波导； 4、矩形谐振腔；
5、待测样品。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
谐振腔是本发明所研究的微波谐振腔微扰法测纸张含水量所用到的关键部件。谐振腔通常是由导体围绕波导构成的封闭腔体，将电磁波限制在腔体内，使辐射损耗为零，提高了品质因数。谐振腔内部的场在立体空间三维坐标轴方向上全部都以驻波状态分布，又因其腔体封闭，腔内电磁能量不能输出，只能在内部振荡。所以，谐振腔可以用来储能或是选频。
微波谐振腔微扰是指处于谐振腔内部的物质的特征参量发生改变时，腔体内部的电磁场与谐振频率等相关物理量也会发生相应改变。具体表现在，当内部物质的形状和介电常数发生微小改变时，腔体内部场强分布会受到干扰，使其谐振频率发生衰减。根据改变因素的不同，将其分为两大类：一类是通过改变腔内填充物质引起的变化，称为材料微扰；另一类是通过改变物质自身的形状引起的变化，称为形状微扰。通过前面的论述可以知道，当纸张内部水分含量发生改变时，会使得它自身介电常数也发生改变。谐振腔测纸张含水量的原理是当腔体内部样本的含水量变动时，会使其介电常数发生改变，最终将含水量的变动与腔内谐振频率的变化联系起来。
本发明采用的谐振腔如图1所示，图中开圆孔的薄片是设置在金属腔体1的耦合膜片2，在起到耦合作用的同时，将矩形谐振腔4与矩形波导3分隔开来。腔内放置的物质是多层纸张叠放而成的待测样本5。在矩形波导1的左侧端面添加激励源。
矩形谐振腔4尺寸与谐振频率的波长和样本形状有关，其具体关系可以通过下面公式计算得到：
其中，λ是谐振频率的波长；a是矩形谐振腔的宽度，b是矩形谐振腔的高度。
λ的计算公式：其中c是光速，f是谐振频率。
使用HFSS软件中Optimetrics模块对腔体的长度、宽度和高度进行扫描和分析，确定谐振腔与波导最优的长度。
在上述谐振腔内，纸张含水量与谐振腔谐振频率相对偏移的关系，确定方法为：
(1)计算不含水样本-即绝对干燥纸张放入谐振腔的相对偏移；
计算公式为：
其中，腔内没有物质时的谐振频率为fo；
不含水样本放入腔内时的谐振频率为f1，谐振偏移为δf1；
(2)计算含水样本放入谐振腔的相对偏移；
计算公式为：
其中，含水样本放入腔内时的谐振频率为f2，谐振偏移为δf2；
(3)计算含水样本与不含水样本的谐振频率相对偏移；
计算公式为：
其中，含水样本与不含水样本的谐振偏移为δf；
(4)通过步骤(1)-(3)采集同一样品厚度下，不同含水量的样品的谐振频率相对偏移，进行线性拟合，得到该样品厚度下的关系式；
选取纸张样本的厚度为0.4cm、0.5cm、0.6cm进行检测：
一、对于厚度为0.4cm的纸张样本，其含水量与相对频率偏移的关系如表1：
表1纸张含水量与相对频率偏移的关系(样本厚度为0.4cm)
f0(GHz) w(％) f1(GHz) f2(GHz) δf δf/f0
7.946918 0 7.949318 —— —— ——
7.946918 10 —— 7.927717 0.021601 0.002718161
7.946918 20 —— 7.917157 0.032161 0.004046978
7.946918 30 —— 7.901316 0.048002 0.006040329
7.946918 40 —— 7.900516 0.048802 0.006140997
对表中数据使用excel拟合之并经过计算，可以得到纸张含水量(厚度为0.4cm时)与谐振频率相对偏移的关系式，即：
经计算验证，当纸张含水量在10％-40％之间时，二者的相关系数为0.9149。
二、对于厚度为0.5cm的纸张样本，其含水量与相对频率偏移的关系如表2：：
表2纸张含水量与相对频率偏移的关系(样本厚度为0.5cm)
f0(GHz) w(％) f1(GHz) f2(GHz) δf δf/f0
7.946918 0 7.927237 —— —— ——
7.946918 10 —— 7.896356 0.030881 0.003885909
7.946918 20 —— 7.882915 0.044322 0.005577256
7.946918 30 —— 7.865155 0.062082 0.007812085
7.946918 40 —— 7.860194 0.067043 0.008436352
对表中数据使用excel拟合之并经过计算，可以得到纸张含水量(厚度为0.4cm时)与谐振频率相对偏移的关系式，即：
经计算验证，当纸张含水量在10％-40％之间时，二者的相关系数为0.9678。
三、对于厚度为0.6cm的纸张样本，其含水量与相对频率偏移的关系如表3：：
表3纸张含水量与相对频率偏移的关系(样本厚度为0.6cm)
f0(GHz) w(％) f1(GHz) f2(GHz) δf δf/f0
7.946918 0 7.956198 —— —— ——
7.946918 10 —— 7.932837 0.023361 0.002939630
7.946918 20 —— 7.924517 0.031681 0.003986577
7.946918 30 —— 7.917957 0.038241 0.004812054
7.946918 40 —— 7.917477 0.038721 0.004872455
对表中数据使用excel拟合之并经过计算，可以得到纸张含水量(厚度为0.3cm时)与谐振频率相对偏移的关系式，即：
经计算验证，当纸张含水量在10％-40％之间时，二者的相关系数为0.9247。
以上描述了本发明的基本原理、主要特征和实施方案等信息，但是本发明不受上述实施过程的限制，在不脱离发明精神和范围的前提下，本发明还可以有各种变化和改进。因此，除非这种变化和改进脱离了本发明的范围，它们应该被看作包含在本发明中。

Claims (3)

1.基于可调微波谐振腔技术的纸张含水量检测方法，其特征在于，通过纸张含水量与谐振腔相对频率偏移的关系，进行纸张含水量的检测。
2.根据权利要求1所述的基于可调微波谐振腔技术的纸张含水量检测方法，其特征在于，所述纸张含水量与谐振腔谐振频率相对偏移的关系，确定方法为：
(1)计算不含水样本-即绝对干燥纸张放入谐振腔的相对偏移；
计算公式为：
其中，腔内没有物质时的谐振频率为f0；
不含水样本放入腔内时的谐振频率为f1，谐振偏移为δf1；
(2)计算含水样本放入谐振腔的相对偏移；
计算公式为：
其中，含水样本放入腔内时的谐振频率为f2，谐振偏移为δf2；
(3)计算含水样本与不含水样本的谐振频率相对偏移；
计算公式为：
其中，含水样本与不含水样本的谐振偏移为δf；
(4)通过步骤(1)-(3)采集同一样品厚度下，不同含水量的样品的谐振频率相对偏移，进行线性拟合，得到该样品厚度下的关系式；
(5)重复步骤(4)，得到各种样品厚度下的关系式。
3.根据权利要求1或2所述的基于可调微波谐振腔技术的纸张含水量检测方法，其特征在于，所述谐振腔的设计方法包括：
(a)谐振腔设计为矩形谐振腔；依据下面公式计算矩形谐振腔的宽度a和高度b；
其中，λ是谐振频率的波长；
(b)使用HFSS软件中Optimetrics模块对腔体的长度、宽度和高度进行扫描和分析，确定谐振腔与波导最优长度；
(c)根据确定的宽度a和高度b，以及谐振腔与波导的长度和，制作金属腔体，内置开圆孔的薄片作为耦合膜片，耦合膜片在起到耦合作用的同时，将金属腔体分隔为谐振腔与矩形波导，分隔位置依据谐振腔与波导最优长度；
(d)激励源添加在所述矩形波导的外侧端面；所述谐振腔用于放置待测纸张。
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